基于S11639的紫外可見光譜儀的設(shè)計(jì)

童建平等

摘要： 目前微型紫外光譜儀多采用背向減薄式或鍍膜CCD作為感光元件，針對(duì)其價(jià)格昂貴的問題，提出了將高性價(jià)比的CMOS傳感器芯片S11639應(yīng)用于紫外可見光譜儀中的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)采用非對(duì)稱性的切爾尼特納光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分光處理，利用STM32微處理器芯片配合復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD來設(shè)計(jì)電路將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，進(jìn)行光譜圖像顯示。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了用該方案設(shè)計(jì)的微型紫外可見光纖光譜儀，具有良好的紫外敏感性，頻譜范圍為200～900 nm，分辨率可達(dá)1.5 nm。

關(guān)鍵詞： 線陣CMOS； 紫外； 微型光譜儀

中圖分類號(hào)： TH 741文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.018

Abstract： Currently micro ultraviolet spectrometer mostly uses thin and backilluminating or coated CCD as a sensitive element. But it is too expensive. To address this problem， this paper designs an ultraviolet spectrometer using CMOS sensor chip S11639 as the sensitive element. This design adopts asymmetry CzernyTurner optical system for optical processing， using microprocessor chip STM32 and cooperating complex programmable logic device CPLD to design the circuit to upload data to the computer to display the spectral image. The micro UVVIS spectrometer designed by this paper has good sensitivity of UV spectrum. Its wavelength range is 200～900 nm. Its resolution is up to 1.5 nm.

Keywords： linear CMOS； ultraviolet； micro spectrometer

引言光譜儀器是光學(xué)儀器的重要組成部分，它是運(yùn)用光學(xué)原理對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分等進(jìn)行測(cè)量、分析和處理的基本設(shè)備，其中微型化的光譜儀器具有體積小、精度高、測(cè)量范圍大、速度快等優(yōu)點(diǎn)[1]。在一些特殊的研究領(lǐng)域，不僅僅需要對(duì)可見光波段進(jìn)行光譜分析，還需要測(cè)量紫外波段（波長為200～400 nm），而普通CCD對(duì)紫外頻譜的響應(yīng)效果都不好[2]。目前采用對(duì)減薄式CCD進(jìn)行背向照射，該方法能提高其量子效率[3]，但是其加工工藝復(fù)雜，使得成本居高不下，單片價(jià)格就高達(dá)5 000元以上，導(dǎo)致以背向減薄式CCD為探測(cè)器的光譜儀器價(jià)格昂貴。為了使得CCD在紫外也能取得良好的響應(yīng)效果并降低器件成本，很多廠家與國內(nèi)的一些研制單位（例如美國海洋公司、清華大學(xué)、上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所等）都嘗試在目前常用的線陣CCD（如SONY ILX511A、SONY ILX554B、Toshiba1304）的基礎(chǔ)上，采用CCD紫外熒光增強(qiáng)技術(shù)來提高在紫外部分的成像效果[4]。一種方法是在CCD上鍍上一層可將紫外光轉(zhuǎn)換為可見光的變頻膜[5]；另一種方法是先去除CCD表面保護(hù)玻璃，通過真空鍍膜的方法將對(duì)紫外波段敏感的熒光物質(zhì)直接沉積在CCD敏感元件表面，以此來提高CCD的紫外響應(yīng)度，同時(shí)還能削弱薄膜對(duì)分辨率的影響[6]。采用以上幾種方法來提高CCD對(duì)紫外波段的敏感性，都需要對(duì)CCD進(jìn)行二次加工，SONY公司的CCD表面的石英玻璃去除比較容易，Toshiba1304石英玻璃去除則非常麻煩，而且薄膜制備條件苛刻，工藝流程也比較復(fù)雜，薄膜的分布均勻性、厚度都會(huì)對(duì)成像質(zhì)量造成影響，這就直接影響紫外光譜儀的研制與生產(chǎn)。相比之下，隨著CMOS制造工藝的快速發(fā)展，CMOS的各項(xiàng)性能已經(jīng)趕上CCD[7]，甚至有些CMOS芯片在紫外部分表現(xiàn)得更好，采用CMOS設(shè)計(jì)的紫外可見光譜儀很有研究?jī)r(jià)值[8]。2013年底，日本濱松公司推出了性價(jià)比很高的CMOS傳感器S11639芯片，它的價(jià)格比CCD便宜很多（單片價(jià)格1 000元），光譜探測(cè)范圍可達(dá)200～1 000 nm。本文以日本濱松公司的CMOS傳感器S11639為采光元件設(shè)計(jì)了一款紫外可見微型光纖光譜儀。基于本方案設(shè)計(jì)的光譜儀采用光纖采集光源信號(hào)，配備USB2.0接口，無需額外電源，直接由USB供電，儀器大小為91 mm×60 mm×34.5 mm，重量只有0.3 kg，能由上位機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)光譜顯示[9]。

