基于ZEMAX二氧化硫荧光采集光路的仿真设计

摘要：为了实现二氧化硫分析仪精确连续地检测空气中低含量SO2，针对传统二氧化硫检测仪在荧光汇聚时存在光线汇聚效果弱、像差大且由于透镜的焦距长增大了荧光采集光路长度等问题，在传统仪器的基础上对荧光采集光路重新进行了设计优化。采用分解光焦度的方法改善系统的球差问题，进行了理论分析和实验验证。改进后对其进行ZEMAX仿真并运用正交法对新光路进行修正。通过仿真两种光路的非序列结构阴影模型图、探测查看器的光照图以及点列图，取得了光强以及光斑直径的实验数据。结果表明，优化后的光路系统峰辐强度达到了219.4W/cm2，弥散斑直径减少了17%。该方案能够有效解决传统光路中的不足之处，成像质量效果更佳。

引言

迄今为止，空气中二氧化硫的污染相对较为严重。人们在关注经济快速发展的同时也开始注重环境的保护。为了更加准确地了解到我国现在环境的污染状况，研制出能够实时在线检测的二氧化硫仪器势在必行。二氧化硫检测仪的原理是紫外荧光法，这是国家标准GB3095-2012中所规定的检测方法。紫外荧光法可以突破传统化学检测方法的种种缺陷，能够更准确地检测二氧化硫。其原理是：SO2气体被波长范围为220nm附近的紫外光照射时，SO2分子就从基态转化为激发态，激发态的SO2是不稳定的，在其转化为基态的时候产生荧光，对其产生的荧光进行收集利用就可以得出空气中二氧化硫的含量。荧光强度和光电倍增管输出的电信号除去一些干扰以后是呈线性关系的。

所以，对光电倍增管输出的电信号进行一系列的放大、滤波等处理后，就可以得出二氧化硫的具体含量。紫外荧光法与传统方法相比存在许多优势，不仅能够在线实时检测，并且可以降低误差，提高检测的准确性。利用荧光光谱法对SO2含量进行检测的中，最小的检测范围已经达到了10-9数量级。

目前研发的二氧化硫检测仪器采用的荧光采集光路是利用双凸透镜对荧光点光源进行了汇聚。该系统存在很多不足，不仅光线的汇聚效果不理想、存在较大像差，而且由于透镜的焦距长导致增大了荧光采集光路的长度。基于上述光路的种种缺陷，本文中提出了一种新型对称式平凸结构，可以有效解决上述光路存在的问题，并通过ZEMAX仿真验证了对称式平凸结构的合理性。

1 理论依据

在实际运用中几乎不可能达到完美的成像质量。由球差效果图可知，光线并不在光轴上聚于同一个焦点，而在镜头边缘入射的光线与光轴的交点要比接近光轴入射的光线与光轴的交点离镜头的距离近，如图1所示。这是很常见的像差之一，称之为球差。球差的大小取决于光线在入瞳上的高度。消除球差可以采用非球面，非球面虽然不能完全消除像差，但可以使像差达到最小。减小球差的另外一个方法是将光焦度进行分解。

1.1 非球面消球差

在光学系统中，想要将球差减小到最小，首先应该明白球差产生的原因是什么。从理论上来说，如果一个系统中不存在球差，那么系统中任意光线的光程是永远相等的。

经过上述对比不难发现，从NSC阴影模型图中光线的汇聚、探测器探测视图以及点列图中弥散斑半径大小均可得到对称式平凸透镜的成像质量要优于一个双凸透镜的结果。

3 结论

运用光学仿真软件ZEMAX，在目前监测仪器的荧光采集光路基础上对其进行了优化设计。对比探测视图和点列图后发现优化后的峰辐强度是之前的3倍，总功率达到了0.35410W，有效半径和均方根半径都大幅度减小，达到了优化的目的。在与光源距离相同的条件下，对称式平凸透镜相较于双凸透镜不仅结构简单、安装方便、光能损失较小而且成像质量相对较好。因此，对称式平凸透镜结构能够很好地应用于荧光的检测。

审核编辑：汤梓红