Моделирование физических процессов в волоконно-оптическом преобразователе перемещений с цилиндрической линзой

Щевелев А.С., Логинов А.Ю., Мурашкина Т.И. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЛИНЗОЙ

При создании волоконно-оптических датчиков (ВОД) вопрос эффективного использования светового потока источника измерения требует особого внимания, это обусловлено не только потерями при вводе излучения от источника излучения в оптическое волокно, но и существенными неинформативными потерями светового потока в зоне измерения. Это связано с тем, что принцип действия большинства модулирующих устройств ВОД основан на реализации только части светового потока, поступающего по подводящему оптическому волокну (ПОВ) в зону измерений. Потери при этом могут достигать 5... 10 дБ [1].

Эффективность использования модулирующих устройств может быть значительно увеличена, если повысить освещенность и снизить значение площади освещенной поверхности в плоскости расположения отводящего оптического волокна (ООВ). Таким модулирующим устройством является линза, свойства которой позволяют снизить площадь изображения торца ПОВ до необходимого значения площади на приемных торцах ООВ. Чтобы введение линзы в зону измерения не повлекло за собой увеличения габаритных размеров измерительного преобразователя, необходимо применить цилиндрическую линзу.

На рисунке 1 представлена расчетно-конструктивная схема измерительного преобразователя с цилиндрической линзой. Цилиндрическая линза расположена между подводящим и отводящими оптическими волокнами таким образом, что подводящее оптическое волокно (ПОВ), линза и одно из отводящих оптических волокон (ООВ) находятся на одной (сечение А-А), причем ПОВ расположено на расстоянии li относительно линзы, а ООВ -

на расстоянии l. Расстояния li и I2, радиус линзы Гл определяются на стадии проектирования из условия

оптимального согласования всех конструктивных элементов оптической схемы.

Модуляция светового потока при помощи цилиндрической линзы происходит следующим образом. Лучи света 6 и 7 излучающего торца ПОВ 2 выходят под апертурным углом 0NA и падают под углами ai и а2 на

сферическую поверхность линзы 1, где преломляются, проходят через тело линзы 1 под углами в 1 и в2 соответственно, вторично падают на противоположную поверхность линзы 2 под углами pi и p2, преломляются и под углами Yi и Y2 формируются в направлении приемных торцов ООВ 3 и 4. Изображение излучающего торца ПОВ 2 в плоскости А-А, где расположены приемный торец ООВ 3, представляет собой пятно в виде эллипса некоторой площади Биз.

Основная задача состоит в том, чтобы определить параметры измерительного преобразователя (ИП), обеспечивающие не только эффективный ввод излучения в ООВ, но и линейную функцию преобразования Ф = f (X) , максимальную чувствительность преобразования и глубину модуляции оптического сигнала, равномерное распределение освещенности в плоскости расположения приемного торца ООВ.

Для равномерного освещения и увеличения освещенности линза 1 должна находиться от излучающего торца ПОВ 2 на минимальном расстоянии, равном двум дистанциям формирования 1/ф светового потока [2]

Рисунок 1 - Расчетно-конструктивная схема измерительного преобразователя при модуляции светового потока с помощью цилиндрической линзы

2Ьф =.

Так как увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ 2 и цилиндрической линзой 1 может привести к выводу линзы 1 из зоны освещения необходимо расположить ее не далее, чем:

Гц 0,5dС

кмлх =—Ц-------!С-ГЦ •

ММ ММ Ц

Минимальное расстояние от ПОВ 2 до поверхности цилиндрической линзы 1 определяется следующим выражением:

м = ^

Излучающий торец подводящего оптического волокна относительно боковой поверхности линзы должен располагаться на расстоянии

1,5^ , гц 2dr

—1__к. < м < Ц_______— г

tgNA 1 И tSNA Ц '

где dc - диаметр сердцевины оптического волокна; ©^ - апертурный угол оптического волокна; Гц - радиус цилиндрической линзы; а приемные торцы отводящего оптического волокна относительно боковой поверхности линзы расположены на расстоянии COS &m

и

sin ©п

©«

- 2

ЙВХ1 - 2

угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,

Л

sin

sin

-©„

'ц пЦ)

где X - перемещение линзы в направлении оптической оси преобразователя; Пс, Пц - коэффициенты преломления среды между оптическими волокнами и линзой и материала линзы соответственно. Математическую основу ВОД составляет модель функции преобразования, Ф(Х) ВОП имеет вид

Ф

где К - коэффициент передачи оптического тракта "ПОВ - линза - ООВ".

s

К - snp

S

k

где БЛр - освещенная площадь приемных торцов ООВ; Бк - площадь освещенной зоны в плоскости приемных торцов ООВ.

В соответствии с рассчитанными по формулам (6) и (7) параметрами оптической системы построена зависимость изменения интенсивности вводимого в ООВ излучения от значения перемещения (рисунок 2). Из приведенного графика функции Ф/Фо = £ (X) видно, что при перемещении цилиндрической линзы вдоль оси Х происходит изменение оптического сигнала, поступающего в ООВ, что доказывает физическую реализуемость предложенного способа модуляции оптического сигнала. В то же время малая чувствительность преобразования оптического сигнала при перемещении линзы в направлении Х, ставит задачу конструирования ВОПП с цилиндрической линзой, перемещающейся в направлении, перпендикулярном оптической оси ВОПП.

Ф/ Фп

Рисунок 2 - Зависимость Ф/Фо = £

Основные результаты и выводы

1 Определено, что при конструировании ВОПП цилиндрическую линзу следует располагать на расстоянии, при котором обеспечивается эффективный распределение светового потока в зоне модуляции оптического сигнала и равномерное распределение светового потока в зоне расположения цилиндрической линзы.

2 Определены конструктивные параметры оптической части ВОПП, при которых возможна модуляция оптического сигнала с помощью цилиндрической линзы.

3 Необходимо решить задачу конструирования ВОПП с цилиндрической линзой, перемещающейся в направлении, перпендикулярном оптической оси ВОПП.

ЛИТЕРАТУРА

1. Окоси Т., Окамато К., Оцу М. и др. Волоконно-оптические датчики; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1990. 256с.

2. 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.