CN105333952A - 一种提高探测灵敏度的光谱测量ccd模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，包括具有像差校正和能量会聚功能的光学校准单元，所述光学校准单元设置在CCD之前；所述光学校准单元为常规柱面镜或非常规柱面镜，用于将影响灵敏度的沿着光谱高度方向的会聚位置与影响分辨率的沿着光谱宽度方向的聚焦位置均调节至CCD像元所在的位置上；所述非常规柱面镜是曲率不变厚度渐变的渐变厚度柱面镜，或者是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，或者是双胶合柱面镜。本发明设置具有校正像差和会聚能量功能的光学校正单元集成，显著提高探测光谱的灵敏度和分辨率。进一步的，通过制冷单元实现稳定控制温度以减小噪声和信号漂移。

Description

一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块

技术领域

本发明涉及光学检测、分析领域，具体地，涉及一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块。

背景技术

CCD，英文全称：Charge-coupledDevice，中文全称：电荷耦合元件，可以称为CCD图像传感器，也叫图像控制器。从功能上划分，包括线阵CCD和面阵CCD两大类。

灵敏度、分辨率、信噪比和基线稳定性等是光谱仪器的重要技术性能指标，在以CCD尤其是线阵CCD为接收器的光谱测量装置或仪器中，由于CCD像元高度有限，光谱成像面上很大一部分的光能量并不能被CCD光敏面接收，从而制约了光谱仪对弱光信号的探测能力，即灵敏度不高。

另一方面，CCD的工作温度直接影响信号噪声和基线的稳定性，温度越低，噪声越小，输出信号的大小随温度变化显著，因此，在高精度的光谱测量应用中，必须对CCD进行制冷和恒温控制，使得光谱信号保持稳定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，采用具有校正像差和会聚能量功能的光学校正单元，显著提高探测光谱的灵敏度和分辨率。

为实现以上目的，本发明提供一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，包括具有像差校正和能量会聚功能的光学校准单元，所述光学校准单元设置在CCD之前；

所述光学校准单元为常规柱面镜或非常规柱面镜，用于将影响灵敏度的沿着光谱高度方向的会聚位置与影响分辨率的沿着光谱宽度方向的聚焦位置均调节至CCD像元所在的位置上；

所述非常规柱面镜是曲率不变厚度渐变的渐变厚度柱面镜，或者是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，或者是双胶合柱面镜。

优选地，所述渐变曲率柱面镜，设计方法如下：根据光谱仪在无此渐变曲率柱面镜下光路的聚焦的焦点位置分布，求出其各波长聚焦点的分布坐标，光谱聚光镜为球面反射镜，平行光入射后聚焦点位于距离球面反射镜r＝1/2R_球cosα处，其中，R_球为球面反射镜的半径，α是平行入射光与凹面反射镜中心处法线之间的夹角，可近似认为焦点分布于圆弧上，不同波长所处的角度不同，得出波长与焦点距离位置的关系曲线；

取柱面镜为平凸透镜，以达到各波长聚焦位置轨迹位于一个与平凸透镜平面平行为目的的矫正效果，设计各个位置处透镜的曲率，完成曲率渐变的柱透镜设计，平凸透镜焦距公式为：f_λ＝r_λ/(n-1)，f_λ与聚焦位置分布有关，通过拟合得出，根据拟合结果，设计出柱面镜半径r的分布。

优选地，所述装置进一步包括：起密封和散热作用的散热盒，所述散热盒的上端有透光窗口，光学校准单元设置于该透光窗口，所述散热盒内四周填充有绝热材料。

更优选地，所述散热盒的底部成梳状片型结构以增大表面积，以利于散热，散热盒内中心由底部向上依次放置半导体制冷片、导热块、温度传感器和CCD，所述温度传感器埋入导热块内部；所述散热盒的侧面有出线孔，所述半导体制冷片、温度传感器和CCD的接线均从该出线孔引出。

