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高光谱相机图像传感器要求

发布时间:2023-07-20
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独立于高光谱平台,光学传感器在数据采集中扮演着最重要的角色。在本节中,本文介绍了高光谱相机所需的传感器规格。

独立于高光谱平台,光学传感器在数据采集中扮演着最重要的角色。在本节中,本文介绍了高光谱相机所需的传感器规格。

高光谱相机图像传感器要求

光谱响应范围


与传统的RGB成像相比,高光谱相机的主要优势在于能够在更宽的光谱响应范围内以更高分辨率的光谱捕获更多细节。借助CCD和CMOS图像传感器等硅技术,可以在可见光和近红外范围(从400 nm至1100 nm波长)中检测出肉制品中的变色和一些异物。但是,使用反射成像方法检测肉的水分含量(嫩度)需要900至1700 nm的光谱范围。在此波长范围内,CCD和CMOS传感器没有足够的响应,而标准的InGaAs技术可以以相当可观的成本实现超过70%的量子效率。


作为另一个示例,检测牛肉中的脂肪酸需要1000至2300 nm的光谱范围。借助扩展的InGaAs技术,该传感器可以检测900 nm至2.5 µm的波长,使其适用于1.7 µm以上的高光谱成像。作为可以提供扩展波长的InGaAs图像传感器的少数供应商之一,滨松光电公司发布了一系列QVGA InGaAs区域图像传感器,其截止波长为1.7 µm, 1.9 µm,2.2 µm和2.5 µm。


动态范围


光学传感器的动态范围对于在宽光谱范围内获取信息非常重要,尤其是在部署推扫技术进行图像获取时。推扫式摄像头可以同时捕获一整条图像线和光谱信息,并且可以将所有波长的曝光时间设置为一个值,因此传感器需要具有足够的动态范围以获取非常低的信号和整个光谱中的峰值信号。动态范围取决于读出噪声和传感器的饱和度。读出的噪声通常确定传感器可以检测到的最小信号电平。例如,要达到1.2V饱和输出电平下的1500动态范围,就需要800 µV rms的读出噪声,这对于CMOS ROIC设计而言并不容易。长时间曝光 需要考虑暗电流散粒噪声,特别是在使用扩展的InGaAs时。例如,在相同的像素格式下,如果标准InGaAs传感器(1.7 µm截止波长)的暗电流指定为0.03 pA,则扩展的InGaAs传感器(2.5 µm截止波长)的暗电流可以指定为30 pA。


灵敏度


与可以将曝光时间设置为0〜30秒的传统光谱相比,高光谱相机的曝光时间必须足够短(有时以毫秒为单位,甚至是微秒,范围),以避免任何波长下的饱和,这可能导致曝光不足如果传感器在任何波长下都不具有足够的灵敏度,则某些光谱带的光谱会降低,并且光谱测量的准确性会降低。传感器的灵敏度包括光电二极管阵列的光电灵敏度和片上读出电路的电荷电压转换增益。然而,读出噪声水平通常随着灵敏度的增加而增加。使用区域扫描高光谱相机技术,可以为每个波长设置合适的曝光时间或片上增益。例如,可以为低信号范围设置较长的曝光时间或较高的转换增益,可以为强信号范围设置较短的曝光时间或较低的转换增益,以便在整个波长范围内获得平滑的输出光谱。


作为最流行的高光谱成像方法,pushbroom方法以按行带状交错(BIL)的格式存储高光谱数据立方体-一种在一个方向上连续扫描的方案。因此,线扫式摄像机特别适合在工业过程中常用的传送带系统,例如食品质量和安全检查,回收工厂的分类以及药品标签和包装。对于具有快速移动物体的应用,快速采集变得至关重要。不仅曝光时间短,而且传感器设计的体系结构都可以提高读出速度。例如,片上采样保持电路启用“边读取边积分”(IWR)功能,因此传感器可以在第二行曝光时开始读取第二行曝光,同时读取整条线(来自前一次曝光的数据)。


区域扫描方法可以在一系列波长中记录空间和光谱信息,因此对于快速成像应用很有吸引力,但是区域扫描相机不适合需要移动样本测量的应用。滨松光电制造的区域图像传感器具有列平行结构和部分读出(ROI)功能,不仅可以按像素数量成比例地缩短读出时间,而且可以节省数据存储和数据处理工作。

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