專利名稱：輻射探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及輻射探測器，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用途是測量來自太陽的紫外光輻射。目前許多國家所關心的是來自太陽的UV輻射對活組織，特別是對人類健康的影響。目前使用的探測器，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器的結構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，探測器內的輻射路徑實際上都在主體內。
這種結構在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雙凸透鏡，該透鏡具有一個裝在一個凸面上的凹面光柵，而二極管陣列與另一個凸面隔開一個很小的距離。所述的裝置置于一個小的空氣隙，以便使二極管陣列能擺動，修正載體的容差變化。該裝置使用一個難于制造或者難于裝到凸面上的變曲的衍射光柵。
另一種結構是在波音公司的PCT專利申請中所描述的，其公開號為W092/11517，其中，用于波長分割的多路傳輸系統(tǒng)的多路信號分離器/控測器包括一個平面波導，該波導具有一個裝在彎曲的邊緣上的行間隔可調的衍射光柵，和一個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，但制造復雜。
本發(fā)明的目的在于提供一種制造簡單，能同時測量光源的頻譜和強度的輻射探測器。
按照本發(fā)明，輻射探測器系統(tǒng)包括一個可透過輻射的波導，該波導在一個面上具有一個入射孔裝置，用于接收輻射，和一個與輻射探測器裝置聯(lián)接的第一平面，其特征在于還包括一個用于接收來自入射孔裝置的輻射的彎曲反射面，和一個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，按照上述結構，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聚焦在輻射探測器裝置上。
優(yōu)選的彎曲的反射面把輻射作為一個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。
第一級光譜優(yōu)選地是聚焦在輻射探測器裝置上，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的一側上。
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之外傳輸，這種反射特性是通過使用電介質涂覆實現(xiàn)。
另外，在入射孔裝置之外有一個濾色器裝置，該裝置實際上只傳輸在所要求的光譜帶內的輻射。
輻射探測系統(tǒng)可選擇的是對紫外線敏感的，且由多個紫外線敏感的探測器組成，第一級光譜可選擇地聚焦在多個探測器上。
入射孔裝置可以是在波導輸入面上遮光涂層中的一條狹隙，或者是一個光管。
所選擇的波導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反射。
濾導優(yōu)選的是具有上下面形式的平面波導，所述面能在所要求的光譜帶中內部地反射輻射，由此，改進了效率，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行反射涂覆，或者使之具有改進的反射率，以便增加整個的內部反射。
使用時，至少一個輻射探測器或探測器陣列可選擇地接合到平面探測器面上，所說的探測器(或探測器陣列)連接到電路裝置和顯示裝置上，以便對入射在入射孔裝置上的輻射強度提供一個適當?shù)娘@示。光連接降低了排列在探測器面上的探測器界面處的反射。
波導優(yōu)選地是由石英主體組成，波導可以選擇地由下列步驟制備對石英棒進行機構加工，由此使之具有彎曲的反射面，和平面探測器，衍射和輸入面，對彎曲的反射面，衍射面，輸入面和探測器面研磨和拋光；把不能透過輻射的材料涂到輸入面上，以便界定入射孔；對彎曲的反射面涂覆對所要求的光譜帶內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)，以便形成多個波導。
若要施加輻射衰減層時，它被附加在切開前的適當?shù)拿妗?br> 當把介電體反射濾色片置于彎曲的反射面上時，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，以便提高在所要求的波長光譜帶內的輻射內反射。
本發(fā)明將結合附圖所示的實例進行說明，附圖有

圖1是按照本發(fā)明輻射探測系統(tǒng)的波導內的輻射器徑；圖2是簡化的光學圖；圖3所示的是波導的制造方法；圖4所示的是UV探測系統(tǒng)的電子組件；圖5是用于光收集的另一個光學結構圖。
圖1在平面圖上示出了UV波導10，它包括一個薄的石英切片12，石英切片12具有一個用不透明金屬薄膜16，例如鋁，覆蓋的平面輸入面14，以定義狹隙18。
相對于輸入面14的是一個彎曲的面20，該面由可選擇地對UV輻射反射和對其它波長傳輸?shù)膶?2覆蓋。通常，所說的層是電介質涂層。
接著彎曲的面20的是一個平面探測器面23，平面的探測器陣列24光學的連接到該面上。接著輸入面14的是一個平面衍射面26，它具有裝在其上的衍射光柵28。
波導10的外面有一個光源30，它簡化地示出并表示太陽；一個可選擇的預濾色器32；一個可供選擇的電介質濾波片32a；和一個光收集裝置34。
使用時，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10內通過反射面20，22并反射到衍射光柵28上，該衍射光柵把輻射散到探測器陣列24上。
如果有可選擇的預濾色器32，它濾出非UV輻射。如果有可選擇的電介質濾色片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，通常至少應該有一個UV選擇級，優(yōu)選地是反射過濾層22。
為了避免在波導10內的輻射散射，遮光板13，15，遮光板可以是在波導主體內成鋸齒切口形的。
用于太陽的UV探測器，其靈敏度要求UVB在280至315納米之間，UVA在315到400納米之間。對于落在探測器陣列24上的第一級光譜，且使用每毫米1200條線的光柵時，從光柵28到探測器陣列24的距離對于典型的5納米分辨率而言為25毫米。對于由光柵的引起的擴散的相關方程是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10內的介質內的入射光的波長；d＝光柵的線間隔；m＝光譜的級。
合適的探測器陣列最少具有24個元件，以便通過280至400納米的紫外光時能給出大約4納米的分辨率。每個探測器將受到一個由波導的散射和聚集效應所產生的窄的UV輻射帶照射。
