專利名稱：輻射探測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輻射探測(cè)器，特別是涉及一種小到足以手持的耐用的裝置。
作為耐用的且精確的光譜手持裝置的一個(gè)用途是測(cè)量來自太陽的紫外光輻射。目前許多國家所關(guān)心的是來自太陽的UV輻射對(duì)活組織，特別是對(duì)人類健康的影響。目前使用的探測(cè)器，盡管在廣泛地使用，但不是不夠精確，就是太大，太重。
已知的耐用的輻射探測(cè)器的結(jié)構(gòu)都是把所有的零部件或者基本全部部件都裝在透明的輻射主體上，探測(cè)器內(nèi)的輻射路徑實(shí)際上都在主體內(nèi)。
這種結(jié)構(gòu)在Carl Zeiss-Stiftung的美國專利US-5，159，404中公開，其中，二極管陣列的光譜儀包括一個(gè)雙凸透鏡，該透鏡具有一個(gè)裝在一個(gè)凸面上的凹面光柵，而二極管陣列與另一個(gè)凸面隔開一個(gè)很小的距離。所述的裝置置于一個(gè)小的空氣隙，以便使二極管陣列能擺動(dòng)，修正載體的容差變化。該裝置使用一個(gè)難于制造或者難于裝到凸面上的變曲的衍射光柵。
另一種結(jié)構(gòu)是在波音公司的PCT專利申請(qǐng)中所描述的，其公開號(hào)為W092/11517，其中，用于波長分割的多路傳輸系統(tǒng)的多路信號(hào)分離器/控測(cè)器包括一個(gè)平面波導(dǎo)，該波導(dǎo)具有一個(gè)裝在彎曲的邊緣上的行間隔可調(diào)的衍射光柵，和一個(gè)裝在直的邊緣上的二極管陣列。這種裝置耐用，且沒有空氣隙，但制造復(fù)雜。
本發(fā)明的目的在于提供一種制造簡(jiǎn)單，能同時(shí)測(cè)量光源的頻譜和強(qiáng)度的輻射探測(cè)器。
按照本發(fā)明，輻射探測(cè)器系統(tǒng)包括一個(gè)可透過輻射的波導(dǎo)，該波導(dǎo)在一個(gè)面上具有一個(gè)入射孔裝置，用于接收輻射，和一個(gè)與輻射探測(cè)器裝置聯(lián)接的第一平面，其特征在于還包括一個(gè)用于接收來自入射孔裝置的輻射的彎曲反射面，和一個(gè)用于接收來自彎曲反射面的輻射的并具有與之聯(lián)接的平面衍射光柵的第二平面，按照上述結(jié)構(gòu)，彎曲的反射面的平面衍射光柵使來自入射孔的發(fā)散輻射聚焦，由此，將所要求的光譜帶和光譜級(jí)聚焦在輻射探測(cè)器裝置上。
優(yōu)選的彎曲的反射面把輻射作為一個(gè)匯聚光束引入平面的衍射光柵上。
匯聚光束的中心光線優(yōu)選地是與光柵的法線成較小的角度入射到平面衍射光柵上。
第一級(jí)光譜優(yōu)選地是聚焦在輻射探測(cè)器裝置上，且該光譜優(yōu)選地是位于光柵的法線的，與入射的匯聚光束的中心光線相對(duì)的一側(cè)上。
彎曲的反射面可選擇地具有決定于反射率的波長，這就是說，在所要求的光譜帶內(nèi)的輻射是朝平面方向反射，而在另外波長上的輻射是在波導(dǎo)之外傳輸，這種反射特性是通過使用電介質(zhì)涂覆實(shí)現(xiàn)。
另外，在入射孔裝置之外有一個(gè)濾色器裝置，該裝置實(shí)際上只傳輸在所要求的光譜帶內(nèi)的輻射。
輻射探測(cè)系統(tǒng)可選擇的是對(duì)紫外線敏感的，且由多個(gè)紫外線敏感的探測(cè)器組成，第一級(jí)光譜可選擇地聚焦在多個(gè)探測(cè)器上。
入射孔裝置可以是在波導(dǎo)輸入面上遮光涂層中的一條狹隙，或者是一個(gè)光管。
所選擇的波導(dǎo)的外表面可以任意地用輻射衰減層覆蓋，如中性密度濾色材料，以便減少不希望的內(nèi)反射。
濾導(dǎo)優(yōu)選的是具有上下面形式的平面波導(dǎo)，所述面能在所要求的光譜帶中內(nèi)部地反射輻射，由此，改進(jìn)了效率，且通過入射孔入射的光譜帶的輻射沒有損耗。上下面可以任意地進(jìn)行反射涂覆，或者使之具有改進(jìn)的反射率，以便增加整個(gè)的內(nèi)部反射。
使用時(shí)，至少一個(gè)輻射探測(cè)器或探測(cè)器陣列可選擇地接合到平面探測(cè)器面上，所說的探測(cè)器(或探測(cè)器陣列)連接到電路裝置和顯示裝置上，以便對(duì)入射在入射孔裝置上的輻射強(qiáng)度提供一個(gè)適當(dāng)?shù)娘@示。光連接降低了排列在探測(cè)器面上的探測(cè)器界面處的反射。
