采用線(xiàn)陣CCD的便攜式光譜采集系統設計(一)

　　分光光度計的核心部分是光譜采集和處理系統，其通過(guò)光電轉換器件把經(jīng)過(guò)物質(zhì)吸收后的光譜信號采集進(jìn)來(lái)，并通過(guò)顯示器件實(shí)時(shí)顯示。傳統的分光光度計通常采用光電管來(lái)實(shí)現這一轉換，由于光電管的體積較大，而且需要復雜的機械裝置把光譜投射到光電管上，因此傳統的分光光度計體積非常笨重，而且價(jià)格也十分昂貴。CCD技術(shù)的發(fā)展使得分光光度計發(fā)生了革命性的變化，由于CCD技術(shù)的易集成、采集速度快等優(yōu)點(diǎn)使得分光光度計逐漸朝著(zhù)微型化和便攜性方面發(fā)展。

　　本文提出的分光光度計的光譜采集系統通過(guò)使用CCD與微處理器件的協(xié)調工作，可以用來(lái)測試可見(jiàn)光波段的吸收強度并能初步的估計吸收量的大小，從而為物質(zhì)分析提供參考。

　　1 CCD驅動(dòng)及噪聲處理技術(shù)研究

　　1．1 CCD驅動(dòng)時(shí)序研究

　　CCD作為光電轉換的理想器件是因為其較低的噪聲、較高的轉移效率和較快的光譜響應，其采用交替變換的脈沖來(lái)移出儲存在其中的光信號并以電壓輸出的方式表示。由于轉移效率較高，因此其工作頻率一般在MHz標準。本文采用的CCD器件則是最高轉移頻率在1 MHz的東芝公司生產(chǎn)的TCD1208AP線(xiàn)陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個(gè)基本像元組成，其中可用來(lái)進(jìn)行光譜數據轉換的像元只有2 160個(gè)，其他的像元用來(lái)控制噪聲和填充數據幀。TCD1208AP每個(gè)像元的尺寸為14μm×14μm，所以對色散器件的色散能力要求不是很高，同時(shí)其擁有較高的光靈敏度以及較高的工作頻率使得其光譜采集的速度非?？?，達到ns級別。利用物質(zhì)吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長(cháng)不同的光映射在CCD傳感器上的每個(gè)像元位置，每個(gè)像元位置對應一個(gè)波長(cháng)的光的強度。像元與波長(cháng)的關(guān)系可以通過(guò)微處理器來(lái)進(jìn)行標定，傳感器采集不同波長(cháng)的光信號，光信號的強度與CCD受照射的時(shí)間（CCD的積分時(shí)間）有關(guān)，通過(guò)改變積分時(shí)間可以影響每個(gè)像元上光強度的大小。

　　TCD1208AP正常的工作需要四路驅動(dòng)脈沖，即積分時(shí)間控制脈沖SH、像元內光信號轉移脈沖φ1和φ2以及清除CCD像元內剩余電荷的復位信號RS。四路驅動(dòng)脈沖的時(shí)序圖如圖1所示。

　　RS一般工作在1 MHz的速度，其脈沖的占空比為30％，φ1，φ2工作的占空比為50％，SH為CCD的積分時(shí)間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個(gè)RS周期的時(shí)間。開(kāi)始工作時(shí)，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來(lái)時(shí)能馬上建立電勢差，從而使得CCD的電荷順利轉移出去。

　　1．2 CCD噪聲處理技術(shù)探討

　　TCD1208AP的輸出信號有VOS和VDOS，其中VOS為摻雜了噪聲的有效輸出信號，其噪聲的主要成分為RS引起的復位噪聲，VDOS為補償輸出端。

　　CCD的輸出信號摻雜有直流電平和RS復位脈沖，因此在進(jìn)行模擬到數字的轉換時(shí)，必須把其中的直流電平（圖示為1．08 V）和RS（1 MHz的復位脈沖）脈沖濾除。直流電平的濾除可以使用VDOS補償輸出，通過(guò)VOS與VDOS之間的加減運算來(lái)實(shí)現。圖2所示的即為濾除直流電平后的信號圖，圖中信號c為不帶直流電平而帶有復位噪聲的光譜吸收信號。有效的光譜吸收信號在復位脈沖之后，物質(zhì)對不同波長(cháng)光的吸收程度體現在該信號的大小上。