摘要：面阵CCD具有灵敏度高、动态范围大的优点，适用于荧光测量、DNA测序、拉曼光谱分析和低光度检测，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际价值。光学系统采用了优化后的交叉非对称型Czerny-Turner结构，并获得了1 nm的光学分辨率。结合DC-DC和LDO的设计方法，通过USB供电实现了6路电压输出的复杂电源系统设计；通过Verilog HDL完成了CCD驱动时序设计；采用Altera公司的EPM7064芯片实现了驱动信号输出。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，使得数据的采集和读取分离。所设计与实现的微型高灵敏度光纤光谱仪的灵敏度是通常基于线阵CCD的微型光谱仪的11倍左右，动态范围20000:1，信噪比达到500:1，很大程度地提高了微型光纤光谱仪的性能。
关键词：光谱仪；面阵CCD；高灵敏度；CPLD；双相关采样
1 引 言
光谱仪是光谱检测的重要仪器，通过对光谱的测量分析来完成对物质成分和结构等的测量，具有测量速度快、精度高、无损测量等优点，已经广泛应用于材料化学、石油化工、光学检测、天文研究、环境检测及航空航天等领域[1-3]。传统的光谱仪器，其庞大的体积，高昂的价格几乎将此类仪器设备限制在实验室中。近年来，一方面生物医学、科技农业等应用领域的迫切需求，要求分析仪器向着小型化、智能化的方向发展；另一方面得益于微型光机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)的发展和光纤器件的大批量生产，以及微型光电探测器件的出现，使得光谱仪的微型化成为了可能[4-6]。
微型光纤光谱仪的面世使得分析仪器的发展进入了一个新的时代，基于小型光谱仪的其他仪器设备也迎来了各自的高速发展期。由于相比线阵CCD，面阵CCD对光谱响应的灵敏度更高，非常适合要求高量子效率的应用，例如：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，研发高灵敏度的微型光纤光谱仪能够拓宽光谱仪的应用，具有重要实际意义。目前，国内外研究微型光谱仪的技术大都采用：1) 利用MEMS技术、二元光学和集成光学等技术；2) 利用元件和系统的微型化来实现，该方法是目前主流方法。美国Brimrose公司和Jet Propulsion实验室采用新型滤光技术研制出基于声光可调滤波片(acousto-optic tunable filter, AOTF)的微型电晶体NIR光谱仪，分辨率可达0.0125 nm。美国亚利桑那州立大学基于调制原理研制了一种基于傅里叶变换的微型热发射光谱仪。国内进行相关研究的有浙江大学、重庆大学以及长春光机所等科研机构[7-9]。
图1 微型光谱仪系统结构图
Fig. 1 Structure of micro spectrometer system
日本滨松公司生产的S11510近红外增强型面阵CCD光谱响应范围为200 nm~1100 nm，在近红外波段1000 nm处有较高的量子效率，其量子效率达到40%，CCD节点灵敏度为6.5 μV/e-，典型动态范围50000:1。因此，选用日本滨松公司的S11510面阵CCD作为探测器，16位AD9826和STM32分别作为AD转换芯片与主控芯片，采用交叉非对称型Czerny-Turner光学系统结构，研发了一台高灵敏度微型光纤光谱仪。设计实现的样机和采用线阵CCD的海洋公司的USB2000+光纤光谱仪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 交叉切尔尼-特纳光学系统图
Fig. 2 Diagram of crossed Czerny-Turner optical system
2 系统组成
2.1 系统结构