波導(dǎo)優(yōu)選地是由石英主體組成，波導(dǎo)可以選擇地由下列步驟制備對(duì)石英棒進(jìn)行機(jī)構(gòu)加工，由此使之具有彎曲的反射面，和平面探測(cè)器，衍射和輸入面，對(duì)彎曲的反射面，衍射面，輸入面和探測(cè)器面研磨和拋光；把不能透過輻射的材料涂到輸入面上，以便界定入射孔；對(duì)彎曲的反射面涂覆對(duì)所要求的光譜帶內(nèi)的輻射的反射的涂層；把衍射光柵裝到衍射面上；和切開毛坯(ingot)，以便形成多個(gè)波導(dǎo)。
若要施加輻射衰減層時(shí)，它被附加在切開前的適當(dāng)?shù)拿妗?br> 當(dāng)把介電體反射濾色片置于彎曲的反射面上時(shí)，它可以作為在制備過程中的附加步驟施加。
切片的上下面可選擇地涂覆或作其它的改進(jìn)，以便提高在所要求的波長光譜帶內(nèi)的輻射內(nèi)反射。
本發(fā)明將結(jié)合附圖所示的實(shí)例進(jìn)行說明，附圖有

圖1是按照本發(fā)明輻射探測(cè)系統(tǒng)的波導(dǎo)內(nèi)的輻射器徑；圖2是簡(jiǎn)化的光學(xué)圖；圖3所示的是波導(dǎo)的制造方法；圖4所示的是UV探測(cè)系統(tǒng)的電子組件；圖5是用于光收集的另一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。
圖1在平面圖上示出了UV波導(dǎo)10，它包括一個(gè)薄的石英切片12，石英切片12具有一個(gè)用不透明金屬薄膜16，例如鋁，覆蓋的平面輸入面14，以定義狹隙18。
相對(duì)于輸入面14的是一個(gè)彎曲的面20，該面由可選擇地對(duì)UV輻射反射和對(duì)其它波長傳輸?shù)膶?2覆蓋。通常，所說的層是電介質(zhì)涂層。
接著彎曲的面20的是一個(gè)平面探測(cè)器面23，平面的探測(cè)器陣列24光學(xué)的連接到該面上。接著輸入面14的是一個(gè)平面衍射面26，它具有裝在其上的衍射光柵28。
波導(dǎo)10的外面有一個(gè)光源30，它簡(jiǎn)化地示出并表示太陽；一個(gè)可選擇的預(yù)濾色器32；一個(gè)可供選擇的電介質(zhì)濾波片32a；和一個(gè)光收集裝置34。
使用時(shí)，來自太陽30的平行光落在光收集系統(tǒng)34上。該系統(tǒng)把輻射聚焦在狹隙18上，輻射的發(fā)散光束36在波導(dǎo)10內(nèi)通過反射面20，22并反射到衍射光柵28上，該衍射光柵把輻射散到探測(cè)器陣列24上。
如果有可選擇的預(yù)濾色器32，它濾出非UV輻射。如果有可選擇的電介質(zhì)濾色片32a，它濾出任何的非UV輻射。如果未過濾的輻射入射到層22上，且該層反射UV輻射，該輻射作為光束38反射到衍射面26，而其它波長的輻射作為光束37傳輸，通常至少應(yīng)該有一個(gè)UV選擇級(jí)，優(yōu)選地是反射過濾層22。
為了避免在波導(dǎo)10內(nèi)的輻射散射，遮光板13，15，遮光板可以是在波導(dǎo)主體內(nèi)成鋸齒切口形的。
用于太陽的UV探測(cè)器，其靈敏度要求UVB在280至315納米之間，UVA在315到400納米之間。對(duì)于落在探測(cè)器陣列24上的第一級(jí)光譜，且使用每毫米1200條線的光柵時(shí)，從光柵28到探測(cè)器陣列24的距離對(duì)于典型的5納米分辨率而言為25毫米。對(duì)于由光柵的引起的擴(kuò)散的相關(guān)方程是d(sinφ÷sinθ)＝mx其中φ＝在光柵上入射光角度；θ＝由光柵發(fā)出的散射光角度；x＝在波導(dǎo)10內(nèi)的介質(zhì)內(nèi)的入射光的波長；d＝光柵的線間隔；m＝光譜的級(jí)。
合適的探測(cè)器陣列最少具有24個(gè)元件，以便通過280至400納米的紫外光時(shí)能給出大約4納米的分辨率。每個(gè)探測(cè)器將受到一個(gè)由波導(dǎo)的散射和聚集效應(yīng)所產(chǎn)生的窄的UV輻射帶照射。
