What is a hyperspectral camera?Principles and applications in one article

¿Qué es una cámara hiperespectral? Principios y aplicaciones en un solo artículo

La cámara hiperespectral, también conocida como espectrómetro hiperespectral de formación de imágenes, es un dispositivo de detección que integra la adquisición espectral y la formación de imágenes del objetivo, y utiliza la tecnología de espectroscopia de formación de imágenes para realizar la formación de imágenes espectrales del mismo objetivo en bandas espectrales continuas, completando la integración de la información espacial, radiométrica y espectral del objetivo, lo que aumenta enormemente las dimensiones de la información de la observación del objetivo.

¿Qué tipos de cámaras hiperespectrales existen?

Las cámaras hiperespectrales existentes se clasifican en tres tipos principales basados en el principio de la espectroscopia:

• Dispersivo

• Tipo de interferencia

• Tipo de filtro

Cámara hiperespectral dispersiva - Tipo dispersivo de rejilla

Características: no es cara, alta resolución espectral, se pueden obtener imágenes de todas las longitudes de onda al mismo tiempo, pero sólo de una línea al mismo tiempo

Las cámaras hiperespectrales dispersivas suelen utilizar un elemento dispersivo (rejilla o prisma) para la espectroscopia antes de que un sistema de imágenes las muestre en un detector. La siguiente figura muestra el principio específico de la cámara hiperespectral dispersiva de rejilla.

Si queremos medir la figura de esta hoja en cada punto de los datos hiperespectrales, a través de la luz incidente reflejada en la superficie de la rejilla, la luz incidente en este punto se descompone en diferentes longitudes de onda de la distribución de energía, y luego a través de una serie de sensores de píxeles en las diferentes longitudes de onda específicas de la energía a medir. Esta imagen muestra la necesidad de una rejilla reflectante o una rejilla de transmisión para dividir la luz.

La ventaja de este enfoque es que todos los puntos de una línea se pueden procesar a la vez. La energía de las distintas longitudes de onda de cada punto puede medirse a la vez. Por este motivo, la mayoría de las cámaras hiperespectrales basadas en rejillas están diseñadas como cámaras de barrido lineal. Los datos espectrales de todas las longitudes de onda de cada punto de una línea se adquieren a la vez. Dado que los datos espectrales de las diferentes longitudes de onda de cada punto se adquieren al mismo tiempo, los datos espectrales de las diferentes longitudes de onda de este punto se pueden calcular al mismo tiempo. Esta es una característica muy importante del tipo de rejilla. Las cámaras hiperespectrales de tipo rejilla son especialmente adecuadas para aplicaciones como la medición del color, la clasificación y calidad de frutas, la detección de brix y la clasificación de plásticos en el reciclaje de residuos plásticos, ya que estas aplicaciones requieren el cálculo simultáneo de diferentes longitudes de onda en cada punto para calcular los resultados que deseamos.

Pero si queremos obtener una imagen completa de los datos hiperespectrales, no sólo una línea de datos hiperespectrales, necesitamos hacer que esta cámara hiperespectral de escaneo de línea y esta hoja produzcan un movimiento relativo entre las hojas, como se muestra en la figura de abajo, escaneando hacia el escáner. De esta manera, es posible obtener los datos hiperespectrales de una imagen completa de una hoja.

Ahora cámara hiperespectral dispersiva de rejilla es la capacidad espectral más fuerte de todos los medios, es decir, la resolución espectral más alta, la más rentable, y el tipo más ampliamente utilizado de la cámara hiperespectral. Hace 2020 años, el precio de una producción extranjera de cámara hiperespectral todavía se vende a 400 ~ 500.000 yuanes. Pero ahora el precio de la cámara hiperespectral producida por Hangzhou Color Spectrum ha sido inferior a 100.000 yuanes en China. Por lo tanto, es muy rentable. Se ha utilizado ampliamente en la medición del color, la clasificación de frutas y la medición de la calidad, especialmente en la detección de azúcar y acidez y el reciclaje de residuos plásticos.

