拉曼光谱分析技术

测量技术篇

第5回 设定CCD检测器

发布日期 2013年11月12日

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CCD检测器设定工作完成以后,一整套的测量准备工作也就结束了。当CCD检测器接收信号时会产生噪声。准确设定CCD检测器可以获得高信噪比的光谱。

 

CCD检测器噪声的由来

CCD检测器里产生的噪声主要分为读取噪声、散粒噪声、暗散粒噪声。

读取噪声……增强或读取电路信号时产生的噪声。转换读取的频率可以降低噪声。

散粒噪声……光信号产生的散粒噪声。散粒噪声是指统计入射光子的变化产生的噪声。散粒噪声随信号的平方根增加,如有足够的信号强度,影响将会变小。

暗散粒噪声……伴随电流的散粒噪声。暗电流是指没有光射入状态下的信号。跟随CCD的温度或者曝光时间而变化。

雑音の種類
 

设定CCD引起的信噪比变化

读取噪声的变化

切换读取频率时的光谱图如下。读取频率越低,读取噪声越小,可检测出微弱的信号。但是如果信噪比足够高,就可以短时间内高速读取进行测量。

読出し周波数による読出し雑音の変化

暗电流和暗散粒噪声的变化

产生暗电流的原因是CCD发热。因此为了抑制暗电流的产生,需要将CCD冷却放置。但是,在接通电源以后到达到既定温度的这段时间内,CCD还没有处于冷却状态,暗电流依旧较大。 冷却温度对应的暗电流变化情况如下图所示。温度上升暗电流增加,同时暗散粒噪声也相应增大。 此外,由于暗电流与曝光时间成正比,即便CCD处于相同温度下,也可能因曝光时间不同而产生较大变化。

原则来说,无法减小暗电流以及暗散粒噪声,但是如果发现光谱基线比平时大,请确认CCD的温度。

CCD冷却温度によるダークショット雑音の変化
像素合并提高信噪比

像素合并是指将相邻像素的信号叠加合并。用CCD进行像素合并,可增强信号强度,也可减少读取次数,伴随读取所产生的噪声也相应变小。 CCDによりビニングをすることで信号強度が増え、また、読出し回数が減るため読出しに伴う雑音が減少します。 下面是像素合并引起的光谱变化图。虽然像素合并可以增强信号强度,但是将相邻点的数据叠加后,空间分辨率与像素合并量成反比降低。因此,可以在测量高信噪比或缩小测量数据时使用,此种情况下对空间分辨率的要求宽松。

ビニングによるスペクトル強度の変化

标准具效应引起的信号强度变化

可见光CCD在测量近红外时,经常出现光谱强度的波动,但这不是噪声,这是由于CCD基板的干涉造成的,这一现象被称作为标准具效应。下述图是使用激发波长为785nm的光谱。 波长880nm以上时,就会产生标准具效应。如果信号微弱,受标准具效应的影响信号可能会淹没。 该标准具效应的大小因CCD检测器的种类不同而不同。因此,进行近红外区域测量时,推荐您选用可以减轻标准具效应的CCD检测器。

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