CN1079947C - 辐射探测器 - Google Patents
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Abstract
一种紫外线辐射探测器，包括一个入射狭隙(18)的切开的石英主体(10)，辐射从所述的狭隙散射到弯曲的反射面(20，22)上，所述的弯曲的反射面把作为汇聚光束的辐射反射至衍射光栅(28)上。光栅把所要求的光谱级聚焦在紫外线探测器阵列(24)上。通常聚焦第一级光谱。探测器是可以手持。
Description
本发明涉及辐射探测器，特别是涉及一种小到足以手持的耐用的装置。
作为耐用的且精确的光谱手持装置的一个用途是测量来自太阳的紫外光辐射。目前许多国家所关心的是来自太阳的UV辐射对活组织，特别是对人类健康的影响。目前使用的探测器，尽管在广泛地使用，但不是不够精确，就是太大，太重。
已知的耐用的辐射探测器的结构都是把所有的零部件或者基本全部部件都装在透明的辐射主体上，探测器内的辐射路径实际上都在主体内。
这种结构在Carl Zeiss-Stiftung的美国专利US-5,159，404中公开，其中，二极管阵列的光谱仪包括一个双凸透镜，该透镜具有一个装在一个凸面上的凹面光栅，而二极管阵列与另一个凸面隔开一个很小的距离。所述的装置置于一个小的空气隙，以便使二极管阵列能摆动，修正载体的容差变化。该装置使用一个难于制造或者难于装到凸面上的变曲的衍射光栅。
另一种结构是在波音公司的PCT专利申请中所描述的，其公开号为WO92/11517，其中，用于波长分割的多路传输系统的多路信号分离器/控测器包括一个平面波导，该波导具有一个装在弯曲的边缘上的行间隔可调的衍射光栅，和一个装在直的边缘上的二极管阵列。这种装置耐用，且没有空气隙，但制造复杂。
对于信号分离器单元和凸透镜的不同结构Y.Fujii等在“OpticalDemultiplexer Utilizing an Ebert Mounting Silicon Grating”中已经披露(见“Journal of Lightwave Technology”Vol.LT-2，No.5.Oct.1984，New York，US，pp731-734)。这些单元包括一根输入光纤，一个反射镜，一个平面的衍射光栅，和一根输出光纤，由输入光纤进入信号分离器的辐射由反射镜反射到衍射光栅上，然后反射至所述反射镜，然后进入输出光纤，该结构具有较大或较小程度的辐射反射损失，并具有象差。
本发明的目的在于提供一种制造简单、能实现光源的光谱和强度都能测量的辐射探测器。
按照本发明，辐射探测系统包括一个在一个面上具有入射孔装置(18)的用于接收辐射的能透过辐射的波导(10)，一个具有联接辐射探测装置(24)的第一平面(23)，一个接收来自入射孔装置(18)的弯曲的反射面(20，22)，和一个接收来自弯曲的反射面(20，22)的辐射的并具有与之相联接的平面的衍射光栅(28)的第二平面(26)，按照这样的结构，弯曲的反射面(20，22)和平面的衍射光栅(28)聚焦来自入射孔装置(18)的发散辐射(36，38)，其特征在于辐射探测装置(24)是装在与衍射光栅(28)不同的面上，由衍射光栅(28)衍射的辐射(36，38)直接作用在辐射探测器装置(24)上，且所要求的光谱带和光谱级聚焦在辐射探测器装置(24)上。
优选的弯曲的反射面把辐射作为一个汇聚光束引入平面的衍射光栅上。
汇聚光束的中心光线优选地是与光栅的法线成较小的角度入射到平面衍射光栅上。
第一级光谱优选地是聚焦在辐射探测器装置上，且该光谱优选地是位于光栅的法线的，与入射的汇聚光束的中心光线相对的一侧上。
