CN103945143A - 一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置，包括分束单元、传输单元和由面阵探测器构成的图像传感器；所述的分束单元将入射光信号分成主路和支路，所述主路的信号强度大于支路的信号；所述的传输单元将主路和支路的信号传输至图像传感器的入口，并耦合至图像传感器面元的不同位置处，分别获得主图像和支图像；所述主路和支路在分束器至图像传感器之间的光程相等。本发明通过在图像传感器的外部增加分束单元和传输单元实现的增加图像传感器动态范围的提高，简单可靠，技术成本低，并可实现图像传感器动态范围的调整。

Description

一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置
技术领域
本发明涉及图像传感器信号采集领域，特别是一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置。
背景技术
随着CCD相机等图像传感器制造技术及相关控制软件的发展，图像传感器的探测灵敏度极大提高，在越来越广泛的领域发挥着重要的作用。探测灵敏度的提高对图像传感器饱和阈值参数提出了较高要求，图像传感器动态范围成为综合评价图像传感器性能的重要参数之一。
按照动态范围定义：系统不产生虚假响应时能正确检测到的最大信号强度与系统进行正确检测分析最小信号的强度之比。按照图像传感器动态范围计算所涉及参数，扩大图像传感器动态范围的方法主要有提高探测灵敏度及提高饱和阈值，此两者可通过硬件升级实现，在一定程度扩大图像传感器动态范围，但是却技术难度大，增加系统的硬件成本的不足，并且动态范围不可调整。
发明内容
本发明目的在于提供一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置，具有实现成本低、简单可靠等特点，且相机的动态范围可调整。
本发明的技术方案如下：
一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置，包括分束单元、传输单元和由面阵探测器构成的图像传感器；分束单元将入射光信号分成主路和支路，所述主路的信号强度大于支路的信号；传输单元将主路和支路的信号传输至图像传感器的入口，并耦合至图像传感器面元的不同位置处，分别获得主图像和支图像；所述主路和支路在分束器至图像传感器之间的光程相等。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，传输单元包括主路反射镜、支路反射镜和直角反射镜，所述的直角反射镜的直角端正对图像传感器的入口，所述的主路光信号和支路光信号经过主路反射镜和支路反射镜反射后，分别入射至直角反射镜的两个直角反射面，并耦合进图像传感器面元的不同位置处。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，图像传感器为前端设置有狭缝的光谱仪，所述的传输单元包括耦合透镜和传输光纤，所述的主路光信号和支路光信号经过耦合透镜和传输光纤后，分别入射至光谱仪狭缝的不同位置，并耦合进图像传感器面元的不同位置处。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，分束单元为分束镜。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，分束单元的分束比为1：5至1：20。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，分束单元的分束比为1：10。
上述增加图像传感器动态范围的信号接收装置中，图像传感器为CCD或ICCD。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明通过在图像传感器的外部增加分束单元和传输单元实现的增加图像传感器动态范围的提高，简单可靠，技术成本低。
2、通过对分束单元分束比的调整，可实现图像传感器动态范围的调整。
附图说明
图1为本发明基于直角反射镜传输的信号接收装置示意图；
图2为本发明基于光纤传输的信号接收装置示意图；
图3为本发明在CARS测量系统的应用示意图；
图4为本发明在CARS系统中应用的结果(低温环境下)；
图5为本发明在CARS系统中应用的结果(高温环境下)。
附图标记如下：1—成像物体；2—成像透镜；3—分束单元；4—主路反射镜；5—支路反射镜；6—直角反射镜；7—图像传感器；8—耦合透镜；9—光纤；10—狭缝；11—传输单元；12—CARS测量系统。
具体实施方式
本发明的思路是基于传统图像传感器信号采集方式，在图像传感器12前增加一分束单元3，信号被分束后，强度较大一路作为主路，由耦合透镜8直接耦合进入接收光纤9，信号较弱一路作为支路，经过反射镜5调整后由透镜8耦合入接收光纤。随后主路信号与支路信号共同进入具备多通道光谱分析能力的图像传感器12，不同通道信号由传感器不同探测区域响应，则在单次测量中可以获取两组不同强度信号，信号强度比由分束镜分束比直接决定。
不失一般性，设置分束比为n：1，则图像传感器将同时接收到强度比为n：1的两组信号(n>1)。如果图像传感器自身动态范围为D，则加装信号接收装置后图像传感器的测量动态范围扩展为nD。其中动态范围定义是系统不产生虚假响应的时候所能正确检测到的最大信号强度与系统可以对其进行正确检测分析最小信号强度之比。实验测量所需动态范围的改变可通过调整分束单元3的分束比实现，分束单元分束比越大则系统测量动态范围越大。
本发明的信号接收装置可针对图像传感器成像测量及光谱分析测量两种应用方式分别如附图1、2所示。信号接收装置包括分束单元3、传输单元11和由面阵探测器构成的图像传感器7；其中分束单元3将入射光信号分成主路和支路，所述主路的信号强度大于支路的信号；传输单元11将主路和支路的信号传输至图像传感器7的入口，并耦合至图像传感器面元的不同位置处，分别获得主图像和支图像；为了保证入射到图像传感器的信号为相同时刻的信号，便于后续信号的处理，主路和支路在分束器至图像传感器之间的光程相等。其中分束单元3可采用分束镜，其分束比根据需要而设定。
在图1的成像测量应用中，传输单元包括主路反射镜4、支路反射镜5和直角反射镜6，成像物体发出的光经过成像透镜后入射至分束单元3，假设主光束由分单元3透射，其经过主光束反射镜4后入射至直角反射镜6的一个反射面；支光束由分束单元3反射，其经过支光束反射镜5后入射至直角反射镜6的另一个反射面，最后耦合进图像传感器7的面元不同位置处，获得两幅图像。
在图2的光谱分析测量应用中，图像传感器7为基于面阵传感器的多通道光谱仪，其工作原理是光经过狭缝10后不同光谱成分信号成像在面元垂直于狭缝方向不同位置处，实现光谱的测量。传输单元包括耦合透镜8和传输光纤9，主路光信号和支路光信号经过耦合透镜8和传输光纤9后，分别入射至沿光谱仪狭缝方向的不同位置，并耦合至图像传感器面元沿狭缝方向的不同位置处，实现两组光谱曲线的测量。
图3给出了本发明的信号接收装置在CARS(Coherent Anti-stokesRaman Scattering，相干反斯托克斯拉曼散射)温度测量中的应用，其中CARS基于分子四波混频过程获取流场温度，与图2的光谱分析测量原理一致，通过获取温度场内测量点的光谱曲线，实现温度的测量。为实现扩展光谱测量动态范围的目的，接收装置中包括大比例分束镜3，反射镜5，光纤耦合透镜8，光纤9、光谱分析仪12。其中成像透镜2将CARS信号变为平行光；分束镜3对CARS信号进行分束；反射镜5将支路信号调整进入透镜8耦合入接收光纤9，最后进入光谱仪狭缝的不同位置，由光谱分析系统12进行光谱分析后，获得双路CARS信号。
由于CARS测量系统的信号强度受流场温度变化影响较大，环境压力相同条件下，温度300K时的CARS信号强度较2000K时强约100倍。实验室CARS系统配置的ICCD相机对信号强度响应范围为0-4000，而实现有效温度拟合的信号强度范围为200-4000。按照动态范围定义：系统不产生虚假响应的时候所能正确检测到的最大信号强度与系统可以对其进行正确检测分析最小信号强度之比，则实验室CARS测量系统动态范围为20。在测量环境温度波动范围较大时，CARS信号强度波动范围超过系统相机动态范围，在不改变系统设置条件下，所测量信号会出现信号过弱或者信号饱和现象。如按照有效获取高温信号进行增益设置(高温信号强度大于200)，则低温信号在相同设置下易于饱和(低温信号强度约20000大于4000)；如按照低温信号进行增益设置(低温信号强度小于3000)，则此设置下高温信号强度低于50。此时信噪比过低，流场温度拟合误差较大。即按照系统原有参数，针对大温度变化范围流场进行测量时难以持续获取高信噪比的有效CARS信号，单次实验只能获取高温或者低温数据。
采用所研制信号接收装置，并在信号接收装置后端由透镜8将CARS信号分别耦合入光纤9，系统组成如附图3所示。分束镜3分束比例为1/9，则CARS系统测量动态范围由20增加为180。在流场温度较低时刻，CARS信号过强，典型测量结果如图4所示。此时主路信号饱和，可以选取支路信号进行拟合温度测量，避免信号饱和干扰。在流场温度较高测量时刻，CARS信号较弱，典型测量结果如图5所示，选择主路信号，依然可以获得有效测量数据。
图4为流场温度较低时测量得到的双幅CARS信号，此时CARS信号强度较大，主路信号饱和，可以采用支路信号进行数据处理。
图5为流场温度较高时测量得到的双幅CARS信号，此时CARS信号弱，由于分束镜分束比较小，分出的支路信号占总CARS信号比例较低，利用主路信号依然可实现有效的数据处理。
本测量系统已经在燃烧流场诊断中得到成功应用。