薄切片波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)說明如下，當(dāng)來自狹隙18的光線如圖1所示擴(kuò)散，且還是正交地，則正交地?cái)U(kuò)散的光線由整個(gè)內(nèi)反射，或者由在波導(dǎo)的上下面上的反射涂層協(xié)助向后反射，這樣改進(jìn)了整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的效率。
圖2是一個(gè)簡(jiǎn)化的光學(xué)圖，它示出了入射在平面光柵28上的匯聚光束38具有一條中心光線38A，該光線與光柵28的法線N成很小的角度α入射在光柵28上。對(duì)于任何給出的結(jié)構(gòu)，都存在著一個(gè)最佳的α值，它一般在幾度的量級(jí)，如5°。
聚焦在探測(cè)器陣列24的光譜是第一級(jí)光譜，它位于法線N到中心光線38A的相反側(cè)，這將稱之為“南側(cè)”光譜。這是本發(fā)明的特征，即，業(yè)已發(fā)現(xiàn)南側(cè)的第一級(jí)光譜比“北側(cè)”(即與中心光線38A在法線N同一側(cè)的光譜)的第一級(jí)光譜具有更好的形狀和聚焦。
南北兩側(cè)的第一級(jí)光譜都有它們聚集的彎曲的軌跡，但對(duì)于感興趣的波長范圍，例如200-400納米，南側(cè)的光譜提供更好的結(jié)果。
為方便起見，圖2還示出了在圖1中為清楚起見刪去的特征，以便減少施加到若干個(gè)外表面(由黑色粗線17表示的)上的所不希望的在石英切片12，中性密度NG濾色材料層，或“黑玻璃”之間的內(nèi)反射。黑玻璃施加到輸入面14和彎曲面20之間的面19上，和探測(cè)器面24和光柵28之間的面上。
黑玻璃是選取具非常接近于熔凝硅石的折射率，且能使光線從石英切片12處進(jìn)入，而由黑玻璃返回的光線被衰減大約10,000∶1倍。
圖3示出了制造波導(dǎo)10的方法，對(duì)融熔的石英的坯料機(jī)加工，使之具有在圖中所示的標(biāo)號(hào)為40的形狀，即直徑約為50毫米的棒狀。
該棒具有一個(gè)平的輸入面42，一個(gè)毗鄰平面探測(cè)器面46的相對(duì)的曲線面44，和平的光柵面48，沿毛坯的整個(gè)長度對(duì)合適的橫截面機(jī)械加工后，對(duì)光柵面48磨削并拋光，再對(duì)彎曲的面44，探測(cè)器面46和輸入面42磨削和拋光。
如果需要，再加工成任意的鋸痕，以便形成遮光極13和15。
黑玻璃(參照?qǐng)D2的標(biāo)號(hào)17)通過把片切成一定的大小并把它們粘結(jié)固定到合適的面上。一個(gè)光柵，可以是全息攝影的光柵，是用公知的技術(shù)在光柵面48上形成，或者用其它的方式固定到光柵面上。
然后，把棒40切成如圖中虛線所示的片，每個(gè)有n毫米厚，并保持在已制備在面上的涂層。多個(gè)探測(cè)器任意地連接到探測(cè)器面上。每個(gè)切片的上下面都拋光，并可選擇地鍍鋁。另外，上下面還可以用依賴于波長的涂料涂覆，使非UV輻射能從波導(dǎo)中透射出來。
用于太陽UV探測(cè)系統(tǒng)的棒40典型地是光譜純石英或透明石英。
圖4示意地示出了連接到放大和測(cè)量電路50的探測(cè)器陣列24，該電路又連接到顯示單元52。探測(cè)器陣列24，電路50和顯示單元52都連接到可以是太陽能電池的電源54上。
使用時(shí)，探測(cè)器陣列的放大和測(cè)量電路組合是在裝置制造和裝配后校驗(yàn)，并配置顯示單元以為入射的UV輻射提供適當(dāng)?shù)娘@示。
如果需要，可以分別標(biāo)明UVB和UVA，UVA在315到400納米之間的范圍內(nèi)，而UVB在280到315納米范圍的，由于不同的波長聚集在陣列24的各個(gè)不同的探測(cè)器上，輸出可以通過電路50分組和求和，以便對(duì)UVA和UVB提供不同的輸出和顯示。
圖5所示是按照本發(fā)明的輻射探測(cè)器的另一種結(jié)構(gòu)，其中，石英主體60具有一個(gè)入射狹隙62，入射光I通過一個(gè)能透過UV的柔性光管64提供，光管64的輸出端66緊靠在狹隙62的位置上，輸出端68通過球面透鏡70接收入射光I，光管64的柔性使輻射探測(cè)器能更方便地使用，亦即能很容易地對(duì)準(zhǔn)感興趣的光源。
比較圖1和圖5可以看出石英主體12和60稍稍具有不同的形狀。在圖5中，輸入狹隙62和平面的光柵是在同一個(gè)平面的面72上，這對(duì)于制造來講更加方便。