更优选地，所述散热盒的材料选用铝合金或者铜。

更优选地，所述半导体制冷片、导热块、温度传感器和CCD之间各接触面均通过导热硅胶亲密接触。

更优选地，所述导热块的材料选用紫铜或者铝合金。

更优选地，所述温度传感器选用热敏电阻。

本发明中，一方面，根据光谱仪器原理，复合光经狭缝进入单色器，由准直镜准直变成平行光，然后由光栅或棱镜色散，色散后光经过聚焦镜会聚，不同波长光最终成像在CCD的不同像元位置上，由于狭缝具有一定高度加上光学***存在像差，对应的光谱带具有一定的高度，当采用线阵CCD接收信号时，由于像元高度所限，往往只能接收其中一部分光谱能量，结果导致光谱仪的探测灵敏度低，无法测量比较弱的光谱信号。采用一般聚光镜的方法虽然可以提高探测灵敏度，但与此同时光谱分辨率将下降。本发明采用具有像差校正和能量会聚功能的光学校准单元(常规柱面镜，或者非常规柱面镜)能很好的解决这一问题。

另一方面，本发明进一步采用CCD与散热盒构成的制冷控温单元，实现稳定控制温度以减小噪声和信号漂移，显著提高探测光谱的灵敏度和分辨率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用光学校准单元可以有效提高光谱仪的探测灵敏度，同时保持较高的光谱分辨率；

本发明中，由起密封和散热作用的散热盒，盒内由底部向上依次放置的半导体制冷片、导热块、温度传感器和CCD，以及固定于散热盒上端透光窗口的光学校准单元组成的封闭CCD制冷结构紧凑，不需要抽真空处理，就能满足CCD的均匀制冷需求，该结构可以有效隔绝湿气，既能减少CCD与外界的热交换，又能降低CCD因潮湿而导致的CCD表面结雾、结霜的影响。

本发明提出一种将CCD与制冷控温单元、具有像差校正和能量会聚功能的光学校正单元有机结合起来的多功能CCD模块设计方法和模块结构，不但能增强光谱探测灵敏度，又能保持较高的光谱分辨率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例结构示意图；

图中：散热盒1，半导体制冷片2，导热块3，温度传感器4，CCD5，绝热材料6，出线孔7，光学校准单元8；

图2为本发明一实施例光谱线在子午线和弧矢面聚焦成像图；

图3为本发明一实施例光谱线在子午线和弧矢面成像位置曲线图；

图4为本发明一实施例子午焦点和弧矢焦点距离曲线及其一次和二次拟合曲线示意图；

图5(a)为本发明一实施例变曲率柱面镜的r_λ曲线示意图；

图5(b)为本发明一实施例变曲率柱面镜示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明的一优选实施方式，具体的，一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，包括：起密封和散热作用的散热盒1，以及绝热材料6和光学校准单元8，其中：所述散热盒1的上端有透光窗口，光学校准单元8设置于该透光窗口，所述散热盒8内四周填充有绝热材料6。

所述光学校准单元8为常规柱面镜或非常规柱面镜，用于将影响灵敏度的沿着光谱高度方向的会聚位置与影响分辨率的沿着光谱宽度方向的聚焦位置均调节至CCD像元所在的位置上；所述非常规柱面镜是曲率不变厚度渐变的渐变厚度柱面镜，或者是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，或者是双胶合柱面镜。

作为一优选实施方式，散热盒1的底部成梳状片型结构以增大表面积，以利于散热；散热盒1内中心由底部向上依次放置的半导体制冷片2、导热块3、温度传感器4和CCD5，各个面通过导热硅胶亲密接触；更好的，所述温度传感器4埋入导热块3内部；所述散热盒1的侧面开有出线孔7，所述半导体制冷片2、温度传感器4和CCD5的接线均从出线孔7引出；所述散热盒1的上端开有透光窗口，所述光学校准单元8固定于该透光窗口。

本发明将CCD与制冷控温单元结合起来，能实现稳定控制温度；封闭CCD制冷结构紧凑，不需要抽真空处理，就能满足CCD的均匀制冷需求，该结构可以有效隔绝湿气，既能减少CCD与外界的热交换，又能降低CCD因潮湿而导致的CCD表面结雾、结霜的影响。

一般的，光谱线成像的子午聚焦点和弧矢聚焦点的像差示意图如图2所示，图中左半边是子午面聚焦的效果，右边是弧矢面聚焦的效果，子午聚焦在A位置，大致是一个弧线，弧矢面类似，聚焦在B位置。由于子午焦面和弧矢焦面分离，加上CCD探测器的高度有限的原因，CCD探测器只能接收到很有限的一部分光能量，导致光谱灵敏度低，分辨率也低。