Cámara hiperespectral interferométrica

La cámara hiperespectral interferométrica utiliza principalmente la correspondencia entre el interferograma y el mapa espectral, con la ayuda del interferómetro para medir la intensidad de interferencia de los elementos de la línea espectral, y la transformada inversa de Fourier del interferograma para obtener el mapa espectral del objetivo. El principio específico se muestra en la figura

Se caracteriza por: caro, alta resolución espectral, un momento de toda la imagen se puede obtener en una longitud de onda, no todas las longitudes de onda al mismo tiempo de imágenes

Se caracterizan las cámaras hiperespectrales interferométricas:

• Es posible obtener los datos espectrales de una imagen completa en una longitud de onda específica en el mismo momento.

• Pero si desea obtener los datos espectrales en otras longitudes de onda, tiene que mover el interior del prisma después de otro momento para obtener toda la imagen no está en otras longitudes de onda de la longitud de onda de los datos.

• Esta es una característica muy importante, y ahora hay cámara hiperespectral extranjera de este principio (nadie ha hecho), el precio no es caro de hacer. Su enfoque consiste en utilizar una cavidad Fabry Polo (FPI) como un dispositivo espectroscópico.

Pero este principio de la cámara hiperespectral, tiene una desventaja muy definida en su aplicación.

Por ejemplo, si queremos hacer una aplicación para elegir el plástico deseado en un montón de plásticos. Lo más sencillo es

Tomar una imagen hiperespectral del montón de plásticos.

Comparar cada punto del espectro espectral en la imagen para ver a qué plástico pertenece.

Si utiliza una cámara hiperespectral de tipo raster para obtener imágenes de barrido lineal. Dado que los datos espectrales en todas las longitudes de onda se adquieren simultáneamente para cada punto de la imagen, se puede analizar todo el perfil espectral de cada punto.

Sin embargo, si se utiliza una cámara hiperespectral interferométrica, por ejemplo, es posible obtener datos espectrales a 600 nanómetros en un punto de toda la imagen. Es necesario mover el objetivo (lo que lleva cierto tiempo) antes de poder obtener la imagen espectral a 700 nm. Pero como no se obtienen imágenes de 600 nm y 700 nm en el mismo momento. Es posible que la intensidad de la luz y el espectro de la fuente de luz iluminante hayan cambiado durante el tiempo en que se movió la lente. Por tanto, en este caso, la comparación de los datos a 600 nm y 700 nm se ve afectada por la intensidad y el espectro de la fuente de luz iluminante y no tiene sentido.

La espectroscopia interferométrica sigue siendo una opción excelente para aplicaciones que no requieren la comparación y el cálculo de datos a diferentes longitudes de onda. Pero la gran mayoría de las aplicaciones requieren la comparación y el cálculo de datos a diferentes longitudes de onda. Esto limita enormemente su aplicación.

Cámara hiperespectral con filtro

Como hice una cámara hiperespectral de tipo filtro cuando estudiaba, hay muchas cosas que quiero decir aquí.

El principio de una cámara hiperespectral basada en filtros consiste en poner un filtro delante de una cámara normal, igual que llevamos gafas de sol para los ojos humanos. Si el filtro tiene un ancho de banda lo suficientemente estrecho, o rango espectral, entonces es posible medir espectralmente la luz que se deja pasar.

Características son: barato, pero la resolución espectral no es alta, un momento puede ser una longitud de onda de toda la imagen de imágenes, no todas las longitudes de onda al mismo tiempo de imágenes

Aunque en la actualidad se puede conseguir una resolución espectral relativamente alta mediante métodos computacionales de obtención de imágenes, esto introduce el problema de la linealidad de la energía, que se tratará con más detalle más adelante.

Según el filtro, es decir, de qué manera se colocan las gafas de sol en el sensor Las cámaras hiperespectrales basadas en filtros pueden subdividirse en:

• Tipo de filtro rotativo

• Tipo de filtro de cuña

• Tipo de filtro sintonizable

• Filtro de puntos cuánticos

Cámara hiperespectral con filtro giratorio

La estructura de la cámara hiperespectral de rueda de filtros se muestra en la figura siguiente, que toma la rueda de filtros como elemento espectral, y obtiene las imágenes espectrales de diferentes longitudes de onda girando la rueda de filtros, para completar la separación espectral de la luz compuesta a luz monocromática. La rueda de filtros suele ser un conjunto de filtros de banda estrecha con diferente transmitancia de longitud de onda fijados en la estructura de la rueda, y cada exposición utiliza un filtro. Controlar la velocidad de rotación de la rueda de filtros, de forma que su frecuencia de rotación y la frecuencia de muestreo del sensor se sincronicen, garantizando así que cada filtro correspondiente a la banda espectral pueda ser visualizado en el sensor.

