一種提高探測(cè)靈敏度的光譜測(cè)量ccd模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)檢測(cè)、分析領(lǐng)域，具體地，涉及一種提高探測(cè)靈敏度的光譜測(cè)量CCD模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]CO)，英文全稱(chēng):Charge-coupled Device，中文全稱(chēng):電荷親合元件，可以稱(chēng)為CO)圖像傳感器，也叫圖像控制器。從功能上劃分，包括線(xiàn)陣(XD和面陣(XD兩大類(lèi)。
[0003]靈敏度、分辨率、信噪比和基線(xiàn)穩(wěn)定性等是光譜儀器的重要技術(shù)性能指標(biāo)，在以CCD尤其是線(xiàn)陣CCD為接收器的光譜測(cè)量裝置或儀器中，由于CCD像元高度有限，光譜成像面上很大一部分的光能量并不能被CCD光敏面接收，從而制約了光譜儀對(duì)弱光信號(hào)的探測(cè)能力，即靈敏度不高。
[0004]另一方面，(XD的工作溫度直接影響信號(hào)噪聲和基線(xiàn)的穩(wěn)定性，溫度越低，噪聲越小，輸出信號(hào)的大小隨溫度變化顯著，因此，在高精度的光譜測(cè)量應(yīng)用中，必須對(duì)CCD進(jìn)行制冷和恒溫控制，使得光譜信號(hào)保持穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種提高探測(cè)靈敏度的光譜測(cè)量CCD模塊，采用具有校正像差和會(huì)聚能量功能的光學(xué)校正單元，顯著提高探測(cè)光譜的靈敏度和分辨率。
[0006]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種提高探測(cè)靈敏度的光譜測(cè)量CCD模塊，包括具有像差校正和能量會(huì)聚功能的光學(xué)校準(zhǔn)單元，所述光學(xué)校準(zhǔn)單元設(shè)置在CCD之前；
[0007]所述光學(xué)校準(zhǔn)單元為常規(guī)柱面鏡或非常規(guī)柱面鏡，用于將影響靈敏度的沿著光譜高度方向的會(huì)聚位置與影響分辨率的沿著光譜寬度方向的聚焦位置均調(diào)節(jié)至CCD像元所在的位置上；
[0008]所述非常規(guī)柱面鏡是曲率不變厚度漸變的漸變厚度柱面鏡，或者是厚度不變曲率漸變的漸變曲率柱面鏡，或者是雙膠合柱面鏡。
[0009]優(yōu)選地，所述漸變曲率柱面鏡，設(shè)計(jì)方法如下:根據(jù)光譜儀在無(wú)此漸變曲率柱面鏡下光路的聚焦的焦點(diǎn)位置分布，求出其各波長(zhǎng)聚焦點(diǎn)的分布坐標(biāo)，光譜聚光鏡為球面反射鏡，平行光入射后聚焦點(diǎn)位于距離球面反射鏡r = 1/2RJ* cosa處，其中，為球面反射鏡的半徑，a是平行入射光與凹面反射鏡中心處法線(xiàn)之間的夾角，可近似認(rèn)為焦點(diǎn)分布于圓弧上，不同波長(zhǎng)所處的角度不同，得出波長(zhǎng)與焦點(diǎn)距離位置的關(guān)系曲線(xiàn)；
[0010]取柱面鏡為平凸透鏡，以達(dá)到各波長(zhǎng)聚焦位置軌跡位于一個(gè)與平凸透鏡平面平行為目的的矯正效果，設(shè)計(jì)各個(gè)位置處透鏡的曲率，完成曲率漸變的柱透鏡設(shè)計(jì)，平凸透鏡焦距公式為:f\= r λ/(η-1)，?.λ與聚焦位置分布有關(guān)，通過(guò)擬合得出，根據(jù)擬合結(jié)果，設(shè)計(jì)出柱面鏡半徑r的分布。
[0011]優(yōu)選地，所述裝置進(jìn)一步包括:起密封和散熱作用的散熱盒，所述散熱盒的上端有透光窗口，光學(xué)校準(zhǔn)單元設(shè)置于該透光窗口，所述散熱盒內(nèi)四周填充有絕熱材料。
