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一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測(cè)器構(gòu)成的圖像傳感器；所述的分束單元將入射光信號(hào)分成主路和支路，所述主路的信號(hào)強(qiáng)度大于支路的信號(hào)；所述的傳輸單元將主路和支路的信號(hào)傳輸至圖像傳感器的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。本發(fā)明通過(guò)在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實(shí)現(xiàn)的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的提高，簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成本低，并可實(shí)現(xiàn)圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像傳感器信號(hào)采集領(lǐng)域，特別是一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CCD相機(jī)等圖像傳感器制造技術(shù)及相關(guān)控制軟件的發(fā)展，圖像傳感器的探測(cè)靈敏度極大提高，在越來(lái)越廣泛的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。探測(cè)靈敏度的提高對(duì)圖像傳感器飽和閾值參數(shù)提出了較高要求，圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍成為綜合評(píng)價(jià)圖像傳感器性能的重要參數(shù)之一。
[0003]按照動(dòng)態(tài)范圍定義:系統(tǒng)不產(chǎn)生虛假響應(yīng)時(shí)能正確檢測(cè)到的最大信號(hào)強(qiáng)度與系統(tǒng)進(jìn)行正確檢測(cè)分析最小信號(hào)的強(qiáng)度之比。按照?qǐng)D像傳感器動(dòng)態(tài)范圍計(jì)算所涉及參數(shù)，擴(kuò)大圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的方法主要有提高探測(cè)靈敏度及提高飽和閾值，此兩者可通過(guò)硬件升級(jí)實(shí)現(xiàn)，在一定程度擴(kuò)大圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍，但是卻技術(shù)難度大，增加系統(tǒng)的硬件成本的不足，并且動(dòng)態(tài)范圍不可調(diào)整。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于提供一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，具有實(shí)現(xiàn)成本低、簡(jiǎn)單可靠等特點(diǎn)，且相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)整。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0006]一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測(cè)器構(gòu)成的圖像傳感器；分束單元將入射光信號(hào)分成主路和支路，所述主路的信號(hào)強(qiáng)度大于支路的信號(hào)；傳輸單元將主路和支路的信號(hào)傳輸至圖像傳感器的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。
[0007]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，傳輸單元包括主路反射鏡、支路反射鏡和直角反射鏡，所述的直角反射鏡的直角端正對(duì)圖像傳感器的入口，所述的主路光信號(hào)和支路光信號(hào)經(jīng)過(guò)主路反射鏡和支路反射鏡反射后，分別入射至直角反射鏡的兩個(gè)直角反射面，并耦合進(jìn)圖像傳感器面元的不同位置處。
[0008]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，圖像傳感器為前端設(shè)置有狹縫的光譜儀，所述的傳輸單元包括耦合透鏡和傳輸光纖，所述的主路光信號(hào)和支路光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合透鏡和傳輸光纖后，分別入射至光譜儀狹縫的不同位置，并耦合進(jìn)圖像傳感器面元的不同位置處。
[0009]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，分束單元為分束鏡。
[0010]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，分束單元的分束比為1:5至1:20。
[0011]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，分束單元的分束比為1:10。[0012]上述增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置中，圖像傳感器為CXD或ICXD。
[0013]本發(fā)明的有益技術(shù)效果是:
[0014]1、本發(fā)明通過(guò)在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實(shí)現(xiàn)的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的提高，簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成本低。
[0015]2、通過(guò)對(duì)分束單元分束比的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明基于直角反射鏡傳輸?shù)男盘?hào)接收裝置示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明基于光纖傳輸?shù)男盘?hào)接收裝置示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明在CARS測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用示意圖；
