Проектирование оптической системы мониторинга среды

Габаритный чертеж фотоприемника представлен на рисунке 5:

Рисунок 5 – Габаритный чертеж

2 Определение концентрации загрязнителя

По ширине спектральной линии лазера проверим, не сливаются ли выбранные длины волн:

нм > 0,5 нм – условие выполнено.

Поглощение излучения в среде происходит по закону Бугера:

, где

W0 - мощность источника;

W – Мощность излучения;

α – коэффициент поглощения среды;

z – Расстояние, на котором происходит измерение концентрации, в нашем случае z = 1м.

Для того чтобы спроектировать прибор для лазерного зондирования необходимо сопоставить интенсивности на двух длинах волн:

W1 – мощность волны, которая не сильно поглощается в среде (опорная волна);

W2 – мощность волны, которая сильно поглощается в среде.

Коэффициент поглощения в среде представляет собой сумму коэффициента поглощения атмосферы и коэффициента поглощения загрязнителя:

.

Так как спектр поглощения дан для концентрации загрязнителя 100%, то учитывая, что коэффициент загрязнителя зависит от его концентрации, получим:

, тогда

.

Найдем отношение мощностей:

;

так как , то данное соотношение будет иметь вид:

;

;

Тогда расчетная формула для концентрации будет:

.

График зависимости натурального логарифма отношения мощностей от значения концентрации (зависимость линейная) представлен на рисунке 6:

Рисунок 6 – График зависимости натурального логарифма отношения мощностей от значения концентрации

Определим мощность излучения, посылаемую прибором:

Вт, где

мДж – энергия в импульсе (минимальная);

Гц – частота следования импульсов;

% эффективность, найденная по графику на рисунке 3 при длине волны приблизительно равной 1300 нм.

Условиями работы прибора будут являться следующие ограничения:

1)              , где нВт;

2)              .

Из условия (1) найдем значение минимальной концентрации, которое сможет померить прибор.

Выразим по закону Бугера и получим:

;

, тогда

.

Величина, а , поэтому получаем, что второе слагаемое не зависит от концентрации с:

;

;

;

;

;

,

значит прибор может мерить концентрацию начиная с 0,1%.

Далее необходимо сравнить значение полученной минимальной концентрации, которую может мерить прибор с предельно допустимой концентрацией. Для перехода к объёмной концентрации необходимо знать плотность воздуха для данных условий: Т=293К, р=1атм=101325Па. Найдём её из уравнения состояния:

.

Перейдём к объёмной концентрации:

,

следовательно, ПДК попадает в диапазон измерений прибора.

Из условия (2) значения максимальной концентрации которое сможет померить прибор.

;

;

;

;

;

,

следовательно прибор может мерить концентрацию до 100%

3 Проектирование  коллиматора

Светодиод  имеет  расходимость  3,5 мрад, то есть ,

в  результате  чего  на  расстоянии  1м  имеем  пятно  диаметром:

.

Из характеристик фотодиода известно, что диаметр фоточувствительной площадки равен 250 мкм. Чтобы собрать  достаточное  количество  энергии  для  регистрации  сигнала  требуется  спроектировать  коллимирующую  систему,  которая  уменьшила  бы  расходимость  до  приемлемого  уровня. Задача коллиматора - создание параллельного светового пучка с минимальной расходимостью.

Для     проектирования     и     расчета     коллиматора     и     фокусатора     воспользуемся интегрированным пакетом систем автоматического проектирования OSLO. Выбираем в качестве материала оптических элементов стекло марки ВК7, коэффициент пропускания которого составляет 0,991, а коэффициент преломления - 1,5168.

Определим радиус входящего луча:

мм.

Исходные параметры для коллиматора представлены на рисунке 7:

Рисунок 7 – Исходные параметры для коллиматора

Вид коллиматора до оптимизации представлен на рисунке 8:

Рисунок 8 – Вид коллиматора до оптимизации

Параметры коллиматора до оптимизации:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

6              5.124733              -0.001966              -0.001966              -5.355303              -0.060933              -0.060933

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF              PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM              4.362761              -0.003287              -1.375132              0.001036

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF              SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM              -2.203194              2.193395              -2.341421              -0.295878              1.995059

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              -0.012721              0.045591              -0.037737              0.005545              0.046344              -6.1654e-05

Значения операндов:

*OPERANDS

OP  MODE    WGT      NAME          VALUE  %CNTRB DEFINITION

O 1   M      --     PY            5.124733    --  OCM1                      

O 2   M      --     PU           -0.001966    --  OCM2                      

O 3   M      --     PYC          -5.355303    --  OCM3                      

O 4   M      --     PUC          -0.060933    --  OCM4                      

O 5   M      --     PAC           4.362761    --  OCM5                      

O 6   M      --     PLC          -1.375132    --  OCM6                      

O 7   M      --     SAC          -0.003287    --  OCM7                      

O 8   M      --     SLC           0.001036    --  OCM8                      

O 9   M      --     SA3          -2.203194    --  OCM9                      

O 10  M      --     CMA3          2.193395    --  OCM10                     

O 11  M      --     AST3         -2.341421    --  OCM11                     

O 12  M      --     PTZ3         -0.295878    --  OCM12                     

O 13  M      --     DIS3          1.995059    --  OCM13                     

O 14  M      --     SA5          -0.012721    --  OCM14                     

O 15  M      --     CMA5          0.045591    --  OCM15                     

O 16  M      --     AST5         -0.037737    --  OCM16                     

O 17  M      --     PTZ5          0.005545    --  OCM17                     

O 18  M      --     DIS5          0.046344    --  OCM18                     

O 19  M      --     SA7        -6.1654e-05    --  OCM19                     

O 20  M      --     TOTAL_SPH    -2.215976    --  OCM20                     

O 21  M      --     EFL          63.611482    --  OCM21                     

MIN RMS ERROR:       --   

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 9:

