光谱仪器是光学仪器的重要组成部分,它是运用光学原理对物质的结构和成分等进行测量、分析和处理的基本设备,其中微型化的光谱仪器具有体积小、精度高、测量范围大、速度快等优点^[1]。在一些特殊的研究领域,不仅仅需要对可见光波段进行光谱分析,还需要测量紫外波段(波长为200~400 nm),而普通CCD对紫外频谱的响应效果都不好^[2]。目前采用对减薄式CCD进行背向照射，该方法能提高其量子效率^[3],但是其加工工艺复杂,使得成本居高不下,单片价格就高达5 000元以上,导致以背向减薄式CCD为探测器的光谱仪器价格昂贵。为了使得CCD在紫外也能取得良好的响应效果并降低器件成本,很多厂家与国内的一些研制单位(例如美国海洋公司、清华大学、上海理工大学、浙江大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所等)都尝试在目前常用的线阵CCD(如SONY ILX511A、SONY ILX554B、Toshiba1304)的基础上,采用CCD紫外荧光增强技术来提高在紫外部分的成像效果^[4]。一种方法是在CCD上镀上一层可将紫外光转换为可见光的变频膜^[5];另一种方法是先去除CCD表面保护玻璃,通过真空镀膜的方法将对紫外波段敏感的荧光物质直接沉积在CCD敏感元件表面,以此来提高CCD的紫外响应度,同时还能削弱薄膜对分辨率的影响^[6]。采用以上几种方法来提高CCD对紫外波段的敏感性,都需要对CCD进行二次加工,SONY公司的CCD表面的石英玻璃去除比较容易,Toshiba1304石英玻璃去除则非常麻烦,而且薄膜制备条件苛刻,工艺流程也比较复杂,薄膜的分布均匀性、厚度都会对成像质量造成影响,这就直接影响紫外光谱仪的研制与生产。相比之下,随着CMOS制造工艺的快速发展,CMOS的各项性能已经赶上CCD^[7],甚至有些CMOS芯片在紫外部分表现得更好,采用CMOS设计的紫外可见光谱仪很有研究价值^[8]。

2013年底,日本滨松公司推出了性价比很高的CMOS传感器S11639芯片,它的价格比CCD便宜很多(单片价格1 000元),光谱探测范围可达200~1 000 nm。本文以日本滨松公司的CMOS传感器S11639为采光元件设计了一款紫外-可见微型光纤光谱仪。基于本方案设计的光谱仪采用光纤采集光源信号,配备USB2.0接口,无需额外电源,直接由USB供电,仪器大小为91 mm×60 mm×34.5 mm,重量只有0.3 kg,能由上位机进行动态光谱显示^[9]。 1 S11639及其驱动电路

本文采用日本滨松公司的CMOS传感器S11639,S11639是一款高灵敏度CMOS线阵传感器,像素在垂直方向的感光面很长(14 μm×200 μm)。

它具有在紫外波段的高灵敏度和高阻抗等特性,只需连接5 V电源供电,拥有2 048个像元,像元大小为14×200 μm,有效光敏范围长度为28.672 mm,拥有13 V/(lx·s)的高灵敏度,光谱响应范围包括紫外到近红外波段(波长为200 μm~1 000 nm),最大的时钟频率可达10 MHz,它的内部构造如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图 1 S11639内部结构 Fig. 1 The internal structure of S11639

S11639有两个输入端,分别是提供晶振时序的CLK端口和提供积分信号的ST端口。S11639有三个输出端口,分别是给用户提供输出信号时序的Trig端口、提供正确的扫描结束信号的EOS端口和提供数据信息的Video端口。S11639支持1~10 MHz的工作频率,本文采用了1 MHz的工作频率,此时Video端口产生数据和工作频率的关系如图 2所示。

图 2

Fig. 2

图 2 输出数据和工作频率关系 Fig. 2 Data generation with the operating frequency

分析可知,输出端口Trig的信号和主时钟CLK的方波正好是相反的,而且一个Trig周期产生一个Video数据信号,由于Trig信号相比于CLK信号还有一小段的延时,所以最终我们要将Trig信号作为数据采集的时钟信号。S11639的总体时序图如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 MHz时钟下S11639的工作时序 Fig. 3 Timing chart of S11639 with 1 MHz MCLK

