10.11線陣CCD在光譜儀中的應(yīng)用線陣CCD具有卓越的光電響應(yīng)量子效率，以及對光的頻率響應(yīng)范圍寬，動態(tài)范圍大的特性，因而成為光譜分析儀器的理想探測器。它可以長時間“積分”，使其光電探測靈敏度不亞于傳統(tǒng)光電倍增管，成為現(xiàn)代光譜儀器的光譜探測領(lǐng)域具有很強(qiáng)生命力的光譜探測器件。10.11.1ICP-AES的基本原理CCD-ICP-AES光譜儀的結(jié)構(gòu)如圖10-53所示。由圖可見，線陣CCD成為核心部件，也是關(guān)鍵部件。通過制冷控溫不但能夠降低暗電流、噪聲，還能擴(kuò)大測量的動態(tài)范圍，增強(qiáng)微弱輻射的探測本領(lǐng)。下面幾項(xiàng)參數(shù)對光譜儀影響很大。圖10-53ICP-AES光譜儀原理框圖載入信息光源提取光譜信息探測制冷降溫形成光譜數(shù)據(jù)1.光譜響應(yīng)范圍理想ICP－AES光譜儀應(yīng)能在（197.3～769.9nm）波段都有較高的靈敏度，才具有檢測與分析的能力。大多數(shù)線陣CCD在可見光至紅外波段有較好的響應(yīng)，在短于200nm波段無響應(yīng)，無法完全滿足探測的需要。本課題采用的TCD1200D器件在250nm~1000nm范圍內(nèi)都具有較好的響應(yīng)，基本滿足課題要求。2.靈敏度CCD器件的靈敏度決定了它檢測微弱信號的能力。采用制冷控溫技術(shù)，使TCD1200D器件工作溫度在-35℃，其積分時間可增大到4.3s，則可探測10-6lx的微弱光譜輻射。3.動態(tài)范圍動態(tài)范圍表征的是CCD器件的一種綜合性能。工作溫度越低，暗電流Id也越小，動態(tài)范圍也越大。10.11.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論實(shí)驗(yàn)采用TCD1200D為探測器，采用石家莊電子技術(shù)研究所的ICP光源EH10.5-27-III－SDY2，配備WPG型平面1米光柵攝譜儀，其光柵為1200條/mm。采用的試劑為l.00mg/L的Mn標(biāo)準(zhǔn)溶液，獲得如圖10-54所示特性曲線。從圖中可以看出，Mn的3條靈敏線非常突出，可以通過標(biāo)定確定其譜線位置。對于不同濃度分別做出每條特征譜線的響應(yīng)曲線如圖10-55所示。257.610nm259.360nm260.552nm曲線的橫坐標(biāo)為事先配好的Mn濃度，縱坐標(biāo)為探測到的光譜強(qiáng)度。從三幅圖中曲線可以看出，其直線性很好。通過上述分析，可以獲得如下結(jié)論：1．CCD器件工作溫度對噪聲信號的影響實(shí)驗(yàn)中三級半導(dǎo)體制冷器對線陣CCD器件進(jìn)行制冷控溫，當(dāng)器件的溫度降低到-35℃時，幾乎檢測不到噪聲的存在。低溫對暗電流具有很強(qiáng)的抑制能力。從圖10-56可以看出低溫對長時間積分引起的暗電流有很強(qiáng)的抑制能力。圖10-56溫度對CCD暗電流的影響2．檢測限與積分時間的關(guān)系元素能夠被檢出的最低濃度被定義為該元素的檢出限。從圖10-57是幾種被測元素Mn、Mg、V、Ca元素的檢測限與CCD光積分時間的關(guān)系。圖10-574種元素檢測限與CCD積分時間的關(guān)系當(dāng)積分時間由0.1s經(jīng)0.6s增加到4.0s時，檢測限急劇下降，檢測限與積分時間的平方根成反比例關(guān)系。檢測限越低，探測本領(lǐng)越高。綜上所述，選擇合適的CCD器件，并采取適當(dāng)?shù)拇胧ㄖ评?、擴(kuò)展動態(tài)范圍等），不僅可以獲得較好的分析結(jié)果，還能大大提高ICP－AES的分析效率。3．線性動態(tài)范圍采用將被測光譜波段分成若干譜段，再依據(jù)譜段光譜信號，分別控制積分時間，可以擴(kuò)展其線性動態(tài)范圍。圖10-58所示是線性動態(tài)范圍擴(kuò)展后Ca的工作曲線。采用三種積分時間，使元素的線性動態(tài)范圍達(dá)到了4個數(shù)量級。這在我國目前的光譜分析中有廣泛的應(yīng)用前景。圖10-58線性范圍擴(kuò)展后Ca的工作曲線（對數(shù)坐標(biāo)）10.13線陣CCD在掃描復(fù)印技術(shù)中的應(yīng)用本節(jié)將重點(diǎn)介紹線陣CCD及CIS圖像傳感器在靜電復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和圖像掃描儀中的應(yīng)用。10.13.1線陣CCD圖像傳感器用于彩色復(fù)印機(jī)圖10-67所示為用彩色線陣CCD構(gòu)成的光電掃描成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖10-67彩色線陣CCD光電掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖用彩色線陣CCD作彩色復(fù)印機(jī)的光電掃描儀獲得的色飽和度、色彩還原和分辨率等都很好。分辨率取決于最大幅寬和所用CCD像元數(shù)。如對于A4紙，選用5000像元CCD可獲600DPI分辨率，而對A3紙，將降低到400DPI。10.13.2CIS圖像傳感器CIS圖像傳感器是一種將光源（常為三元色發(fā)光二極管陣列）、光學(xué)成像系統(tǒng)（常為柱狀光纖透鏡列陣）和線陣CCD等組裝并固化為一體的圖像傳感器件。圖10-68所示為一種典型的彩色CIS圖像傳感器件。圖10-68彩色CIS圖像傳感器CIS圖像傳感器的像感靠光電二極管列陣或線陣CCD完成。成像靠與CCD像元一一對應(yīng)的光導(dǎo)纖維束。每個光導(dǎo)纖維束的兩端都具有聚光透鏡，使緊貼近入射窗的圖像清晰地成像在CCD像面上。特性型號分辨率A4（DPI）有效像元靈敏度（V/lx.s）像元不均勻性（%）動態(tài)范圍驅(qū)動頻率（MHz）生產(chǎn)廠TCD118AC4003528×14010671~10東芝TCD126C4004800×3R10.8,G10.5,B10.5201001~10東芝IA30083002560

