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光谱相机的光电信号转换

news 来源：原创 2025/7/5 16:27:29

光谱相机的光电信号转换是将分光后的光学信息转化为可处理的数字信号的核心环节，具体分为以下关键步骤：

一、分光后光信号接收与光电转换

‌分光元件作用‌

光栅/棱镜/滤光片等分光元件将入射光分解为不同波长单色光，投射至探测器阵列表面。

不同波长的光由对应光谱敏感的探测器像元接收（如硅基探测器用于可见光，InGaAs或MCT用于红外波段）。

‌光电转换原理‌

‌电荷生成‌：探测器表面的光电二极管受光照射时，光子能量激发电子-空穴对，电荷量与入射光强度呈正比。

‌材料适配‌：

硅基CMOS/CCD：覆盖400-1000nm可见光-近红外波段。

InGaAs传感器：支持900-1700nm短波红外探测（如塑料分选场景）。

二、信号积累与读出

‌电荷积累控制‌

曝光时间内，光电二极管持续积累电荷，曝光时长由应用场景决定（如工业检测＜10ms，遥感成像＞100ms）。

‌电荷转移与电压转换‌

‌行转移电路‌：通过控制电路逐行读取电荷，避免相邻像元信号串扰。

‌电荷-电压转换‌：电荷经放大器转换为电压信号，增益可调以适配不同光强范围。

三、数字化处理与数据组织

‌模数转换（ADC）‌

电压信号输入高速ADC（如14位精度），量化生成数字信号，动态范围＞70dB。

典型数据传输速率达1Gbps，支持高分辨率实时成像（如2048×1088@30fps）。

‌数据立方体构建‌

数字信号按空间坐标（x,y）和波长（λ）维度排列，形成三维数据立方体（如500×500像素×200波段）。

数据预处理包括：

‌暗电流校准‌：扣除无光照时的基底噪声。

‌平场校正‌：消除光学系统不均匀性对光谱强度的影响。

四、性能优化技术

‌低噪声设计‌

冷却型探测器（-20℃）降低热噪声，信噪比（SNR）提升50%。

双相关采样（CDS）电路抑制复位噪声，适用于微弱光信号检测。

‌动态范围扩展‌

多斜率积分技术实现＞120dB动态范围，兼顾强反射与弱吸收区域信号捕获。

五、汇能感知光谱相机

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