CC BY
49
Зуев В.Д., Кривулин Н.П., Мурашкина Т.И. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРЕМЕЩЕНИЙ СО СФЕРИЧЕСКОЙ ЛИНЗОЙ
Предложено конструктивное решение волоконно-оптического преобразователя перемещения (ВОПП) со сферической линзой, перемещающейся под действием измеряемой физической величины.
Управление световым потоком оптического канала ВОПП осуществляется посредством управляющих элементов и устройств или управляемых параметров оптического канала. В ВОПП управляющие устройства используются для внесения информации об измеряемой величине в световую волну. Как известно, подобная операция называется модуляцией. Основную группу управляющих устройств составляют оптико-механические устройства, в которых в результате механического движения (вращения, возвратно-поступательного или углового перемещения) управляющего элемента осуществляется модуляция интенсивности светового потока в соответствии с законом изменения измеряемого параметра. Основная задача, которую приходится решать разработчикам волоконно-оптических датчиков, в состав которых входят ВОПП, - это повышение чувствительности преобразования ВОПП. С этой точки зрения достаточно перспективным представляется использование в качестве оптико-механического модулятора сферической линзы, перемещающейся в разрыве волоконно-оптического канала под действием измеряемой механической величины. В этом случае принцип действия ВОПП основан на изменении кривизны границы раздела сред с разными коэффициентами преломления.
1 Постановка задачи
Одной из главных задач при проектировании ВОПП является определение оптимальных параметров оптической системы, обеспечивающей достижение максимальной чувствительности преобразования оптического сигнала. В случае со сферической линзой это определение:
- положения подводящего (ПОВ) и отводящего (ООВ) оптических волокон (ОВ) относительно сферической линзы, перемещающейся в направлении оси Е;
- параметров ОВ;
- диаметра и материала линзы,
2 Расчет параметров оптической системы
Расчетно-конструктивная схема ВОПП представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Расчетно-конструктивная схема ВОПП
ВОПП содержит ПОВ 1 и ООВ 3, сферическую линзу 2, расположенную между ними так, что оптические оси ОВ и линзы совпадают. ПОВ и ООВ изготовлены из ОВ одного типа, например «кварц-кварц», имеющих одинаковые геометрические размеры.
Излучающий торец ПОВ и линза находятся относительно друг друга на расстоянии, равном:
^ ^ I <- _[п____ г ,
tg®NA tЯ®NA tЯ®NA
где ^ - диаметр сердцевины ОВ;
Приемный торец ООВ относительно линзы находится на расстоянии /9 = ^ +Ь , где Ь =------------—
Я^В
угол ввода излучения в ООВ, равный:
®ыа - апертурный угол ОВ; гл - радиус сферической линзы.
®ВХ
Sf + Гл -
Sf =- f' ^^(1 + "—"л 2r ) ,
n3 "/л
tg&NA t9&NA sn ©л
- arcs nI -
"i Sf
Sf + rn
an &NA |, (i)
(2)
где п1г п2, п3 - коэффициенты преломления сред между ПОВ и линзой, материала линзы, между
линзой и ООВ соответственно; £ - заднее фокусное расстояние линзы, для сферической линзы
\г *1 = 1*1 = л
1111 2(пл —1)2 '
Для равномерного освещения и увеличения освещенности приемной поверхности ООВ линза должна находить-
ся от излучающего торца ПОВ на расстоянии равном двум дистанциям формирования 2^ = /^
[2].
t9&N
(рисунок 2)
Рисунок 2 - Геометрическое построение к определению расстояния 1!
Так как увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ и линзой может привести к выводу сфериче-
г
ской линзы из зоны освещения, необходимо расположить ее не далее, чем на / = £ — Гл , где £ =—Л— (ри-
tg&
NA
сунок 3).
Рисунок 3 - Геометрическое построение к определению расстояния Imsx
Наиболее оптимальное расположение ООВ 3 в сечении А-А, где обеспечивается максимальное попадание светового потока с выхода линзы в ООВ (см. рисунок 1). В этом случае в плоскости расположения ООВ 3 изображение излучающего торца ПОВ 1 будет представлять собой круг радиусом ДИЗ, равным радиусу сердцевины ОВ гС, то есть ДИЗ=гС. Это возможно в том случае, если:
©л^©А, (3)
®ЫА>®ВК . (4 )
где ©л - апертурный угол линзы.
Условия (3) и (4) выполняются, если L = Sf +
где угол ©Вх определяется из выражения (1), S
2tg$Bx
определяется из выражения (2).
3 Принцип работы преобразователя перемещения
Лучи света 4 и 5 излучающего торца ПОВ 1 выходят под апертурным углом ©NA и падают под углами ai и a2 на сферическую поверхность линзы 2, где преломляются, проходят через тело линзы под углами р1 и р2 соответственно, вторично падают на противоположную поверхность линзы 2 под углами р1 и р2, преломляются и под углами Y1 и y2 фокусируются в направлении приемного торца ООВ 3. Изображение излучающего торца ПОВ 1 в плоскости А-А, где расположен приемный торец ООВ 3, представляет собой круглое пятно некоторой площади SH3.
При перемещении линзы вверх или вниз относительно ОВ будет меняться углы a1 и a2, р1 и р2, Y1 и Y1, что ведет к изменению 3ИЗ, так как увеличивается освещенность приемного торца ООВ и, соответственно, уменьшению интенсивности светового потока, передаваемого по оптическому каналу.
4 Технический результат предлагаемого преобразователя
В предложенном ВОПП были определены конструктивные параметры оптической части, выведена зависимость между ©вх и значением перемещения сферической линзы относительно оптических волокон по оси Z, что позволяет обеспечить увеличение эффективности использования светового потока за счет повышения освещенности и снижения величины освещенной поверхности в плоскости расположения ООВ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. -246 с.
2. Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 133 с.