1S11639及其驅(qū)動(dòng)電路本文采用日本濱松公司的CMOS傳感器S11639，S11639是一款高靈敏度CMOS線陣傳感器，像素在垂直方向的感光面很長（14 μm×200 μm）。圖1S11639內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Fig.1The internal structure of S11639它具有在紫外波段的高靈敏度和高阻抗等特性，只需連接5 V電源供電，擁有2 048個(gè)像元，像元大小為14×200 μm，有效光敏范圍長度為28.672 mm，擁有13 V/（lx·s）的高靈敏度，光譜響應(yīng)范圍包括紫外到近紅外波段（波長為200 μm～1 000 nm），最大的時(shí)鐘頻率可達(dá)10 MHz，它的內(nèi)部構(gòu)造如圖1所示。S11639有兩個(gè)輸入端，分別是提供晶振時(shí)序的CLK端口和提供積分信號(hào)的ST端口。S11639有三個(gè)輸出端口，分別是給用戶提供輸出信號(hào)時(shí)序的Trig端口、提供正確的掃描結(jié)束信號(hào)的EOS端口和提供數(shù)據(jù)信息的Video端口。S11639支持1～10 MHz的工作頻率，本文采用了1 MHz的工作頻率，此時(shí)Video端口產(chǎn)生數(shù)據(jù)和工作頻率的關(guān)系如圖2所示。

分析可知，輸出端口Trig的信號(hào)和主時(shí)鐘CLK的方波正好是相反的，而且一個(gè)Trig周期產(chǎn)生一個(gè)Video數(shù)據(jù)信號(hào)，由于Trig信號(hào)相比于CLK信號(hào)還有一小段的延時(shí)，所以最終我們要將Trig信號(hào)作為數(shù)據(jù)采集的時(shí)鐘信號(hào)。S11639的總體時(shí)序圖如圖3所示。

S11639將ST作為芯片的積分標(biāo)識(shí)信號(hào)，芯片準(zhǔn)確的積分時(shí)間是將ST的高電平時(shí)間再加上48個(gè)CLK周期作為總的有效積分時(shí)間，如果需要調(diào)整積分時(shí)間，只需要調(diào)整ST的高電平持續(xù)時(shí)間即可。在ST信號(hào)變低之后的第一個(gè)CLK上升沿移位寄存器開始工作，并把ST變低后的第一個(gè)Trig脈沖記作1，那么在Trig的第89個(gè)脈沖，S11639將接著連續(xù)輸出2 048個(gè)有效Video數(shù)據(jù)，這也是我們需要采集的有效數(shù)據(jù)。由圖3可以看出，EOS是掃描結(jié)束的標(biāo)識(shí)信號(hào)，當(dāng)它變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，代表數(shù)據(jù)已經(jīng)完全輸出完成。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)就需用給S11639提供一個(gè)CLK主時(shí)鐘信號(hào)和ST積分信號(hào)，并將它的Trig信號(hào)加以利用，作為后續(xù)數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)RAM存儲(chǔ)的地址發(fā)生信號(hào)。設(shè)計(jì)中A/D 采用ADI公司的AD9235芯片，可以進(jìn)行12位并行輸出，外部RAM采用了Integrated Silicon Solution公司的芯片，它擁有512 K靜態(tài)空間，存取時(shí)間最大為20 ns，能夠滿足大數(shù)據(jù)高速度的存儲(chǔ)要求?？刂菩酒捎肅ortexM3內(nèi)核的32位處理器STM32F103芯片，并選用Altera公司生產(chǎn)的CPLD芯片EPM7064AE來匹配獲得精準(zhǔn)的S11639驅(qū)動(dòng)時(shí)序、A/D采樣時(shí)序與RAM的地址發(fā)生時(shí)序[11]。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，這里利用STM32芯片的計(jì)時(shí)器功能，產(chǎn)生1 MHz的時(shí)鐘信號(hào)通過CPLD內(nèi)部控制輸出給S11639作為CLK時(shí)鐘，將S11639的Trig信號(hào)采集到CPLD中并配合STM32芯片控制產(chǎn)生A/D采樣時(shí)序和RAM地址發(fā)生時(shí)序。由于數(shù)據(jù)Video的產(chǎn)生是與Trig信號(hào)相匹配，所以這樣的設(shè)計(jì)能保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[12]。功能設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