基于本發(fā)明的波導(dǎo)格式的輻射探測(cè)系統(tǒng)可以用現(xiàn)有技術(shù)制造成既牢固又輕便，它也可以簡(jiǎn)化校驗(yàn)，且它的性能也不會(huì)由此而下降。
權(quán)利要求
1.一種輻射探測(cè)器系統(tǒng)，包括一個(gè)在一個(gè)面上具有用于接收輻射的入射孔裝置(18)的透過輻射的波導(dǎo)(10)，和一個(gè)具有聯(lián)接輻射探測(cè)器裝置(24)的第一平面(23)，其特征在于還包括用于接收來自入射孔裝置(18)的輻射(36)的彎曲的反射面(20，22)，和一個(gè)用于接收來自彎曲的反射面(20，22)的輻射(38)的并具有與之聯(lián)接的平面的衍射光柵(28)的第二平面(26)，按照上述結(jié)構(gòu)，彎曲的反射面(20，22)和平面衍射光柵(28)聚焦來自入射孔裝置(18)的發(fā)散的輻射(36，38)，由此將要求的光譜帶和光譜級(jí)聚焦在輻射探測(cè)裝置(24)上。
2.按照權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于彎曲的反射面(20，22)把輻射作為一個(gè)匯聚光束引至平面衍射光柵(28)上。
3.按照權(quán)利要求2所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于匯聚光束(38)的中心光束(38A)與光柵(28)的法線成較小角度α地入射在平面衍射光柵(28)上。
4.按照權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于第一級(jí)光譜聚焦在輻射探測(cè)系統(tǒng)(24)上。
5.按照權(quán)利要求4所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所說的第一級(jí)光譜位于光柵(28)的法線(N)的，與入射的匯聚光束(38)的中心光線(38A)相對(duì)的一側(cè)。
6.按照權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括多個(gè)對(duì)紫外線敏感的探測(cè)器(24)。
7.按照權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于輻射探測(cè)裝置(24)連接到電路裝置(50)和顯示裝置(52)上，以便對(duì)入射在入射孔裝置(18)上的輻射強(qiáng)度提供顯示。
8.按照權(quán)利要求1所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于波導(dǎo)(10)包括一個(gè)石英主體(12)。
9.按照權(quán)利要求8所述的輻射探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于石英波導(dǎo)(12)是按如下步驟制備的對(duì)石英棒進(jìn)行機(jī)械加工，由此使之具有彎曲的反射面(20)，和平面探測(cè)器，衍射和輸入面(23，26，14)；磨削和拋光彎曲的反射面(20)、衍射面(26)，輸入面(24)和探測(cè)器面(23)；把不能透過輻射的材料(16)涂覆到輸入面(14)上，由此界定一個(gè)入射孔(18)；對(duì)彎曲的反射面(20)施加對(duì)所要求的光譜帶的輻射反射的涂層；把衍射光柵(28)施加到衍射面(26)上；和把毛坯切片，以便形成多個(gè)波導(dǎo)(10)。
全文摘要
一種紫外線輻射探測(cè)器，包括一個(gè)具有入射狹隙(18)的切開的石英主體(10)，輻射從所述的狹隙散射到彎曲的反射面(20，22)上，所述的彎曲的反射面把作為匯聚光束的輻射反射至衍射光柵(28)上。光柵把所要求的光譜級(jí)聚焦在UV探測(cè)器陣列(24)上。通常聚焦第一級(jí)光譜。探測(cè)器是可以手持的。
文檔編號(hào)G01J3/28GK1155330SQ9519457
公開日1997年7月23日 申請(qǐng)日期1995年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月11日
發(fā)明者安德魯·理德亞德, 戴維德·施維斯布里 申請(qǐng)人:安德魯·理德亞德, 戴維德·施維斯布里