本文所设计的高灵敏度微型光纤光谱仪的系统结构如图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型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公司的CPLD产生驱动CCD的时序信号，数据的模数转换则由具有双相关采样的AD9826完成，经由AD转换得到的数字信号存储在外部RAM中。系统的工作过程如下：待测光源经过光纤耦合进入光谱仪的光学系统，经过光栅的分光作用，光源按照波长从长到短分布开来，聚焦透镜将得到的分光汇聚到CCD探测器的感光表面，当给CCD提供合适的工作电压和时序信号使其正常工作，实现光电信号的转换。CCD采集到的电信号经过前端处理送入16位AD进行模数转换，转换得到的数字信号由CPLD提供存储地址存储在容量为512 k的静态RAM中。上位机可以通过USB 2.0或RS232方式和下位机通讯进行发送命令和读取数据的操作。
2.2 光学系统的设计
光学系统的微型化设计是实现光谱仪微型化的关键技术之一，为了满足实际需要采用了交叉非对称型Czerny-Turner结构，如图2所示，入射光束经凹面反射镜M1准直后，入射到闪耀光栅G上，经光栅G分光入射到凹面反射镜M2最后聚焦在CCD上，进行相应的信号采集，其中S为入射光线，H1为光轴，H2为光栅法向量，反射镜M1为准直物镜，反射镜M2为聚焦成像物镜[14-15]。该系统不但可以实现较小的体积，还能有效地减小杂散光。
根据光学系统200 nm~900 nm的光谱范围和分辨率为1 nm的要求，器件选择：光栅600 g/mm，狭缝25 μm。
, (1)
由式(1)可得准直镜的焦距
=42 mm，其中，
为光栅常数，狭缝宽度
=0.025 mm，为获得较高的衍射能量，衍射光谱级次取1级，即
=1，分辨率
=1 nm，由于衍射角较小，可近似认为
=1，采用的面阵CCD像元的有效长度l=28.672 mm，由
, (2)
可得成像镜的焦距
=68.3 mm。光谱仪光学系统的主要像差为彗差和球差，对中间波长进行消除彗差设计，可使得整个系统的像差最小，再由Zemax软件进行模拟和优化，如图3所示，最终得到=62 mm，=70 mm。将设计好的透镜参数交透镜生产厂家生产，透镜经焦距仪检验合格后交付使用。由图4点列图可知，在200 nm、550 nm、800 nm、900 nm附近光谱分辨率均达到1 nm，达到设计要求，且对美国海洋光学(Ocean Optics)公司生产的HG-1汞-氩校准光源进行光谱测量，积分时间500 μs时的光谱图如图5所示，也满足设计要求。而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微型化的设计要求。
2.3 电路系统设计
2.3.1电源系统
相比线阵CCD，面阵CCD具有更为复杂的供电电压和驱动时序。所选用的S11510面阵CCD，总共有6路电压，表1标明了整套系统所需电压分布。合适的电压是驱动CCD正常工作的前提，电源系统引入的噪声大小则影响整个系统信噪比、动态范围等性能参数。因此，稳定的电源系统和驱动系统是设计的关键之处。USB输出5 V电压，最大电流500 mA，即USB提供的最大功率为2.5 W，要实现控制芯片和CCD驱动所需的电压，必须对5 V电压进行升压、降压、反向等处理。各路电压信号的变化都会为系统带来较大能量损耗和电磁噪音，因此降低功耗和去噪音是电源系统设计首要考虑的关键问题。
图3 Zemax模拟优化光路图
Fig. 3 Simulated and optimized optical path using Zemax
图4 点列图。(a) 200 nm；(b) 550 nm；(c) 800 nm；(d) 900 nm
Fig. 4 The spot diagrams. (a) 200 nm; (b) 550 nm; (c) 800 nm; (d) 900 nm
图5 HG-1汞-氩校准光源实测光谱图
Fig. 5 Measured spectrogram of HG-1 mercury argon calibrated light source
电源系统设计方案如图6所示。5 V电压升压得到24 V电压，因为压差大所以此路电压能量损耗较大。采用TPS55340产生24 V电压，由芯片资料显示在输入5 V，输出24 V电压情况下芯片转换效率在80%以上，能有效减少能量损失。24 V电压经LM7812降压得到12 V，LM7812散热面积大可以提高系统散热效率。反向电压-8 V通过DC-DC芯片LT3462产生，这款芯片固定工作频率1.2 MHz，噪声小容易滤除。-8 V电压通过低压差线性稳压器79L05输出-5 V电压。LT1613是一款微型的DC-DC转换器固定工作频率1.4 MHz，得益于它的小尺寸在设计PCB板时仅用很小的面积就可以实现5 V到6 V电压的转换；由LDO芯片TLV713转换得到3.3 V数字部分电压。
