[发明专利]一种提高探测灵敏度的光谱测量CCD模块

摘要

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。

主权项

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；所述光谱测量CCD模块进一步包括：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；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；所述非常规柱面镜是厚度不变曲率渐变的渐变曲率柱面镜；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；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，△Y²_中为光谱线采用光谱范围的中心波长时子午弧矢聚焦位置差。