[发明专利]一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块

说明书

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。

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-coupled Device，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。