Ventajas:

El dispositivo clave de la cámara hiperespectral de rueda de filtros es la rueda de filtros, que puede sustituirse por la rueda de filtros de la gama espectral correspondiente según las distintas bandas de observación.

La estructura del camino óptico es sencilla, y el rango espectral puede sustituirse con flexibilidad.

Desventajas

Sin embargo, dado que la conmutación entre canales espectrales necesita depender de la rotación de la estructura de la rueda, la vibración causada por la estructura giratoria tiene un impacto más obvio en la calidad de la imagen, y el tiempo de exposición necesario para la imagen es más largo;

Y una sola exposición sólo puede obtener la imagen del rango espectral especificado, la curva de respuesta espectral es discreta, no puede obtener la imagen de la banda espectral continua, existe un problema de tiempo real.

Al mismo tiempo, la coplanaridad de cada filtro en la rueda de filtros y la uniformidad del espesor también traerán problemas como el desenfoque de la imagen.

Con el desarrollo de la tecnología de imágenes espectrales, el número de bandas de detección está aumentando, la rueda de filtros ya no puede satisfacer la observación de alta resolución de bandas espectrales amplias, por lo que se utiliza cada vez más en la detección multiespectral.

::: ¡¡¡¡Nota: Las cámaras multiespectrales actuales pertenecen básicamente a esta categoría!!!! :::

Ejemplos

En 1994, EE.UU. lanzó con éxito el satélite de exploración lunar Clementine, la carga útil del satélite: Cámara UV/VIS, cámara NIR y cámara HIRES se utilizan en la rueda de filtros, cubriendo la banda de ondas y los parámetros relevantes de la rueda de filtros como se muestra en la siguiente tabla.Telescopio espacial James Webb JWST (desarrollado por la NASA)

Las ruedas de filtros se utilizan en la cámara-espectrómetro de infrarrojos de onda media MIRI y en el espectrómetro multiobjetivo de infrarrojos cercanos NIRSpec de a bordo.

¿Qué es una carga útil?

Se refiere a los instrumentos, equipos, personal, organismos de prueba y especímenes de prueba que se transportan a bordo de una nave espacial para cumplir directamente una misión específica que debe realizar la nave en órbita.

NIRSpec utiliza una rueda de filtros en combinación con una rueda de rejilla, donde el propósito principal de la rueda de filtros es descomponer la onda de luz en sus diferentes componentes, y luego combinarla con la rueda de rejilla para un análisis espectral más detallado. La figura siguiente muestra el diagrama esquemático de la rueda de filtros utilizada por NIRSpec, que cubre un rango espectral de 0,6~5 um y consta de cuatro filtros de borde, dos filtros de banda para diferentes bandas espectrales, un filtro transparente para la captura de objetivos y un reflector para la calibración en órbita. La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de la rueda de filtros utilizada en NIRSpec y la estructura auxiliar de la rueda de filtros.

MIRI (una de las principales cargas útiles del JWST): MIRI consta principalmente de un generador de imágenes y dos espectrómetros, SPO y SMO, que se encargan de la generación de imágenes y el análisis espectral a baja y media resolución en la banda del infrarrojo medio de 5~28 uum. La rueda de filtros del MIRI desempeña principalmente la función de conectar la imagen y la espectroscopia. Como se muestra en la figura, la rueda de filtros está dividida en 18 canales, incluyendo diez filtros de imagen, cuatro filtros coronales, un filtro de densidad media, un prisma doble, una lente y una posición clara y oscura contrapesada con el prisma. A continuación se muestra un esquema de la rueda de filtros del MIRI.

Euclid, uno de los satélites actualmente en desarrollo por la Agencia Espacial Europea.