S11639将ST作为芯片的积分标识信号,芯片准确的积分时间是将ST的高电平时间再加上48个CLK周期作为总的有效积分时间,如果需要调整积分时间,只需要调整ST的高电平持续时间即可。在ST信号变低之后的第一个CLK上升沿移位寄存器开始工作,并把ST变低后的第一个Trig脉冲记作1,那么在Trig的第89个脉冲,S11639将接着连续输出2 048个有效Video数据,这也是我们需要采集的有效数据。由图 3可以看出,EOS是扫描结束的标识信号,当它变为高电平时,代表数据已经完全输出完成。

驱动电路的设计就需用给S11639提供一个CLK主时钟信号和ST积分信号,并将它的Trig信号加以利用,作为后续数据A/D转换的时钟信号和数据RAM存储的地址发生信号。设计中A/D 采用ADI 公司的AD9235芯片,可以进行12位并行输出,外部RAM采用了Integrated Silicon Solution公司的

IS61LV3216L芯片,它拥有512 K静态空间,存取时间最大为20 ns,能够满足大数据高速度的存储要求。控制芯片采用Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103芯片,并选用Altera公司生产的CPLD芯片EPM7064AE来匹配获得精准的S11639驱动时序、A/D采样时序与RAM的地址发生时序^[11]。根据设计需求,这里利用STM32芯片的计时器功能,产生1 MHz的时钟信号通过CPLD内部控制输出给S11639作为CLK时钟,将S11639的Trig信号采集到CPLD中并配合STM32芯片控制产生A/D采样时序和RAM地址发生时序。由于数据Video的产生是与Trig信号相匹配,所以这样的设计能保证采集数据的准确性和实时性^[12]。功能设计图如图 4所示。

图 4

Fig. 4

图 4 驱动电路功能设计图 Fig. 4 The design of the drive circuit

光谱仪的设计主要分为光学部分和电路部分,光学结构的设计直接影响了整体的大小,本文采用了非对称性切尔尼-特纳光学系统,如图 5所示。图中准直镜到光轴的距离H₁和聚焦成像镜的距离H₂不相等,两面镜子M₁、M₂的曲率半径也不相同,当对这个系统中间波长消除彗差时,工作光谱范围的两端的彗差也会得到很好的优化。在设计时可以根据光路系统设计需求去求光栅参数来定制光栅,也可以根据市面上已有的光栅来设计光路系统,两种方法各有优缺点,本文考虑成本等因素,选用了闪耀波长为430 nm,闪耀角为7.4°的光栅。光源通过光纤采集后通过非对称性切尔尼-特纳光学系统的处理,按波长的不同投射到S11639传感器的表面,转换为电信号后再对信号进行调理、采集和传输。电路部分中采用ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103芯片组成微处理器单元,控制电路中各个器件配合工作,由CPLD组成的控制电路产生匹配CMOS的驱动脉冲、外部RAM的地址编码、A/D的采样脉冲,通过电路设计进行高速数据采集,最后将所得的数据通过USB传输到上位机进行光谱显示。本文所设计的紫外-可见光谱仪与海洋公司的USB4000相比,大小重量相差无几,通过实验比较可以看出各项性能参数也相差无几,但价格有着很大优势。

图 5

Fig. 5

图 5 光学结构 Fig. 5 The optical configuration

采用海洋公司的标准汞氩灯对设计完成的光谱仪进行光谱测试。标准汞氩灯的光谱范围为253~922 nm,并且输出谱线中,波长为253.652 nm和435.833 nm的光线相对光强较强,可用来测试该方案所设计的光谱仪的准确性、分辨率、光谱范围和紫外敏感特性。利用海洋公司的USB4000紫外至可见光光谱仪做实验对照组,USB4000是采用Toshiba1304作为光敏元件,并通过紫外敏化来扩展光谱测量范围,USB4000测量的波长范围为200~850 nm,分辨率为1.5 nm。通过两组实验的对比可以看出基于S11639所设计的光谱仪在紫外波段有良好的特性。 4 实验数据分析