弯曲的反射面可选择地具有决定于反射率的波长，这就是说，在所要求的光谱带内的辐射是朝平面方向反射，而在另外波长上的辐射是在波导之外传输，这种反射特性是通过使用电介质涂覆实现。
另外，在入射孔装置之外有一个滤色器装置，该装置实际上只传输在所要求的光谱带内的辐射。
辐射探测系统可选择的是对紫外线敏感的，且由多个紫外线敏感的探测器组成，第一级光谱可选择地聚焦在多个探测器上。
入射孔装置可以是在波导输入面上遮光涂层中的一条狭隙，或者是一个光管。
所选择的波导的外表面可以任意地用辐射衰减层覆盖，如中性密度滤色材料，以便减少不希望的内反射。
滤导优选的是具有上下面形式的平面波导，所述面能在所要求的光谱带中内部地反射辐射，由此，改进了效率，且通过入射孔入射的光谱带的辐射没有损耗。上下面可以任意地进行反射涂覆，或者使之具有改进的反射率，以便增加整个的内部反射。
使用时，至少一个辐射探测器或探测器阵列可选择地接合到平面探测器面上，所说的探测器(或探测器阵列)连接到电路装置和显示装置上，以便对入射在入射孔装置上的辐射强度提供一个适当
所选择的波导的外表面可以任意地用辐射衰减层覆盖，如中性密度滤色材料，以便减少不希望的内反射。
滤导优选的是具有上下面形式的平面波导，所述面能在所要求的光谱带中内部地反射辐射，由此，改进了效率，且通过入射孔入射的光谱带的辐射没有损耗。上下面可以任意地进行反射涂覆，或者使之具有改进的反射率，以便增加整个的内部反射。
使用时，至少一个辐射探测器或探测器阵列可选择地接合到平面探测器面上，所说的探测器(或探测器阵列)连接到电路装置和显示装置上，以便对入射在入射孔装置上的辐射强度提供一个适当的显示。光连接降低了排列在探测器面上的探测器界面处的反射。
波导优选地是由石英主体组成，波导可以选择地由下列步骤制备：
对石英棒进行机构加工，由此使之具有弯曲的反射面，和平面探测器，衍射和输入面，
对弯曲的反射面，衍射面，输入面和探测器面研磨和抛光；
把不能透过辐射的材料涂到输入面上，以便界定入射孔；
对弯曲的反射面涂覆对所要求的光谱带内的辐射的反射的涂层；
把衍射光栅装到衍射面上；和
切开毛坯(ingot)，以便形成多个波导。
若要施加辐射衰减层时，它被附加在切开前的适当的面。
当把介电体反射滤色片置于弯曲的反射面上时，它可以作为在制备过程中的附加步骤施加。
切片的上下面可选择地涂覆或作其它的改进，以便提高在所要求的波长光谱带内的辐射内反射。
本发明将结合附图所示的实例进行说明，附图有：
图1是按照本发明辐射探测系统的波导内的辐射器径；
图2是简化的光学图；
图3所示的是波导的制造方法；
图4所示的是紫外线探测系统的电子组件；
图5是用于光收集的另一个光学结构图。
图1是在平面图上示出了紫外线波导10，它包括一个薄的石英切片12，石英切片12具有一个用不透明金属薄膜16，例如铝，覆盖的平面输入面14，以定义狭隙18。
相对于输入面14的是一个弯曲的面20，该面由可选择地对紫外线辐射反射和对其它波长传输的层22覆盖。通常，所说的层是电介质涂层。
接着弯曲的面20的是一个平面探测器面23，平面的探测器阵列24光学的连接到该面上。接着输入面14的是一个平面衍射面26，它具有装在其上的衍射光栅28。
波导10的外面有一个光源30，它简化地示出并表示太阳；一个可选择的预滤色器32；一个可供选择的电介质滤波片32a；和一个光收集装置34。
使用时，来自太阳30的平行光落在光收集系统34上。该系统把辐射聚焦在狭隙18上，辐射的发散光束36在波导10内通过反射面20，22并反射到衍射光栅28上，该衍射光栅把辐射散到探测器阵列24上。
