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，針對其價格昂貴的問題，提出了將高性價比的CMOS傳感器芯片S11639應用于紫外可見光譜儀中的設計方案，系統(tǒng)采用非對稱性的切爾尼特納光學系統(tǒng)進行分光處理，利用STM32微處理器芯片配合復雜可編程邏輯器件CPLD來設計電路將數(shù)據(jù)上傳到上位機，進行光譜圖像顯示。通過實驗對比，驗證了用該方案設計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1.5 nm。

關鍵詞： 線陣CMOS； 紫外； 微型光譜儀

中圖分類號： TH 741文獻標志碼： 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儀器的重要組成部分，它是運用光學原理對物質的結構和成分等進行測量、分析和處理的基本設備，其中微型化的光譜儀器具有體積小、精度高、測量范圍大、速度快等優(yōu)點[1]。在一些特殊的研究領域，不僅僅需要對可見光波段進行光譜分析，還需要測量紫外波段（波長為200～400 nm），而普通CCD對紫外頻譜的響應效果都不好[2]。目前采用對減薄式CCD進行背向照射，該方法能提高其量子效率[3]，但是其加工工藝復雜，使得成本居高不下，單片價格就高達5 000元以上，導致以背向減薄式CCD為探測器的光譜儀器價格昂貴。為了使得CCD在紫外也能取得良好的響應效果并降低器件成本，很多廠家與國內的一些研制單位（例如美國海洋公司、清華大學、上海理工大學、浙江大學、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所等）都嘗試在目前常用的線陣CCD（如SONY ILX511A、SONY ILX554B、Toshiba1304）的基礎上，采用CCD紫外熒光增強技術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換為可見光的變頻膜[5]；另一種方法是先去除CCD表面保護玻璃，通過真空鍍膜的方法將對紫外波段敏感的熒光物質直接沉積在CCD敏感元件表面，以此來提高CCD的紫外響應度，同時還能削弱薄膜對分辨率的影響[6]。采用以上幾種方法來提高CCD對紫外波段的敏感性，都需要對CCD進行二次加工，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，工藝流程也比較復雜，薄膜的分布均勻性、厚度都會對成像質量造成影響，這就直接影響紫外光譜儀的研制與生產。相比之下，隨著CMOS制造工藝的快速發(fā)展，CMOS的各項性能已經趕上CCD[7]，甚至有些CMOS芯片在紫外部分表現(xiàn)得更好，采用CMOS設計的紫外可見光譜儀很有研究價值[8]。2013年底，日本濱松公司推出了性價比很高的CMOS傳感器S11639芯片，它的價格比CCD便宜很多（單片價格1 000元），光譜探測范圍可達200～1 000 nm。本文以日本濱松公司的CMOS傳感器S11639為采光元件設計了一款紫外可見微型光纖光譜儀?；诒痉桨冈O計的光譜儀采用光纖采集光源信號，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，能由上位機進行動態(tài)光譜顯示[9]。

1S11639及其驅動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內部結構

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，光譜響應范圍包括紫外到近紅外波段（波長為200 μm～1 000 nm），最大的時鐘頻率可達10 MHz，它的內部構造如圖1所示。S11639有兩個輸入端，分別是提供晶振時序的CLK端口和提供積分信號的ST端口。S11639有三個輸出端口，分別是給用戶提供輸出信號時序的Trig端口、提供正確的掃描結束信號的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Video端口產生數(shù)據(jù)和工作頻率的關系如圖2所示。

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

S11639將ST作為芯片的積分標識信號，芯片準確的積分時間是將ST的高電平時間再加上48個CLK周期作為總的有效積分時間，如果需要調整積分時間，只需要調整ST的高電平持續(xù)時間即可。在ST信號變低之后的第一個CLK上升沿移位寄存器開始工作，并把ST變低后的第一個Trig脈沖記作1，那么在Trig的第89個脈沖，S11639將接著連續(xù)輸出2 048個有效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是掃描結束的標識信號，當它變?yōu)楦唠娖綍r，代表數(shù)據(jù)已經完全輸出完成。驅動電路的設計就需用給S11639提供一個CLK主時鐘信號和ST積分信號，并將它的Trig信號加以利用，作為后續(xù)數(shù)據(jù)A/D轉換的時鐘信號和數(shù)據(jù)RAM存儲的地址發(fā)生信號。設計中A/D 采用ADI公司的AD9235芯片，可以進行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，存取時間最大為20 ns，能夠滿足大數(shù)據(jù)高速度的存儲要求?？刂菩酒捎肅ortexM3內核的32位處理器STM32F103芯片，并選用Altera公司生產的CPLD芯片EPM7064AE來匹配獲得精準的S11639驅動時序、A/D采樣時序與RAM的地址發(fā)生時序[11]。根據(jù)設計需求，這里利用STM32芯片的計時器功能，產生1 MHz的時鐘信號通過CPLD內部控制輸出給S11639作為CLK時鐘，將S11639的Trig信號采集到CPLD中并配合STM32芯片控制產生A/D采樣時序和RAM地址發(fā)生時序。由于數(shù)據(jù)Video的產生是與Trig信號相匹配，所以這樣的設計能保證采集數(shù)據(jù)的準確性和實時性[12]。功能設計圖如圖4所示。

