專(zhuān)利名稱(chēng)：用于提高基于電荷耦合器件的光譜儀的動(dòng)態(tài)范圍的裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在焦平面內(nèi)使用傳感器陣列來(lái)基本上同時(shí)測(cè)量在寬波長(zhǎng)范圍上的多個(gè)波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度的光譜學(xué)測(cè)量器具。能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)波長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)使得這些器具迅速普及，它們共同被通稱(chēng)為光譜儀。在開(kāi)發(fā)固態(tài)傳感器陣列之前，光譜學(xué)器具的選擇是單色儀。在單色儀中，選擇單個(gè)窄波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，并使用單個(gè)檢測(cè)器。在不同波長(zhǎng)處同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量的能力在許多應(yīng)用中是非常有利的。但是，可用檢測(cè)器陣列的性能限制常常阻礙光譜儀用于一些要求高的應(yīng)用。一個(gè)重要的限制是動(dòng)態(tài)范圍。固態(tài)傳感器陣列的一般特性是其僅能同時(shí)測(cè)量其幅度位于已知為動(dòng)態(tài)范圍的特定范圍內(nèi)的信號(hào)。本發(fā)明將解決此限制。
現(xiàn)有技術(shù)水平的光譜儀包括光學(xué)成象系統(tǒng)、光檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理元件。光學(xué)成象系統(tǒng)將光分析成其分量光譜特征。光檢測(cè)系統(tǒng)將被分析的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而數(shù)據(jù)處理元件將該電信號(hào)轉(zhuǎn)換成作為波長(zhǎng)和時(shí)間的函數(shù)的光強(qiáng)度的數(shù)字或圖形表示。
J.M.Lerner和A.Thevenon的“The Optics of Spectroscopya Tutorial”中很好地詳細(xì)說(shuō)明了光譜儀的光學(xué)成象組件，其全部?jī)?nèi)容接合在此作為參考。其可在Jobin Yvon Horiba公司的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站http//www.jyhoriba.co.uk/jy/oos/oosl.htm上得到。在典型的光譜儀中，光通過(guò)狹縫進(jìn)入，并且被光柵或棱鏡以基于波長(zhǎng)的角度色散。該狹縫在焦平面上成象，并且圖象看上去為具有對(duì)應(yīng)于通過(guò)色散確定的波長(zhǎng)的長(zhǎng)尺寸的矩形(圖1)。光譜儀的有用波長(zhǎng)范圍包括在短和長(zhǎng)波長(zhǎng)界限λ1和λN之間的波長(zhǎng)的連續(xù)分配。由于實(shí)際上波長(zhǎng)分隔通常在中部最好而朝邊緣逐漸變差，所以其它尺寸由狹縫長(zhǎng)度、光學(xué)成象特性以及所需的性能確定。
光譜儀中的光檢測(cè)系統(tǒng)是允許讀出光譜信息的放置在焦平面內(nèi)的檢測(cè)器陣列。為了具有好的光譜分辨率，希望單個(gè)傳感元件(像素)的波長(zhǎng)尺寸小。典型的尺寸為大約10微米。在其它尺寸上，通常需要每個(gè)像素盡可能地大，大到圖象的可用尺寸，以便具有好的信噪比。對(duì)于用于紫外光到近紅外范圍(大約90nm到1100nm)內(nèi)的光譜儀，通常使用光電二極管陣列(PDA)、電荷耦合器件(CCD)和電荷注入器件(CID)作為檢測(cè)器。
PDA是正方形或矩形傳感器的直線陣列。在此應(yīng)用中，傳感器沿圖象的波長(zhǎng)軸分布。在那個(gè)方向上，典型的尺寸為大約10微米。在其它方向上，像素可長(zhǎng)達(dá)幾百微米或更長(zhǎng)。為光譜學(xué)設(shè)計(jì)的PDA的示例是Perkin ElmerOptoelectronics，Inc.(2175 Mission College Boulevard，Santa Clara，CA95054；Telephone(408)565-0850)制造的RL1210LGQ-711，其總感光面積是2.5mm×25.6mm。其分為1024個(gè)傳感元件，每個(gè)傳感元件的尺寸是25微米×2500微米。矩形像素適合于沿波長(zhǎng)軸小而沿狹縫方向大的同時(shí)需要。
但是，對(duì)于高要求的應(yīng)用，CCD要優(yōu)于PDA，這是因?yàn)镃CD中的固有電噪聲可非常低。Scientific Imaging Technologies，Incorporated出版的文獻(xiàn)“An Introduction to Scientific Imaging Charge-Coupled Devices”詳細(xì)描述了用于光譜學(xué)的現(xiàn)代CCD，該文獻(xiàn)的全部?jī)?nèi)容接合在此作為參考，并且可通過(guò)網(wǎng)址http//www.autovision.net/CCDs.pdf或http//www.site-inc.com/pdf/introdat.pdf在互聯(lián)網(wǎng)上得到。這種CCD的示例是Hamamastsu Corporation of Japan(HAMAMATSU PHOTONICS K.K.，Solid State Division；1126-1 Ichino-cho，Hamamatsu City，435-8558 Japan，Telephone(81)053-434-3311，F(xiàn)ax(81)053-434-5184，http//www.hamamatsu.com；U.S.A.Hamamatsu Corporation360 FoothillRoad，P.O，Box 6910，Bridgewater，N.J.08807-0910，U.S.A.，Telephone(908)231-0960)制造的S7031-1007器件。此器件的總的感光面積是25.6mm×3.1mm?？偟母泄饷娣e基本與上文提到的PDA相同，但是CCD的典型特征是單個(gè)像素小并且是正方形(每個(gè)邊為24微米)，并且排列成二維陣列。
圖2是概括示出典型的CCD傳感器的功能元件的圖，該傳感器包括陣列200，該陣列200配置成像素202的正方形(或矩形)N×M陣列，該陣列具有N列，每列具有M個(gè)像素，該陣列配置成并行移位結(jié)構(gòu)，由多個(gè)單獨(dú)的移位寄存器構(gòu)成的串行移位寄存器206，求和井(well)210和放大器212。如圖所示，陣列200通常配置成N個(gè)平行列，每列具有M個(gè)像素。每個(gè)像素均耦合到另一個(gè)像素，以便平行于串行寄存器206的串行移位寄存器的單個(gè)移位寄存器206-1到206-N從行到行沿列垂直向下傳遞電荷。每個(gè)像素202僅沿一個(gè)方向垂直傳遞電荷。陣列的最后一行是串行(或水平)移位寄存器結(jié)構(gòu)206，其使用在寄存器之間使用相同耦合的移位寄存器206-1到206-N沿垂直于該并行結(jié)構(gòu)的方向的方向傳遞電荷。可單獨(dú)讀取每個(gè)像素，或者以不同的方式一起讀取來(lái)自像素組的電荷。
如本領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員很好理解地，CCD操作地將可見(jiàn)光子轉(zhuǎn)換成被該光子撞擊的任何像素內(nèi)的電荷，并且然后電荷被保持在像素井內(nèi)直到被讀出。單個(gè)像素井保持有限量的電荷，其被定義為像素井的滿(mǎn)井容量，高于該容量則井會(huì)飽和。CCD傳感器暴露在光中的一段時(shí)間以及允許電荷在像素井中累積的一段時(shí)間被稱(chēng)為“累積時(shí)間(integration time)”。在累積時(shí)間過(guò)去之后，讀取陣列。在單獨(dú)讀取每個(gè)像素的信號(hào)情況下，陣列讀出以對(duì)所有電荷行計(jì)時(shí)，一個(gè)像素，朝水平移位寄存器206-1到206-N。利用并行移位結(jié)構(gòu)使電荷從像素陣列200自上而下從一個(gè)像素水平行到下一個(gè)水平行在像素202之間移動(dòng)。底部的一行電荷傳遞給移位寄存器206-1到206-N的直線陣列。串行移位寄存器結(jié)構(gòu)206然后將電荷串行傳出傳感器，為將向下移動(dòng)的下一行提供空間，然后下一個(gè)，等等。得到的流是撞擊CCD傳感器的光子的一個(gè)像素接一個(gè)像素、一行接一行的表示。但是在被串行傳遞出芯片外之前，每個(gè)像素的電荷被放大器212放大，得到與像素電荷成比例的變化電壓的模擬輸出信號(hào)。求和井210位于放大器212和最后的串行移位寄存器210-N之間，該井用于像素收集(binning)操作。
在進(jìn)一步降低電噪聲以及提高信噪比的努力中，盡管以空間分辨率減小為代價(jià)，但是可通過(guò)已知為“像素收集”的過(guò)程來(lái)讀取陣列。像素收集被本領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員通常理解為用于組合相鄰CCD像素收集到的電荷的時(shí)鐘控制方案。收集相鄰像素的電荷通過(guò)在CCD上創(chuàng)建較大的采樣面積來(lái)減小噪聲。收集通?？蓪?shí)現(xiàn)為“面積收集模式”或“線收集模式”。在面積收集模式內(nèi)，正方形或矩形像素陣列的電荷被傳感器組合成超級(jí)單元值，并然后被輸出以便進(jìn)行隨后的處理，例如2×2收集將來(lái)自4個(gè)像素的塊的電荷組合成單個(gè)輸出信號(hào)；3×3收集組合來(lái)自9個(gè)像素的電荷，等等。
2×2收集過(guò)程包括兩個(gè)到串行移位寄存器的連續(xù)垂直移位，以及一連串到求和井的水平移位，一次兩個(gè)移位。在操作上，在累積時(shí)間之后，來(lái)自最靠近水平移位寄存器的兩個(gè)水平像素行的電荷被并行讀出，并被分別轉(zhuǎn)移到它們各自的水平移位寄存器，從而將兩個(gè)像素的電荷聚集到單個(gè)水平移位寄存器內(nèi)。來(lái)自每條線內(nèi)的每隔一個(gè)的像素的電荷還被傳遞到更靠近該水平移位寄存器的兩個(gè)像素。在兩個(gè)垂直移位之后，兩個(gè)連續(xù)的水平移位使電荷從兩個(gè)端寄存器移動(dòng)到求和井。求和井然后保持來(lái)自該2×2像素塊的累積電荷，該電荷然后被放大并轉(zhuǎn)換成電壓以用于另外的片外放大和數(shù)字化。來(lái)自任意數(shù)量的像素的電荷可被轉(zhuǎn)移到移位寄存器內(nèi)，但是一旦移位寄存器的井飽和，則忽略不計(jì)從像素轉(zhuǎn)移的任何額外的電荷。如果水平移位寄存器內(nèi)沒(méi)有保持任何電荷，則被收集的像素的強(qiáng)度不正確，即減小了沒(méi)有被保持在行移位寄存器內(nèi)的電荷的量。在光譜學(xué)應(yīng)用中，通常將線收集模式用于讀出。圖3是示出重疊在圖2中所示CCD傳感器的像素陣列的傳感部分上的圖1的光譜圖象的圖。從該圖中可注意到，光譜波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于陣列200中的像素的垂直列。由于單個(gè)像素小，所以通常收集來(lái)自許多對(duì)應(yīng)于相同波長(zhǎng)的像素的信號(hào)以有效地為每個(gè)波長(zhǎng)創(chuàng)建單個(gè)矩形傳感器。通過(guò)使用此對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)將對(duì)應(yīng)于該光譜波長(zhǎng)的像素收集成單個(gè)超級(jí)單元可減小噪聲電平，并提高信噪比。這可通過(guò)以線收集模式讀取CCD來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖4是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)以線收集模式讀出N×M像素陣列CCD傳感器的過(guò)程的流程圖。該收集過(guò)程在每次累積之后以在通過(guò)垂直讀出每列的像素信號(hào)開(kāi)始。電荷以并行的一行接一行的方式向下移動(dòng)過(guò)M個(gè)垂直移位傳感器，移動(dòng)到N個(gè)水平寄存器(402)。垂直移動(dòng)將每個(gè)像素列的電路積聚成到該列的最后一個(gè)移位寄存器內(nèi)，該寄存器實(shí)際上是串行移位寄存器中的水平移位寄存器。然后，來(lái)自N個(gè)像素列中的每一個(gè)的電荷通過(guò)N次水平移位一列接一列地移出該N個(gè)水平移位寄存器(步驟404)。不是在求和井內(nèi)對(duì)這些電荷求和，而是以一列接一列的方式將列像素?cái)?shù)據(jù)輸出到片外(步驟406)。讀取CCD的結(jié)果是幅度隨時(shí)間變化的模擬信號(hào)。該模擬信號(hào)然后被放大，轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，在其上執(zhí)行必要的計(jì)算以便可將該數(shù)據(jù)表示為例如光強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng)的表。通常，強(qiáng)度值被表示為在一些方便的范圍內(nèi)的整數(shù)值，例如在使用16位數(shù)字轉(zhuǎn)換器的情況下為0-65535。
