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摘要：面阵CCD具有灵敏度高、动态范围大等优点，适用于荧光测量、DNA测序、拉曼光谱分析和弱光检测等领域。 因此，研制基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪具有重要的实用价值。 . 光学系统采用优化的交叉非对称Czerny-Turner结构，光学分辨率可达1 nm。 结合DC-DC和LDO的设计方法，通过USB供电实现6路电压输出的复杂供电系统设计； CCD驱动时序设计通过Verilog HDL完成； 驱动信号输出采用Altera公司的EPM7064芯片实现。 CCD输出的视频信号经双相关采样的高速16位AD芯片AD9826转换后存储在独立的静态RAM中，实现数据采集和读取分离。 设计实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是基于线阵CCD的微型光谱仪的11倍左右，动态范围为20000:1，信噪比达到500:1，大大提高了微型光纤光谱仪的性能。 表现。

关键词：光谱仪； 面阵CCD； 高灵敏度; CPLD； 双相关抽样

1 简介

光谱仪是进行光谱检测的重要仪器。 它可以通过光谱的测量和分析来测量物质的组成和结构。 具有测量速度快、精度高、无损测量等优点。 广泛应用于材料化学、石油化工、光学检测等领域。 、天文研究、环境探测和航空航天等领域[1-3]。 传统的光谱仪器体积大、价格高，几乎将此类仪器设备局限于实验室。 近年来，一方面，生物医药、科技农业等应用领域的迫切需求，要求分析仪器向小型化、智能化方向发展； 另一方面，得益于微机电系统（MEMS）光纤器件的发展和光纤器件的批量生产，以及微型光电探测器器件的出现，使得光谱仪的小型化成为可能[4- 6].

微型光纤光谱仪的问世，使分析仪器的发展进入了一个新时代，其他以小型光谱仪为基础的仪器设备也迎来了自己的快速发展期。 与线阵CCD相比，面阵CCD对光谱响应具有更高的灵敏度，非常适合需要高量子效率的应用，如：农药残留检测、DNA检测、荧光检测和拉曼光谱检测等领域。 因此，研制一种高灵敏度的微型光纤光谱仪，拓宽光谱仪的应用领域具有重要的现实意义。 目前国内外研究微型光谱仪的技术主要有：1）采用MEMS技术、二元光学和集成光学； 2）利用元器件和系统的小型化来实现，这种方法是目前的主流方法。 美国Brimrose公司与Jet Propulsion Laboratory合作开发了一种基于声光可调谐滤波器（AOTF）的微晶体管NIR光谱仪，采用新型滤波器技术，分辨率可达0.0125 nm。 亚利桑那州立大学基于调制原理开发了一种基于傅里叶变换的微型热发射光谱仪。 国内相关研究机构有浙江大学、重庆大学、长春光机所等[7-9]。

图1 微型光谱仪系统结构图

图1 微型光谱仪系统结构

日本Hamamatsu公司生产的S11510近红外增强面阵CCD，光谱响应范围为200nm~1100nm，在近红外波段1000nm处具有较高的量子效率，量子效率可达40%， CCD 节点灵敏度为 6.5 μV/e-，典型动态范围为 50000:1。 因此选用日本滨松公司的S11510面阵CCD作为探测器，分别采用16位AD9826和STM32作为AD转换芯片和主控芯片，采用交叉非对称Czerny-Turner光学系统结构开发高灵敏度微型光纤光谱仪。 对设计实现的样机与海阳公司USB2000+光纤光谱仪采用线阵CCD进行了性能对比测试。 设计的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是USB2000+光纤光谱仪的11倍，实现了设计目的。

图2 交叉Czerny-Turner光学系统示意图

图2 交叉Czerny-Turner光学系统示意图

2 系统组成 2.1 系统结构

本文设计的高灵敏度微型光纤光谱仪系统结构如图1所示，主要包括：由准直透镜、光栅和聚焦透镜组成的交叉非对称Czerny-Turner光学系统结构，以及自主研发的CCD驱动系统和数据采集处理与通信系统[10-13]。 其中STM32作为主控芯片，配合Altera的CPLD产生驱动CCD的时序信号，数据的模数转换由AD9826双相关采样完成，数字信号经过AD转换结果存储在外部 RAM 中。 系统的工作过程如下：待测光源通过光纤耦合到光谱仪的光学系统中，光源通过光栅的分光作用按波长由长到短分布。光栅。 当给CCD提供合适的工作电压和时序信号使其正常工作时，就实现了光电信号的转换。 CCD采集的电信号经过前端处理后送入16位AD进行模数转换，转换后的数字信号存储在CPLD提供的容量为512k的静态RAM中。 上位机可通过USB 2.0或RS232与下位机通信，发送命令和读取数据。