薄切片波導的優(yōu)點說明如下，當來自狹隙18的光線如圖1所示擴散，且還是正交地，則正交地擴散的光線由整個內反射，或者由在波導的上下面上的反射涂層協(xié)助向后反射，這樣改進了整個探測系統(tǒng)的效率。
圖2是一個簡化的光學圖，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。對于任何給出的結構，都存在著一個最佳的α值，它一般在幾度的量級，如5°。
聚焦在探測器陣列24的光譜是第一級光譜，它位于法線N到中心光線38A的相反側，這將稱之為“南側”光譜。這是本發(fā)明的特征，即，業(yè)已發(fā)現(xiàn)南側的第一級光譜比“北側”(即與中心光線38A在法線N同一側的光譜)的第一級光譜具有更好的形狀和聚焦。
南北兩側的第一級光譜都有它們聚集的彎曲的軌跡，但對于感興趣的波長范圍，例如200-400納米，南側的光譜提供更好的結果。
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10的方法，對融熔的石英的坯料機加工，使之具有在圖中所示的標號為40的形狀，即直徑約為50毫米的棒狀。
該棒具有一個平的輸入面42，一個毗鄰平面探測器面46的相對的曲線面44，和平的光柵面48，沿毛坯的整個長度對合適的橫截面機械加工后，對光柵面48磨削并拋光，再對彎曲的面44，探測器面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(參照圖2的標號17)通過把片切成一定的大小并把它們粘結固定到合適的面上。一個光柵，可以是全息攝影的光柵，是用公知的技術在光柵面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，每個有n毫米厚，并保持在已制備在面上的涂層。多個探測器任意地連接到探測器面上。每個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輻射能從波導中透射出來。
用于太陽UV探測系統(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量電路50的探測器陣列24，該電路又連接到顯示單元52。探測器陣列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，探測器陣列的放大和測量電路組合是在裝置制造和裝配后校驗，并配置顯示單元以為入射的UV輻射提供適當?shù)娘@示。
如果需要，可以分別標明UVB和UVA，UVA在315到400納米之間的范圍內，而UVB在280到315納米范圍的，由于不同的波長聚集在陣列24的各個不同的探測器上，輸出可以通過電路50分組和求和，以便對UVA和UVB提供不同的輸出和顯示。
圖5所示是按照本發(fā)明的輻射探測器的另一種結構，其中，石英主體60具有一個入射狹隙62，入射光I通過一個能透過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的柔性使輻射探測器能更方便地使用，亦即能很容易地對準感興趣的光源。
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平面的面72上，這對于制造來講更加方便。
基于本發(fā)明的波導格式的輻射探測系統(tǒng)可以用現(xiàn)有技術制造成既牢固又輕便，它也可以簡化校驗，且它的性能也不會由此而下降。
權利要求
1.一種輻射探測器系統(tǒng)，包括一個在一個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(10)，和一個具有聯(lián)接輻射探測器裝置(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)，按照上述結構，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聚焦在輻射探測裝置(24)上。
2.按照權利要求1所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于彎曲的反射面(20，22)把輻射作為一個匯聚光束引至平面衍射光柵(28)上。
3.按照權利要求2所述的輻射探測系統(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.按照權利要求1所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于第一級光譜聚焦在輻射探測系統(tǒng)(24)上。
5.按照權利要求4所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于所說的第一級光譜位于光柵(28)的法線(N)的，與入射的匯聚光束(38)的中心光線(38A)相對的一側。
6.按照權利要求1所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于包括多個對紫外線敏感的探測器(24)。
7.按照權利要求1所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于輻射探測裝置(24)連接到電路裝置(50)和顯示裝置(52)上，以便對入射在入射孔裝置(18)上的輻射強度提供顯示。
8.按照權利要求1所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于波導(10)包括一個石英主體(12)。
9.按照權利要求8所述的輻射探測系統(tǒng)，其特征在于石英波導(12)是按如下步驟制備的對石英棒進行機械加工，由此使之具有彎曲的反射面(20)，和平面探測器，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，由此界定一個入射孔(18)；對彎曲的反射面(20)施加對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，以便形成多個波導(10)。
全文摘要
一種紫外線輻射探測器，包括一個具有入射狹隙(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聚焦在UV探測器陣列(24)上。通常聚焦第一級光譜。探測器是可以手持的。
文檔編號G01J3/28GK1155330SQ9519457
公開日1997年7月23日 申請日期1995年8月11日 優(yōu)先權日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 申請人:安德魯·理德亞德, 戴維德·施維斯布里