Claims (7)

1.一种增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：包括分束单元(3)、传输单元(11)和由面阵探测器构成的图像传感器(7)；
所述的分束单元(3)将入射光信号分成主路和支路，所述主路的信号强度大于支路的信号；
所述的传输单元(11)将主路和支路的信号传输至图像传感器(7)的入口，并耦合至图像传感器面元的不同位置处，分别获得主图像和支图像；
所述主路和支路在分束器至图像传感器之间的光程相等。
2.根据权利要求1所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述的传输单元(11)包括主路反射镜(4)、支路反射镜(5)和直角反射镜(6)，所述的直角反射镜(6)的直角端正对图像传感器的入口，所述的主路光信号和支路光信号经过主路反射镜(4)和支路反射镜(5)反射后，分别入射至直角反射镜(6)的两个直角反射面，并耦合进图像传感器(7)面元的不同位置处。
3.根据权利要求1所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述的图像传感器(7)为前端设置有狭缝(10)的多通道光谱分析仪，所述的传输单元包括耦合透镜(8)和传输光纤(9)，所述的主路光信号和支路光信号经过耦合透镜(8)和传输光纤(9)后，分别入射至光谱仪狭缝(10)的不同位置，并耦合进图像传感器面元的不同位置处。
4.根据权利要求1所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述的分束单元为分束镜(3)。
5.根据权利要求1或4所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述分束单元的分束比为1：5至1：20。
6.根据权利要求5所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述分束单元的分束比为1：10。
7.根据权利要求1所述的增加图像传感器动态范围的信号接收装置，其特征在于：所述的图像传感器为CCD或ICCD。
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