Рисунок 9 – Радиальное распределение энергии пучка

Оптимизируем систему по: коме (даёт несимметричное пятно рассеяния), сферической аберрации (смещает фокусное расстояние, изменяет размер пятна рассеяния), эффективному фокусному расстоянию.

Параметры системы после оптимизации:

Параметры коллиматора после оптимизации представлены на
рисунке 10:

Рисунок 10 – Параметры коллиматора после оптимизации

Вид коллиматора после оптимизации представлен на рисунке 11:

Рисунок 11 – Вид коллиматора после оптимизации

Параметры коллиматора после оптимизации:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

  6              10.300521              0.006399              0.006399              -85.933152              -0.084722              -0.084722

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF                            PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM                            -1.051264              0.000792              -0.044638              3.3630e-05

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF                            SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM              0.311939                            -0.176965              0.133383              0.090903              0.043932

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              0.000666              -0.000984              0.000584              -0.000754              0.000164              -6.8329e-07

Значения операндов:

*OPERANDS

OP              MODE              WGT                            NAME                            VALUE                            %CNTRB              DEFINITION

O 1              M              1.000000              CMA3                            -0.176965              0.00                            OCM10

O 2              M              1.000000              CMA5                            -0.000984              0.00                            OCM15

O 3              M              1.000000              TOTAL_SPH              0.314604              0.00                            OCM20+0.002

O 4              M              1.000000              EFL                            51.034666              99.99                            OCM21

** BOUND VIOL:              V1

MIN RMS ERROR:              25.518402

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 12:

Рисунок 12 – Радиальное распределение энергии пучка

4 Проектирование  фокусатора

Фокусатор рассчитывается из условия формирования светового пятна, диаметр которого в плоскости фотодетектора не превышает диаметра его входного окна. Исходные данные возьмем из предыдущего расчета коллиматора.

Исходные параметры для фокусатора представлены на рисунке 13:

Рисунок 13 – Исходные параметры для фокусатора

Вид фокусатора представлен на рисунке 14:

Рисунок 14 – Вид фокусатора

Параметры фокусатора:

*PARAXIAL TRACE

SRF              PY                            PU                            PI                            PYC                            PUC                            PIC

  5              -0.175208              -0.063800              -0.063800              -0.420289              -0.003836              -0.003836

*CHROMATIC ABERRATIONS

SRF                            PAC                            SAC                            PLC                            SLC

SUM                            0.147634              -7.9257e-05              -0.002800              1.5032e-06

*SEIDEL ABERRATIONS

SRF                            SA3                            CMA3                            AST3                            PTZ3                            DIS3

SUM                            -0.019027              -0.000425              -3.4318e-05              -4.7993e-05              3.4245e-06

*FIFTH-ORDER ABERRATIONS

SRF              SA5                            CMA5                            AST5                            PTZ5                            DIS5                            SA7

SUM              -0.000142              -4.3608e-06              1.6400e-10              1.1828e-09              -7.1140e-12              -1.1136e-06

Значения операндов:

*OPERANDS

              OP              MODE              WGT                            NAME                            VALUE                            %CNTRB              DEFINITION

O 1              M              1.000000              CMA3                            -0.000425              0.00                            OCM10

O 2              M              1.000000              CMA5              -              4.3608e-06              0.00                            OCM15

O 3              M              1.000000              TOTAL_SPH              -0.019170              0.00                            OCM20

O 4              M              .000000                            EFL                            75.596019              100.00                            OCM21

MIN RMS ERROR:              37.798011

Радиальное распределение энергии пучка представлено на рисунке 9:

Рисунок 15 – Радиальное распределение энергии пучка

При попытке оптимизировать систему абберации только увеличиваются по причине того, что и так найдено минимальное значение аббераций и система спроектирована максимально точно. Поэтому перейдем к уточнению полученных расчетов концентрации.

5 Определение минимальной концентрации, которую может измерить прибор

Учтём потери при диафрагмировании, отражении и поглощении в линзах.

Получим формулу:

,

где l –толщина линзы;

Ф – коэффициент диафрагмирования;

B – коэффициент пропускания;

kлинзы – коэффициент поглощения материала линз;

Примем приближения:

1) Лучи падают на линзы нормально.

2) Т.к. линзы сделаны из одинакового материала:

а) коэф. пропускания можно возвести в степень “m”, соответствующую количеству поверхностей раздела сред (воздух-->материал линзы), коэффициент пропускания на поверхности раздела (материал линзы -->воздух) равен 1 т.к. nвоздуха=1.

б) толщину линзы можно заменить суммой толщин всех линз.

Коэффициент пропускания при нормальном падении (приближение формул Френеля):

;

Ф=0,7 т.к. мы продиафрагмировали систему по r=0,08 (входной пучок, падающий на фокусатор).