一種提高探測靈敏度的光譜測量ccd模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學檢測、分析領(lǐng)域，具體地，涉及一種提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]CO)，英文全稱:Charge-coupled Device，中文全稱:電荷親合元件，可以稱為CO)圖像傳感器，也叫圖像控制器。從功能上劃分，包括線陣(XD和面陣(XD兩大類。
[0003]靈敏度、分辨率、信噪比和基線穩(wěn)定性等是光譜儀器的重要技術(shù)性能指標，在以CCD尤其是線陣CCD為接收器的光譜測量裝置或儀器中，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弱光信號的探測能力，即靈敏度不高。
[0004]另一方面，(XD的工作溫度直接影響信號噪聲和基線的穩(wěn)定性，溫度越低，噪聲越小，輸出信號的大小隨溫度變化顯著，因此，在高精度的光譜測量應(yīng)用中，必須對CCD進行制冷和恒溫控制，使得光譜信號保持穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(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靈敏度的光譜測量CCD模塊，采用具有校正像差和會聚能量功能的光學校正單元，顯著提高探測光譜的靈敏度和分辨率。
[0006]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，包括具有像差校正和能量會聚功能的光學校準單元，所述光學校準單元設(shè)置在CCD之前；
[0007]所述光學校準單元為常規(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)計方法如下:根據(jù)光譜儀在無此漸變曲率柱面鏡下光路的聚焦的焦點位置分布，求出其各波長聚焦點的分布坐標，光譜聚光鏡為球面反射鏡，平行光入射后聚焦點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之間的夾角，可近似認為焦點分布于圓弧上，不同波長所處的角度不同，得出波長與焦點距離位置的關(guān)系曲線；
[0010]取柱面鏡為平凸透鏡，以達到各波長聚焦位置軌跡位于一個與平凸透鏡平面平行為目的的矯正效果，設(shè)計各個位置處透鏡的曲率，完成曲率漸變的柱透鏡設(shè)計，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)，通過擬合得出，根據(jù)擬合結(jié)果，設(shè)計出柱面鏡半徑r的分布。
[0011]優(yōu)選地，所述裝置進一步包括: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，光學校準單元設(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體制冷片、導熱塊、溫度傳感器和CCD，所述溫度傳感器埋入導熱塊內(nèi)部；所述散熱盒的側(cè)面有出線孔，所述半導體制冷片、溫度傳感器和CCD的接線均從該出線孔引出。
[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，所述半導體制冷片、導熱塊、溫度傳感器和(XD之間各接觸面均通過導熱硅膠親密接觸。
[0015]更優(yōu)選地，所述導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，復合光經(jīng)狹縫進入單色器，由準直鏡準直變成平行光，然后由光柵或棱鏡色散，色散后光經(jīng)過聚焦鏡會聚，不同波長光最終成像在CCD的不同像元位置上，由于狹縫具有一定高度加上光學系統(tǒng)存在像差，對應(yīng)的光譜帶具有一定的高度，當采用線陣CCD接收信號時，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)果導致光譜儀的探測靈敏度低，無法測量比較弱的光譜信號。采用一般聚光鏡的方法雖然可以提高探測靈敏度，但與此同時光譜分辨率將下降。本發(fā)明采用具有像差校正和能量會聚功能的光學校準單元(常規(guī)柱面鏡，或者非常規(guī)柱面鏡)能很好的解決這一問題。
[0018]另一方面，本發(fā)明進一步采用(XD與散熱盒構(gòu)成的制冷控溫單元，實現(xiàn)穩(wěn)定控制溫度以減小噪聲和信號漂移，顯著提高探測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)明采用光學校準單元可以有效提高光譜儀的探測靈敏度，同時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體制冷片、導熱塊、溫度傳感器和CCD，以及固定于散熱盒上端透光窗口的光學校準單元組成的封閉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聚功能的光學校正單元有機結(jié)合起來的多功能CCD模塊設(shè)計方法和模塊結(jié)構(gòu)，不但能增強光譜探測靈敏度，又能保持較高的光譜分辨率。
【附圖說明】
[0023]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯:
[0024]圖1為本發(fā)明一實施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖中:散熱盒1，半導體制冷片2，導熱塊3，溫度傳感器4，(XD 5，絕熱材料6，出線孔7，光學校準單元8;
[0026]圖2為本發(fā)明一實施例光譜線在子午線和弧矢面聚焦成像圖；
[0027]圖3為本發(fā)明一實施例光譜線在子午線和弧矢面成像位置曲線圖；
[0028]圖4為本發(fā)明一實施例子午焦點和弧矢焦點距離曲線及其一次和二次擬合曲線示意圖；
[0029]圖5(a)為本發(fā)明一實施例變曲率柱面鏡的rA曲線示意圖；
[0030]圖5(b)為本發(fā)明一實施例變曲率柱面鏡示意圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，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。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0032]如圖1所示，為本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，具體的，一種提高探測靈敏度的光譜測量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和光學校準單元8，其中:所述散熱盒1的上端有透光窗口，光學校準單元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]所述光學校準單元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體制冷片2、導熱塊3、溫度傳感器4和CCD5，各個面通過導熱硅膠親密接觸；更好的，所述溫度傳感器4埋入導熱塊3內(nèi)部；所述散熱盒1的側(cè)面開有出線孔7，所述半導體制冷片2、溫度傳感器4和CCD 5的接線均從出線孔7引出；所述散熱盒1的上端開有透光窗口，所述光學校準單元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，能實現(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因潮濕而導致的CCD表面結(jié)霧、結(jié)霜的影響。
[0036]—般的，光譜線成像的子午聚焦點和弧矢聚焦點的像差示意圖如圖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位置，大致是一個弧線，弧矢面類似，聚焦在B位置。由于子午焦面和弧矢焦面分離，加上CCD探測器的高度有限的原因，CCD探測器只能接收到很有限的一部分光能量，導致光譜靈敏度低，分辨率也低。
[0037]作為一個優(yōu)選實施方式，為了提高光譜儀的探測靈敏度，并確保盡量高的光譜分辨率，本發(fā)明光學校準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