CCD的動(dòng)態(tài)范圍與井深和讀出噪聲的比例有關(guān)，通常用分貝表示。在基于CCD的光譜儀中動(dòng)態(tài)范圍受限，這是因?yàn)槊總€(gè)像素和每個(gè)水平移位寄存器可保持的電荷量受限。如果任何像素或任何移位寄存器內(nèi)積聚的電荷達(dá)到此飽和電平，則會(huì)得到不準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。相反，在讀出過(guò)程中存在一些噪聲源，這會(huì)導(dǎo)致在對(duì)任何移位寄存器內(nèi)的電荷的測(cè)量中存在固有的不確定性。因此，測(cè)量的有用范圍是當(dāng)電荷位于固有噪聲電平和滿(mǎn)井或飽和電平之間時(shí)。將供光譜學(xué)使用的科學(xué)等級(jí)CCD的典型動(dòng)態(tài)范圍說(shuō)明是75000。
如上所述，在光譜學(xué)CCD陣列的一列像素中積聚的電荷量與照亮該列的波長(zhǎng)處的光強(qiáng)度和電荷在被讀取之前被允許積聚的時(shí)間量成比例。該時(shí)間再次被定義為累積時(shí)間。累積時(shí)間必須被選擇為可使得每列中的電荷量位于該有用范圍內(nèi)。如果所關(guān)心的光譜包括強(qiáng)度大大不同的區(qū)域，則會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，這是因?yàn)閷?duì)于整個(gè)光譜沒(méi)有一個(gè)合適的累積時(shí)間。此外，對(duì)于包括非常亮的特征的光譜，不能使用足夠短的累積時(shí)間以防止最亮的線飽和，這是因?yàn)樽钚〉目蓪?shí)現(xiàn)的累積時(shí)間是用于執(zhí)行完整的垂直移位和完整的水平移位的時(shí)間。
已用許多不同的方法解決動(dòng)態(tài)范圍限制問(wèn)題，并且上文提出了一些方法。一種方法是使用不同的累積時(shí)間來(lái)使光譜采集交錯(cuò)。可從使用不同的累積時(shí)間獲得的單個(gè)光譜得到具有高動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)復(fù)合光譜。但是，這種方法不能解決在最短的累積時(shí)間內(nèi)飽和的線的問(wèn)題。Brooks(美國(guó)專(zhuān)利5675411)描述的另一種方法是將光掩膜并入光譜儀以選擇性地削弱亮線，該專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容接合在此作為參考。但是，如果將使用光譜儀分析不同的源，則這種方法不適用。另一種方法是修改傳感器的設(shè)計(jì)以提高動(dòng)態(tài)范圍。這種方法的一個(gè)示例是Yadid-Pecht等人在美國(guó)專(zhuān)利6175383內(nèi)描述的，該專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容也接合在此作為參考。Yadid-Pecht等人提出了結(jié)合允許單獨(dú)設(shè)置每個(gè)像素上的累積時(shí)間的電路。但是，考慮到成本和可制造性，需要得到一種中等成本的適用于現(xiàn)有的高性能CCD的可選擇的方法。


所附權(quán)利要求中闡明了本發(fā)明的被認(rèn)為是新穎特征的特性。但是，通過(guò)參照下文結(jié)合附圖的對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明可最好地理解本發(fā)明自身及其優(yōu)選使用模式、其另外的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)，在附圖中圖1是示出來(lái)自光譜儀的圖象，其中如在現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)通常理解的，較長(zhǎng)的尺寸(水平)對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)；圖2是概括地示出現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)通常理解的典型CCD傳感器的功能元件的圖；圖3是示出現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)通常理解的重疊在CCD傳感器的像素陣列的傳感部分上的光譜圖象的圖；圖4是示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)以線收集模式讀出N×M像素陣列CCD傳感器的過(guò)程的流程圖。
圖5是概括示出N×M像素陣列的現(xiàn)有技術(shù)內(nèi)已知的典型CCD傳感器的圖，該傳感器根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例已被細(xì)分成區(qū)域a和區(qū)域b的。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例以?xún)蓞^(qū)域線收集模式讀出N×M像素陣列CCD傳感器的過(guò)程的流程圖。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在使用具有N×M像素陣列的光傳感器的光譜學(xué)測(cè)量中實(shí)施本發(fā)明的兩區(qū)域線收集方法的方法的流程圖。
圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的將小幅度和大幅度通道(channel)測(cè)量組合成一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍頻譜的后處理方法的流程圖。
圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在兩個(gè)通道內(nèi)讀出的光譜的低強(qiáng)度區(qū)域的圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在兩個(gè)通道內(nèi)讀出的光譜的高強(qiáng)度區(qū)域的圖；圖11示出在成象光譜儀的焦平面內(nèi)的光譜圖象，其中該圖象顯示為其長(zhǎng)尺寸對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的矩形；圖12通常示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于執(zhí)行應(yīng)用于其中投影兩個(gè)或多個(gè)圖象的成象光譜儀的兩區(qū)域線收集技術(shù)的變型的設(shè)備；以及圖13是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的讀出在N×2M像素陣列上的多個(gè)區(qū)域內(nèi)積聚的電荷而一個(gè)區(qū)域內(nèi)積聚的電荷不會(huì)被其它區(qū)域內(nèi)積聚的電荷損害的過(guò)程的流程圖。
從附圖以及下文的詳細(xì)說(shuō)明中可清楚地看到本發(fā)明的其它特征。
具體實(shí)施例方式
本文在這里公開(kāi)了一種包括光色散和成象系統(tǒng)、用于光檢測(cè)的CCD以及數(shù)據(jù)處理器的光譜儀。CCD使用迄今為止未知的像素收集方法——“兩區(qū)域像素收集方法”，以獲得比可通過(guò)傳統(tǒng)的線收集模式實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍更大的動(dòng)態(tài)范圍。該數(shù)據(jù)處理器將在此方法內(nèi)產(chǎn)生的電信號(hào)變換成作為波長(zhǎng)的函數(shù)的光強(qiáng)度的數(shù)字或圖形表示。
目前說(shuō)明的本發(fā)明適用于使用具有二維像素陣列的CCD的光譜儀，其中每個(gè)并行的像素線以移位寄存器結(jié)束。像素線可朝向垂直(列)或水平(行)方向之一，但是通常作為沿垂直方向的列。另外，本發(fā)明適用于其中單個(gè)水平移位寄存器的滿(mǎn)井容量小于構(gòu)成一列的單個(gè)像素的滿(mǎn)井容量的總和的CCD，并且尤其適用于其中移位寄存器的滿(mǎn)井容量與像素滿(mǎn)井容量為相同數(shù)量級(jí)(1到12倍)的CCD。本發(fā)明適用的商業(yè)制造的電荷耦合器件的示例是CCD區(qū)域傳感器的S7030/S7031系列的CCD(HAMAMATSUPHOTONICS K.K.，Solid State Division；1126-1 Ichino-cho，Hamamatsu City，435-8558 Japan，Telephone(81)053-434-3311，F(xiàn)ax(81)053-434-5184，http//www.hamamatsu.com；U.S.A.Hamamatsu Corporation360 FoothillRoad，P.O，Box 6910，Bridgewater，N.J.08807-0910，U.S.A.，Telephone(908)231-0960)的任何一個(gè)。
