制冷双CCD采集系统在SPR成像中的应用

　　1 引 言

　　表面等离子体共振( SPR) 传感以其无标记、实时的特点而受到蛋白质组学和药物发现与开发的重视[1-3]。然而，它们不仅需要高通量，而且要求高灵敏度，这是SPR 传感面临的挑战[4-7]。

　　时域调制 SPR 传感既可实现高通量，又能满足高灵敏度的要求，因而有可能成为一种新的工具[8]。在 SPR时域相位调制干涉成像系统中，采用五步相移法[9]，利用5 帧图像的光强值可解算出 1 个相位值。可是，当在电光晶体上施加调制电压时，随之会出现逆压电效应，造成电光晶体的结构发生微尺度的变化，引起光路微小偏移，即光斑位置移动，直接产生测量误差，难以达到高精度的要求。这是电光晶体固有的缺陷，无法弥补。不仅如此，该方法分时采集 5 帧图像，尽管间隔时间较短，光源的光强波动以及不是同一瞬时的传感表面图像都会引起相位测量误差。

　　为了克服上述技术的不足，余兴龙等人提出了一种新颖的 SPR 双分差动干涉成像检测方法( 另文发表) ，保留了移相检测法能实现高通量的优点，又有其特点: 利用发生 SPR 时反射光的光强和相位随传感层折射率变化的特点，在入射光的 p 和 s 偏振分量之间分别附加 0°和 180°的位相差，用 2 台 CCD 相机同时采集对应的 2 幅干涉图像，计算出与绝对光强分布无关的能反映折射率分布的信号。这样，在克服光源非均匀性影响的同时，还抑制了光强漂移引起的测量误差，达到高分辨率。

　　显然，CCD 探测系统的分辨率直接影响 SPR 传感的检测精度[10-11]。据分析，当膜厚为 40 nm 时，检测精度要达到 10- 6RIU( 折射率单位) ，则要求 CCD 探测系统的分辨率达到 2 ADU( 模数转换单位，14 位 AD) 。

　　2 台CCD 构成一个探测系统，只有达到该分辨率，才能应用于 SPR 双分差动干涉检测系统。很明显，这不仅与各台 CCD 的检测分辨率有关，而且受 2 台 CCD 曝光时间不同引起的光强波动测量误差影响。为了满足要求，针对不同情况采取对应技术保障，对 2 台 CCD 都制冷，使噪声降至约2 ADU rms( 均方根值) ; 利用 FPGA产生 CCD 控制信号，保证两 CCD 同时曝光，抑制光强漂移引起的测量误差。实验结果表明，将制冷双 CCD同时曝光采集系统应用于 SPR 双分差动干涉成像检测，不仅新颖可靠，而且功能独特，效果很好，使检测分辨率达到 2 ×10- 6RIU。

　　2 检测系统与技术要求

　　2. 1 检测系统

　　图 1 所示为 SPR 双分差动干涉成像检测系统结构。控温半导体激光器发出的光经准直器准直，通过偏振棱镜，又经扩束镜扩束，再射到传感单元中。从传感单元反射的光经二分之一波片、成像镜头和偏振分束棱镜后，分成透射和反射 2 路光，该 2 路光的传播方向正交，且同时分别干涉成像在 2 台 CCD 1 和 CCD 2 的靶面上，2 路干涉图像的相位差为180°。计算机实时采集并解算该2 帧干涉图像，得到 1 张反映即时金膜表面的折射率分布信息图; 不断测量传感单元中连续发生的反应，可得到一系列折射率分布随时间变化的实时信息图。