用汞氩灯作为定标光源,积分时间定为4 ms,在200~900 nm光谱范围内,可测得如图 6所示光谱图形。从图 6可以看出,光谱仪对于紫外光谱部分敏感度很强,为了观察光谱仪采光的准确性,这里选择其中的6条标准的谱线作为定标谱线:253.652 nm、365.015 nm、435.833 nm、576.960 nm、579.066 nm、750.387 nm,在测量数据中分别找到与这6条谱线的波长最为相近区域内,相对光强最强所对应的波长值作为实际波长,并将测量所得的实际波长与定标谱线波长作对比,如表 1所示。

表 1 (Table 1)

表 1 标准波长值与实际波长值的对比 Tab. 1 The comparison of the standard wavelength and the measured wavelength nm nm 序号 标准波长 实际波长 误差 1 253.652 253.653 0.001 2 365.015 365.169 0.019 3 435.833 435.825 -0.008 4 576.960 576.946 -0.014 5 579.066 579.094 0.028 6 750.387 750.369 -0.018

表 1 标准波长值与实际波长值的对比 Tab. 1 The comparison of the standard wavelength and the measured wavelength

图 6

Fig. 6

图 6 本文设计的紫外光谱仪测得的光谱图 Fig. 6 The spectrum of the UV spectrometer designed in this paper

将测量所得的波长与汞灯的标准波长相比较,可以发现误差都在0.03 nm以下,说明光谱仪采光较准确。再选取汞灯中相邻最近的两条标准波长谱线576.960 nm和579.066 nm作分析,测得数据如图 7所示。可以看出,实际测量所得576.960 nm和579.066 nm的波峰之间相差2 nm左右,波峰与两者之间的波谷相差1 nm左右,根据瑞利判据,当实际光源相差1.5 nm的光源谱线时,也是能将其区分开的,所以整体的光谱仪的分辨率能够达到1.5 nm。

图 7

Fig. 7

图 7 波长为576.960 nm和579.066 nm的光谱图形 Fig. 7 The measured spectrum at 576.960 nm and 579.066 nm

在相同实验条件下,用海洋公司的USB4000光谱仪做对照组实验,同样用汞氩灯作为定标光源,积分为4 ms,测得在200~900 nm光谱范围内的光谱图形,如图 8所示。

图 8

Fig. 8

图 8 USB4000测得的光谱图 Fig. 8 The spectrum of USB4000

针对紫外敏感特性,将数据与本文所设计的光谱仪进行对比,数据如表 2所示。

表 2 (Table 2)

表 2 紫外光谱仪与USB4000的数据对比 Tab. 2 The comparison of UV spectrometer and USB4000 波长/nm 本文设计的光谱仪测得的相对光强 紫外光谱仪测得其他波长与546.1 nm波长的光强比 USB4000测得的相对光强 USB4000测得其他波长与546.1 nm波长的光强比 253.6 58 454.08 1.85 52 718.81 1.77 365.0 26 077.95 0.83 9 873.26 0.33 435.8 39 341.06 1.25 16 381.70 0.55 546.1 31 556.05 1.00 29 793.85 1.00

表 2 紫外光谱仪与USB4000的数据对比 Tab. 2 The comparison of UV spectrometer and USB4000

将其他波长与可见波段的典型波长546.1 nm进行相对光强比,从数据中可以看出,波长为546.1 nm与紫外特征谱线253.6 nm的相对光强比为1.85,海洋公司的USB4000的相对光强比为1.77,两者相差无几,而波长546.1 nm分别与365.0 nm和435.8 nm进行相对光强比,可以看出本文设计的紫外光谱仪对部分紫外波段还更敏感一些。 5 结 论

S11639是日本滨松公司新近推出的一款CMOS传感器,拥有很好的价格优势,在紫外探测领域,可作为减膜紫外增强CCD的应用补充,用它来设计紫外探测产品免去了CCD二次加工的麻烦,为紫外探测产品生产厂家提供了很大的便利。从实验数据中可以得出,基于S11639所设计的紫外微型光纤光谱仪能对紫外波段和可见光波段进行很好的光谱采集显示,对紫外谱线敏感度强,测得谱线准确,分辨率也可达1.5 nm,而且整体设计体积小、重量轻,成本也要比基于CCD的紫外光谱仪低很多,方便应用于各个行业,也可在此基础上提供二次开发。