[0019]圖4為本發(fā)明在CARS系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果(低溫環(huán)境下);
[0020]圖5為本發(fā)明在CARS系統(tǒng)中應(yīng)用的結(jié)果(高溫環(huán)境下)。
[0021]附圖標(biāo)記如下:1一成像物體；2—成像透鏡；3—分束單兀；4一主路反射鏡；5—支路反射鏡；6—直角反射鏡；7 —圖像傳感器；8—稱(chēng)合透鏡；9一光纖；10—狹縫；11 一傳輸單元；12 — CARS測(cè)量系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的思路是基于傳統(tǒng)圖像傳感器信號(hào)采集方式，在圖像傳感器12前增加一分束單元3，信號(hào)被分束后，強(qiáng)度較大一路作為主路，由耦合透鏡8直接耦合進(jìn)入接收光纖9，信號(hào)較弱一路作為支路，經(jīng)過(guò)反射鏡5調(diào)整后由透鏡8耦合入接收光纖。隨后主路信號(hào)與支路信號(hào)共同進(jìn)入具備多通道光譜分析能力的圖像傳感器12，不同通道信號(hào)由傳感器不同探測(cè)區(qū)域響應(yīng)，則在單次測(cè)量中可以獲取兩組不同強(qiáng)度信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度比由分束鏡分束比直接決定。
[0023]不失一般性，設(shè)置分束比為η:1，則圖像傳感器將同時(shí)接收到強(qiáng)度比為η:1的兩組信號(hào)(η>1)。如果圖像傳感器自身動(dòng)態(tài)范圍為D，則加裝信號(hào)接收裝置后圖像傳感器的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展為nD。其中動(dòng)態(tài)范圍定義是系統(tǒng)不產(chǎn)生虛假響應(yīng)的時(shí)候所能正確檢測(cè)到的最大信號(hào)強(qiáng)度與系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行正確檢測(cè)分析最小信號(hào)強(qiáng)度之比。實(shí)驗(yàn)測(cè)量所需動(dòng)態(tài)范圍的改變可通過(guò)調(diào)整分束單元3的分束比實(shí)現(xiàn)，分束單元分束比越大則系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍越大。
[0024]本發(fā)明的信號(hào)接收裝置可針對(duì)圖像傳感器成像測(cè)量及光譜分析測(cè)量?jī)煞N應(yīng)用方式分別如附圖1、2所示。信號(hào)接收裝置包括分束單元3、傳輸單元11和由面陣探測(cè)器構(gòu)成的圖像傳感器7 ;其中分束單元3將入射光信號(hào)分成主路和支路，所述主路的信號(hào)強(qiáng)度大于支路的信號(hào)；傳輸單元11將主路和支路的信號(hào)傳輸至圖像傳感器7的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像；為了保證入射到圖像傳感器的信號(hào)為相同時(shí)刻的信號(hào)，便于后續(xù)信號(hào)的處理，主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。其中分束單元3可采用分束鏡，其分束比根據(jù)需要而設(shè)定。
[0025]在圖1的成像測(cè)量應(yīng)用中，傳輸單元包括主路反射鏡4、支路反射鏡5和直角反射鏡6，成像物體發(fā)出的光經(jīng)過(guò)成像透鏡后入射至分束單元3，假設(shè)主光束由分單元3透射，其經(jīng)過(guò)主光束反射鏡4后入射至直角反射鏡6的一個(gè)反射面；支光束由分束單元3反射，其經(jīng)過(guò)支光束反射鏡5后入射至直角反射鏡6的另一個(gè)反射面，最后耦合進(jìn)圖像傳感器7的面元不同位置處，獲得兩幅圖像。
[0026]在圖2的光譜分析測(cè)量應(yīng)用中，圖像傳感器7為基于面陣傳感器的多通道光譜儀，其工作原理是光經(jīng)過(guò)狹縫10后不同光譜成分信號(hào)成像在面元垂直于狹縫方向不同位置處，實(shí)現(xiàn)光譜的測(cè)量。傳輸單元包括耦合透鏡8和傳輸光纖9，主路光信號(hào)和支路光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合透鏡8和傳輸光纖9后，分別入射至沿光譜儀狹縫方向的不同位置，并耦合至圖像傳感器面元沿狹縫方向的不同位置處，實(shí)現(xiàn)兩組光譜曲線(xiàn)的測(cè)量。
[0027]圖3給出了本發(fā)明的信號(hào)接收裝置在CARS (Coherent Ant1-stokes RamanScattering，相干反斯托克斯拉曼散射)溫度測(cè)量中的應(yīng)用，其中CARS基于分子四波混頻過(guò)程獲取流場(chǎng)溫度，與圖2的光譜分析測(cè)量原理一致，通過(guò)獲取溫度場(chǎng)內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的光譜曲線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展光譜測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍的目的，接收裝置中包括大比例分束鏡3，反射鏡5，光纖耦合透鏡8，光纖9、光譜分析儀12。其中成像透鏡2將CARS信號(hào)變?yōu)槠叫泄猓环质R3對(duì)CARS信號(hào)進(jìn)行分束；反射鏡5將支路信號(hào)調(diào)整進(jìn)入透鏡8耦合入接收光纖9，最后進(jìn)入光譜儀狹縫的不同位置，由光譜分析系統(tǒng)12進(jìn)行光譜分析后，獲得雙路CARS信號(hào)。
