基于ZEMAX的二氧化硫分析仪光学设计

李洪刚，吴岩磊

(1.天津同阳科技发展有限公司 天津300384；2.天津市环境监测技术企业重点实验室 天津300384)

0 引 言

人类生活的大气是由多种气体组成的，除了人体需要的气体外，还有很多有害气体，其中二氧化硫气体就是危害较大的气体之一。对于人类来说，二氧化硫气体通过呼吸系统进入体内，会引起呼吸系统疾病，影响人的身体健康，严重的甚至会影响到生命安全。对于环境来说，二氧化硫是形成酸雨的主要物质，酸雨对环境的影响以及危害非常大，在 20世纪80年代，我国的酸雨面积大约170万km2，到了90年代，面积扩大了约 40%，二氧化硫及其形成的酸雨已成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素之一[1]，所以对二氧化硫气体进行检测是非常有必要的。本文通过对国标推荐的分析方法进行光学仿真，以验证光学设计的可行性。

1 二氧化硫分析仪工作原理

HJ 654—2013《环境空气气态污染物(SO2、NO2、O3、CO)连续自动监测系统技术要求及检测方法》推荐二氧化硫分析仪的分析方法为紫外荧光法，其基本原理为二氧化硫分子吸收紫外光，在某个波长受到激励，然后衰减至较低的能量状态，在另一个不同的波长发射出紫外荧光，此紫外荧光的光强正比于二氧化硫气体的浓度，据此即可对未知浓度的二氧化硫气体进行浓度测量，具体分述如下。

SO2分子吸收紫外光(UV)，在某个波长受到激励，然后衰减至较低的能量状态，同时在另一个不同的波长发射UV光。明确地说就是：

SO2在长度为 L的光学室中吸收的辐射光强 Ia符合Beer-Lambert定律：Ia=Io(1-e-αLc)

光电倍增管接收到的荧光光强可用下式表达：

其中 G为与光电倍增管所检测到的检测室被照亮部分相关的常数。

因此光电倍增管所检测到的光辐射直接正比于SO2的浓度[2]。

将上述公式进行更详细的展开，可以得到探测器接收的荧光强度为[3]：

式中：a为荧光出口石英透镜的透过率，b为荧光滤光片的透过率，ε为二氧化硫的吸收系数，l为反应室的长度，p为二氧化硫气体浓度，I0为入射光强，kf、kq、kd为速率常数，ΔS为荧光出口的面积，ds为光束束宽(横截面积)，r为光束中心与探测器的距离。

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由此可见，荧光强度与入射光强成正比，与光束束宽成正比，同时要求入射光束为平行光。这将作为我们最终选择设计光路的基本原则。

2 二氧化硫分析仪光学设计

二氧化硫气体在紫外区主要有 3个吸收区[4]：190～230nm 是强吸收区；250～320nm 是弱吸收区；340～390nm 是极弱吸收区。之所以选择 190～230nm波段的激发光，是因为该区属于强吸收区，淬灭最小，荧光系数最大。

光源部分：紫外光源有锌灯、氘灯和氙灯等，氘灯使用寿命比较短，锌灯和氙灯在紫外荧光法测二氧化硫里是使用比较多的光源，对这两种光源进行了对比设计。激发光的选择，通常采用干涉滤光片的方式，本文通过选择特殊镀膜的反射镜，结合特殊的光路设计，以获得激发光，同时对这两种方式进行了对比设计。

反应室部分：主要考虑充分反应和荧光的收集需求，采用90°垂直光路设计。同时，使光学室温度和压力保持恒定，以保持荧光反应的外界条件一致性。

光电探测部分：荧光的探测采用光电倍增管，因为荧光信号特别微弱，检测难度较大，硅光电池、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管难以满足要求，所以选择光电倍增管来接收荧光。光电管用来监测光源的能量，以补偿光源的变化对荧光强度的影响。

综上所述，设计了两种光路，光路 1采用氙灯为光源，采用反射滤光片进行激发光的选择，采用光电管进行光强探测，其光学原理如图1所示。

图1 光路1光学原理图Fig.1 Optical schematic diagram of optical path 1

在ZEMAX软件中，对光路1进行了建模仿真，其三维布局如图2所示。

图2 光路一三维布局图Fig.2 3D Layout diagram of optical path 1

光路2采用锌灯为光源，采用干涉滤光片进行激发光的选择，并采用分束镜进行光源能量监测，其光学原理如图3所示。

图3 光路2光学原理图Fig.3 Optical schematic diagram of optical path 2

在ZEMAX软件中，对光路2进行了建模仿真，其三维布局如图4所示。

图4 光路二三维布局图Fig.4 3D Layout diagram of optical path 2

3 优化结果分析与结论

在 ZEMAX中以光源到第一个聚光镜的距离为变量，对以上两种光路分别进行优化，并对优化结果进行光线追迹，探测器的光斑图及分析如下。

图5 光斑图Fig.5 Light spot figure

两种光路的光斑图如图5所示，左图为光路1光斑图，右图为光路2光斑图。光路1的最终能量百分比为 49%，光路 2的最终能量百分比为 9%，这完全符合光路设计情况的理论分析。因为光路2不仅采用了透过率低的干涉滤光片，而且采用了分束镜进行光强探测，使得入射到光室的光强进一步降低；光路 1的 PMT位置光束半径为 2.738mm，光路 2的 PMT位置光束半径为1.291mm。从数据可以得到结论：无论入射光强还是光束束宽，光路1的结果都比光路2的结果好。

两种光路不同位置的光斑图如图6所示，上图是光路1的光斑图，下图是光路2的光斑图。光路1的3处位置的光斑半径分别为 2.884、2.738、2.707mm；光路 2的 3处位置的光斑半径分别为 1.429、1.291、1.222mm。从数据可以得到结论：光路 1的平行性比光路2的平行性好。

图6 不同位置光斑图Fig.6 Light spot at different locations

综合以上两种结果的分析，光路 1更符合要求，为满足设计需求，同时进行了优化设计。