高靈敏度面陣CCD的拉曼光譜測量系統

吳景林

【摘 要】探測器的性能嚴重影響著拉曼光譜檢測。為此，本文采用高靈敏度、低暗電流的背薄型面陣CCD作為探測器，設計了一套拉曼光譜測量系統。針對此CCD，設計了光譜數據采集電路包括多路電源電路、CCD驅動電路、CCD信號處理電路、A/D轉換和制冷電路，以最大化發揮CCD的性能。利用本系統對某強熒光背景的香油樣品進行拉曼光譜測量。實驗結果表明，該系統能夠提高弱拉曼峰的探測，提高信噪比。

【關鍵詞】CCD 拉曼光譜 光譜數據采集

拉曼光譜技術是進行分子結構分析的強有力方法，具有快速、無損檢測等優點[1]。但是探測器本身的噪聲和暗電流嚴重影響著弱拉曼峰的探測[2]。為此本文采用高靈敏度、低暗電流的背薄型面陣CCD作為探測器，設計了一套拉曼光譜測量系統。

1 系統設計

本系統包括激光器、拉曼探頭、光柵色散光路和光譜數據采集電路。系統原理如圖1所示，測試步驟如下：

（1）激光器驅動電路和溫控電路驅動激光器輸出波長穩定的激光。

（2）拉曼探頭傳輸激光聚焦照射到樣品上，并收集拉曼散射光和瑞利散射光。拉曼探頭通過內部的陷波片抑制瑞利散射光，并傳輸拉曼散射光到光柵色散光路。

（3）光柵色散光路實現拉曼光信號按波長在空間上色散開并聚焦照射到CCD光敏面上，經光電轉換變成光譜電信號。

（4）光譜數據采集電路負責驅動CCD并進行CCD輸出信號的信號處理與A/D轉換，之后通過USB傳至電腦，進行分析處理拉曼信號。

2 光譜數據采集電路

光譜數據采集電路包括多路電源電路、CCD驅動電路、CCD信號處理、A/D轉換和制冷電路，如圖2所示。

2.1 CCD的選擇

CCD的靈敏度、光譜響應范圍、暗電流和動態范圍和像素總數是選擇CCD的主要考慮因素。

本系統采用濱松公司特別為低光量探測設計的背薄型全幀轉移面陣CCD S7031-1006S作為探測器。背薄型面陣CCD有高靈敏度、200nm到1100nm的寬光譜響應范圍和高量子效率等優點。此外，在MPP（multi-pinned phase）模式下，CCD具有低噪聲和低暗電流特性，可長時間積分和低光量探測，因此動態范圍很大。

CCD有1044x64個像素，每個像素有效尺寸為24x24. 雖然增加讀出頻率能夠縮短讀出時間但增加了讀出噪聲，因此本系統中，雖然CCD的讀出頻率高達1 MHz ，但可以通過選擇低至212 kHz，以達到拉曼光譜測量需要的低至幾個電子級別的讀出噪聲。

在CCD的積分時間內，信號電荷在每個像素的勢阱中積累。對于面陣CCD，這意味著在積分時間結束時，電荷信息存儲成二維形式。選擇CCD工作在合并操作模式下，使垂直方向的每個像素信號累加，面陣CCD被當作線陣傳感器使用，與傳統的信號通過外部電路數字化相加不同，合并操作提高了信噪比和信號處理速度。

2.2 多路電源電路

CCD工作需要包括負電壓在內的多路電源，要求電源具有相對低的噪聲。此外還需要考慮電壓精度、電壓波動、紋波和輸出電流等因素。

如圖3所示，多路電源電路包括DC-DC升壓型轉換器和低壓差穩壓器，把USB或者5V外置電源轉換成需要的電壓源。通過低壓差穩壓器為AD芯片等低電壓芯片提供高穩定性的電源。通過DC-DC升壓型轉換器提供高電壓的電源，并經過由運放電路組成的低通濾波來獲得高穩定和低噪聲的精準電源。

2.3 CCD驅動時序

驅動CCD需要7種類型的時鐘脈沖信號。為充分使用CCD的性能，設計穩定和精確的驅動時序是非常重要的。為簡化設計，我們使用 Altera 公司的Cyclone II 系列 FPGA 芯片 EP2C8Q208 ，通過硬件描述語言編寫、產生CCD的驅動時序。

2.4 CCD驅動電路

CCD時鐘脈沖高速驅動的垂直移位寄存器和水平移位寄存器有幾百皮法到幾納法輸入電容。選擇MAX626雙反相功率MOSFET驅動芯片用來高速驅動容性負載CCD。因為FPGA生成的驅動時序是3.3V電壓的CMOS邏輯電平，不能夠直接驅動MOSFET芯片，因此二者連接之間需要經過一個電平轉換電路。

2.5信號處理和A/D轉換

CCD的輸出信號的信號處理和A/D轉換過程如圖4所示。因為CCD輸出芯片包含一個直流電壓分量，因此需要通過一個電容來進行交流耦合。噪聲伴隨著電荷探測，這會降低信噪比， 但可以通過相關雙采樣來幾乎完全消除。優化相關雙采樣電路的傳遞函數和前級的低通濾波能夠有效減少CCD的讀出噪聲。使用高性能的16位A/D轉換芯片，并傳輸CCD的數據到FPGA。

2.6 制冷電路

CCD的溫度每升高5 ～7°C，暗電流就能夠近乎降低一半。在MPP工作模式下，對CCD制冷是一種降低暗電流和增強探測性能的有效方式。本系統利用CCD內置的熱電制冷器和熱敏電阻溫度傳感器進行對CCD有效制冷。此外為保護熱電制冷器，工作電流限制在60%的最大電流。

3 實驗測量

常用激發光源的可調諧激光器存在波長不穩定或者裝置復雜等缺點，本系統使用一種簡單有效的方法來進行拉曼光譜測量，利用基于體全息技術的波長固定的激光器作為激發光源[3]。通過控制激光器的功率和溫度，保證了激光器輸出波長的穩定性。激光器線寬小于0.2nm ，非常適合拉曼光譜測量。

實驗中，激光器工作在100mW的光功率和25oC下。制冷CCD至5oC來降低暗電流，能夠提供長積分時間CCD的積分時間。實驗中積分時間設為3s。

實驗中，利用本系統對某植物油樣品進行拉曼光譜測量，測量結果如5所示。可以看出此香油樣品具有強的熒光背景，一些弱的拉曼峰也可以探測出來，說明本系統的探測性能的優越性。

4 結語

本文設計了一套拉曼光譜測量系統，采用高靈敏度的面陣CCD作為探測器，并針對此款CCD設計了光譜數據采集電路以最大化發揮CCD性能。實驗結果表明，本系統能夠提高弱拉曼峰的探測能力，提高信噪比。

參考文獻：

[1]Osticioli I， Zoppi A， Castellucci E M. Shift-Excitation Raman Difference Spectroscopy–difference deconvolution method for the luminescence background rejection from raman spectra of solid samples[J]. Applied spectroscopy， 2007， 61（8）：839-844.

[2]Williamson J M， Bowling R J， McCreery R L. Near-infrared Raman spectroscopy with a 783-nm diode laser and CCD array detector[J]. Applied Spectroscopy，1989， 43（3）：372-375.

[3]Volodin B， Dolgy S， Ban V S， et al. Application of the shifted excitation Raman difference spectroscopy （SERDS） to the analysis of trace amounts of methanol in red wines[C].SPIE BiOS. International Society for Optics and Photonics， 2014： 89390Y-89390Y-10.