CCD 探测器需要冷却到较低温度以采集高质量光谱,冷却方式通常有两种:一种是半导体制冷,可达到的最低温度为 -90℃;另一种是液氮低温制冷,最低温度达到 -196℃。大多数拉曼光谱系统使用半导体制冷方式,但是对一些特殊应用,液氮冷却的探测器仍有其独特优势。
CCD 的尺寸是决定单次采谱范围的重要因素,相对于半英寸的小尺寸 CCD,一英寸的大尺寸 CCD 一次采集的光谱范围大,当采集全波段光谱时采集时间可缩短近一倍(见图5)。但并不是所有的拉曼光谱仪都可以采用大尺寸的CCD 来采集光谱。由于 CCD 是一个平面的探测器,被探测的光需要实现平面光谱面才能够被准确地探测,如果光线在探测器表面的另一个平面上聚焦,导致散焦,会使得成像不清晰,从而降低光谱带宽、空间分辨率和光信号的信噪比等参数。而采用 Czerny-Turner 全反射式光学设计(见图6),能够实现平场输出,有效校正成像时产生的散光,此外,特殊设计的反射镜可以对像散进行校正,使得即使在探测器的边缘也能成平场。 若光路中使用的是透镜设计,最终的光斑是一个球面体,只有中心的一小块被近似为平面,边缘散焦严重(见图7),因此,只能使用很小尺寸的 CCD 以吻合中间的近似平面区域,而不能采用大尺寸CCD。
图.大小尺寸CCD探测范围对比
图. Czerny-Turner 全反射式光学设计
图.使用透镜造成的光斑畸变