如果有可选择的预滤色器32，它滤出非紫外线辐射。如果有可选择的电介质滤色片32a，它滤出任何的非紫外线辐射。如果未过滤的辐射入射到层22上，且该层反射紫外线辐射，该辐射作为光束38反射到衍射面26，而其它波长的辐射作为光束37传输，通常至少应该有一个紫外线选择级，优选地是反射这滤层22。
为了避免在滤导10内的辐射散射，遮光板13，15，遮光板可以是在波导体内成馈齿切口形的。
用于太阳的紫外线探测器，其灵敏度要求紫外线B在280至315纳米之间，紫外线A在315到400纳米之间。对于落在探测器阵列24上的第一级光谱，且使用每毫米1200条线的光栅时，从光栅28到探测器阵列24的距离对于典型的5纳米分辨率而言为25毫米。对于由光栅的引起的扩散的相关方程是：
d(sinφ÷sinθ)＝mx
其中：φ＝在光栅上入射光角度；
θ＝由光栅发出的散射光角度；
x＝在波导10内的介质内的入射光的波长；
d＝光栅的线间隔；
m＝光谱的级。
合适的探测器阵列最少具有24个元件，以便通过280至400纳米的紫外光时能给出大约4纳米的分辨率。每个探测器将受到一个由波导的散射和聚集效应所产生的窄的紫外线辐射带照射。
薄切片波导的优点说明如下，当来自狭隙18的光线如图1所示扩散，且还是正交地，则正交地扩散的光线由整个内反射，或者由在波导的上下面上的反射涂层协助向后反射，这样改进了整个探测系统的效率。
图2是一个简化的光学图，它示出了入射在平面光栅28上的汇聚光束38具有一条中心光线38A，该光线与光栅28的法线N成很小的角度α入射在光栅28上。对于任何给出的结构，都存在着一个最佳的α值，它一般在几度的量级，如5°。
聚焦在探测器阵列24的光谱是第一级光谱，它位于法线N到中心光线38A的相反侧，这将称之为“南侧”光谱。这是本发明的特征，即，业已发现南侧的第一级光谱比“北侧”(即与中心光线38A在法线N同一侧的光谱)的第一级光谱具有更好的形状和聚焦。
南北两侧的第一级光谱都有它们聚集的弯曲的轨迹，但对于感兴趣的波长范围，例如200-400纳米，南侧的光谱提供更好的结果。
为方便起见，图2还示出了在图1中为清楚起见删去的特征，以便减少施加到若干个外表面(由黑色粗线17表示的)上的所不希望的在石英切片12，中性密度NG滤色材料层，或“黑玻璃”之间的内反射。黑玻璃施加到输入面14和弯曲面20之间的面19上，和探测器面24和光栅28之间的面上。
黑玻璃是选取具非常接近于熔凝硅石的折射率，且能使光线从石英切片12处进入，而由黑玻璃返回的光线被衰减大约10,000∶1倍。
图3示出了制造波导10的方法，对融熔的石英的坯料机加工，使之具有在图中所示的标号为40的形状，即直径约为50毫米的棒状。
该棒具有一个平的输入面42，一个毗邻平面探测器面46的相对的曲线面44，和平的光栅面48，沿毛坯的整个长度对合适的横截面机械加工后，对光栅面48磨削并抛光，再对弯曲的面44，探测器面46和输入面42磨削和抛光。
如果需要，再加工成任意的锯痕，以便形成遮光板13和15。
黑玻璃(参照图2的标号17)通过把片切成一定的大小并把它们粘结固定到合适的面上。一个光栅，可以是全息摄影的光栅，是用公知的技术在光栅面48上形成。或者用其它的方式固定到光栅面上。
然后，把棒40切成如图中虚线所示的片，每个有n毫米厚，并保持在已制备在面上的涂层。多个探测器任意地连接到探测器面上。每个切片的上下面都抛光，并可选择地镀铝。另外，上下面还可以依赖于波长的涂料涂覆，使非紫外线辐射能从波导中透射出来。
用于太阳紫外线探测系统的棒40典型地是光谱纯或透明熔凝硅石。
图4示意地示出了连接到放大和测量电路50的探测器阵列24，该电路又连接到显示单元52。探测器阵列24，电路50和显示单元52都连接到可以是太阳能电池的电源54上。
