獨(dú)立于高光譜平臺(tái)，光學(xué)傳感器在數(shù)據(jù)采集中扮演著最重要的角色。在本節(jié)中，本文介紹了高光譜相機(jī)所需的傳感器規(guī)格。

光譜響應(yīng)范圍

與傳統(tǒng)的RGB成像相比，高光譜相機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)在于能夠在更寬的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)以更高分辨率的光譜捕獲更多細(xì)節(jié)。借助CCD和CMOS圖像傳感器等硅技術(shù)，可以在可見(jiàn)光和近紅外范圍(從400 nm至1100 nm波長(zhǎng))中檢測(cè)出肉制品中的變色和一些異物。但是，使用反射成像方法檢測(cè)肉的水分含量(嫩度)需要900至1700 nm的光譜范圍。在此波長(zhǎng)范圍內(nèi)，CCD和CMOS傳感器沒(méi)有足夠的響應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)的InGaAs技術(shù)可以以相當(dāng)可觀的成本實(shí)現(xiàn)超過(guò)70%的量子效率。

作為另一個(gè)示例，檢測(cè)牛肉中的脂肪酸需要1000至2300 nm的光譜范圍。借助擴(kuò)展的InGaAs技術(shù)，該傳感器可以檢測(cè)900 nm至2.5 μm的波長(zhǎng)，使其適用于1.7 μm以上的高光譜成像。作為可以提供擴(kuò)展波長(zhǎng)的InGaAs圖像傳感器的少數(shù)供應(yīng)商之一，濱松光電公司發(fā)布了一系列QVGA InGaAs區(qū)域圖像傳感器，其截止波長(zhǎng)為1.7 μm， 1.9 μm，2.2 μm和2.5 μm。

動(dòng)態(tài)范圍

光學(xué)傳感器的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于在寬光譜范圍內(nèi)獲取信息非常重要，尤其是在部署推掃技術(shù)進(jìn)行圖像獲取時(shí)。推掃式攝像頭可以同時(shí)捕獲一整條圖像線和光譜信息，并且可以將所有波長(zhǎng)的曝光時(shí)間設(shè)置為一個(gè)值，因此傳感器需要具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍以獲取非常低的信號(hào)和整個(gè)光譜中的峰值信號(hào)。動(dòng)態(tài)范圍取決于讀出噪聲和傳感器的飽和度。讀出的噪聲通常確定傳感器可以檢測(cè)到的最小信號(hào)電平。例如，要達(dá)到1.2V飽和輸出電平下的1500動(dòng)態(tài)范圍，就需要800 μV rms的讀出噪聲，這對(duì)于CMOS ROIC設(shè)計(jì)而言并不容易。長(zhǎng)時(shí)間曝光 需要考慮暗電流散粒噪聲，特別是在使用擴(kuò)展的InGaAs時(shí)。例如，在相同的像素格式下，如果標(biāo)準(zhǔn)InGaAs傳感器(1.7 μm截止波長(zhǎng))的暗電流指定為0.03 pA，則擴(kuò)展的InGaAs傳感器(2.5 μm截止波長(zhǎng))的暗電流可以指定為30 pA。

靈敏度

與可以將曝光時(shí)間設(shè)置為0?30秒的傳統(tǒng)光譜相比，高光譜相機(jī)的曝光時(shí)間必須足夠短(有時(shí)以毫秒為單位，甚至是微秒，范圍)，以避免任何波長(zhǎng)下的飽和，這可能導(dǎo)致曝光不足如果傳感器在任何波長(zhǎng)下都不具有足夠的靈敏度，則某些光譜帶的光譜會(huì)降低，并且光譜測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)降低。傳感器的靈敏度包括光電二極管陣列的光電靈敏度和片上讀出電路的電荷電壓轉(zhuǎn)換增益。然而，讀出噪聲水平通常隨著靈敏度的增加而增加。使用區(qū)域掃描高光譜相機(jī)技術(shù)，可以為每個(gè)波長(zhǎng)設(shè)置合適的曝光時(shí)間或片上增益。例如，可以為低信號(hào)范圍設(shè)置較長(zhǎng)的曝光時(shí)間或較高的轉(zhuǎn)換增益，可以為強(qiáng)信號(hào)范圍設(shè)置較短的曝光時(shí)間或較低的轉(zhuǎn)換增益，以便在整個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得平滑的輸出光譜。

作為最流行的高光譜成像方法，pushbroom方法以按行帶狀交錯(cuò)(BIL)的格式存儲(chǔ)高光譜數(shù)據(jù)立方體-一種在一個(gè)方向上連續(xù)掃描的方案。因此，線掃式攝像機(jī)特別適合在工業(yè)過(guò)程中常用的傳送帶系統(tǒng)，例如食品質(zhì)量和安全檢查，回收工廠的分類以及藥品標(biāo)簽和包裝。對(duì)于具有快速移動(dòng)物體的應(yīng)用，快速采集變得至關(guān)重要。不僅曝光時(shí)間短，而且傳感器設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)都可以提高讀出速度。例如，片上采樣保持電路啟用“邊讀取邊積分”(IWR)功能，因此傳感器可以在第二行曝光時(shí)開始讀取第二行曝光，同時(shí)讀取整條線(來(lái)自前一次曝光的數(shù)據(jù))。

區(qū)域掃描方法可以在一系列波長(zhǎng)中記錄空間和光譜信息，因此對(duì)于快速成像應(yīng)用很有吸引力，但是區(qū)域掃描相機(jī)不適合需要移動(dòng)樣本測(cè)量的應(yīng)用。濱松光電制造的區(qū)域圖像傳感器具有列平行結(jié)構(gòu)和部分讀出(ROI)功能，不僅可以按像素?cái)?shù)量成比例地縮短讀出時(shí)間，而且可以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理工作。