2.2 光学系统设计

光学系统的小型化设计是实现光谱仪小型化的关键技术之一。 为了满足实际需要，采用交叉非对称Czerny-Turner结构。 如图2所示，入射光束经过凹面镜M1准直后，再经过闪耀光栅G，光栅G将光线分光后进入凹面镜M2，最后聚焦在CCD上进行相应的信号采集，其中S为入射光，H1为光轴，H2为光栅法向量，反射镜M1为标准平直物镜，反射镜M2为聚焦成像物镜[14-15]。 该系统不仅可以实现更小的体积，还可以有效减少杂散光。

根据光学系统光谱范围200 nm~900 nm、分辨率1 nm的要求，器件选择：光栅600 g/mm，狭缝25 μm。

, (1)

准直镜的焦距可由式(1)得到

=42 毫米，其中，

是光栅常数，狭缝宽度

=0.025 mm，为了获得更高的衍射能量，将衍射光谱的阶数取为1，即

=1, 分辨率

=1 nm，由于衍射角小，可近似为

=1，所用面积CCD像素的有效长度为l=28.672 mm，由

, (2)

可以得到成像镜的焦距

=68.3 mm。光谱仪光学系统的主要像差是彗差和球差，针对中间波长的彗差消除设计可以将整个系统的像差降到最低，然后通过Zemax软件进行仿真优化，如如图3所示，最终得到

=62 毫米，

=70 毫米。 将设计好的镜头参数提交给镜头生产厂家进行生产，焦距仪检测合格后交付使用。 从图4的点图中可以看出，200nm、550nm、800nm、900nm附近的光谱分辨率均达到1nm，满足设计要求，采用HG-1汞-氩标定光源用于光谱测量，积分时间为500 μs时的光谱图如图5所示，也满足设计要求。 整个光学系统的尺寸可以控制在75 mm×75 mm以内，很好地保证了光谱仪的小型化设计要求。

2.3 电路系统设计

2.3.1 动力系统

与线阵CCD相比，面阵CCD的供电电压和驱动时序更加复杂。 选用的S11510面阵CCD共有6个电压。 表 1 显示了整个系统所需的电压分布。 合适的电压是驱动CCD正常工作的前提，而电源系统引入的噪声影响整个系统的信噪比、动态范围等性能参数。 因此，稳定的供电系统和驱动系统是设计的重点。 USB输出电压为5V，最大电流为500mA，即USB提供的最大功率为2.5W。要实现控制芯片和CCD驱动所需的电压，必须对5V电压进行升压, 颠倒和逆转。 每个电压信号的变化都会给系统带来较大的能量损耗和电磁噪声。 因此，降低功耗和消除噪声是电源系统设计中首先要考虑的关键问题。

图3 Zemax仿真优化光路图

图 3 使用 Zemax 模拟和优化的光路

图 4. 点图。 (a) 200 海里； (b) 550 海里； (c) 800 海里； (d) 900 纳米

图 4 点图。 (a) 200 海里； (b) 550 海里； (c) 800 海里； (d) 900 纳米

图5 HG-1汞氩校准光源实测光谱

图5 HG-1汞氩校准光源实测光谱图

电源系统设计方案如图6所示，将5V电压升压得到24V电压。 因为电压差大，这个电压的能量损失比较大。 使用TPS55340产生24V电压，芯片数据显示，当输入电压为5V，输出电压为24V时，芯片的转换效率在80%以上，可有效降低能量损耗。 24V电压经LM7812降压得到12V，LM7812散热面积大，可以提高系统的散热效率。 反向电压-8V由DC-DC芯片LT3462产生。 该芯片工作频率固定为1.2MHz，噪声小，易于滤除。 -8V电压通过低压差线性稳压器79L05输出-5V电压。 LT1613 是一款微型 DC-DC 转换器，具有 1.4 MHz 的固定工作频率。 由于体积小，设计PCB板时只需很小的面积就可以实现5V转6V电压； 由LDO芯片TLV713控制转换得到3.3V数字部分电压。