在Hamamatsu器件內(nèi)，水平移位寄存器的電荷存儲(chǔ)容量是單個(gè)像素的容量的兩倍。當(dāng)這些器件等等用于線收集模式的光譜學(xué)時(shí)，依賴(lài)于特定器件，一個(gè)水平移位寄存器可接受來(lái)自最多256個(gè)像素的電荷。當(dāng)包含一些亮的光譜線的光譜讀飽和時(shí)，僅假定沿列的光照相當(dāng)均勻，則在單個(gè)像素充滿(mǎn)之前移位寄存器先充滿(mǎn)。由于忽略不計(jì)超過(guò)移位寄存器的滿(mǎn)井容量的任何電荷，所以在移位寄存器的最大值處截?cái)喙庾V。這里說(shuō)明的收集方法可防止亮光線的幅度的知識(shí)丟失，而不會(huì)實(shí)質(zhì)上減小光譜中的別處的小信號(hào)的測(cè)量的信噪比。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，這可通過(guò)將用于收集的CCD陣列的每個(gè)(水平)線分段成小幅度通道和大幅度通道來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖5是概括地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于通過(guò)執(zhí)行兩區(qū)域線收集來(lái)提高電荷耦合器件的動(dòng)態(tài)范圍的裝置。裝置500包括如圖2所示的典型CCD傳感器，該傳感器通常包括像素202的N×M陣列200(配置成正方形或矩形)，該陣列已根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例被細(xì)分為區(qū)域a和區(qū)域b。因此，傳感器200的表面區(qū)域示出為兩個(gè)單獨(dú)的區(qū)域具有a×N個(gè)像素的較小的區(qū)域(示出為像素的陰影區(qū)域)和具有(M-a)×N個(gè)像素的大區(qū)域。通常選擇a和b的值以?xún)?yōu)化特定情況，但是通常b將在比a大10和100倍之間。通常，來(lái)自區(qū)域a的信號(hào)將產(chǎn)生較小的幅度電平即小幅度通道(可選擇地被稱(chēng)為a-通道)，而來(lái)自區(qū)域b的信號(hào)將產(chǎn)生較大的幅度電平即大幅度通道(可選擇地被稱(chēng)為b-通道)。從圖5中的隊(duì)列200可理解，區(qū)域a限定了陣列上的多個(gè)像素行，而區(qū)域b限定了陣列上的多個(gè)像素行，以便對(duì)于任何列，a+b＝M(其中，M是隊(duì)列200上的總行數(shù))。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例，裝置500還包括用于控制CCD 200的讀出并處理由此得到的信號(hào)的組件。這些組件通常沿在文中通常被示出為總線520的一連串系統(tǒng)總線傳遞和接收數(shù)據(jù)、地址和定時(shí)。系統(tǒng)組件包括用于執(zhí)行存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)的指令的處理器502，該處理器是非易失性的存儲(chǔ)器504或RAM 506。這些指令通常是關(guān)于系統(tǒng)操作的，包括經(jīng)由CCD控制器510(傳遞)的用于CCD 200的讀出移位指令。系統(tǒng)時(shí)鐘508為移位操作提供系統(tǒng)同步。處理器502還執(zhí)行關(guān)于來(lái)自CCD 200的信號(hào)的后處理的指令。典型的，這些信號(hào)作為模擬信號(hào)輸出，并且使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換數(shù)字表示并且被緩沖存儲(chǔ)在通道緩沖器514內(nèi)，同時(shí)等待后處理?？蛇x擇地，在進(jìn)行后處理操作之前，可將數(shù)字信號(hào)臨時(shí)存儲(chǔ)在RAM 506內(nèi)。數(shù)據(jù)一被處理則就可被存儲(chǔ)在RAM 506或更永久地存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器504內(nèi)。最后，從存儲(chǔ)器讀出被處理的數(shù)據(jù)并顯示該數(shù)據(jù)。盡管本發(fā)明的實(shí)施例將裝置500稱(chēng)作光譜儀，但是應(yīng)理解，可在目前使用線收集以便提高電荷耦合成象器件的動(dòng)態(tài)范圍的任何裝置內(nèi)實(shí)施本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，將與位于每個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素?zé)o關(guān)地讀取光譜。如果a的值比b的值小很多，則對(duì)大區(qū)域b進(jìn)行的測(cè)量與以傳統(tǒng)的線收集模式讀取整個(gè)(a+b)×M區(qū)域的測(cè)量相比不會(huì)有很大惡化。從較大區(qū)域b讀取的幅度將大于從較小區(qū)域a讀取的幅度，并且在文中該區(qū)域被稱(chēng)為大幅度通道。因此，從區(qū)域b(M-a個(gè)像素)的列中的像素得到的信噪比保持與從各個(gè)M個(gè)像素的列中的像素得到的信噪比相當(dāng)。從區(qū)域a(較小的區(qū)域)讀取光譜的另一個(gè)副本。從較小區(qū)域a讀取的幅度將小于從區(qū)域b得到的幅度，并且在文中該區(qū)域被稱(chēng)為小幅度通道。尤其應(yīng)該注意光譜的明亮部分，該部分在從較大區(qū)域b讀取的光譜中飽和。
如上文在別處提到的，假定CCD陣列200具有沿色散(波長(zhǎng))方向分布的N列，每列包括M個(gè)像素。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用于光譜學(xué)的行收據(jù)讀出模式，如上文詳細(xì)說(shuō)明的，將來(lái)自每個(gè)像素列的電荷同時(shí)移動(dòng)到各自的水平移位寄存器，然后將電荷移出水平移位寄存器并檢測(cè)該電荷。相反，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，CCD讀出分兩部分執(zhí)行。在第一部分，將來(lái)自每列的較小數(shù)量(a個(gè))的像素的電荷傳遞到它們各自的移位寄存器。然后，將電荷移出水平移位寄存器并以通常的方式檢測(cè)該電荷，例如將電荷存儲(chǔ)在用于小幅度通道的存儲(chǔ)器以便用于后處理。在第二部分，將來(lái)自每列中的剩余像素(b＝M-a)的電荷傳遞到移位寄存器。最后，第二次讀取水平移位寄存器，并將大幅度通道存儲(chǔ)在單獨(dú)的存儲(chǔ)器內(nèi)?？蛇x擇的，可在連續(xù)不斷地處理小幅度和大幅度通道。
圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的以?xún)蓞^(qū)域線收集模式讀出CCD傳感器的N×M像素陣列的過(guò)程的流程圖。當(dāng)至少一些像素井已具有足夠時(shí)間積聚電荷時(shí)，兩區(qū)域線收集過(guò)程在每個(gè)累積過(guò)程結(jié)束時(shí)開(kāi)始。由于小區(qū)域a與水平移位寄存器相鄰，所以像素陣列的這個(gè)區(qū)域首先被讀取；但是，在此特定的示例性實(shí)施例內(nèi)，大區(qū)域b同樣可被定義為與水平移位寄存器相鄰，并且相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的一般技術(shù)人員可從下面的說(shuō)明容易地理解對(duì)當(dāng)前收集模式的修改。通過(guò)進(jìn)行總共“a”次垂直移位，將出區(qū)域a的首先的a行讀出到用于各個(gè)像素列的N個(gè)水平移位寄存器內(nèi)(步驟602)。垂直移位將不僅移動(dòng)陣列的首先的a行的電荷，并且還移動(dòng)所有M行的電荷。隨后，每個(gè)水平移位寄存器將保持來(lái)自其像素列的累積電荷。通過(guò)N次連續(xù)水平移位從該N個(gè)水平移位寄存器中讀出電荷(步驟604)。由于CCD傳感器中的N列的每一列與離散的波長(zhǎng)(或者波長(zhǎng)區(qū)域)相關(guān)聯(lián)，所以盡管幅度較小，但是累積的電荷代表了各個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度。因此，每個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)可作為小幅度通道波長(zhǎng)測(cè)量直接傳遞到存儲(chǔ)器內(nèi)(步驟606)?？蛇x擇地，并且從下面的說(shuō)明可更清楚地看到，可根據(jù)與特定波長(zhǎng)(或像素列)的大幅度通道數(shù)據(jù)的關(guān)系處理每個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)。一旦已讀出CCD陣列的區(qū)域a，則可以同樣的方式讀取區(qū)域b。但是，在前文的垂直移位中，區(qū)域b的電荷已移動(dòng)a行，更靠近水平移位寄存器。因此，可通過(guò)總共“b”次垂直移位從最靠近N個(gè)水平移位寄存器的陣列的b行讀出區(qū)域b。在來(lái)自區(qū)域b的每一像素列的電荷累接在一個(gè)水平移位寄存器內(nèi)時(shí)，通過(guò)N次連續(xù)水平移位讀出該電荷(步驟610)。由于每個(gè)水平移位寄存器中的數(shù)據(jù)與波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)，所以該數(shù)據(jù)可作為大幅度通道波長(zhǎng)測(cè)量被直接轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器(步驟612)。一旦已存儲(chǔ)大幅度通道，則可將小幅度數(shù)據(jù)和大幅度數(shù)據(jù)處理成光譜。但是，在更詳細(xì)地描述這兩個(gè)通道數(shù)據(jù)的后處理之前，針對(duì)獲得光譜學(xué)測(cè)量更具體地理解兩區(qū)域線收集模式是有幫助的。
最初，從大區(qū)域b獲得的數(shù)據(jù)的一般特征在于，其信噪比要遠(yuǎn)好于從小區(qū)域a獲得的數(shù)據(jù)的信噪比。根據(jù)區(qū)域選擇，信噪比可接近全部M條像素行的數(shù)據(jù)的信噪比。但是，與M條像素行類(lèi)似地，區(qū)域b的列(b＝M-a)易于在光譜的較亮區(qū)域內(nèi)飽和。由于區(qū)域a較小并且該區(qū)域上可累積的電荷總量較少，所以小區(qū)域a內(nèi)的數(shù)據(jù)至少關(guān)于水平移位寄存器的井深度更不易于飽和。因此，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的一個(gè)方面，可用從小幅度區(qū)域得到的不飽和數(shù)據(jù)取代從較大幅度區(qū)域內(nèi)獲得的飽和數(shù)據(jù)，從而提高光譜數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍。在一列接一列的基礎(chǔ)上代替該數(shù)據(jù)。
可根據(jù)希望的動(dòng)態(tài)范圍的提高來(lái)選擇a和b的值。實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)大約為MMin(a,FhFp)---(1)]]>其中Fp和Fh是像素和水平移位寄存器的滿(mǎn)井容量。對(duì)于HamamatsuS7031-1007器件，假定a＝2并且使用垂直移位寄存器與水平移位寄存器的容量比為2這一事實(shí)，根據(jù)此公式可實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍的理論最大增量被線收集模式的性能大約為60。實(shí)際的改進(jìn)可能不同于這里計(jì)算的數(shù)值，這是因?yàn)楣庑纬傻墓庾V圖象可能在垂直方向上不均勻。應(yīng)理解，隨著動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)，在小幅度通道內(nèi)的信號(hào)上會(huì)出現(xiàn)額外的噪聲?？蓽p小此噪聲，但是只能以動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)為代價(jià)。例如，選擇a＝10將使動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)減小10倍，但是同時(shí)可使噪聲最高減小 倍。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，即使在最短的可用累積時(shí)間內(nèi)，利用兩區(qū)域線收集模式的光譜儀也可操作在線收集模式內(nèi)亮得足以導(dǎo)致飽和的光源。但是，執(zhí)行兩區(qū)域線收集所需的最小累積時(shí)間(tab(min))被使用現(xiàn)有技術(shù)的線收集模式可實(shí)現(xiàn)的最小累積時(shí)間(tM(min))長(zhǎng)進(jìn)行額外N次水平移位(thoriz)所需的時(shí)間量。通常，現(xiàn)有技術(shù)的線收集模式中的一次CCD讀出的最小累積時(shí)間被定義為tM(min)＝Mtvert+Nthoriz(2)兩區(qū)域線收集模式包括將整個(gè)列的垂直移位分成兩部分列移位以及額外的完整的水平移位，定義如下tab(min)＝atvert+Nthoriz+btvert+Nthoriz(3)由于atvert+btvert＝Mtvert，所以等式(3)變?yōu)閠ab(mm)＝Mtvert+2Nthoriz(4)假定thoriz≌tvert，在其中N＞＞M；Nthoriz＞＞tvert的CCD陣列中，tab(mm)≈2tM(min)(5)實(shí)際情況是，大多數(shù)用于光譜儀的CCD陣列配置成其水平列遠(yuǎn)多于垂直行N＞＞M，所以認(rèn)為使用兩區(qū)域線收集方法的代價(jià)是使可實(shí)現(xiàn)的最小累積時(shí)間加倍是一個(gè)好的估計(jì)。當(dāng)處理非常亮的源時(shí)，可使用現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量的最亮的源是在使用最小累積時(shí)間時(shí)剛好使水平移位寄存器飽和的源。使用兩區(qū)域線收集模式將有效地使累積時(shí)間加倍，因此對(duì)于a的任意值例如a＜M/2，相同的源將不會(huì)使水平移位寄存器飽和。因此，另一種選擇a和b的方式是為特定的列或者對(duì)應(yīng)一定范圍的波長(zhǎng)的特定范圍的列中的信號(hào)的電平考慮一個(gè)目標(biāo)值，并使用方程(1)選擇a以在a-通道內(nèi)產(chǎn)生目標(biāo)信號(hào)電平。這會(huì)使得區(qū)域b的尺寸大大減小，從而該通道內(nèi)的信噪比降低，但是在特定應(yīng)用中這可能不重要。