图6 电源系统方案
Fig. 6 Scheme of power system
表1 系统电压分布表
Table 1 Table of system voltage distribution
2.3.2 CCD驱动电路设计
光谱仪采用日本滨松公司的S11510型面阵CCD作为探测器，探测器有2068×70个像素，具备灵敏度高，动态范围大，暗电流小等特点。S11510面阵CCD正常工作需要7路驱动信号：两路垂直驱动信号P1V、P2V，四路水平驱动信号P1H、P2H、P3H、P4H，一路门复位信号RG。在垂直信号驱动下，每一列的64个像素单元存储的信号电荷转移到同一像素中准备输出。转移到同一像素中的信号电荷在四相输出信号驱动下依次输出，此时AD同步对输出信号进行处理。积分时间段内CCD曝光，光电转换开始，像素单元中信号电荷随积分时间增加而增加。采用Altera公司的CPLD芯片EPM7064作为时序发生器，时序产生的原理如图7所示。
由STM32定时器产生的1 MHz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计数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移位寄存器输出脉冲个数，精确地控制信号电荷的转移。
CPLD芯片EPM7064输出的时序信号最大只有10 mA的电流输出，无法满足时序信号的电平转换，需要在输出时序信号后加入三态驱动器74HCT540。74HCT540可以提供8路信号输出，输入输出延时只有11 ns。CPLD芯片EPM7064输出的时序信号，高电平和低电平分别为3 V和0 V。CCD垂直驱动信号P1V、P2V高低电平分别为6 V、-8 V，水平驱动信号P1H、P2H、P3H、P4H和门复位RG高低电平分别为6 V、-5 V。6 V、-8 V和-5 V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 时序产生原理图
Fig. 7 Timing generation schematic
2.3.3 A/D转换及数据存储
在对CCD输出信号进行模数转换之前，先对输出信号进行成分分析并做相应的处理。CCD输出信号不仅包含所需要的光谱信号，同时混有复位脉冲带来的干扰和其他各种噪声。必须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，电压箝位，双相关采样等。美国AD公司的模数转换芯片AD9826内部集成了电压箝位、双相关采样、基线调节、可配置的数字增益放大器，与采用外部独立元件进行信号处理的方式相比，器件减少、成本降低的同时，也缩小了PCB板的尺寸。
由于CCD工作方式而引入的复位噪声、暗电流噪声和输出节点电容引起的输出噪声无可避免，通过双相关采样的方式可大大消除这些噪声的干扰。双相关采样原理见图8。双相关采样的原理就是在单个像素输出的时钟周期内进行两次采样，第一次采样点在浮置栅电平部分，第二次采样点在视频信号电平部分，两次采样的电平信号相减得到有效的视频信号[16-17]。
增益与基线可调整是微型光谱仪智能化的重要体现，在光强变化大及微弱光信号的检测中非常必要。AD9826内部集成了最高达6倍的可编程增益控制器与±300 mV的可编程数字基线控制器，通过配置相应寄存器可实现信号的放大和基线的调整。
图8 双相关采样原理图
Fig. 8 Principle of correlated double sampler (CDS)
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。选用的探测器是S11510，其像素单元总数为2068×70，AD精度为16 bit，所以至少需要2068×16/1024(约32 kbit)个存储单元。因此，选用该型号存储器IS61LV3216L，其存储容量达512 kbit，最大存取时间20 ns，满足设计对存储容量和速度的要求。为了实现光谱数据实时显示，采用DMA原理设计了高速数据采集系统，实现了存储器和I/O设备之间的数据直接传输[18-20]。
图9 时序仿真图
