高灵敏度面阵CCD的拉曼光谱测量系统

吴景林

【摘 要】探测器的性能严重影响着拉曼光谱检测。为此，本文采用高灵敏度、低暗电流的背薄型面阵CCD作为探测器，设计了一套拉曼光谱测量系统。针对此CCD，设计了光谱数据采集电路包括多路电源电路、CCD驱动电路、CCD信号处理电路、A/D转换和制冷电路，以最大化发挥CCD的性能。利用本系统对某强荧光背景的香油样品进行拉曼光谱测量。实验结果表明，该系统能够提高弱拉曼峰的探测，提高信噪比。

【关键词】CCD 拉曼光谱 光谱数据采集

拉曼光谱技术是进行分子结构分析的强有力方法，具有快速、无损检测等优点[1]。但是探测器本身的噪声和暗电流严重影响着弱拉曼峰的探测[2]。为此本文采用高灵敏度、低暗电流的背薄型面阵CCD作为探测器，设计了一套拉曼光谱测量系统。

1 系统设计

本系统包括激光器、拉曼探头、光栅色散光路和光谱数据采集电路。系统原理如图1所示，测试步骤如下：

（1）激光器驱动电路和温控电路驱动激光器输出波长稳定的激光。

（2）拉曼探头传输激光聚焦照射到样品上，并收集拉曼散射光和瑞利散射光。拉曼探头通过内部的陷波片抑制瑞利散射光，并传输拉曼散射光到光栅色散光路。

（3）光栅色散光路实现拉曼光信号按波长在空间上色散开并聚焦照射到CCD光敏面上，经光电转换变成光谱电信号。

（4）光谱数据采集电路负责驱动CCD并进行CCD输出信号的信号处理与A/D转换，之后通过USB传至电脑，进行分析处理拉曼信号。

2 光谱数据采集电路

光谱数据采集电路包括多路电源电路、CCD驱动电路、CCD信号处理、A/D转换和制冷电路，如图2所示。

2.1 CCD的选择

CCD的灵敏度、光谱响应范围、暗电流和动态范围和像素总数是选择CCD的主要考虑因素。

本系统采用滨松公司特别为低光量探测设计的背薄型全帧转移面阵CCD S7031-1006S作为探测器。背薄型面阵CCD有高灵敏度、200nm到1100nm的宽光谱响应范围和高量子效率等优点。此外，在MPP（multi-pinned phase）模式下，CCD具有低噪声和低暗电流特性，可长时间积分和低光量探测，因此动态范围很大。

CCD有1044x64个像素，每个像素有效尺寸为24x24. 虽然增加读出频率能够缩短读出时间但增加了读出噪声，因此本系统中，虽然CCD的读出频率高达1 MHz ，但可以通过选择低至212 kHz，以达到拉曼光谱测量需要的低至几个电子级别的读出噪声。

在CCD的积分时间内，信号电荷在每个像素的势阱中积累。对于面阵CCD，这意味着在积分时间结束时，电荷信息存储成二维形式。选择CCD工作在合并操作模式下，使垂直方向的每个像素信号累加，面阵CCD被当作线阵传感器使用，与传统的信号通过外部电路数字化相加不同，合并操作提高了信噪比和信号处理速度。

2.2 多路电源电路

CCD工作需要包括负电压在内的多路电源，要求电源具有相对低的噪声。此外还需要考虑电压精度、电压波动、纹波和输出电流等因素。

如图3所示，多路电源电路包括DC-DC升压型转换器和低压差稳压器，把USB或者5V外置电源转换成需要的电压源。通过低压差稳压器为AD芯片等低电压芯片提供高稳定性的电源。通过DC-DC升压型转换器提供高电压的电源，并经过由运放电路组成的低通滤波来获得高稳定和低噪声的精准电源。

2.3 CCD驱动时序

驱动CCD需要7种类型的时钟脉冲信号。为充分使用CCD的性能，设计稳定和精确的驱动时序是非常重要的。为简化设计，我们使用 Altera 公司的Cyclone II 系列 FPGA 芯片 EP2C8Q208 ，通过硬件描述语言编写、产生CCD的驱动时序。

2.4 CCD驱动电路

CCD时钟脉冲高速驱动的垂直移位寄存器和水平移位寄存器有几百皮法到几纳法输入电容。选择MAX626双反相功率MOSFET驱动芯片用来高速驱动容性负载CCD。因为FPGA生成的驱动时序是3.3V电压的CMOS逻辑电平，不能够直接驱动MOSFET芯片，因此二者连接之间需要经过一个电平转换电路。

2.5信号处理和A/D转换

CCD的输出信号的信号处理和A/D转换过程如图4所示。因为CCD输出芯片包含一个直流电压分量，因此需要通过一个电容来进行交流耦合。噪声伴随着电荷探测，这会降低信噪比， 但可以通过相关双采样来几乎完全消除。优化相关双采样电路的传递函数和前级的低通滤波能够有效减少CCD的读出噪声。使用高性能的16位A/D转换芯片，并传输CCD的数据到FPGA。

2.6 制冷电路

CCD的温度每升高5 ～7°C，暗电流就能够近乎降低一半。在MPP工作模式下，对CCD制冷是一种降低暗电流和增强探测性能的有效方式。本系统利用CCD内置的热电制冷器和热敏电阻温度传感器进行对CCD有效制冷。此外为保护热电制冷器，工作电流限制在60%的最大电流。

3 实验测量

常用激发光源的可调谐激光器存在波长不稳定或者装置复杂等缺点，本系统使用一种简单有效的方法来进行拉曼光谱测量，利用基于体全息技术的波长固定的激光器作为激发光源[3]。通过控制激光器的功率和温度，保证了激光器输出波长的稳定性。激光器线宽小于0.2nm ，非常适合拉曼光谱测量。

实验中，激光器工作在100mW的光功率和25oC下。制冷CCD至5oC来降低暗电流，能够提供长积分时间CCD的积分时间。实验中积分时间设为3s。

实验中，利用本系统对某植物油样品进行拉曼光谱测量，测量结果如5所示。可以看出此香油样品具有强的荧光背景，一些弱的拉曼峰也可以探测出来，说明本系统的探测性能的优越性。

4 结语

本文设计了一套拉曼光谱测量系统，采用高灵敏度的面阵CCD作为探测器，并针对此款CCD设计了光谱数据采集电路以最大化发挥CCD性能。实验结果表明，本系统能够提高弱拉曼峰的探测能力，提高信噪比。

参考文献：

[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.