2光譜儀設(shè)計(jì)光譜儀的設(shè)計(jì)主要分為光學(xué)部分和電路部分，光學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響了整體的大小，本文采用了非對(duì)稱性切爾尼特納光學(xué)系統(tǒng)，如圖5所示。圖中準(zhǔn)直鏡到光軸的距離H1和聚焦成像鏡的距離H2不相等，兩面鏡子M1、M2的曲率半徑也不相同，當(dāng)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)中間波長消除彗差時(shí)，工作光譜范圍的兩端的彗差也會(huì)得到很好的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求去求光柵參數(shù)來定制光柵，也可以根據(jù)市面上已有的光柵來設(shè)計(jì)光路系統(tǒng)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文考慮成本等因素，選用了閃耀波長為430 nm，閃耀角為7.4°的光柵。光源通過光纖采集后通過非對(duì)稱性切爾尼特納光學(xué)系統(tǒng)的處理，按波圖5光學(xué)結(jié)構(gòu)長的不同投射到S11639傳感器的表面，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后再對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、采集和傳輸。電路部分中采用ARM CortexM3內(nèi)核的32位處理器STM32F103芯片組成微處理器單元，控制電路中各個(gè)器件配合工作，由CPLD組成的控制電路產(chǎn)生匹配CMOS的驅(qū)動(dòng)脈沖、外部RAM的地址編碼、A/D的采樣脈沖，通過電路設(shè)計(jì)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，最后將所得的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行光譜顯示。本文所設(shè)計(jì)的紫外可見光譜儀與海洋公司的USB4000相比，大小重量相差無幾，通過實(shí)驗(yàn)比較可以看出各項(xiàng)性能參數(shù)也相差無幾，但價(jià)格有著很大優(yōu)勢(shì)。3測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用海洋公司的標(biāo)準(zhǔn)汞氬燈對(duì)設(shè)計(jì)完成的光譜儀進(jìn)行光譜測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)汞氬燈的光譜范圍為253～922 nm，并且輸出譜線中，波長為253.652 nm和435.833 nm的光線相對(duì)光強(qiáng)較強(qiáng)，可用來測(cè)試該方案所設(shè)計(jì)的光譜儀的準(zhǔn)確性、分辨率、光譜范圍和紫外敏感特性。利用海洋公司的USB4000紫外至可見光光譜儀做實(shí)驗(yàn)對(duì)照組，USB4000是采用Toshiba1304作為光敏元件，并通過紫外敏化來擴(kuò)展光譜測(cè)量范圍，USB4000測(cè)量的波長范圍為200～850 nm，分辨率為1.5 nm。通過兩組實(shí)驗(yàn)的對(duì)比可以看出基于S11639所設(shè)計(jì)的光譜儀在紫外波段有良好的特性。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析用汞氬燈作為定標(biāo)光源，積分時(shí)間定為4 ms，在200～900 nm光譜范圍內(nèi)，可測(cè)得如圖6所示光譜圖形。從圖6可以看出，光譜儀對(duì)于紫外光譜部分敏感度很強(qiáng)，為了觀察光譜儀采光的準(zhǔn)確性，這里選擇其中的6條標(biāo)準(zhǔn)的譜線作為定標(biāo)譜線：253.652 nm、365.015 nm、435.833 nm、576.960 nm、579.066 nm、750.387 nm，在測(cè)量數(shù)據(jù)中分別找到與這6條譜線的波長最為相近區(qū)域內(nèi)，相對(duì)光強(qiáng)最強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的波長值作為實(shí)際波長，并將測(cè)量所得的實(shí)際波長與定標(biāo)譜線波長作對(duì)比，如表1所示。