在使用這里說(shuō)明的兩區(qū)域線收集模式之前需要考慮的最后一件事情是，在小幅度通道的幅度測(cè)量與大幅度通道的幅度測(cè)量之間建立關(guān)系。最優(yōu)地，通道之間的關(guān)系對(duì)于每個(gè)波長(zhǎng)是線性的，并且可通過(guò)比較來(lái)自與每個(gè)波長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)的每個(gè)通道的一個(gè)或多個(gè)幅度來(lái)建立。這些幅度的電平應(yīng)高于CCD的固有電噪聲電平并低于其飽和電平。
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在使用具有N×M像素陣列的光傳感器的光譜學(xué)測(cè)量中實(shí)施本發(fā)明的兩區(qū)域線收集方法的方法的流程圖。假設(shè)陣列與對(duì)應(yīng)于像素列的光譜波長(zhǎng)對(duì)準(zhǔn)。該過(guò)程以建立光譜波長(zhǎng)與N個(gè)像素列中的每一列的對(duì)應(yīng)關(guān)系開(kāi)始(步驟702)。通常，由于光譜儀通常被預(yù)先配置，所以經(jīng)常省略此步驟。接下來(lái)，在N×M陣列上定義區(qū)域a和b(步驟704)?？墒褂蒙衔牡牡仁?1)根據(jù)避免使光譜在a-通道內(nèi)飽和所需的減小量來(lái)確定a和b的值。動(dòng)態(tài)范圍的提高是一列中的像素的總數(shù)與a或如果它們自身飽和則將使水平移位寄存器飽和的像素的數(shù)量之間的較大者的比率。從等式(1)可明顯看出，可在a＝Fh/F時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)態(tài)范圍增加，并且隨著a的值增加，a＞1，大幅度通道上的信噪比增大。
預(yù)計(jì)除了具有指示它們處于飽和的幅度的波長(zhǎng)中——在此情況下將使用小幅度通道——之外，將處處使用來(lái)自大幅度通道的光譜數(shù)據(jù)。用于處理數(shù)據(jù)的一個(gè)示例性方法將來(lái)自大幅度和小幅度通道的信息組合成一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜。這可通過(guò)在各個(gè)通道內(nèi)的幅度之間建立線性關(guān)系，并使用該關(guān)系線性地改變來(lái)自小幅度通道的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)(步驟706)?？赏ㄟ^(guò)在大幅度通道的工作范圍上即在充分高于電噪聲而低于飽和的幅度處比較這兩個(gè)通道的幅度來(lái)確定關(guān)系，最優(yōu)的是一個(gè)關(guān)系，但是如果必要的話可為每個(gè)波長(zhǎng)確定不同的關(guān)系。然后存儲(chǔ)每個(gè)波長(zhǎng)所必需的每個(gè)波長(zhǎng)的線性關(guān)系數(shù)據(jù)，以便在后處理幅度時(shí)使用。該關(guān)系通常是器件特有的，因此應(yīng)為每個(gè)將以?xún)蓞^(qū)域線收集模式操作的光譜儀確定該關(guān)系。
一旦已確定預(yù)期的動(dòng)態(tài)范圍的改進(jìn)和幅度通道之間的線性關(guān)系，則可按兩區(qū)域線收集模式來(lái)進(jìn)行光譜學(xué)測(cè)量(步驟708)。如上所述，這里說(shuō)明的兩區(qū)域線收集模式將產(chǎn)生未加工的光譜數(shù)據(jù)的兩個(gè)數(shù)據(jù)通道——大幅度數(shù)據(jù)通道和小幅度數(shù)據(jù)通道，從每個(gè)通道讀出數(shù)據(jù)?？蓪⑦@兩個(gè)通道中的數(shù)據(jù)后處理成更有用的形式(步驟710)。一種方法是在兩通道光譜儀內(nèi)僅將交替讀取表示成不同通道。除了在其幅度指示其處于飽和的地方——在此情況下將使用小幅度通道——之外，將處處使用大幅度通道的光譜數(shù)據(jù)。
作為將數(shù)據(jù)表示為兩通道光譜表示的可選擇方案，可將來(lái)自大幅度和小幅度通道的兩通道信息組合成一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的將小幅度和大幅度通道測(cè)量組合成一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍頻譜的后處理方法的流程圖。最初，假設(shè)分別緩沖保存光譜測(cè)量的每條通道的幅度數(shù)據(jù)。該過(guò)程以從存儲(chǔ)器讀出從區(qū)域b獲得的大幅度數(shù)據(jù)開(kāi)始(步驟802)。一個(gè)離散波長(zhǎng)接一個(gè)離散波長(zhǎng)地讀取光譜，并且測(cè)量每個(gè)波長(zhǎng)的飽和狀態(tài)(步驟804)。如果波長(zhǎng)幅度沒(méi)有飽和即幅度測(cè)量低于飽和值(例如65535次計(jì)數(shù))，則將幅度測(cè)量添加到光譜上而不進(jìn)一步處理(步驟812)，并檢查光譜的完成性(步驟814)。如果光譜完成，則其表示成一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍的光譜(步驟816)。如果光譜沒(méi)完成，則過(guò)程轉(zhuǎn)到步驟802，并從保持大幅度通道的緩沖器讀取另一個(gè)波長(zhǎng)，并測(cè)試該幅度的飽和狀態(tài)(步驟804)。當(dāng)波長(zhǎng)幅度被確定為飽和時(shí)，從小幅度緩沖器讀出用于對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的小幅度通道幅度(步驟806)。由于與大幅度數(shù)據(jù)相比從較少的像素行采樣小幅度數(shù)據(jù)，所以幅度小于大幅度數(shù)據(jù)，但是與大幅度數(shù)據(jù)線性相關(guān)。檢索通過(guò)上述步驟706中說(shuō)明的技術(shù)確定的針對(duì)波長(zhǎng)的線性關(guān)系(步驟808)，并且將該關(guān)系應(yīng)用于小幅度通道的幅度(步驟810)。由此，可與大幅度通道成比例地該筆小幅度通道的幅度。然后將該幅度添加到光譜上(步驟812)，并且再次檢查光譜的完成性(步驟814)。該過(guò)程迭代通過(guò)光譜的波長(zhǎng)直到已集合一個(gè)完整的寬動(dòng)態(tài)范圍光譜，每次迭代一個(gè)波長(zhǎng)。得到的寬動(dòng)態(tài)范圍光譜主要由大幅度通道的幅度測(cè)量構(gòu)成。由于其測(cè)量得自小幅度通道的信號(hào)較大，所以它們不易于被非常小的噪聲電平干擾，而易于受到這種干擾的小信號(hào)是得自大幅度通道，其幾乎與使用現(xiàn)有技術(shù)的線收集模式生成的光譜數(shù)據(jù)一樣無(wú)噪聲(在其中b＞＞a且M≈b的應(yīng)用中尤其如此)。因此，復(fù)合光譜的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)大于使用現(xiàn)有技術(shù)生成的光譜的動(dòng)態(tài)范圍。
修改Verity Instruments，Inc.，2901 Eisenhower Street，Carrollton，TX75007制造的光譜儀(SD1024)以使用該公開(kāi)的方法，其中使用a＝1和b＝121。線收集模式下的光譜儀的輸出范圍是0-65535。讀出分離的通道中的光譜，并且將小幅度通道重定比例到與大幅度通道相同的尺度(scale)。高強(qiáng)度通道與在使用傳統(tǒng)的線收集技術(shù)時(shí)觀察到的基本相同。觀察到的動(dòng)態(tài)范圍的提高倍數(shù)是23。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在兩個(gè)通道內(nèi)讀出的光譜的低強(qiáng)度區(qū)域的圖。圖9示出強(qiáng)度低的光譜的部分，兩個(gè)通道都不飽和。在此區(qū)域內(nèi)，大幅度通道(左側(cè))給出更好的結(jié)果。小幅度通道(右側(cè))已被重定比例以使其尺度與大幅度通道(左側(cè))相同。由于大幅度通道和小幅度通道都不飽和，所以此區(qū)域內(nèi)的較好的測(cè)量來(lái)自大幅度通道。
圖10示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在兩個(gè)通道內(nèi)讀出的光譜(圖9中示出的光譜)的高強(qiáng)度區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，大幅度通道(左側(cè))飽和，但是小幅度通道(右側(cè))給出可用的數(shù)據(jù)。大幅度通道(左側(cè))在65535次計(jì)數(shù)后被截?cái)嗖⑶矣捎陲柡投豢捎?。重定比例的小幅度通?右側(cè))在1500000次計(jì)數(shù)后飽和。動(dòng)態(tài)范圍增大了23倍。
可根據(jù)成象裝置的預(yù)期應(yīng)用結(jié)合各種事件選擇a或a和b。例如，可在成象裝置的初始設(shè)置截?cái)啻_定a的值。對(duì)于光譜儀，可收集測(cè)試數(shù)據(jù)并使用該數(shù)據(jù)以選擇a或a和b的值，從而來(lái)自a-通道或b-通道的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)幅度落在目標(biāo)幅度的范圍內(nèi)。
可選擇的，可在連續(xù)的成象傳感器讀出之間不間斷地確定a的值，并且隨后使用該值。這種操作模式對(duì)于其中一系列光譜測(cè)量是例如前進(jìn)的過(guò)程的特定應(yīng)用非常有用。根據(jù)本發(fā)明的此示例性實(shí)施例，確定該過(guò)程中的時(shí)間或未知以便選擇a或a和b的值。在過(guò)程中的預(yù)定位置處，將從a-通道或b-通道選擇的一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)的幅度與目標(biāo)幅度范圍相比較。如果信號(hào)幅度落在目標(biāo)范圍內(nèi)，則不需要調(diào)整a或a和b的值。如果沒(méi)有落在目標(biāo)范圍內(nèi)，則沿希望方向調(diào)整a或a和b的值，并且進(jìn)行另一個(gè)測(cè)量。在測(cè)量之間反復(fù)調(diào)整a或a和b的值，直到信號(hào)幅度落在目標(biāo)幅度的范圍內(nèi)。一旦被設(shè)定，則a和b的值在剩余的過(guò)程中保持固定。對(duì)于特定實(shí)施例，如果選擇的波長(zhǎng)的信號(hào)幅度在b-通道上過(guò)高而在a-通道上過(guò)低，可例如通過(guò)將a的值加倍來(lái)在每個(gè)測(cè)量中增大a的值，直到a通道的幅度在目標(biāo)幅度范圍內(nèi)。相反，如果選擇的波長(zhǎng)的信號(hào)幅度在b-通道上過(guò)高而在a-通道上也過(guò)高，可例如通過(guò)將a的值減半來(lái)在每個(gè)測(cè)量中減小a的值，直到a通道的幅度在目標(biāo)幅度范圍內(nèi)。在選擇的波長(zhǎng)的信號(hào)幅度在a-通道和b-通道上都過(guò)低的情況下，可例如通過(guò)將a和b之一的值加倍來(lái)在每個(gè)測(cè)量中增大該值，直到該通道的幅度在目標(biāo)幅度范圍內(nèi)或者該值＝M(物理上不可能進(jìn)一步調(diào)整該值)。