作为一个优选实施方式，为了提高光谱仪的探测灵敏度，并确保尽量高的光谱分辨率，本发明光学校准单元可以采用柱面镜或者非常规柱面镜。所述非常规柱面镜是曲率不变厚度渐变的渐变厚度柱面镜，或者是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，或者是双胶合柱面镜，目的是将影响灵敏度的沿着光谱高度方向的会聚位置与影响分辨率的沿着光谱宽度方向的聚焦位置均调节至CCD像元所在的位置上。具体地：

方案一、在CCD前放置一个会聚柱面镜，将沿着高度方向分布的光谱能量更多的会聚于CCD像元上，由于光谱仪的CCD接收面一般是线阵或面阵的，故可以用一次线性拟合子午聚焦位置，由子午聚焦位置经过一次线性拟合得到光谱范围分辨率总体较好的位置，据此确定CCD摆放的角度和位置，CCD的摆放角度为拟合直线斜率给出的角度，CCD摆放的位置为拟合直线位置。

经过光学模拟软件可以得出在CCD前未增加会聚柱面镜时子午聚焦与弧矢聚焦位置距离差曲线关系，如图3所示。该位置距离差由加入的柱面镜补偿，将弧矢聚焦位置调整到子午聚焦位置处。由于光谱仪的CCD接收面一般是线阵或面阵的，故可以用一次线性拟合子午聚焦位置，如图4所示，由子午聚焦位置经过一次线性拟合得到光谱范围分辨率总体较好的位置。

方案二、当对分辨率有更高的要求时，不同波长的光在同一介质中传播时折射率不一样，所以经过柱面镜后聚焦的焦点不在同一个平面，而采用非常规的特殊光学校准镜片(非常规柱面镜)，能实现聚光来增加灵敏度，同时保持良好的光谱分辨率。

比如，采用变曲率柱面镜在全谱范围内增强灵敏度的基本思路是将聚焦在弧矢面上影响纵向的灵敏度的光分布尽量用柱面镜调节聚集到子午面的焦点位置上来，减小对分辨率造成的影响。

在一实施例中，本发明提出的厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，设计方法与过程如下：

根据光谱仪在无此光学校准镜片下光路的聚焦的焦点位置分布，求出其各波长聚焦点的分布坐标，一般地，光谱聚光镜为球面反射镜，平行光入射后聚焦点位于距离球面反射镜r＝1/2R_球cosα处，其中，R_球为球面反射镜的半径，α是平行入射光与凹面反射镜中心处法线之间的夹角，可近似认为焦点分布于圆弧上，不同波长所处的角度不同，得出波长与焦点距离位置的关系曲线。

为举例简便起见，取柱面镜为平凸透镜，以达到各波长聚焦位置轨迹位于一个与平凸透镜平面平行为目的的矫正效果，设计各个位置处透镜的曲率，完成曲率渐变的柱透镜设计。平凸透镜焦距公式为：f_λ＝r_λ/(n-1)，f_λ与聚焦位置分布有关，可以拟合得出，根据拟合结果，设计出柱面镜半径r的分布。

具体的，变曲率柱面镜半径r的设计过程如下：

假设柱面镜的一个面为平面，即r＝∞，由CCD距离柱面镜位置L_中要求，光谱线采用光谱范围的中心波长，按照薄透镜条件设计，这样可以忽略厚度变化对焦距的影响，通过软件模拟设计出此时柱面镜的曲率r_中和厚度d_中以及f_中。