Fig. 9 Diagram of CPLD timing simulation
图10 STM32控制流程图
Fig. 10 Flow chart STM32 control
3 程序设计
3.1 CPLD程序设计
选用EPM7064AETC芯片产生CCD驱动时序，在QuartusⅡ软件平台上利用Verilog HDL语言实现了计数、分频和门逻辑时序的设计。根据S11510芯片手册的时序要求，P1V、P2V的高电平脉冲时间典型值8 μs，P1H、P2H、P3H、P4H高电平脉冲时间要求2 μs。STM32产生1 MHz、占空比50%的方波信号作为CPLD输入主时钟。计数模块对输入时钟计数产生周期16 ms、占空比50%、相位差半个周期的两路方波信号P1V、P2V。同理获得四路水平驱动信号。根据时序要求和P3H、P4H之间相位关系，复位门信号RG可由P3H和P4H进行与运算得到。各时序模块设计完成后，通过QuartusⅡ调用第三方仿真软件ModelSim进行时序仿真，仿真结果如图9。
3.2 STM32程序设计
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各单元参数的配置，等待上位机通过USB传送数据。如果下位机没有接收到上位机发送的命令或者数据错误，重新接收上位机发送来的数据，直到STM32正确接收命令。数据正确传送到下位机后，STM32获取积分时间和积分次数，控制CCD时序输出，CCD正常工作，待曝光时间结束后，CCD输出的模拟信号经AD转换后存储在SRAM中。STM32通过USB口与上位机握手，将数字信号传送到上位机。
表2 参数对比表
Table 2 Parameter comparison table
4 性能测试
与基于线阵CCD的海洋光学的USB2000+型光纤光谱仪进行了性能对比，两光谱仪的参数对比如表2所示，测试结果如图11所示。相同积分时间下(1 ms)，基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪对卤钨灯光源的光谱强度响应是USB2000+的11倍左右，说明相较于基于线阵CCD的微型光纤光谱仪，采用面阵CCD高灵敏度光谱仪对微弱光信号有着更高的灵敏度。信噪比测试结果如图12所示，全光谱范围内USB2000+的信噪比大部分位于300:1以下，而基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪信噪比普遍大于500:1。动态范围指整个光谱仪系统的感光范围，也是评判一台光谱仪性能优劣的重要参数，图13为两台光谱仪感光范围的测试结果，图13(a)和图13(b)对比可以看出基于面阵CCD的光谱仪系统比基于线阵CCD的光谱仪动态范围提高了一个数量级以上，大大提高了光谱仪的性能。
图11 卤钨灯光谱测试图
Fig. 11 The spectrum of halogen lamp
图12 信噪比测试结果曲线。(a) USB2000+；(b)高灵敏度光谱仪
Fig. 12 Curve of the signal to noise ratio test. (a) USB2000+; (b) High sensitivity micro spectrometer
图13 动态范围测试结果曲线。(a) USB2000+；(b) 高灵敏度光谱仪
Fig. 13 Curve of the dynamic range test. (a) USB2000+; (b) High sensitivity micro spectrometer
5 结 论
设计并实现了基于面阵CCD的高灵敏度微型光纤光谱仪，选用了滨松S11510近红外增强型面阵CCD，可以实现紫外到近红外光谱的高灵敏度测量。采用STM32和CPLD配合的工作方式，产生复杂的面阵CCD驱动时序。CCD输出的视频信号经过双相关采样消除了复位噪声，转换后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原理设计了高速数据采集与传输系统。实验结果表明，所研发的高灵敏度微型光纤光谱仪灵敏度较基于线阵CCD的USB2000+光纤光谱仪灵敏度提高了11倍左右，动态范围为500:1，信噪比达到15000:1以上，性能优良，适合于荧光测量，DNA测序、拉曼光谱分析和低光度检测等需进行微弱信号检测的应用场合。