在成象光譜儀中，光學(xué)器件的另外的能力是解決來(lái)自在狹縫的不同區(qū)域內(nèi)入射的不同光源的多個(gè)光譜。圖11是在成象光譜儀的焦平面內(nèi)的光譜圖象，其中圖象示出為其長(zhǎng)尺寸對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)的矩形。光譜1102投影在第二光譜1104之上，并且它們之間存在微小的間隔。根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，沿垂直于波長(zhǎng)軸線的方向排列兩個(gè)或多個(gè)矩形圖象，每個(gè)圖象具有自己的獨(dú)立的強(qiáng)度vs.波長(zhǎng)的分布，并且每個(gè)圖象的垂直于波長(zhǎng)方向的程度減小，從而復(fù)合圖象的總程度等于上文圖1中示出的單個(gè)圖象的程度。
成象光譜儀的復(fù)合圖象的最簡(jiǎn)單的示例是兩通道光譜，其中存在兩個(gè)源——源C和A，并且每個(gè)源在成象陳列上具有對(duì)應(yīng)的成象區(qū)域。在此情況下，這里所述的兩區(qū)域線收集模式并不適合，這尤其因?yàn)槊總€(gè)源投影具有獨(dú)立的強(qiáng)度vs.波長(zhǎng)分布的分離的圖象?？紤]兩區(qū)域線收集應(yīng)用于區(qū)域A的情況，其中區(qū)域A還細(xì)分為區(qū)域A’和B’，這兩個(gè)區(qū)域以與在傳統(tǒng)的非成象光譜儀的情況下區(qū)域a和b與整個(gè)圖象的關(guān)聯(lián)方式相同的方式與原始區(qū)域A相關(guān)聯(lián)。在累積結(jié)束時(shí)，區(qū)域A的一部分即區(qū)域A’的電荷移動(dòng)到移位寄存器內(nèi)。同時(shí)，區(qū)域C的電荷的一部分移動(dòng)到區(qū)域A的區(qū)域B’部分內(nèi)，成形陣列的那個(gè)區(qū)域(B’)位于區(qū)域C和移位寄存器之間。目前位于區(qū)域B’內(nèi)的來(lái)自區(qū)域C的電荷暴露在光源A下。在執(zhí)行用于讀取區(qū)域A’的信號(hào)的一系列水平移位時(shí)，光源向從區(qū)域C向下移動(dòng)的電荷添加電荷。最后，當(dāng)讀取來(lái)自區(qū)域C的電荷時(shí)，將由于來(lái)自區(qū)域A的電荷已與其混合在一起而出現(xiàn)錯(cuò)誤。類(lèi)似的考慮會(huì)影響來(lái)自每個(gè)區(qū)域的信號(hào)。
圖12概括地示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于執(zhí)行應(yīng)用于其中投影兩個(gè)或多個(gè)圖象——每個(gè)圖象具有獨(dú)立的強(qiáng)度vs.波長(zhǎng)分布——的成象光譜儀的兩區(qū)域線收集技術(shù)的變型的設(shè)備。裝置1200在許多方面與上文參照?qǐng)D5說(shuō)明的裝置500相同，因此下文將僅說(shuō)明不同之處。但是，通常，成象陣列1202選擇為其在垂直于波長(zhǎng)方向的方向上具有兩倍數(shù)量的像素即2M個(gè)像素，這對(duì)于使復(fù)合圖象容納落在陣列1202的上半部上的圖象是必需的。陣列1202的上半部被細(xì)分成對(duì)應(yīng)于投影在其上的不同圖象的區(qū)域。作為示例，陣列1202的上半部被細(xì)分為具有像素1204的區(qū)域a和具有像素1206的區(qū)域c。在所示附圖中，光譜1102在投影在區(qū)域a上的光譜1104之上投影在區(qū)域c上。但是，實(shí)際上，暴露在光中的陣列的上部可被細(xì)分成任意數(shù)量的區(qū)域而不會(huì)背離本發(fā)明的范圍。陣列1202的下半部包括具有像素1208的黑暗區(qū)域。該黑暗區(qū)域位于圖象外，因此像素1208不會(huì)暴露在光中。可選擇地，可用不透明屏蔽保護(hù)像素1208不受任何潛在的光污染。
在操作期間，光譜1102和光譜1104投影在區(qū)域a和c上，使得電荷分別累積在像素1206和1204內(nèi)。在成象陣列1202的上半部在光中暴露預(yù)定的一段時(shí)間tint之后，整個(gè)圖象迅速向下移動(dòng)M個(gè)像素，移動(dòng)到黑暗區(qū)域的像素1208內(nèi)。在水平移位寄存器206變空之后，從對(duì)應(yīng)于光譜1104的區(qū)域a累積的電荷移動(dòng)到水平移位寄存器206內(nèi)，并且作為a-通道信號(hào)水平移出。然后，從對(duì)應(yīng)于光譜1102的區(qū)域c在像素1206內(nèi)累積的電荷可移動(dòng)到水平移位寄存器206內(nèi)，并作為c-通道信號(hào)被讀出。
還關(guān)于執(zhí)行兩區(qū)域收集技術(shù)的變型，圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于讀出在這樣的N×2M像素陣列上的多個(gè)區(qū)域內(nèi)積聚的電荷的詳細(xì)過(guò)程的流程圖，該陣列包括一個(gè)黑暗區(qū)域以防止在一個(gè)區(qū)域累積內(nèi)的電荷被在另一個(gè)區(qū)域累積內(nèi)的電荷污染。在解決來(lái)自入射在成象光譜儀的狹縫的不同區(qū)域內(nèi)的不同光源的多個(gè)光譜時(shí)，本過(guò)程尤其適用。通常，該成象陣列被定義為具有n+1個(gè)分離的像素陣列。一個(gè)區(qū)域是陣列的黑暗的下半部。該黑暗區(qū)域包括至少M(fèi)個(gè)像素行并且全部位于圖象之外(在圖12中示出為像素1208)。陣列的上部中的n個(gè)未覆蓋的區(qū)域暴露在光下(在圖12中分別被示出為區(qū)域a和c的像素1204和1206)。假定只有M個(gè)像素行位于該黑暗區(qū)域內(nèi)，n個(gè)上部區(qū)域中的每一個(gè)具有陣列的像素行的預(yù)定部分，使得區(qū)域a包括Ma/(a+c+...+n)個(gè)像素行；區(qū)域c包括Mc/(a+c+...+n)個(gè)像素行，直到區(qū)域n包括Mn/(a+c+...+n)個(gè)像素行。在陣列的上半部上投影一個(gè)或多個(gè)圖象，每個(gè)圖象對(duì)應(yīng)于n個(gè)未覆蓋區(qū)域中的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。
測(cè)量循環(huán)以通過(guò)進(jìn)行M次垂直移位來(lái)清除陣列N×2M成象陣列的上部開(kāi)始(步驟1302)。隨后，電荷在n個(gè)區(qū)域內(nèi)累積預(yù)定的累積時(shí)間tint(步驟1304)。在累積之后，通過(guò)M次垂直移位，將在陣列上半部?jī)?nèi)的n個(gè)區(qū)域內(nèi)積聚的電荷移入黑暗區(qū)域(1306)。在過(guò)程中的這一點(diǎn)上，移位寄存器206容納不需要的電荷，并且因此通過(guò)N次水平移位被清空而不會(huì)保存該數(shù)據(jù)(步驟1308)。
接下來(lái)，使用一連串的反復(fù)讀出通過(guò)移位寄存器將開(kāi)放區(qū)域即區(qū)域a，c，...，和n內(nèi)累積的電荷作為N個(gè)通道信號(hào)從黑暗區(qū)域傳遞到存儲(chǔ)器，一次讀出用于讀出在該黑暗區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)的每個(gè)區(qū)域的電荷。每個(gè)讀出包括一組垂直移位，其數(shù)量等于各個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素行的數(shù)量(用于使電荷從黑暗區(qū)域移入N個(gè)移位寄存器)，和N個(gè)水平移位(用于將電荷移出該N個(gè)移位寄存器并移入例如存儲(chǔ)器)。對(duì)于目前位于黑暗區(qū)域內(nèi)的最下部區(qū)域，其電荷通過(guò)Ma/(a+c+...+n)次垂直移動(dòng)從該黑暗區(qū)域移動(dòng)到N個(gè)移位寄存器(步驟1322)，并然后通過(guò)N次水平移位移出該寄存器(步驟1324)。黑暗區(qū)域中的下一個(gè)區(qū)域的電荷通過(guò)Mc/(a+c+...+n)次垂直移位從該黑暗區(qū)域傳遞到N個(gè)移位寄存器(步驟1332)，并然后通過(guò)N次水平移位移出該寄存器(步驟1334)。讀出過(guò)程迭代通過(guò)現(xiàn)在位于黑暗區(qū)域內(nèi)的區(qū)域的電荷，直到最后一個(gè)區(qū)域，區(qū)域n。然后，該區(qū)域的電荷通過(guò)Mn/(a+c+...+n)次垂直移位移出(步驟1342)，并然后通過(guò)N次水平移位移出(步驟1344)。然后，用于一次測(cè)量的過(guò)程結(jié)束。當(dāng)然，實(shí)際上，讀出過(guò)程通過(guò)清除黑暗區(qū)域(步驟1302)循環(huán)和連續(xù)進(jìn)行，直到進(jìn)行所有測(cè)量。
在讀出黑暗區(qū)域內(nèi)存儲(chǔ)的電荷期間，陣列的上半部?jī)?nèi)的區(qū)域a，c，...和n內(nèi)會(huì)累積不需要的電荷。如果希望進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量(步驟1350)，則測(cè)量循環(huán)從清除陣列的上半部?jī)?nèi)的區(qū)域a，c，...和n內(nèi)的不需要的電荷開(kāi)始，然后進(jìn)行M次垂直移位(步驟1302)。過(guò)程如上所述繼續(xù)進(jìn)行，直到不需要進(jìn)行另外的測(cè)量(步驟1350)。
在上述過(guò)程中，通過(guò)一系列垂直移位讀出區(qū)域a，c，...和n中的每一個(gè)內(nèi)累積的電荷，即對(duì)于區(qū)域a，c，...到n中的每一個(gè)僅有一個(gè)水平移位。但是，與圖5中的整個(gè)陣列分成分離的區(qū)域a和b類(lèi)似，圖12中的每個(gè)不同的區(qū)域a，c，...到n可被進(jìn)一步細(xì)分。例如，區(qū)域a可進(jìn)一步細(xì)分成區(qū)域a’和互補(bǔ)區(qū)域——區(qū)域b，其中a＝a’+b，可實(shí)現(xiàn)上文所述的關(guān)于提高的動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)點(diǎn)。全部或任何一個(gè)這些區(qū)域均可被細(xì)分，或者這些區(qū)域都不可被細(xì)分。此外，可在讀出周期之間隨意地改變細(xì)分的細(xì)節(jié)，這也不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求中的所有裝置或步驟以及功能元件的相應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、行為和等效物可包括用于結(jié)合被明確權(quán)利要求的其它被權(quán)利要求的元件執(zhí)行該功能的任何結(jié)構(gòu)、材料或行為。已出于例證和說(shuō)明的用途給出了對(duì)本發(fā)明的說(shuō)明，但是該說(shuō)明并不打算是詳盡的或者將本發(fā)明局限于公開(kāi)的形式。本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員可明顯地看到許多不會(huì)背離本發(fā)明的范圍和精神的修改和變型。