310.5東芝CIPS218M302B3002576

40

1~10東芝CIPS218MC600B60051522020100010.25東芝GF-6R2166005184

10.0三菱5V651A4C-P16005184

40510.5SCANVISION表10-4幾種典型的CIS圖像傳感器表10-4列出幾種典型的CIS圖像傳感器。CIS器件為用戶提供了極大的方便，它是單電源（＋5V）供電，單一時鐘驅(qū)動，輸出各種功能的信號（具有數(shù)字輸出端口），因而得到了廣泛地應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是光導(dǎo)纖維透鏡的焦距短、景深很淺、離開入射窗的圖像變得模糊。10.15CCD天文圖像觀測系統(tǒng)10.15.1云臺一號系統(tǒng)云臺一號的CCD天文圖像觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10-70所示。它要求CCD能夠進(jìn)行較長時間的光積分。因此，必須進(jìn)行深度制冷降溫。天文觀測用的CCD常采用液氮進(jìn)行制冷降溫的方式，可將其溫度降低至-150℃。圖10-71所示為一只帶有液氮冷卻裝置的杜瓦瓶CCD光電探測頭。云臺一號

選用的CCD芯片為1英寸的RCASID53612器件，其像元數(shù)為（512×320）。基本滿足天文望遠(yuǎn)鏡的視場要求。它與云南天文臺的一米口徑望遠(yuǎn)物鏡配合使用時，一個像元相當(dāng)于的視場，整片CCD圖像傳感器的視場約為10.5×4平方角分的天區(qū)。由于天文觀測用CCD圖像傳感器的工作方式具有特殊性質(zhì)，驅(qū)動電路也作了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。如圖10-72所示為云臺一號系統(tǒng)CCD驅(qū)動電路方框圖。圖10-72云臺1號系統(tǒng)CCD驅(qū)動電路原理框圖該驅(qū)動電路的主要特色是邏輯控制信號具有可編程性，即光積分時間、讀出方式、輸出增益及視頻輸出速率都由FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件來完成。當(dāng)時采用51單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制，采用2片AM2901高速芯片構(gòu)成數(shù)據(jù)采集電路，配2片2911時序信號發(fā)生器及現(xiàn)場可編程邏輯器件組成系統(tǒng)。云臺一號CCD天文觀測系統(tǒng)在天光背景為19lm/rad的情況下，積分時間為300s，就可以清晰地拍攝到210.5m的暗星，比常用的感光乳膠膠片快100倍以上。10.15.2北京天文臺系統(tǒng)一般說來，暗背景上的暗天體（如暗星，星系，星云等）的攝像機(jī)中、大色散光譜觀測應(yīng)采用上述的單幀長時間光積分的方式。而較亮的目標(biāo)（如太陽光譜）及亮背景上小反差目標(biāo)（如太陽磁場）則用幀疊加方式攝取天文圖像。這種工作方式從原理上講信噪比不如前者，但這種系統(tǒng)不需要冷卻裝置，設(shè)備簡單，成本低。北京天文臺懷柔觀測站的太陽磁場望遠(yuǎn)鏡上配用了這種工作方式的CCD圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖10-73所示。選用普通的面陣CCD攝像機(jī)，在室溫下工作，輸出的視頻信號經(jīng)OK-C30圖像采集卡送入PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理。圖10-73北京天文臺太陽磁場圖像采集系統(tǒng)框圖該圖像采集卡為由高速A/D轉(zhuǎn)換器與PCI總線控制器構(gòu)成的實(shí)時圖像采集處理系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過軟件操作系統(tǒng)調(diào)用這些多幀疊加的CCD天文圖像，然后根據(jù)一定的算法進(jìn)行處理。當(dāng)用255幀左旋偏振疊加圖像與255幀右旋偏振圖像相比較，該系統(tǒng)可觀測到1/10倍的太陽磁場和10m/s的視向速度場。思考題與習(xí)題10解題思路10.15