再由图4中二次曲线拟合的曲线来设计变曲率柱面镜的半径r。具体地,由图4中二次曲线拟合的子午弧矢聚焦位置差ΔY² _λ曲线，由于该柱面镜摆放时，有β的倾斜角度要求，所以，需要将此时的位置差ΔY² _λ进行坐标变换，按照β顺时针旋转二次曲线拟合下的ΔY² _λ曲线，转成ΔY² _λ’关系曲线，则有全谱范围每个波长的焦距表达式：

f_λ＝f_中-(ΔY² _λ’-ΔY² _中)≈f_中-ΔY² _λ’+ΔY² _中；

由薄透镜焦距公式：f_λ＝r_λ/(n-1)，可以算出每个波长λ位置处的曲率值，r_λ即为变曲率透镜的半径值。

本实施例中的变曲率设计透镜的r_λ曲线如图5(a)所示，得出的透镜示意图如5(b)所示。

进一步的，本发明将CCD与制冷控温单元、具有像差校正和能量会聚功能的光学校正单元有机结合，除了能稳定控制温度，还能增强光谱探测灵敏度、保持较高的光谱分辨率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，包括具有像差校正和能量会聚功能的光学校准单元，所述光学校准单元设置在CCD之前；

所述光学校准单元为常规柱面镜或非常规柱面镜，用于将影响灵敏度的沿着光谱高度方向的会聚位置与影响分辨率的沿着光谱宽度方向的聚焦位置均调节至CCD像元所在的位置上；

所述非常规柱面镜是曲率不变厚度渐变的渐变厚度柱面镜，或者是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜，或者是双胶合柱面镜。

2.根据权利要求1所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述渐变曲率柱面镜，设计方法如下：

根据光谱仪在无此渐变曲率柱面镜下光路的聚焦的焦点位置分布，求出其各波长聚焦点的分布坐标，光谱聚光镜为球面反射镜，平行光入射后聚焦点位于距离球面反射镜r＝1/2R_球cosα处，其中，R_球为球面反射镜的半径，α是入射光与凹面反射镜中心处法线之间的夹角，不同波长所处的角度不同，得出波长与焦点距离位置的关系曲线；

取柱面镜为平凸透镜，以达到各波长聚焦位置轨迹位于一个与平凸透镜平面平行为目的的矫正效果，设计各个位置处透镜的曲率，完成曲率渐变的柱透镜设计，平凸透镜焦距公式为：f_λ＝r_λ/(n-1)，f_λ与聚焦位置分布有关，通过拟合得出，根据拟合结果，设计出柱面镜半径r的分布。

3.根据权利要求2所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述渐变曲率柱面镜，半径r的设计如下：

假设柱面镜的一个面为平面，即r＝∞，由CCD距离柱面镜位置L_中要求，光谱线采用光谱范围的中心波长，按照薄透镜条件设计，这样可以忽略厚度变化对焦距的影响，通过软件模拟设计出此时柱面镜的曲率r_中和厚度d_中以及焦距f_中；

再采用二次曲线拟合的曲线来设计变曲率柱面镜的半径r，由二次曲线拟合的子午弧矢聚焦位置差△Y² _λ曲线，该柱面镜摆放时，有β的倾斜角度要求，需要将此时的位置差△Y² _λ进行坐标变换，按照β顺时针旋转二次曲线拟合下的△Y² _λ曲线，转成△Y² _λ’关系曲线，则有全谱范围每个波长的焦距f_λ表达式：

f_λ＝f_中-(△Y² _λ’-△Y² _中)≈f_中-△Y² _λ’+△Y² _中；

由薄透镜焦距公式：f_λ＝r_λ/(n-1)，算出每个波长λ位置处的曲率半径值，r_λ即为变曲率透镜的半径值。

4.根据权利要求1-3任一项所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述装置进一步包括：起密封和散热作用的散热盒，所述散热盒的上端有透光窗口，光学校准单元设置于该透光窗口，所述散热盒内四周填充有绝热材料。

5.根据权利要求4所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述散热盒的底部成梳状片型结构以增大表面积，以利于散热，散热盒内中心由底部向上依次放置半导体制冷片、导热块、温度传感器和CCD，所述温度传感器埋入导热块内部；所述散热盒的侧面有出线孔，所述半导体制冷片、温度传感器和CCD的接线均从该出线孔引出。

6.根据权利要求4所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述散热盒的材料选用铝合金或者铜。

7.根据权利要求5所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述半导体制冷片、导热块、温度传感器和CCD之间各接触面均通过导热硅胶亲密接触。

8.根据权利要求5所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述导热块的材料选用紫铜或者铝合金。

9.根据权利要求5所述的提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块，其特征在于，所述温度传感器选用热敏电阻。