一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置製造方法

2023-07-02 12:20:51

一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測器構成的圖像傳感器；所述的分束單元將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大於支路的信號；所述的傳輸單元將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器的入口，並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。本發明通過在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實現的增加圖像傳感器動態範圍的提高，簡單可靠，技術成本低，並可實現圖像傳感器動態範圍的調整。
【專利說明】一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及圖像傳感器信號採集領域，特別是一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置。
【背景技術】
[0002]隨著CCD相機等圖像傳感器製造技術及相關控制軟體的發展，圖像傳感器的探測靈敏度極大提高，在越來越廣泛的領域發揮著重要的作用。探測靈敏度的提高對圖像傳感器飽和閾值參數提出了較高要求，圖像傳感器動態範圍成為綜合評價圖像傳感器性能的重要參數之一。
[0003]按照動態範圍定義:系統不產生虛假響應時能正確檢測到的最大信號強度與系統進行正確檢測分析最小信號的強度之比。按照圖像傳感器動態範圍計算所涉及參數，擴大圖像傳感器動態範圍的方法主要有提高探測靈敏度及提高飽和閾值，此兩者可通過硬體升級實現，在一定程度擴大圖像傳感器動態範圍，但是卻技術難度大，增加系統的硬體成本的不足，並且動態範圍不可調整。