選擇和說(shuō)明的實(shí)施例是為了最好地解釋本發(fā)明的原理以及實(shí)際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域內(nèi)的其它不同技術(shù)人員針對(duì)適合于預(yù)計(jì)的特定用途的各種修改的各種實(shí)施例理解本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于提高從成象傳感器讀取的數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍的方法，所述成象傳感器包括N個(gè)直線(linear)纖維陣列，該N個(gè)直線陣列中的每一個(gè)具有M個(gè)電荷耦合像素，每個(gè)像素電荷耦合，并且還耦合到N個(gè)寄存器之一，該方法包括在該N個(gè)直線像素陣列的至少一個(gè)像素內(nèi)累積電荷；通過(guò)使來(lái)自該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將來(lái)自該第一區(qū)域的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)，該N個(gè)直線像素陣列的所述第一區(qū)域具有至少一條像素線，并且該第一區(qū)域的所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分；通過(guò)使來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的所述至少一條像素線的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將該第二區(qū)域的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)，所述第一區(qū)域具有至少一條像素線，并且該第二區(qū)域的所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分；
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括呈現(xiàn)N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分；呈現(xiàn)N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中所述第一部分包括N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)，而所述第二部分包括N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括通過(guò)指定至少一條像素線屬于該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域，來(lái)定義該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中通過(guò)指定至少一條像素線屬于該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域來(lái)定義該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域還包括估計(jì)取自N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分的至少一個(gè)信號(hào)內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍的提高程度；確定用于提高至少一個(gè)信號(hào)內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍的屬于該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量，其中像素線的所述量與動(dòng)態(tài)范圍的提高程度有關(guān)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中通過(guò)指定至少一條像素線屬于該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域來(lái)定義該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域還包括設(shè)置至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平；從該N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分之一中選擇至少一個(gè)信號(hào)；比較該選擇的至少一個(gè)信號(hào)和該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平；并且調(diào)整屬于該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量，其中所述調(diào)整基于該選擇的至少一個(gè)信號(hào)與該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的比較。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中調(diào)整屬于N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量還包括將屬于該第一區(qū)域的像素線的量改變?cè)撓袼鼐€的量的預(yù)定部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中調(diào)整屬于N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量還包括將屬于該第一部分的像素線的量改變預(yù)定數(shù)量的像素線。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其還包括根據(jù)該第一區(qū)域和第二區(qū)域內(nèi)的像素線的總和等于該N個(gè)直線陣列中的任何一個(gè)內(nèi)的像素的量，修改屬于該第二區(qū)域的像素線的量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中該N個(gè)直線陣列的每一個(gè)中的所述像素量是M個(gè)像素。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括在該N個(gè)直線像素陣列的至少一些像素內(nèi)累積電荷；通過(guò)使來(lái)自該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的所述數(shù)量調(diào)整的像素線的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)；沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分；通過(guò)使來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的所述數(shù)量調(diào)整的像素線的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)，沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中所述基于該選擇的至少一個(gè)信號(hào)與該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的比較的調(diào)整與該選擇的至少一個(gè)信號(hào)和該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的差有關(guān)。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)是目標(biāo)信號(hào)電平的一個(gè)范圍，而所述基于該選擇的至少一個(gè)信號(hào)與該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的比較的調(diào)整與該選擇的至少一個(gè)信號(hào)和該目標(biāo)信號(hào)電平的范圍之間的差有關(guān)。
14.根據(jù)權(quán)利要求4的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中定義該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域是在包含所述成象傳感器的裝置的設(shè)置階段期間完成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求4的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中定義該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域是在所述在該N個(gè)直線像素陣列的至少一些像素中累積電荷之后并在隨后在該N個(gè)直線像素陣列的至少一些像素中累積電荷之前動(dòng)態(tài)完成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括將該N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分表示成第一小幅度信號(hào)通道；將該N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分表示成第二大幅度信號(hào)通道。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括將來(lái)自所述第一區(qū)域的所述小幅度信號(hào)和來(lái)自所述第二區(qū)域的所述大幅度信號(hào)之一重定比例。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中將來(lái)自所述第一區(qū)域的所述小幅度信號(hào)和來(lái)自所述第二區(qū)域的所述大幅度信號(hào)之一重定比例是基于來(lái)自所述第一區(qū)域的所述小幅度信號(hào)和來(lái)自所述第二區(qū)域的所述大幅度信號(hào)中的另一個(gè)的尺度進(jìn)行的。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括確定來(lái)自所述第一區(qū)域的所述第一通道的所述小幅度信號(hào)和來(lái)自所述第二區(qū)域的所述第二通道的所述大幅度信號(hào)之間的關(guān)系。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括將所述關(guān)系應(yīng)用于代表來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷的N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)；并且代替代表該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的飽和狀態(tài)的該N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的所述至少一個(gè)信號(hào)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中所述N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)均對(duì)應(yīng)于N波長(zhǎng)通道光譜的一波長(zhǎng)通道，并且所述N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的每一個(gè)代表該光譜的所述N個(gè)波長(zhǎng)通道的一個(gè)幅度。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括將代表所述第二區(qū)域的電荷的第二大幅度信號(hào)通道的數(shù)據(jù)信號(hào)，和代替表示該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的飽和條件的N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)中的所述至少一個(gè)的代表該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷的N個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)的至少一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)，表示成寬動(dòng)態(tài)范圍光譜。
