用于增强拉曼光谱仪信噪比的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学仪器领域，尤其涉及一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼 光谱仪信噪比的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 拉曼光谱可以提供简单、快速、可重复且无损伤的定性定量物质分析，它无需样品 准备，样品可直接通过光纤探头或者通过玻璃、石英和光纤对物质进行测量分析。随着应用 领域的不断扩展，拉曼光谱仪开始走入家庭，要进一步拓展拉曼光谱仪的应用领域，拉曼光 谱仪的成本必须尽可能地降低。
[0003] 由于拉曼散射光非常微弱，为了获得比较好的信噪比，以达到更好的最低检测限， 拉曼光谱仪需要采用高性能的背照式CCD。但是由于背照式CCD成本过高，不利于设计低 成本的拉曼光谱仪和拉曼光谱仪的推广。市场上的廉价CCD，如Sony产的ILX511、东芝产 的TCD1304,其动态范围只有267和300,超过其动态范围的部分，则体现为非线性，即电信 号增长幅度小于光强增加幅度，300左右的动态范围，无法满足拉曼光谱仪的信噪比测量要 求。由于低价CCD的动态范围有限，即使采用延长积分时间的方法，受CCD自有的暗电流、噪 声等因素的限制，也无法获得高信噪比的拉曼光谱信号，从而也就无法实现痕量物质测量。
【发明内容】
[0004] 本发明提供，采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制和软件算 法的修订，可以使低成本拉曼光谱仪获得较高的拉曼信号信噪比。克服了上述技术中存在 的产品稳定性和可靠性差、生产制作难度大等问题，以满足高功率光纤激光器和高功率光 纤放大器的需求。
[0005] 本发明采用以下技术方案来实现：一种增强拉曼光谱仪信噪比的装置，包括主控 制器、拉曼激光器、激光器恒流驱动电路、线性CCDXCD信号处理电路，所述线性CCD电连接 CXD信号处理电路，所述拉曼激光器电连接激光器恒流驱动电路，所述主控制器电连接线性 CCDXCD信号处理电路和激光器恒流驱动电路，主控制器接收外部命令信号，并控制电连接 的部件。
[0006] 优选的，还包括TEC温控电路，其中包括TEC和TEC驱动电路，所述主控制器电连 接TEC驱动电路，TEC驱动电路电连接TEC，TEC贴在线性C⑶和拉曼激光器上。
[0007] 优选的，所述C⑶信号处理器包括驱动电路和信号采集电路。
[0008] 优选的，所述主控制器为FPGA、DSP或MCU。
[0009] 进一步的，所述信号采集电路为直接信号电压采样电路或相关双采样电路，所述 驱动电路包括三极管。
[0010] 更进一步的，信号采集电路为相关双采样电路AD80066。
[0011] 一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法，包括如下步骤：
[0012] 步骤1 :主控制器接收用户设定的积分时间T、激光功率W ;
[0013] 步骤2 :主控制器控制CXD清理残留光生电荷；
[0014] 步骤3 :进行拉曼信号强度预扫描，确定欠饱和曝光次数η和CCD每次曝光时间t ;
[0015] 步骤4 :分别进行η次欠饱和曝光，并分别收集CCD信号数据，保存在寄存器组中， 前η-1次曝光时间为0. 5Xk秒，最后一次曝光时间为Τ-0. 5Xk秒；
[0016] 步骤5 :将η次欠饱和曝光的CCD信号数据进行累加，从而得到了整个拉曼光谱信 号。
[0017] 优选的，在步骤3中，所述确定欠饱和曝光次数η和CXD每次曝光时间t，包括：开 启激光器0. 5S后，关闭激光器，采集CCD数据，判断CCD采集到的最大信号幅度a，并以CCD 饱和电压的70%除以信号幅度a，得到k，则C⑶每次曝光的时间为t=0. 5Xk秒；欠饱和曝 光次数n=[T/t]+l。如此，可以避开CCD的非线性区域，得到与光谱信号强度成比例的拉曼 电信号。
[0018] 本发明的有益效果是，采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制 和软件算法的修订，在使用低成本CCD的拉曼光谱仪，获得高信噪比信号，而且不需要增加 任何硬件成本，可以明显地降低拉曼光谱仪的成本。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的结构示意图；
[0020] 图2是本发明的具体实施例示意图；
[0021] 图3是本发明具体实施例中CCD信号采样电路示意图；
[0022] 图4是本发明中拉曼激光器恒流驱动电路示意图；
[0023] 图5是本发明中TEC温控电路的应用实例；
[0024] 图6是本发明中方法实施例的工作流程图；
[0025] 图7是本发明方法实施例中拉曼信号强度预扫描的工作流程图；
[0026] 附图标号说明：1、线性CXD ;2、C⑶信号处理电路；3、主控制器；4、拉曼激光器；5、 激光器恒流驱动电路；21、驱动电路；22、信号采集电路；221、相关双采样电路；61、TEC驱动 电路；62、TEC ;301、连接线；302、连接线；303、连接线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0028] 如图1所示，为本发明的结构示意图，一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉 曼光谱仪信噪比的装置，包括主控制器3、拉曼激光器4、激光器恒流驱动电路5、线性(XD1、 CXD信号处理电路2,线性CXDl电连接CXD信号处理电路2,拉曼激光器4电连接激光器恒 流驱动电路5,主控制器3电连接线性CXDl、(XD信号处理电路2和激光器恒流驱动电路5， 主控制器3接收外部命令信号，并控制电连接的部件。
