采用線陣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，其通過光電轉換器件把經過物質吸收后的光譜信號采集進來，并通過顯示器件實時顯示。傳統的分光光度計通常采用光電管來實現這一轉換，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，而且價格也十分昂貴。CCD技術的發(fā)展使得分光光度計發(fā)生了革命性的變化，由于CCD技術的易集成、采集速度快等優(yōu)點使得分光光度計逐漸朝著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使用CCD與微處理器件的協調工作，可以用來測試可見光波段的吸收強度并能初步的估計吸收量的大小，從而為物質分析提供參考。

　　1 CCD驅動及噪聲處理技術研究

　　1．1 CCD驅動時序研究

　　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的東芝公司生產的TCD1208AP線陣CCD器件。TCD1208AP由2 212個基本像元組成，其中可用來進行光譜數據轉換的像元只有2 160個，其他的像元用來控制噪聲和填充數據幀。TCD1208AP每個像元的尺寸為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?？欤_到ns級別。利用物質吸收單色光的特性，在色散器件的作用下，把波長不同的光映射在CCD傳感器上的每個像元位置，每個像元位置對應一個波長的光的強度。像元與波長的關系可以通過微處理器來進行標定，傳感器采集不同波長的光信號，光信號的強度與CCD受照射的時間（CCD的積分時間）有關，通過改變積分時間可以影響每個像元上光強度的大小。

　　TCD1208AP正常的工作需要四路驅動脈沖，即積分時間控制脈沖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。四路驅動脈沖的時序圖如圖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的積分時間控制脈沖。在RS為1MHz的情況下，SH的周期為452 ms，也即2212個RS周期的時間。開始工作時，φ1，φ2必須先于SH處于高電平，以便SH到來時能馬上建立電勢差，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，因此在進行模擬到數字的轉換時，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VOS與VDOS之間的加減運算來實現。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，物質對不同波長光的吸收程度體現在該信號的大小上。