使用时，探测器阵列的放大和测量电路组合是在装置制造和装配后校验，并配置显示单元以为入射的紫外线辐射提供适当的显示。
如果需要，可以分别标明紫外线B和紫外线A，紫外线A在315到400纳米之间的范围内，而紫外线B在280到315纳米范围的，由于不同的波长聚集在阵列24的各个不同的探测器上，输出可以通过电路50分组和求和，以便对紫外线A和紫外线B提供不同的输出和显示。
图5所示是按照本发明的辐射探测器的另一种结构，其中，石英主体60具有一个入射狭隙62，入射光I通过一个能透过紫外线的柔性光管64提供，光管64的输出端66紧靠在狭隙62的位置上，输出端68通过球面透镜70接收入射光I，光管64的柔性使辐射探测器能更方便地使用，亦即能很容易地对准感光趣的光源。
比较图1和图5可以看出石英主体12和60稍稍具有不同的形状。在图5中，输入狭隙62和平面的光栅是在同一个平面的面72上，这对于制造来讲更加方便。
基于本发明的波导格式的辐射探测系统可以用现有技术制造成既牢固又轻便，它也可以简化校验，且它的性能也不会由此而下降。
Claims (9)
1.一种辐射探测系统，包括一个在一个面上具有用于接收辐射的入射孔装置(18)的透过辐射的波导(10)，一个联接辐射探测装置(24)的第一平面(23)，一个接收来自入射孔装置(18)的辐射(36)的弯曲的反射面(20，22)，和一个接收来自弯曲的反射面(20，22)的辐射(38)的并具有与之联接的平面的衍射光栅的第二平面(26)，按照上述结构，弯曲的反射面(20，22)和平面的衍射光栅(28)聚焦来自入射孔装置(18)的发散的辐射(36，38)，其特征在于辐射探测装置(24)是装在与衍射光栅(28)不同的面上，由衍射光栅(28)衍射的辐射(36，38)直接作用在辐射探测装置(24)上，且所要求的光谱带和光谱级聚焦在辐射探测装置(24)上。
2.按照权利要求1的辐射探测系统，其特征在于弯曲的反射面(20，22)是一种能把辐射作为一个会聚光束引至平面衍射光栅(28)的结构。
3.按照权利要求2的辐射探测系统，其特征在于孔(18)，弯曲的反射面(20，22)和平面的衍射光栅(28)这样彼此布置使会聚光束的中心光线(38A)以较小的与光栅(28)的法线(N)的角度α入射在平面的衍射光栅(28)上。
4.按照权利要求1所述的辐射探测系统，其特征在于孔(18)，弯曲的反射面(20，22)，和平面的衍射光栅(28)这样彼此布置，使第一级光谱聚焦在辐射探测器装置(24)上。
5.按照权利要求4的辐射探测系统，其特征在于所说的第一级光谱位于光栅(28)的法线(N)的，与入射的会聚光束(38)的中心光线(38A)相对的一侧。
6.按照权利要求1的辐射探测系统，其特征在于包括多个对紫外线敏感的传感器(24)。
7.按照权利要求1的辐射探测系统，其特征在于辐射探测器装置(24)连接到电路装置(50)和显示装置(52)上，以便对入射在入射孔装置(18)上的辐射强度提供显示。
8.按照权利要求1的辐射探测系统，其特征在于波导(10)包括一个石英主体(12)。
9.按照权利要求8的辐射探测系统，其特征在于石英的波导(12)是按下列步骤制备：
对石英棒进行机械加工，由此使之具有弯曲的反射面(20)，和平面探测器，衍射和输入面(23，26，14)；
磨削和抛光弯曲的反射面(20)、衍射面(26)，输入面(24)和探测器面(23)；
把不能透过辐射的材料(16)涂覆到输入面(14)上，由此界定一个入射孔(18)；
对弯曲的反射面(20)施加对要求的光谱带的辐射反射的涂层；
把衍射光栅(28)施加到衍射面上；和
把毛坯切片，以便形成多个波导。
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