摘要：為了實現(xiàn)二氧化硫分析儀精確連續(xù)地檢測空氣中低含量SO2，針對傳統(tǒng)二氧化硫檢測儀在熒光匯聚時存在光線匯聚效果弱、像差大且由于透鏡的焦距長增大了熒光采集光路長度等問題，在傳統(tǒng)儀器的基礎上對熒光采集光路重新進行了設計優(yōu)化。采用分解光焦度的方法改善系統(tǒng)的球差問題，進行了理論分析和實驗驗證。改進后對其進行ZEMAX仿真并運用正交法對新光路進行修正。通過仿真兩種光路的非序列結構陰影模型圖、探測查看器的光照圖以及點列圖，取得了光強以及光斑直徑的實驗數(shù)據(jù)。結果表明，優(yōu)化后的光路系統(tǒng)峰輻強度達到了219.4W/cm2，彌散斑直徑減少了17%。該方案能夠有效解決傳統(tǒng)光路中的不足之處，成像質(zhì)量效果更佳。

引言

迄今為止，空氣中二氧化硫的污染相對較為嚴重。人們在關注經(jīng)濟快速發(fā)展的同時也開始注重環(huán)境的保護。為了更加準確地了解到我國現(xiàn)在環(huán)境的污染狀況，研制出能夠?qū)崟r在線檢測的二氧化硫儀器勢在必行。二氧化硫檢測儀的原理是紫外熒光法，這是國家標準GB3095-2012中所規(guī)定的檢測方法。紫外熒光法可以突破傳統(tǒng)化學檢測方法的種種缺陷，能夠更準確地檢測二氧化硫。其原理是：SO2氣體被波長范圍為220nm附近的紫外光照射時，SO2分子就從基態(tài)轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的SO2是不穩(wěn)定的，在其轉(zhuǎn)化為基態(tài)的時候產(chǎn)生熒光，對其產(chǎn)生的熒光進行收集利用就可以得出空氣中二氧化硫的含量。熒光強度和光電倍增管輸出的電信號除去一些干擾以后是呈線性關系的。

所以，對光電倍增管輸出的電信號進行一系列的放大、濾波等處理后，就可以得出二氧化硫的具體含量。紫外熒光法與傳統(tǒng)方法相比存在許多優(yōu)勢，不僅能夠在線實時檢測，并且可以降低誤差，提高檢測的準確性。利用熒光光譜法對SO2含量進行檢測的中，最小的檢測范圍已經(jīng)達到了10-9數(shù)量級。

目前研發(fā)的二氧化硫檢測儀器采用的熒光采集光路是利用雙凸透鏡對熒光點光源進行了匯聚。該系統(tǒng)存在很多不足，不僅光線的匯聚效果不理想、存在較大像差，而且由于透鏡的焦距長導致增大了熒光采集光路的長度?；谏鲜龉饴返姆N種缺陷，本文中提出了一種新型對稱式平凸結構，可以有效解決上述光路存在的問題，并通過ZEMAX仿真驗證了對稱式平凸結構的合理性。

1 理論依據(jù)

在實際運用中幾乎不可能達到完美的成像質(zhì)量。由球差效果圖可知，光線并不在光軸上聚于同一個焦點，而在鏡頭邊緣入射的光線與光軸的交點要比接近光軸入射的光線與光軸的交點離鏡頭的距離近，如圖1所示。這是很常見的像差之一，稱之為球差。球差的大小取決于光線在入瞳上的高度。消除球差可以采用非球面，非球面雖然不能完全消除像差，但可以使像差達到最小。減小球差的另外一個方法是將光焦度進行分解。

1.1 非球面消球差

在光學系統(tǒng)中，想要將球差減小到最小，首先應該明白球差產(chǎn)生的原因是什么。從理論上來說，如果一個系統(tǒng)中不存在球差，那么系統(tǒng)中任意光線的光程是永遠相等的。

經(jīng)過上述對比不難發(fā)現(xiàn)，從NSC陰影模型圖中光線的匯聚、探測器探測視圖以及點列圖中彌散斑半徑大小均可得到對稱式平凸透鏡的成像質(zhì)量要優(yōu)于一個雙凸透鏡的結果。

3 結論

運用光學仿真軟件ZEMAX，在目前監(jiān)測儀器的熒光采集光路基礎上對其進行了優(yōu)化設計。對比探測視圖和點列圖后發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的峰輻強度是之前的3倍，總功率達到了0.35410W，有效半徑和均方根半徑都大幅度減小，達到了優(yōu)化的目的。在與光源距離相同的條件下，對稱式平凸透鏡相較于雙凸透鏡不僅結構簡單、安裝方便、光能損失較小而且成像質(zhì)量相對較好。因此，對稱式平凸透鏡結構能夠很好地應用于熒光的檢測。

審核編輯：湯梓紅