[0029] 如图2所示，是本发明的一个具体实施例。TEC温控电路包括TEC62和TEC驱动 电路61，主控制器电连接TEC驱动电路61，TEC驱动电路61电连接TEC62，TEC62贴在线性 CXDl和拉曼激光器5上。C⑶信号处理器2包括驱动电路21和信号采集电路22。低成本 线性CXDl，可采用索尼ILX511、东芝T⑶1304等，信号采集电路22可以为直接信号电压采 样，也可以为相关双采样电路；拉曼激光器4采用785nm窄线宽激光器。主控制器3接收到 来自计算机的采集信号命令后，控制线性CCDl清理其内部残留光生电荷，再控制激光器恒 流驱动电路5,驱动拉曼激光器4输出指定功率的激光。
[0030] 图3是本发明C⑶信号采样电路的示意图。信号采样电路22采用16bit相关双 采样电路AD80066221，连接线301与连接线302连接主控制器3与相关双采样电路221，其 中连接线301主要用来将采样电路221采集到的数据传送给主控制器3,而连接线302的作 用为主控制器对采样电路221的控制线；连接线303为主控制器3与线性CXDl之间的连接 线。线性CCDl输出的电压信号微弱，容易受干扰，再加上CCD的输出阻抗较大，不足以驱动 相关双采样电路221，所以在驱动电路21中采用Ql为三极管，用来对线性CCDl的输出电压 进行放大，使之能够驱动相关双采样电路221。相关双采样电路221采集到的光谱信号，传 送给主控制器3 ;主控制器3,通过控制信号线302控制C⑶进行清除残留电荷、曝光时间等 动作。
[0031] 图4为本专利实施例中拉曼激光器恒流驱动电路的示意图；拉曼激光器输出功率 的稳定性，对拉曼测试结果的一致性非常重要，因此需要进行恒流、恒温控制。采用负反馈 恒流输出电流，可以对拉曼激光器进行恒流控制，其大概工作原理如下：U2A和U2B为双通 道运算放大器的两个通道运放，U2A工作在负反馈状态，U2B工作在电压放大状态，构建成 差分电压放大器。该电流正常工作时，可以将拉曼激光器的工作电流控制为：
【主权项】
1. 一种增强拉曼光谱仪信噪比的装置，其特征在于，包括主控制器、拉曼激光器、激光 器恒流驱动电路、线性CCD、CCD信号处理电路，所述线性CCD电连接CCD信号处理电路，所 述拉曼激光器电连接激光器恒流驱动电路，所述主控制器电连接线性(XD、C⑶信号处理电 路和激光器恒流驱动电路，主控制器接收外部命令信号，并控制电连接的部件。
2. 如权利要求1所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 装置，其特征在于，还包括TEC温控电路，温控电路中包括TEC和TEC驱动电路，所述主控制 器电连接TEC驱动电路，TEC驱动电路电连接TEC，TEC贴在线性C⑶和拉曼激光器上。
3. 如权利要求1所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 装置，其特征在于，所述CCD信号处理电路包括驱动电路和信号采集电路。
4. 如权利要求1所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 装置，其特征在于，所述主控制器为FPGA、DSP或MCU。
5. 如权利要求3所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 装置，其特征在于，所述信号采集电路为直接信号电压采样电路或相关双采样电路，所述驱 动电路包括三极管。
6. 如权利要求5所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 装置，其特征在于，信号采集电路为相关双采样电路AD80066。
7. -种增强拉曼光谱仪信噪比的方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1 :主控制器接收用户设定的积分时间T、激光功率W; 步骤2 :主控制器控制CXD清理残留光生电荷； 步骤3 :进行拉曼信号强度预扫描，确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t; 步骤4 :分别进行n次欠饱和曝光，并分别收集CCD信号数据，保存在寄存器组中，前n_l次曝光时间为0. 5Xk秒，最后一次曝光时间为T-0. 5Xk秒； 步骤5 :将n次欠饱和曝光的CCD信号数据进行累加，从而得到了整个拉曼光谱信号。
8. 如权利要求7所述的一种基于自适应分时欠饱和曝光的增强拉曼光谱仪信噪比的 方法，其特征在于，在步骤3中，所述确定欠饱和曝光次数n和CCD每次曝光时间t，包括： 开启激光器〇. 5S后，关闭激光器，采集CCD数据，判断CCD采集到的最大信号幅度a，并以 C⑶饱和电压的70%除以信号幅度a，得到k，则C⑶每次曝光的时间为t=0. 5Xk秒；欠饱 和曝光次数n=[T/t]+l。
【专利摘要】本发明公开了一种增强拉曼光谱仪信噪比的装置，包括主控制器、拉曼激光器、激光器恒流驱动电路、线性CCD、CCD信号处理电路，线性CCD电连接CCD信号处理电路，拉曼激光器电连接激光器恒流驱动电路，主控制器电连接线性CCD、CCD信号处理电路和激光器恒流驱动电路，主控制器接收外部命令信号，并控制电连接的部件。还有一种增强拉曼光谱仪信噪比的方法。采用自适应分时欠饱和曝光方法，通过对CCD的精密控制和软件算法的修订，在使用低成本CCD的拉曼光谱仪，获得高信噪比信号，而且不需要增加任何硬件成本，可以明显地降低拉曼光谱仪的成本。
【IPC分类】G01N21-65, G01N21-01
【公开号】CN104729994
【申请号】CN201310710438
【发明人】刘鸿飞, 蒋龙键, 李俊梅, 毛慧珍, 罗志军, 林佳
【申请人】福州高意通讯有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月20日