[0012]更優(yōu)選地，所述散熱盒的底部成梳狀片型結(jié)構(gòu)以增大表面積，以利于散熱，散熱盒內(nèi)中心由底部向上依次放置半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱塊、溫度傳感器和CCD，所述溫度傳感器埋入導(dǎo)熱塊內(nèi)部；所述散熱盒的側(cè)面有出線(xiàn)孔，所述半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器和CCD的接線(xiàn)均從該出線(xiàn)孔引出。
[0013]更優(yōu)選地，所述散熱盒的材料選用鋁合金或者銅。
[0014]更優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱塊、溫度傳感器和(XD之間各接觸面均通過(guò)導(dǎo)熱硅膠親密接觸。
[0015]更優(yōu)選地，所述導(dǎo)熱塊的材料選用紫銅或者鋁合金。
[0016]更優(yōu)選地，所述溫度傳感器選用熱敏電阻。
[0017]本發(fā)明中，一方面，根據(jù)光譜儀器原理，復(fù)合光經(jīng)狹縫進(jìn)入單色器，由準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直變成平行光，然后由光柵或棱鏡色散，色散后光經(jīng)過(guò)聚焦鏡會(huì)聚，不同波長(zhǎng)光最終成像在CCD的不同像元位置上，由于狹縫具有一定高度加上光學(xué)系統(tǒng)存在像差，對(duì)應(yīng)的光譜帶具有一定的高度，當(dāng)采用線(xiàn)陣CCD接收信號(hào)時(shí)，由于像元高度所限，往往只能接收其中一部分光譜能量，結(jié)果導(dǎo)致光譜儀的探測(cè)靈敏度低，無(wú)法測(cè)量比較弱的光譜信號(hào)。采用一般聚光鏡的方法雖然可以提高探測(cè)靈敏度，但與此同時(shí)光譜分辨率將下降。本發(fā)明采用具有像差校正和能量會(huì)聚功能的光學(xué)校準(zhǔn)單元(常規(guī)柱面鏡，或者非常規(guī)柱面鏡)能很好的解決這一問(wèn)題。
[0018]另一方面，本發(fā)明進(jìn)一步采用(XD與散熱盒構(gòu)成的制冷控溫單元，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制溫度以減小噪聲和信號(hào)漂移，顯著提高探測(cè)光譜的靈敏度和分辨率。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0020]本發(fā)明采用光學(xué)校準(zhǔn)單元可以有效提高光譜儀的探測(cè)靈敏度，同時(shí)保持較高的光譜分辨率；
[0021]本發(fā)明中，由起密封和散熱作用的散熱盒，盒內(nèi)由底部向上依次放置的半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱塊、溫度傳感器和CCD，以及固定于散熱盒上端透光窗口的光學(xué)校準(zhǔn)單元組成的封閉CCD制冷結(jié)構(gòu)緊湊，不需要抽真空處理，就能滿(mǎn)足CCD的均勻制冷需求，該結(jié)構(gòu)可以有效隔絕濕氣，既能減少CCD與外界的熱交換，又能降低CCD因潮濕而導(dǎo)致的CCD表面結(jié)霧、結(jié)霜的影響。
[0022]本發(fā)明提出一種將CCD與制冷控溫單元、具有像差校正和能量會(huì)聚功能的光學(xué)校正單元有機(jī)結(jié)合起來(lái)的多功能CCD模塊設(shè)計(jì)方法和模塊結(jié)構(gòu)，不但能增強(qiáng)光譜探測(cè)靈敏度，又能保持較高的光譜分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0023]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0024]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中:散熱盒1，半導(dǎo)體制冷片2，導(dǎo)熱塊3，溫度傳感器4，(XD 5，絕熱材料6，出線(xiàn)孔7，光學(xué)校準(zhǔn)單元8;