图 6 电源系统方案

图6 电源系统方案

表1 系统电压分布表

表1 系统电压分布表

2.3.2 CCD驱动电路设计

光谱仪采用日本滨松公司的S11510面阵CCD作为探测器。 该探测器像素为2068×70，具有灵敏度高、动态范围大、暗电流小等特点。 S11510面阵CCD正常工作需要7个驱动信号：2个垂直驱动信号P1V、P2V，4个水平驱动信号P1H、P2H、P3H、P4H微型光纤光谱仪，1个栅极复位信号RG。 在垂直信号的驱动下，每列64个像素单元中存储的信号电荷被转移到同一个像素输出。 转移到同一像素的信号电荷在四相输出信号的驱动下依次输出，此时AD对输出信号进行同步处理。 在积分时间段内，CCD曝光，光电转换开始，像素单元中的信号电荷随着积分时间的增加而增加。 采用Altera的CPLD芯片EPM7064作为时序发生器，时序产生原理如图7所示。

STM32定时器产生的1MHz方波信号作为CPLD的输入主时钟，分频器将输入主时钟分频后作为计数器的输入时钟。 计数器通过对输入时钟脉冲的计数来控制输出电平的高低，从而产生垂直移位寄存器时钟P1V、P2V和水平移位寄存器时钟P1H、P2H、P3H、P4H，两个脉冲计数器控制垂直和水平的输出移位寄存器的脉冲数精确地控制着信号电荷的转移。

CPLD芯片EPM7064输出的定时信号最大电流输出为10mA，不能满足定时信号的电平转换。 需要在输出时序信号后加一个三态驱动74HCT54​​0。 74HCT54​​0可提供8路信号输出，输入输出延迟仅为11ns。 CPLD芯片EPM7064输出的时序信号，高电平和低电平分别为3V和0V。 CCD垂直驱动信号P1V和P2V的高低电平分别为6V和-8V，水平驱动信号P1H、P2H、P3H、P4H和栅极复位RG的高低电平分别为6V和-5V分别。 6V、-8V、-5V三个电压的稳定性和噪声性能将直接影响CCD探测器输出信号的信噪比。

图7 时序产生示意图

图 7 时序产生原理图

2.3.3 A/D转换与数据存储

在对CCD的输出信号进行模数转换之前微型光纤光谱仪，先对输出信号进行成分分析，并进行相应的处理。 CCD输出信号中不仅包含所需的光谱信号，还混杂了复位脉冲和其他各种噪声引起的干扰。 需要对输出信号进行前端处理，消除噪声干扰，得到有效信号，然后送入AD进行模数转换。 前端处理主要包括：信号放大、电压钳位、双相关采样等。美国AD公司的模数转换芯片AD9826集电压钳位、双相关采样、基线调整、可配置数字增益于一体放大器。 ，也减小了PCB板的尺寸。

由于CCD的工作方式，输出节点的电容引起的复位噪声、暗电流噪声和输出噪声是不可避免的，而这些噪声的干扰可以通过双相关采样的方式大大消除。 双相关采样的原理如图8所示。双相关采样的原理是在单个像素输出的时钟周期内采样两次。 第一个采样点在浮栅电平，第二个采样点在视频信号电平。 将两次采样的电平信号相减，得到有效视频信号[16-17]。

可调增益和基线是微型光谱仪智能化的重要体现，在光强变化大、光信号微弱的检测中是非常必要的。 AD9826内部集成了一个高达6倍的可编程增益控制器和一个±300 mV的可编程数字基线控制器，可以通过配置相应的寄存器实现信号放大和基线调整。

图8 双相关采样示意图

图8 相关双采样器（CDS）原理

模数转换后的信号存储在独立的静态RAM中，在保证数据采集速率和传输速率的同时，实现了数据存储和传输的分离。 选用的检测器为S11510，像素单元总数为2068×70，AD精度为16位，因此至少需要2068×16/1024（约32kbit）个存储单元。 因此选用IS61LV3216L这款存储器，其存储容量达到512 kbit，最大存取时间为20 ns，满足设计对存储容量和速度的要求。 为了实现光谱数据的实时显示，利用DMA原理设计了高速数据采集系统，实现了存储器与I/O设备之间的直接数据传输[18-20]。