[0028]由于CARS測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)強(qiáng)度受流場(chǎng)溫度變化影響較大，環(huán)境壓力相同條件下，溫度300K時(shí)的CARS信號(hào)強(qiáng)度較2000K時(shí)強(qiáng)約100倍。實(shí)驗(yàn)室CARS系統(tǒng)配置的ICXD相機(jī)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度響應(yīng)范圍為0-4000，而實(shí)現(xiàn)有效溫度擬合的信號(hào)強(qiáng)度范圍為200-4000。按照動(dòng)態(tài)范圍定義:系統(tǒng)不產(chǎn)生虛假響應(yīng)的時(shí)候所能正確檢測(cè)到的最大信號(hào)強(qiáng)度與系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行正確檢測(cè)分析最小信號(hào)強(qiáng)度之比，則實(shí)驗(yàn)室CARS測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為20。在測(cè)量環(huán)境溫度波動(dòng)范圍較大時(shí)，CARS信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)范圍超過(guò)系統(tǒng)相機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，在不改變系統(tǒng)設(shè)置條件下，所測(cè)量信號(hào)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)過(guò)弱或者信號(hào)飽和現(xiàn)象。如按照有效獲取高溫信號(hào)進(jìn)行增益設(shè)置(高溫信號(hào)強(qiáng)度大于200)，則低溫信號(hào)在相同設(shè)置下易于飽和(低溫信號(hào)強(qiáng)度約20000大于4000);如按照低溫信號(hào)進(jìn)行增益設(shè)置(低溫信號(hào)強(qiáng)度小于3000)，則此設(shè)置下高溫信號(hào)強(qiáng)度低于50。此時(shí)信噪比過(guò)低，流場(chǎng)溫度擬合誤差較大。即按照系統(tǒng)原有參數(shù)，針對(duì)大溫度變化范圍流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)難以持續(xù)獲取高信噪比的有效CARS信號(hào)，單次實(shí)驗(yàn)只能獲取高溫或者低溫?cái)?shù)據(jù)。
[0029]采用所研制信號(hào)接收裝置，并在信號(hào)接收裝置后端由透鏡8將CARS信號(hào)分別耦合入光纖9，系統(tǒng)組成如附圖3所示。分束鏡3分束比例為1/9，則CARS系統(tǒng)測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍由20增加為180。在流場(chǎng)溫度較低時(shí)刻，CARS信號(hào)過(guò)強(qiáng)，典型測(cè)量結(jié)果如圖4所示。此時(shí)主路信號(hào)飽和，可以選取支路信號(hào)進(jìn)行擬合溫度測(cè)量，避免信號(hào)飽和干擾。在流場(chǎng)溫度較高測(cè)量時(shí)刻，CARS信號(hào)較弱，典型測(cè)量結(jié)果如圖5所示，選擇主路信號(hào)，依然可以獲得有效測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0030]圖4為流場(chǎng)溫度較低時(shí)測(cè)量得到的雙幅CARS信號(hào)，此時(shí)CARS信號(hào)強(qiáng)度較大，主路信號(hào)飽和，可以采用支路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0031]圖5為流場(chǎng)溫度較高時(shí)測(cè)量得到的雙幅CARS信號(hào)，此時(shí)CARS信號(hào)弱，由于分束鏡分束比較小，分出的支路信號(hào)占總CARS信號(hào)比例較低，利用主路信號(hào)依然可實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)處理。
[0032]本測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在燃燒流場(chǎng)診斷中得到成功應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:包括分束單元(3)、傳輸單元(11)和由面陣探測(cè)器構(gòu)成的圖像傳感器(7)； 所述的分束單元(3)將入射光信號(hào)分成主路和支路，所述主路的信號(hào)強(qiáng)度大于支路的信號(hào); 所述的傳輸單元(11)將主路和支路的信號(hào)傳輸至圖像傳感器(7)的入口，并耦合至圖像傳感器面元的不同位置處，分別獲得主圖像和支圖像； 所述主路和支路在分束器至圖像傳感器之間的光程相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述的傳輸單元(11)包括主路反射鏡(4)、支路反射鏡(5)和直角反射鏡(6)，所述的直角反射鏡出)的直角端正對(duì)圖像傳感器的入口，所述的主路光信號(hào)和支路光信號(hào)經(jīng)過(guò)主路反射鏡(4)和支路反射鏡(5)反射后，分別入射至直角反射鏡(6)的兩個(gè)直角反射面，并耦合進(jìn)圖像傳感器(7)面元的不同位置處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述的圖像傳感器(7)為前端設(shè)置有狹縫(10)的多通道光譜分析儀，所述的傳輸單元包括耦合透鏡(8)和傳輸光纖(9),所述的主路光信號(hào)和支路光信號(hào)經(jīng)過(guò)I禹合透鏡(8)和傳輸光纖(9)后，分別入射至光譜儀狹縫(10)的不同位置，并耦合進(jìn)圖像傳感器面元的不同位置處。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述的分束單兀為分束鏡(3)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述分束單元的分束比為1:5至1:20。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述分束單元的分束比為1:10。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增加圖像傳感器動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)接收裝置，其特征在于:所述的圖像傳感器為CXD或ICXD。
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK103945143SQ201410172370
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】李國(guó)華, 胡志云, 張振榮, 葉景峰, 張立榮 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所