高靈敏度面陣CCD的拉曼光譜測量系統(tǒng)

吳景林

(廈門大學(xué)物理系,福建廈門 361005)

高靈敏度面陣CCD的拉曼光譜測量系統(tǒng)

吳景林

(廈門大學(xué)物理系,福建廈門 361005)

探測器的性能嚴(yán)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(shè)計了一套拉曼光譜測量系統(tǒng)。針對此CCD,設(shè)計了光譜數(shù)據(jù)采集電路包括多路電源電路、CCD驅(qū)動電路、CCD信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換和制冷電路,以最大化發(fā)揮CCD的性能。利用本系統(tǒng)對某強熒光背景的香油樣品進(jìn)行拉曼光譜測量。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠提高弱拉曼峰的探測,提高信噪比。

CCD 拉曼光譜 光譜數(shù)據(jù)采集

拉曼光譜技術(shù)是進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分析的強有力方法，具有快速、無損檢測等優(yōu)點[1]。但是探測器本身的噪聲和暗電流嚴(yán)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(shè)計了一套拉曼光譜測量系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)包括激光器、拉曼探頭、光柵色散光路和光譜數(shù)據(jù)采集電路。系統(tǒng)原理如圖1所示，測試步驟如下:

(1)激光器驅(qū)動電路和溫控電路驅(qū)動激光器輸出波長穩(wěn)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(nèi)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。

圖1 系統(tǒng)原理圖Figure 1. Schematic diagram of the system

圖2 光譜數(shù)據(jù)采集電路圖Figure 2. Diagram of spectral data acquisition circuit

(3)光柵色散光路實現(xiàn)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(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成光譜電信號。

(4)光譜數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)驅(qū)動CCD并進(jìn)行CCD輸出信號的信號處理與A/D轉(zhuǎn)換，之后通過USB傳至電腦，進(jìn)行分析處理拉曼信號。

2 光譜數(shù)據(jù)采集電路

光譜數(shù)據(jù)采集電路包括多路電源電路、CCD驅(qū)動電路、CCD信號處理、A/D轉(zhuǎn)換和制冷電路，如圖2所示。

2.1 CCD的選擇

圖3 多電源電路圖Figure 3. Diagram of Multi-voltage circuit

圖4 信號處理和A/D轉(zhuǎn)換圖Figure 4. Diagram of signal processing and AD convert

圖5 待測樣品的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of sesame oil of some brand

CCD的靈敏度、光譜響應(yīng)范圍、暗電流和動態(tài)范圍和像素總數(shù)是選擇CCD的主要考慮因素。

本系統(tǒng)采用濱松公司特別為低光量探測設(shè)計的背薄型全幀轉(zhuǎn)移面陣CCDS7031-1006S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(yīng)范圍和高量子效率等優(yōu)點。此外，在MPP(multi-pinnedphase)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(tài)范圍很大。

CCD有1044x64個像素，每個像素有效尺寸為24x24 μm。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(tǒng)中，雖然CCD的讀出頻率高達(dá)1MHz，但可以通過選擇低至212kHz，以達(dá)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(nèi)，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(jié)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(dāng)作線陣傳感器使用，與傳統(tǒng)的信號通過外部電路數(shù)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(fù)電壓在內(nèi)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(zhuǎn)換器和低壓差穩(wěn)壓器，把USB或者5V外置電源轉(zhuǎn)換成需要的電壓源。通過低壓差穩(wěn)壓器為AD芯片等低電壓芯片提供高穩(wěn)定性的電源。通過DC-DC升壓型轉(zhuǎn)換器提供高電壓的電源，并經(jīng)過由運放電路組成的低通濾波來獲得高穩(wěn)定和低噪聲的精準(zhǔn)電源。

2.3 CCD驅(qū)動時序

驅(qū)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(shè)計穩(wěn)定和精確的驅(qū)動時序是非常重要的。為簡化設(shè)計，我們使用Altera公司的CycloneII系列FPGA芯片EP2C8Q208，通過硬件描述語言編寫、產(chǎn)生CCD的驅(qū)動時序。

2.4 CCD驅(qū)動電路

CCD時鐘脈沖高速驅(qū)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(qū)動芯片用來高速驅(qū)動容性負(fù)載CCD。因為FPGA生成的驅(qū)動時序是3.3V電壓的CMOS邏輯電平，不能夠直接驅(qū)動MOSFET芯片，因此二者連接之間需要經(jīng)過一個電平轉(zhuǎn)換電路。

2.5 信號處理和A/D轉(zhuǎn)換

CCD的輸出信號的信號處理和A/D轉(zhuǎn)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(jìn)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(guān)雙采樣來幾乎完全消除。優(yōu)化相關(guān)雙采樣電路的傳遞函數(shù)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(zhuǎn)換芯片，并傳輸CCD的數(shù)據(jù)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(tǒng)利用CCD內(nèi)置的熱電制冷器和熱敏電阻溫度傳感器進(jìn)行對CCD有效制冷。此外為保護(hù)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(fā)光源的可調(diào)諧激光器存在波長不穩(wěn)定或者裝置復(fù)雜等缺點，本系統(tǒng)使用一種簡單有效的方法來進(jìn)行拉曼光譜測量，利用基于體全息技術(shù)的波長固定的激光器作為激發(fā)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(wěn)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25℃下。制冷CCD至5℃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(shè)為3s。

實驗中，利用本系統(tǒng)對某植物油樣品進(jìn)行拉曼光譜測量，測量結(jié)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(tǒng)的探測性能的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套拉曼光譜測量系統(tǒng)，采用高靈敏度的面陣CCD作為探測器，并針對此款CCD設(shè)計了光譜數(shù)據(jù)采集電路以最大化發(fā)揮CCD性能。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠提高弱拉曼峰的探測能力，提高信噪比。

[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.

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(2011YQ03012417)。

吳景林(1989—),男,廈門大學(xué)物理與機電工程學(xué)院,碩士研究生。