【發明內容】

[0004]本發明目的在於提供一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，具有實現成本低、簡單可靠等特點，且相機的動態範圍可調整。
[0005]本發明的技術方案如下:
[0006]一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，包括分束單元、傳輸單元和由面陣探測器構成的圖像傳感器；分束單元將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大於支路的信號；傳輸單元將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器的入口，並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態範圍的信號接收裝置中，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圖像傳感器的入口，所述的主路光信號和支路光信號經過主路反射鏡和支路反射鏡反射後，分別入射至直角反射鏡的兩個直角反射面，並耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
[0008]上述增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置中，圖像傳感器為前端設置有狹縫的光譜儀，所述的傳輸單元包括耦合透鏡和傳輸光纖，所述的主路光信號和支路光信號經過耦合透鏡和傳輸光纖後，分別入射至光譜儀狹縫的不同位置，並耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
[0009]上述增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置中，分束單元為分束鏡。
[0010]上述增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置中，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態範圍的信號接收裝置中，分束單元的分束比為1:10。[0012]上述增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置中，圖像傳感器為CXD或ICXD。
[0013]本發明的有益技術效果是:
[0014]1、本發明通過在圖像傳感器的外部增加分束單元和傳輸單元實現的增加圖像傳感器動態範圍的提高，簡單可靠，技術成本低。
[0015]2、通過對分束單元分束比的調整，可實現圖像傳感器動態範圍的調整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明基於直角反射鏡傳輸的信號接收裝置示意圖；
[0017]圖2為本發明基於光纖傳輸的信號接收裝置示意圖；
[0018]圖3為本發明在CARS測量系統的應用示意圖；
[0019]圖4為本發明在CARS系統中應用的結果(低溫環境下);
[0020]圖5為本發明在CARS系統中應用的結果(高溫環境下)。
[0021]附圖標記如下: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—稱合透鏡；9一光纖；10—狹縫；11 一傳輸單元；12 — CARS測量系統。
【具體實施方式】
[0022]本發明的思路是基於傳統圖像傳感器信號採集方式，在圖像傳感器12前增加一分束單元3，信號被分束後，強度較大一路作為主路，由耦合透鏡8直接耦合進入接收光纖9，信號較弱一路作為支路，經過反射鏡5調整後由透鏡8耦合入接收光纖。隨後主路信號與支路信號共同進入具備多通道光譜分析能力的圖像傳感器12，不同通道信號由傳感器不同探測區域響應，則在單次測量中可以獲取兩組不同強度信號，信號強度比由分束鏡分束比直接決定。
[0023]不失一般性，設置分束比為η:1，則圖像傳感器將同時接收到強度比為η:1的兩組信號(η>1)。如果圖像傳感器自身動態範圍為D，則加裝信號接收裝置後圖像傳感器的測量動態範圍擴展為nD。其中動態範圍定義是系統不產生虛假響應的時候所能正確檢測到的最大信號強度與系統可以對其進行正確檢測分析最小信號強度之比。實驗測量所需動態範圍的改變可通過調整分束單元3的分束比實現，分束單元分束比越大則系統測量動態範圍越大。
[0024]本發明的信號接收裝置可針對圖像傳感器成像測量及光譜分析測量兩種應用方式分別如附圖1、2所示。信號接收裝置包括分束單元3、傳輸單元11和由面陣探測器構成的圖像傳感器7 ;其中分束單元3將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大於支路的信號；傳輸單元11將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器7的入口，並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為相同時刻的信號，便於後續信號的處理，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可採用分束鏡，其分束比根據需要而設定。
[0025]在圖1的成像測量應用中，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，成像物體發出的光經過成像透鏡後入射至分束單元3，假設主光束由分單元3透射，其經過主光束反射鏡4後入射至直角反射鏡6的一個反射面；支光束由分束單元3反射，其經過支光束反射鏡5後入射至直角反射鏡6的另一個反射面，最後耦合進圖像傳感器7的面元不同位置處，獲得兩幅圖像。
[0026]在圖2的光譜分析測量應用中，圖像傳感器7為基於面陣傳感器的多通道光譜儀，其工作原理是光經過狹縫10後不同光譜成分信號成像在面元垂直於狹縫方向不同位置處，實現光譜的測量。傳輸單元包括耦合透鏡8和傳輸光纖9，主路光信號和支路光信號經過耦合透鏡8和傳輸光纖9後，分別入射至沿光譜儀狹縫方向的不同位置，並耦合至圖像傳感器面元沿狹縫方向的不同位置處，實現兩組光譜曲線的測量。
[0027]圖3給出了本發明的信號接收裝置在CARS (Coherent Ant1-stokes RamanScattering，相干反斯託克斯拉曼散射)溫度測量中的應用，其中CARS基於分子四波混頻過程獲取流場溫度，與圖2的光譜分析測量原理一致，通過獲取溫度場內測量點的光譜曲線，實現溫度的測量。為實現擴展光譜測量動態範圍的目的，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信號變為平行光；分束鏡3對CARS信號進行分束；反射鏡5將支路信號調整進入透鏡8耦合入接收光纖9，最後進入光譜儀狹縫的不同位置，由光譜分析系統12進行光譜分析後，獲得雙路CARS信號。
[0028]由於CARS測量系統的信號強度受流場溫度變化影響較大，環境壓力相同條件下，溫度300K時的CARS信號強度較2000K時強約100倍。實驗室CARS系統配置的ICXD相機對信號強度響應範圍為0-4000，而實現有效溫度擬合的信號強度範圍為200-4000。按照動態範圍定義:系統不產生虛假響應的時候所能正確檢測到的最大信號強度與系統可以對其進行正確檢測分析最小信號強度之比，則實驗室CARS測量系統動態範圍為20。在測量環境溫度波動範圍較大時，CARS信號強度波動範圍超過系統相機動態範圍，在不改變系統設置條件下，所測量信號會出現信號過弱或者信號飽和現象。如按照有效獲取高溫信號進行增益設置(高溫信號強度大於200)，則低溫信號在相同設置下易於飽和(低溫信號強度約20000大於4000);如按照低溫信號進行增益設置(低溫信號強度小於3000)，則此設置下高溫信號強度低於50。此時信噪比過低，流場溫度擬合誤差較大。即按照系統原有參數，針對大溫度變化範圍流場進行測量時難以持續獲取高信噪比的有效CARS信號，單次實驗只能獲取高溫或者低溫數據。
[0029]採用所研製信號接收裝置，並在信號接收裝置後端由透鏡8將CARS信號分別耦合入光纖9，系統組成如附圖3所示。分束鏡3分束比例為1/9，則CARS系統測量動態範圍由20增加為180。在流場溫度較低時刻，CARS信號過強，典型測量結果如圖4所示。此時主路信號飽和，可以選取支路信號進行擬合溫度測量，避免信號飽和幹擾。在流場溫度較高測量時刻，CARS信號較弱，典型測量結果如圖5所示，選擇主路信號，依然可以獲得有效測量數據。
[0030]圖4為流場溫度較低時測量得到的雙幅CARS信號，此時CARS信號強度較大，主路信號飽和，可以採用支路信號進行數據處理。
[0031]圖5為流場溫度較高時測量得到的雙幅CARS信號，此時CARS信號弱，由於分束鏡分束比較小，分出的支路信號佔總CARS信號比例較低，利用主路信號依然可實現有效的數據處理。
[0032]本測量系統已經在燃燒流場診斷中得到成功應用。
【權利要求】
1.一種增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:包括分束單元(3)、傳輸單元(11)和由面陣探測器構成的圖像傳感器(7)； 所述的分束單元(3)將入射光信號分成主路和支路，所述主路的信號強度大於支路的信號; 所述的傳輸單元(11)將主路和支路的信號傳輸至圖像傳感器(7)的入口，並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.根據權利要求1所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於: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)的直角端正對圖像傳感器的入口，所述的主路光信號和支路光信號經過主路反射鏡(4)和支路反射鏡(5)反射後，分別入射至直角反射鏡(6)的兩個直角反射面，並耦合進圖像傳感器(7)面元的不同位置處。
3.根據權利要求1所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:所述的圖像傳感器(7)為前端設置有狹縫(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),所述的主路光信號和支路光信號經過I禹合透鏡(8)和傳輸光纖(9)後，分別入射至光譜儀狹縫(10)的不同位置，並耦合進圖像傳感器面元的不同位置處。
4.根據權利要求1所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:所述的分束單兀為分束鏡(3)。
5.根據權利要求1或4所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:所述分束單元的分束比為1:5至1:20。
6.根據權利要求5所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:所述分束單元的分束比為1:10。
7.根據權利要求1所述的增加圖像傳感器動態範圍的信號接收裝置，其特徵在於:所述的圖像傳感器為CXD或ICXD。
【文檔編號】G01J5/00GK103945143SQ201410172370
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】李國華, 胡志雲, 張振榮, 葉景峰, 張立榮 申請人:西北核技術研究所