23.根據(jù)權(quán)利要求1的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中所述N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分的對(duì)應(yīng)的每一個(gè)均對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)離散波長(zhǎng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，該方法還包括組合N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分的一部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分的非對(duì)應(yīng)部分；并且將N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分的一部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分的非對(duì)應(yīng)部分表示成多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。
25.一種具有提高的動(dòng)態(tài)范圍的成象裝置，該裝置包括成象傳感器，該成象傳感器包括N個(gè)直線陣列，該N個(gè)直線陣列中的每一個(gè)均具有M個(gè)電荷耦合像素；M條像素線，所述M條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；N個(gè)寄存器，其中該N個(gè)直線像素陣列的每一個(gè)中的一個(gè)像素電荷耦合到該N個(gè)寄存器中的對(duì)應(yīng)的一個(gè)寄存器；用于將電荷表示成數(shù)據(jù)信號(hào)的連接到所述寄存器中的至少一個(gè)的信號(hào)轉(zhuǎn)換器；耦合到所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器的輸出節(jié)點(diǎn)；連接到所述輸出節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器；耦合到所述成象傳感器的用于控制全部N個(gè)直線像素陣列中的所述M個(gè)電荷耦合像素的讀出的讀出控制器；這樣的裝置，即該裝置用于指令控制所述讀出控制器，以便通過(guò)該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)，來(lái)將該電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)，N個(gè)直線像素陣列的所述第一區(qū)域具有至少一條像素線，沿直線路徑將該N個(gè)寄存器的電荷移動(dòng)到所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器，并將所述N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到所述存儲(chǔ)器，并且還指令控制所述讀出控制器，以便通過(guò)該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)，來(lái)將該電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)，沿直線路徑將該N個(gè)寄存器的電荷移動(dòng)到所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器，并將所述N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到所述存儲(chǔ)器。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的成象裝置，其中所述存儲(chǔ)器耦合到顯示設(shè)備。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的成象裝置，其中所述用于指令控制的裝置在指令控制所述讀出控制器之前改變一個(gè)區(qū)域內(nèi)的像素線的數(shù)量。
28.一種包括計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，在該介質(zhì)上存儲(chǔ)用于實(shí)現(xiàn)用于提高從成象傳感器讀取的數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍的方法的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，該成象傳感器具有可執(zhí)行多條被重新排序的命令的控制器，所述計(jì)算機(jī)可讀指令包括用于在該N個(gè)直線像素陣列的至少一個(gè)像素內(nèi)累積電荷的指令；用于通過(guò)使來(lái)自該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將該電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)的指令，該N個(gè)寄存器中的所述第一區(qū)域具有至少一個(gè)像素線，并且該第一區(qū)域的所述至少一個(gè)像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；用于沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷的指令；用于將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分的指令；用于通過(guò)使來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的所述至少一個(gè)像素線的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)中，將該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)的指令，所述第二區(qū)域具有至少一個(gè)像素線，并且該第二區(qū)域的所述至少一個(gè)像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；用于沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷的指令；用于將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分的指令。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還包括用于通過(guò)指定屬于該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一條像素線來(lái)定義該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還包括用于估計(jì)取自N的第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分的至少一個(gè)信號(hào)內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍的提高程度的指令；用于確定用于提高至少一個(gè)信號(hào)內(nèi)的動(dòng)態(tài)范圍的屬于該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量的指令，其中像素線的所述量與動(dòng)態(tài)范圍的提高程度有關(guān)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還包括用于設(shè)置至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的指令；用于從該N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分和N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的部分之一中選擇至少一個(gè)信號(hào)的指令；用于比較該選擇的至少一個(gè)信號(hào)和該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的指令；并且用于調(diào)整屬于該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的像素線的量的指令，其中所述調(diào)整是基于該選擇的至少一個(gè)信號(hào)與該至少一個(gè)目標(biāo)信號(hào)電平的比較進(jìn)行的。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，該計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品還包括用于將屬于該第一區(qū)域的像素線的量改變?cè)撓袼鼐€的量的預(yù)定部分的指令。
33.一種用于從成象傳感器讀取的數(shù)據(jù)的方法，所述成象傳感器包括N個(gè)直線纖維陣列，該N個(gè)直線陣列中的每一個(gè)具有M個(gè)電荷耦合像素，每個(gè)像素電荷耦合，并且還耦合到N個(gè)寄存器之一，該方法包括定義該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域，所述第一區(qū)域具有至少一條像素線，并且所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；定義該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域，所述第二區(qū)域具有至少一條像素線，并且所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；定義該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域，所述黑暗區(qū)域具有多條像素線，并且所述多條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向，而所述多條像素線沒(méi)有暴露在光中；在該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一些像素上接收第一圖象；在該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一些像素上接收第二圖象；在該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一些像素和該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一些像素內(nèi)累積電荷；沿直線路徑將來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域和第二區(qū)域的至少一些像素的電荷移動(dòng)到該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的所述黑暗區(qū)域；以及從所述黑暗區(qū)域讀出電荷，所述黑暗區(qū)域的所述電荷已從在該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列上限定的每個(gè)區(qū)域移出。