2光譜儀設計光譜儀的設計主要分為光學部分和電路部分，光學結構的設計直接影響了整體的大小，本文采用了非對稱性切爾尼特納光學系統(tǒng)，如圖5所示。圖中準直鏡到光軸的距離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，當對這個系統(tǒng)中間波長消除彗差時，工作光譜范圍的兩端的彗差也會得到很好的優(yōu)化。在設計時可以根據(jù)光路系統(tǒng)設計需求去求光柵參數(shù)來定制光柵，也可以根據(jù)市面上已有的光柵來設計光路系統(tǒng)，兩種方法各有優(yōu)缺點，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稱性切爾尼特納光學系統(tǒng)的處理，按波圖5光學結構長的不同投射到S11639傳感器的表面，轉換為電信號后再對信號進行調理、采集和傳輸。電路部分中采用ARM CortexM3內核的32位處理器STM32F103芯片組成微處理器單元，控制電路中各個器件配合工作，由CPLD組成的控制電路產生匹配CMOS的驅動脈沖、外部RAM的地址編碼、A/D的采樣脈沖，通過電路設計進行高速數(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進行光譜顯示。本文所設計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，通過實驗比較可以看出各項性能參數(shù)也相差無幾，但價格有著很大優(yōu)勢。3測試實驗設計采用海洋公司的標準汞氬燈對設計完成的光譜儀進行光譜測試。標準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的光線相對光強較強，可用來測試該方案所設計的光譜儀的準確性、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驗對照組，USB4000是采用Toshiba1304作為光敏元件，并通過紫外敏化來擴展光譜測量范圍，USB4000測量的波長范圍為200～850 nm，分辨率為1.5 nm。通過兩組實驗的對比可以看出基于S11639所設計的光譜儀在紫外波段有良好的特性。4實驗數(shù)據(jù)分析用汞氬燈作為定標光源，積分時間定為4 ms，在200～900 nm光譜范圍內，可測得如圖6所示光譜圖形。從圖6可以看出，光譜儀對于紫外光譜部分敏感度很強，為了觀察光譜儀采光的準確性，這里選擇其中的6條標準的譜線作為定標譜線：253.652 nm、365.015 nm、435.833 nm、576.960 nm、579.066 nm、750.387 nm，在測量數(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，相對光強最強所對應的波長值作為實際波長，并將測量所得的實際波長與定標譜線波長作對比，如表1所示。

將測量所得的波長與汞燈的標準波長相比較，可以發(fā)現(xiàn)誤差都在0.03 nm以下，說明光譜儀采光較準確。再選取汞燈中相鄰最近的兩條標準波長譜線576.960 nm和579.066 nm作分析，測得數(shù)據(jù)如圖7所示?？梢钥闯?，實際測量所得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)，當實際光源相差1.5 nm的光源譜線時，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到1.5 nm。在相同實驗條件下，用海洋公司的USB4000光譜儀做對照組實驗，同樣用汞氬燈作為定標光源，積分為4 ms，測得在200～900 nm光譜范圍內的光譜圖形，如圖8所示。針對紫外敏感特性，將數(shù)據(jù)與本文所設計的光譜儀進行對比，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進行相對光強比，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的相對光強比為1.85，海洋公司的USB4000的相對光強比為1.77，兩者相差無幾，而波長546.1 nm分別與365.0 nm和435.8 nm進行相對光強比，可以看出本文設計的紫外光譜儀對部分紫外波段還更敏感一些。5結論S11639是日本濱松公司新近推出的一款CMOS傳感器，擁有很好的價格優(yōu)勢，在紫外探測領域，可作為減膜紫外增強CCD的應用補充，用它來設計紫外探測產品免去了CCD二次加工的麻煩，為紫外探測產品生產廠家提供了很大的便利。從實驗數(shù)據(jù)中可以得出，基于S11639所設計的紫外微型光纖光譜儀能對紫外波段和可見光波段進行很好的光譜采集顯示，對紫外譜線敏感度強，測得譜線準確，分辨率也可達1.5 nm，而且整體設計體積小、重量輕，成本也要比基于CCD的紫外光譜儀低很多，方便應用于各個行業(yè)，也可在此基礎上提供二次開發(fā)。參考文獻：

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（編輯：張磊）