[发明专利]基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统

摘要

基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，涉及一种基于全局HDR模式的光谱成像系统，解决现有光谱成像系统在高空间和光谱分辨率应用存在光谱能量过低信噪比偏低的问题，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像。本发明满足高空间和光谱分辨率的高帧频需求；在相同的帧频下，CMOS图像传感器的功耗更低，体积和重量更小。

主权项

1.基于全局快门模式的高空间和光谱分辨率的光谱成像系统，包括光学系统、基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器、成像控制器和外部存储器；所述光学系统接收外部光谱信息并在基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器上成像；所述成像控制器控制基于HDR工作方式的面阵CMOS图像传感器输出高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像并分别将所述高增益通道光谱图像和低增益通道光谱图像送入外部存储器进行片外CDS和HDR处理后，输出光谱图像，其特征是；成像信噪比计算表达式为：K为波尔茨曼常数，T为绝对温度，B为带宽，R_a为放大器的输出电阻值；V_S表示由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，k_PGA为从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益；V_S为由光生电荷经电荷电压转换后的等效输出电压，σ_s表示入射光子散粒噪声，σ_d表示暗噪声，σ_qua表示量化噪声，CVF为电荷转换因子；对于高增益通道，所述光谱成像系统的电荷转换因子CVF_high和模数量化位数及从读出放大器到模数转换器量化前的模拟增益的设置原则为：式中为输入的最低光谱信号能量,k_{PGA_high}为高的可编程放大器增益；对于低增益通道，要求模数转换器的输入的最大信号能接近模数转化器的最大量程，即：k_PGA×V_OUT≤V_ad式中，V_OUT为读出放大器输出的电压，设定小于等于CMOS的等效的满阱电子容量，且大于模数转换器的量程范围V_ad，Q_M为进入读出放大器的电荷电量，C_S为节点电容，G_read为读出放大器的增益。