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，其中對(duì)于每個(gè)區(qū)域，從所述黑暗區(qū)域讀出電荷還包括通過(guò)將黑暗區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列的每一個(gè)移動(dòng)到該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)，來(lái)將在該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的區(qū)域內(nèi)累積的電荷組合在該N個(gè)寄存器內(nèi)；沿直線路徑從該N個(gè)寄存器移動(dòng)電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的區(qū)域的至少一部分的電荷表示成與該區(qū)域相關(guān)聯(lián)的N個(gè)數(shù)字信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該方法還包括將該成形傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域內(nèi)的電荷移至該N個(gè)寄存器；以及丟棄從該成象寄存器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域移出的電荷。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該第一區(qū)域還被定義為該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第三和第四區(qū)域。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該方法還包括呈現(xiàn)N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述對(duì)應(yīng)部分；以及呈現(xiàn)N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述對(duì)應(yīng)部分。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，呈現(xiàn)N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分還包括呈現(xiàn)N個(gè)第三區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述對(duì)應(yīng)部分；以及呈現(xiàn)N個(gè)第四區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述對(duì)應(yīng)部分。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，所述第一區(qū)域、所述第二區(qū)域和所述黑暗區(qū)域內(nèi)限定的像素線的總和包括至少M(fèi)條像素線。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域的所述多條像素線被定義為至少M(fèi)/2條像素線。
41.一種用于從成象傳感器讀取的數(shù)據(jù)的方法，所述成象傳感器包括N個(gè)直線纖維陣列，該N個(gè)直線陣列中的每一個(gè)具有M個(gè)電荷耦合像素，每個(gè)像素電荷耦合，并且還耦合到N個(gè)寄存器之一，該方法包括在該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一個(gè)像素和該N的直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一個(gè)像素內(nèi)累積電荷，該N的直線像素陣列的所述第一區(qū)域具有至少一條像素線，并且該第一區(qū)域的所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向，該N個(gè)直線像素陣列的所述第二區(qū)域具有至少一條像素線，并且該第二區(qū)域的所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向，沿直線路徑將該N個(gè)直線像素陣列的第一和第二區(qū)域的至少一些像素的電荷移到該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域內(nèi)，該N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域具有至少兩條像素線，所述至少兩條像素線通常垂直于該N個(gè)直線像素陣列，并且沒(méi)有暴露在光下；通過(guò)使黑暗區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移至該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)內(nèi)，來(lái)組合在該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域內(nèi)累積的電荷；沿直線路徑移動(dòng)該N個(gè)寄存器的電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分；通過(guò)使黑暗區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移至該N個(gè)寄存器中的每一個(gè)內(nèi)，來(lái)組合在該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域內(nèi)累積的電荷；沿直線路徑移動(dòng)該N個(gè)寄存器的電荷；將從該N個(gè)寄存器移出的來(lái)自該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一部分的電荷表示為N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的對(duì)應(yīng)部分；清除該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域的電荷。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該方法還包括呈現(xiàn)N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分；以及呈現(xiàn)N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)的所述部分。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，其中所述第一部分包括N個(gè)第一區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)，而所述第二部分包括N個(gè)第二區(qū)域數(shù)據(jù)信號(hào)。
44.根據(jù)權(quán)利要求41的用于增大動(dòng)態(tài)范圍的方法，其中在該N個(gè)直線像素陣列的第一區(qū)域的至少一些像素和該N個(gè)直線像素陣列的第二區(qū)域的至少一些像素內(nèi)累積電荷還包括使電荷在該N個(gè)直線像素陣列的第一和第二區(qū)域的至少一些像素內(nèi)積聚預(yù)定的一段時(shí)間。
45.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，清除該N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域的電荷還包括將該成形傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域內(nèi)的電荷移至該N個(gè)寄存器；以及丟棄從該成象寄存器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域移出的電荷。
46.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，其中該N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域包含的像素線的數(shù)量至少與該第一區(qū)域的所述至少一條像素線和該第二區(qū)域的所述至少一條像素線的總和一樣多。
47.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域包括至少M(fèi)/2條像素線。
48.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，在該N個(gè)直線像素陣列的所述第一區(qū)域上投影第一圖象，而在該N個(gè)直線像素陣列的所述第二區(qū)域上投影第二圖象。
49.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該N個(gè)直線像素陣列的所述第一區(qū)域暴露在第一光源下，而該N個(gè)直線像素陣列的所述第二區(qū)域暴露在第二光源下。
50.根據(jù)權(quán)利要求41的用于讀取數(shù)據(jù)的方法，該方法還包括在該N個(gè)直線像素陣列的至少一個(gè)其它區(qū)域的至少一些像素內(nèi)累積電荷，該N個(gè)直線像素陣列的所述至少一個(gè)其它區(qū)域中的每一個(gè)具有至少一條像素線，并且該N個(gè)直線像素陣列的所述至少一個(gè)其它區(qū)域的所述至少一條像素線通常朝向該N個(gè)直線像素陣列的正交方向；沿直線路徑將該N個(gè)直線像素陣列的所述至少一個(gè)其它區(qū)域的至少一些像素的電荷移到該成象傳感器的N個(gè)直線像素陣列的黑暗區(qū)域內(nèi)；對(duì)于該N個(gè)直線像素陣列的至少一個(gè)其它區(qū)域中的每一個(gè)，通過(guò)使黑暗區(qū)域的電荷沿該N個(gè)直線像素陣列中的每一個(gè)移至該N個(gè)寄存器的每一個(gè)，來(lái)組合在該N個(gè)直線像素陣列的至少一個(gè)其它區(qū)域之一內(nèi)累積的電荷；并且沿直線路徑移動(dòng)該N個(gè)寄存器的電荷。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于提高CCD傳感器的動(dòng)態(tài)范圍而基本不會(huì)增大噪聲的裝置、方法和軟件產(chǎn)品。一開(kāi)始，將N×M像素CCD傳感器的區(qū)域細(xì)分成兩個(gè)區(qū)域，在每一列內(nèi)具有(M－a)個(gè)像素的用于輸出具有低噪聲的大幅度信號(hào)的大區(qū)域，和在每一列內(nèi)具有a個(gè)像素的用于輸出動(dòng)態(tài)范圍提高的小幅度信號(hào)的較小區(qū)域。在累積時(shí)間內(nèi)，通過(guò)經(jīng)過(guò)a或M－a次垂直移位來(lái)移動(dòng)像素內(nèi)的電荷，來(lái)將一個(gè)區(qū)域的行內(nèi)的電荷同時(shí)移至水平移位寄存器內(nèi)。然后通過(guò)N次水平移位將水平移位寄存器內(nèi)的電荷移出該水平移位寄存器。接下來(lái)，通過(guò)經(jīng)過(guò)另外a或M－a次垂直移位來(lái)移動(dòng)像素電荷，來(lái)將CCD的區(qū)域內(nèi)的剩余電荷讀出到水平移位寄存器內(nèi)。然后通過(guò)N次水平移位來(lái)將那些電荷讀出水平移位寄存器。在光譜儀應(yīng)用中，兩個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)被以來(lái)自較大區(qū)域的行的大幅度通道的形式，以及來(lái)自較小區(qū)域的行的小幅度通道的形式讀出。
文檔編號(hào)H04N5/347GK1817027SQ200480018951
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者庫(kù)尼·安德魯·威克斯 申請(qǐng)人:真實(shí)儀器公司