图9 时序仿真图

图9 CPLD时序仿真图

图10 STM32控制流程图

图10 STM32控制流程图

3 程序设计 3.1 CPLD程序设计

选用EPM7064AETC芯片生成CCD驱动时序，在QuartusⅡ软件平台上采用Verilog HDL语言实现计数、分频和门逻辑时序的设计。 根据S11510芯片手册的时序要求，典型的P1V、P2V高电平脉冲时间为8μs，要求P1H、P2H、P3H、P4H的高电平脉冲时间为2μs。 STM32产生一个1MHz、50%占空比的方波信号作为CPLD输入主时钟。 计数模块对输入时钟进行计数，产生两个周期为16ms、占空比为50%、相位差为半个周期的方波信号P1V和P2V。 类似地，得到四个水平驱动信号。 根据时序要求和P3H与P4H的相位关系，将P3H与P4H进行与运算即可得到复位门信号RG。 各时序模块设计完成后，通过Quartus II调用第三方仿真软件ModelSim进行时序仿真，仿真结果如图9所示。

3.2 STM32编程

STM32控制整个系统的正常运行，流程图如图10所示。系统上电后，首先进行系统初始化和配置各单元参数，等待上位机通过USB传输数据. 如果下位机没有收到上位机发送的命令或者数据有误，重新接收上位机发送的数据，直到STM32正确接收到命令。 数据正确传输到下位机后，STM32获取积分时间和积分次数，控制CCD时序输出，CCD正常工作。 曝光时间结束后，CCD输出的模拟信号经AD转换后存入SRAM。 STM32通过USB口与上位机握手，将数字信号传输给上位机。

表2 参数对照表

表2 参数对照表

4 性能测试

与基于线阵CCD的Ocean Optics USB2000+光纤光谱仪对比，两种光谱仪的参数对比如表2所示，测试结果如图11所示。在相同积分时间（1 ms）下，光谱基于面阵CCD的高灵敏度微光纤光谱仪对钨卤素光源的强度响应是USB2000+的11倍左右。 阵列CCD高灵敏度光谱仪对弱光信号具有更高的灵敏度。 信噪比测试结果如图12所示，USB2000+在全光谱范围内的信噪比大多在300:1以下，而高灵敏度微型光纤的信噪比基于面阵 CCD 的光谱仪一般大于 500:1。 动态范围是指整个光谱仪系统的感光范围，也是判断一台光谱仪性能的重要参数。 图13为两台光谱仪的感光范围测试结果。 图13(a)和图13(b)的对比表明，与基于线阵CCD的光谱仪系统相比，基于线阵CCD的光谱仪系统的动态范围提高了一个数量级以上量级，光谱仪的性能大大提高。

图11 卤钨灯光谱测试图

图 11 卤素灯的光谱

图12 SNR测试结果曲线。 (a) USB2000+； (b) 高灵敏度光谱仪

图 12 信噪比测试曲线。 (a) USB2000+； (b) 高灵敏度微型光谱仪

图 13 动态范围测试结果曲线。 (a) USB2000+； (b) 高灵敏度光谱仪

图 13 动态范围测试曲线。 (a) USB2000+； (b) 高灵敏度微型光谱仪

5 结论

设计并实现了一种基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪。 选用滨松S11510近红外增强面阵CCD，可实现从紫外到近红外光谱的高灵敏度测量。 利用STM32和CPLD的工作方式，产生复面阵CCD驱动时序。 CCD输出的视频信号经过双相关采样消除复位噪声，转换后的数字数据存储在外部独立的SRAM中。 为了实现数据的快速传输，基于DMA原理设计了一种高速数据采集与传输系统。 实验结果表明，所研制的高灵敏度微型光纤光谱仪的灵敏度比基于线阵CCD的USB2000+光纤光谱仪提高了约11倍，动态范围为500:1，信号对-噪声比达到15000:1以上。 荧光测量、DNA测序、拉曼光谱分析和弱光检测等需要弱信号检测的应用。