不變曲率漸變的漸變曲率柱面鏡，或者是雙膠合柱面鏡，目的是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。具體地:
[0038]方案一、在CCD前放置一個會聚柱面鏡，將沿著高度方向分布的光譜能量更多的會聚于CCD像元上，由于光譜儀的CCD接收面一般是線陣或面陣的，故可以用一次線性擬合子午聚焦位置，由子午聚焦位置經(jīng)過一次線性擬合得到光譜范圍分辨率總體較好的位置，據(jù)此確定CCD擺放的角度和位置，CCD的擺放角度為擬合直線斜率給出的角度，CCD擺放的位置為擬合直線位置。
[0039]經(jīng)過光學(xué)模擬軟件可以得出在CCD前未增加會聚柱面鏡時子午聚焦與弧矢聚焦位置距離差曲線關(guān)系，如圖3所示。該位置距離差由加入的柱面鏡補(bǔ)償，將弧矢聚焦位置調(diào)整到子午聚焦位置處。由于光譜儀的CCD接收面一般是線陣或面陣的，故可以用一次線性擬合子午聚焦位置，如圖4所示，由子午聚焦位置經(jīng)過一次線性擬合得到光譜范圍分辨率總體較好的位置。
[0040]方案二、當(dāng)對分辨率有更高的要求時，不同波長的光在同一介質(zhì)中傳播時折射率不一樣，所以經(jīng)過柱面鏡后聚焦的焦點(diǎn)不在同一個平面，而采用非常規(guī)的特殊光學(xué)校準(zhǔn)鏡片(非常規(guī)柱面鏡)，能實(shí)現(xiàn)聚光來增加靈敏度，同時保持良好的光譜分辨率。
[0041]比如，采用變曲率柱面鏡在全譜范圍內(nèi)增強(qiáng)靈敏度的基本思路是將聚焦在弧矢面上影響縱向的靈敏度的光分布盡量用柱面鏡調(diào)節(jié)聚集到子午面的焦點(diǎn)位置上來，減小對分辨率造成的影響。
[0042]在一實(shí)施例中，本發(fā)明提出的厚度不變曲率漸變的漸變曲率柱面鏡，設(shè)計方法與過程如下:
[0043]根據(jù)光譜儀在無此光學(xué)校準(zhǔn)鏡片下光路的聚焦的焦點(diǎn)位置分布，求出其各波長聚焦點(diǎn)的分布坐標(biāo)，一般地，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 = lAl^cosa處，其中，Rj*為球面反射鏡的半徑，α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(rèn)為焦點(diǎn)分布于圓弧上，不同波長所處的角度不同，得出波長與焦點(diǎn)距離位置的關(guān)系曲線。
[0044]為舉例簡便起見，取柱面鏡為平凸透鏡，以達(dá)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)，可以擬合得出，根據(jù)擬合結(jié)果，設(shè)計出柱面鏡半徑r的分布。
[0045]具體的，變曲率柱面鏡半徑r的設(shè)計過程如下:
[0046]假設(shè)柱面鏡的一個面為平面，即r = c?，由C⑶距離柱面鏡位置要求，光譜線采用光譜范圍的中心波長，按照薄透鏡條件設(shè)計，這樣可以忽略厚度變化對焦距的影響，通過軟件模擬設(shè)計出此時柱面鏡的曲率q和厚度‘以及?ψ。
[0047]再由圖4中二次曲線擬合的曲線來設(shè)計變曲率柱面鏡的半徑r。具體地，由圖4中二次曲線擬合的子午弧矢聚焦位置差ΔΥ2λ曲線，由于該柱面鏡擺放時，有β的傾斜角度要求，所以，需要將此時的位置差Α Υ2λ進(jìn)行坐標(biāo)變換，按照β順時針旋轉(zhuǎn)二次曲線擬合下的ΔΥ2λ曲線，轉(zhuǎn)成ΔΥ2λ’關(guān)系曲線，則有全譜范圍每個波長的焦距表達(dá)式:
[0048]fA= f 中一(ΔΥ2λ，一ΔΥ2中)?f中一ΔΥ2λ，+ΔΥ2中；
[0049]由薄透鏡焦距公式:?.λ = Γλ/(η-1)，可以算出每個波長λ位置處的曲率值，ΓλΒΡ為變曲率透鏡的半徑值。
[0050]本實(shí)施例中的變曲率設(shè)計透鏡的^曲線如圖5(a)所示，得出的透鏡示意圖如5(b)所示。
[0051]進(jìn)一步的，本發(fā)明將CCD與制冷控溫單元、具有像差校正和能量會聚功能的光學(xué)校正單元有機(jī)結(jié)合，除了能穩(wěn)定控制溫度，還能增強(qiáng)光譜探測靈敏度、保持較高的光譜分辨率。