[0026]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例光譜線(xiàn)在子午線(xiàn)和弧矢面聚焦成像圖；
[0027]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例光譜線(xiàn)在子午線(xiàn)和弧矢面成像位置曲線(xiàn)圖；
[0028]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例子午焦點(diǎn)和弧矢焦點(diǎn)距離曲線(xiàn)及其一次和二次擬合曲線(xiàn)示意圖；
[0029]圖5(a)為本發(fā)明一實(shí)施例變曲率柱面鏡的rA曲線(xiàn)示意圖；
[0030]圖5(b)為本發(fā)明一實(shí)施例變曲率柱面鏡示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]如圖1所示，為本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施方式，具體的，一種提高探測(cè)靈敏度的光譜測(cè)量CCD模塊，包括:起密封和散熱作用的散熱盒1，以及絕熱材料6和光學(xué)校準(zhǔn)單元8，其中:所述散熱盒1的上端有透光窗口，光學(xué)校準(zhǔn)單元8設(shè)置于該透光窗口，所述散熱盒8內(nèi)四周填充有絕熱材料6。
[0033]所述光學(xué)校準(zhǔn)單元8為常規(guī)柱面鏡或非常規(guī)柱面鏡，用于將影響靈敏度的沿著光譜高度方向的會(huì)聚位置與影響分辨率的沿著光譜寬度方向的聚焦位置均調(diào)節(jié)至CCD像元所在的位置上；所述非常規(guī)柱面鏡是曲率不變厚度漸變的漸變厚度柱面鏡，或者是厚度不變曲率漸變的漸變曲率柱面鏡，或者是雙膠合柱面鏡。
[0034]作為一優(yōu)選實(shí)施方式，散熱盒1的底部成梳狀片型結(jié)構(gòu)以增大表面積，以利于散熱；散熱盒1內(nèi)中心由底部向上依次放置的半導(dǎo)體制冷片2、導(dǎo)熱塊3、溫度傳感器4和CCD5，各個(gè)面通過(guò)導(dǎo)熱硅膠親密接觸；更好的，所述溫度傳感器4埋入導(dǎo)熱塊3內(nèi)部；所述散熱盒1的側(cè)面開(kāi)有出線(xiàn)孔7，所述半導(dǎo)體制冷片2、溫度傳感器4和CCD 5的接線(xiàn)均從出線(xiàn)孔7引出；所述散熱盒1的上端開(kāi)有透光窗口，所述光學(xué)校準(zhǔn)單元8固定于該透光窗口。
[0035]本發(fā)明將CCD與制冷控溫單元結(jié)合起來(lái)，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制溫度；封閉CCD制冷結(jié)構(gòu)緊湊，不需要抽真空處理，就能滿(mǎn)足CCD的均勻制冷需求，該結(jié)構(gòu)可以有效隔絕濕氣，既能減少CCD與外界的熱交換，又能降低CCD因潮濕而導(dǎo)致的CCD表面結(jié)霧、結(jié)霜的影響。
[0036]—般的，光譜線(xiàn)成像的子午聚焦點(diǎn)和弧矢聚焦點(diǎn)的像差示意圖如圖2所示，圖中左半邊是子午面聚焦的效果，右邊是弧矢面聚焦的效果，子午聚焦在A(yíng)位置，大致是一個(gè)弧線(xiàn)，弧矢面類(lèi)似，聚焦在B位置。由于子午焦面和弧矢焦面分離，加上CCD探測(cè)器的高度有限的原因，CCD探測(cè)器只能接收到很有限的一部分光能量，導(dǎo)致光譜靈敏度低，分辨率也低。
[0037]作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，為了提高光譜儀的探測(cè)靈敏度，并確保盡量高的光譜分辨率，本發(fā)明光學(xué)校準(zhǔn)單元可以采用柱面鏡或者非常規(guī)柱面鏡。所述非常規(guī)柱面鏡是曲率不變厚度漸變的漸變厚度柱面鏡，或者是厚度