將測(cè)量所得的波長與汞燈的標(biāo)準(zhǔn)波長相比較，可以發(fā)現(xiàn)誤差都在0.03 nm以下，說明光譜儀采光較準(zhǔn)確。再選取汞燈中相鄰最近的兩條標(biāo)準(zhǔn)波長譜線576.960 nm和579.066 nm作分析，測(cè)得數(shù)據(jù)如圖7所示?？梢钥闯觯瑢?shí)際測(cè)量所得576.960 nm和579.066 nm的波峰之間相差2 nm左右，波峰與兩者之間的波谷相差1 nm左右，根據(jù)瑞利判據(jù)，當(dāng)實(shí)際光源相差1.5 nm的光源譜線時(shí)，也是能將其區(qū)分開的，所以整體的光譜儀的分辨率能夠達(dá)到1.5 nm。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，用海洋公司的USB4000光譜儀做對(duì)照組實(shí)驗(yàn)，同樣用汞氬燈作為定標(biāo)光源，積分為4 ms，測(cè)得在200～900 nm光譜范圍內(nèi)的光譜圖形，如圖8所示。針對(duì)紫外敏感特性，將數(shù)據(jù)與本文所設(shè)計(jì)的光譜儀進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)如表2所示。

將其他波長與可見波段的典型波長546.1 nm進(jìn)行相對(duì)光強(qiáng)比，從數(shù)據(jù)中可以看出，波長為546.1 nm與紫外特征譜線253.6 nm的相對(duì)光強(qiáng)比為1.85，海洋公司的USB4000的相對(duì)光強(qiáng)比為1.77，兩者相差無幾，而波長546.1 nm分別與365.0 nm和435.8 nm進(jìn)行相對(duì)光強(qiáng)比，可以看出本文設(shè)計(jì)的紫外光譜儀對(duì)部分紫外波段還更敏感一些。5結(jié)論S11639是日本濱松公司新近推出的一款CMOS傳感器，擁有很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在紫外探測(cè)領(lǐng)域，可作為減膜紫外增強(qiáng)CCD的應(yīng)用補(bǔ)充，用它來設(shè)計(jì)紫外探測(cè)產(chǎn)品免去了CCD二次加工的麻煩，為紫外探測(cè)產(chǎn)品生產(chǎn)廠家提供了很大的便利。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出，基于S11639所設(shè)計(jì)的紫外微型光纖光譜儀能對(duì)紫外波段和可見光波段進(jìn)行很好的光譜采集顯示，對(duì)紫外譜線敏感度強(qiáng)，測(cè)得譜線準(zhǔn)確，分辨率也可達(dá)1.5 nm，而且整體設(shè)計(jì)體積小、重量輕，成本也要比基于CCD的紫外光譜儀低很多，方便應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，也可在此基礎(chǔ)上提供二次開發(fā)。參考文獻(xiàn)：

[1]馮祺婷，彭保進(jìn)，陳丹露，等.一種簡(jiǎn)易光譜實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)儀器，2013，35（5）：8084.

[2]石玉坤，廖寧放，羅永道.基于ARM嵌入式處理器的微型分光光度計(jì)研究[J].光學(xué)儀器，2006，28（5）：5860.

[3]鐘四成，鄧艷紅，陳于偉，等.CCD減薄技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2006，27（3）：297299.

[4]劉康.微型光譜儀關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013：1113.

[5]王麗輝，王孝坤，陳波.增強(qiáng)CCD紫外和極紫外成像的熒光物質(zhì)的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32（S1）：479481.

[6]杜晨光，孫利群，丁志田.利用暈苯增強(qiáng)CCD紫外響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)技術(shù)，2010，36（5）：753757.

[7]李繼軍，杜云剛，張麗華，等.CMOS圖像傳感器的研究進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2009（4）：4552.

[8]周勝利.CCD與COMS傳感器對(duì)比研究及發(fā)展趨勢(shì)[J].大眾科技，2009（5）：9293.

[9]郭曉龍.基于面陣CCD的微型紫外光譜儀設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2011：1733.

[10]蔡志堅(jiān)，韋曉茹，居戩之，等.便攜式光譜儀的CCD智能檢測(cè)器設(shè)計(jì)[J].光學(xué)儀器，2010，32（2）：6164.

[11]趙永嘉.高性能紫外探測(cè)器新結(jié)構(gòu)及其CMOS讀出電路研究[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2013：13.

（編輯：張磊）