[0052]以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，包括具有像差校正和能量會聚功能的光學(xué)校準(zhǔn)單元，所述光學(xué)校準(zhǔn)單元設(shè)置在CCD之前； 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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，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(diǎn)位置分布，求出其各波長聚焦點(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* cos α處，其中，1^為球面反射鏡的半徑，α是入射光與凹面反射鏡中心處法線之間的夾角，不同波長所處的角度不同，得出波長與焦點(diǎn)距離位置的關(guān)系曲線； 取柱面鏡為平凸透鏡，以達(dá)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)，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。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，所述漸變曲率柱面鏡，半徑r的設(shè)計如下: 假設(shè)柱面鏡的一個面為平面，即r =吣，由CCD距離柱面鏡位置要求，光譜線采用光譜范圍的中心波長，按照薄透鏡條件設(shè)計，這樣可以忽略厚度變化對焦距的影響，通過軟件模擬設(shè)計出此時柱面鏡的曲率和厚度‘以及焦距?ψ ; 再采用二次曲線擬合的曲線來設(shè)計變曲率柱面鏡的半徑r，由二次曲線擬合的子午弧矢聚焦位置差Λ Υ2λ曲線，該柱面鏡擺放時，有β的傾斜角度要求，需要將此時的位置差ΛΥ2λ進(jìn)行坐標(biāo)變換，按照β順時針旋轉(zhuǎn)二次曲線擬合下的ΛΥ2λ曲線，轉(zhuǎn)成ΛΥ2λ’關(guān)系曲線，則有全譜范圍每個波長的焦距表達(dá)式: f\= f 中 _(Λ Υ2人’-Λ Υ2中)?f中- Λ Υ2人’ + ΛΥ2中； 由薄透鏡焦距公式:f\ = rA/(n-l)，算出每個波長λ位置處的曲率半徑值，Γλ即為變曲率透鏡的半徑值。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，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。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，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)面有出線孔，所述半導(dǎo)體制冷片、溫度傳感器和CCD的接線均從該出線孔引出。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，所述散熱盒的材料選用鋁合金或者銅。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，所述半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱塊、溫度傳感器和CCD之間各接觸面均通過導(dǎo)熱硅膠親密接觸。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，所述導(dǎo)熱塊的材料選用紫銅或者鋁合金。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高探測靈敏度的光譜測量CCD模塊，其特征在于，所述溫度傳感器選用熱敏電阻。
【專利摘要】本發(fā)明提供了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(xué)校準(zhǔn)單元，所述光學(xué)校準(zhǔn)單元設(shè)置在CCD之前；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。本發(fā)明設(shè)置具有校正像差和會聚能量功能的光學(xué)校正單元集成，顯著提高探測光譜的靈敏度和分辨率。進(jìn)一步的，通過制冷單元實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制溫度以減小噪聲和信號漂移。
【IPC分類】G01J3/28, G01J3/02
【公開號】CN105333952
【申請?zhí)枴緾N201510761783
【發(fā)明人】黃梅珍, 余鎮(zhèn)崗, 宋彪, 鄒燁, 汪洋, 黃錦榮, 王柯卉
【申請人】上海交通大學(xué), 上海速迪機(jī)電有限公司
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年11月10日