Волоконно-оптический преобразователь премещений со сферической линзой

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 ,

tgNA tЯNA tЯNA

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

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 - 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,

ЫА>ВК .

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.