Euclid se espera que el lanzamiento al segundo punto lagrangiano, la misión principal del satélite es completar la detección de objetivos débiles en todo el sistema extragaláctico dentro de cinco años, la carga útil es principalmente un instrumento de imagen y un instrumento espectroscópico, en el que el instrumento espectroscópico utiliza una rueda de filtros que consta de cuatro filtros para la división del haz, que es principalmente responsable de la detección de la banda de longitud de onda del infrarrojo cercano, en el que cada filtro tiene una inclinación de 8. 5 ° para evitar la formación de imágenes fantasma en el detector para formar una imagen fantasma, la siguiente figura para el instrumento espectroscópico en la rueda de filtros del modelo de diseño temprano utilizado, ahora lo que parece no se conoce.

Cámara hiperespectral de filtro sintonizable

Las cámaras hiperespectrales de filtro sintonizable utilizan filtros sintonizables como elementos espectrales, que se dividen principalmente en cámaras hiperespectrales de filtro sintonizable de cristal líquido (LCTF) y cámaras hiperespectrales de filtro sintonizable acusto-óptico (AOTF) según los diferentes métodos de sintonización. Se trata de cámaras hiperespectrales.

Cámara hiperespectral tipo filtro sintonizable de cristal líquido

Características: caro, delicado, no rentable

Filtro sintonizable de cristal líquido Las cámaras hiperespectrales utilizan la tecnología LCTF para la espectroscopia.

¿Qué es el LCTF?

En chino, es un filtro sintonizable de cristal líquido.

Es como un filtro de interferencia, pero la longitud de onda de la luz transmitida puede controlarse mediante una señal electrónica, lo que permite seleccionar rápidamente y sin vibraciones cualquier longitud de onda del espectro visible o del infrarrojo cercano.

El LCTF se desarrolla a partir del principio de birrefringencia controlada electrónicamente de los cristales líquidos, y consta de varios conjuntos de filtros de tipo Lyot dispuestos en paralelo en cascada.

Para que quede claro:

El siguiente diagrama muestra la estructura de un filtro Lyot de 1 etapa.

Cuando la luz de una determinada longitud de onda atraviesa el primer polarizador, se polariza linealmente, y cuando la luz polarizada linealmente entra en la capa de cristal líquido, se produce birrefringencia, lo que da lugar a luz inusual (luz o) y luz extraordinaria (luz e), que se propagan en la misma dirección pero a velocidades diferentes, por lo que se produce la diferencia de fase entre la luz saliente después de atravesar la capa de cristal líquido.

Después del segundo polarizador, los dos haces de interferencia de luz aparecerán selección de longitud de onda, es decir, se puede decidir qué luz puede pasar y qué luz no.

Cuando la temperatura es determinada, la función de transmitancia del LCTF depende sólo de la longitud de onda y del voltaje, y la selectividad de longitud de onda puede realizarse aplicando un voltaje externo a la capa de cristal líquido utilizando el efecto fotoeléctrico del cristal.

Ventajas:

Principio simple, tamaño pequeño, bajo consumo de energía

La cámara hiperespectral de tipo LCTF modula principalmente la longitud de onda transmitida mediante voltaje, lo que puede realizar una modulación rápida en cualquier rango de banda ancha. En comparación con la cámara hiperespectral de tipo rueda de filtros, no necesita mecanismo de rueda y evita la influencia de microvibraciones, etc., lo que ocupa una posición única en las actuales cargas útiles de satélites ligeros y de pequeño tamaño.

Campo de visión reducido

Las cámaras hiperespectrales de tipo LCTF suelen tener un campo de visión pequeño, lo que resulta adecuado para la obtención de imágenes espectrales de objetivos de muestreo designados con un campo de visión reducido.

Desventajas:

Transmitancia espectral baja, muy baja.

El LCTF, como elemento espectroscópico central, tiene su propio problema de baja transmitancia espectral, lo que limita directamente la capacidad de detección espectral del espectrómetro de imágenes LCTF;

Escasa estabilidad térmica.

El índice de refracción del cristal líquido se ve muy afectado por la temperatura, y la longitud de onda central se desvía significativamente con los cambios de temperatura, lo que también tendrá un cierto impacto en la precisión de la medición espectral.

Un momento (muestreo una vez) sólo puede obtener la totalidad de los datos del objeto a una longitud de onda específica, desea obtener los datos a otras longitudes de onda necesitan ser ajustados (se necesita tiempo), por la fuente de iluminación de la intensidad de la luz y la influencia espectral, por lo que no se puede llevar a cabo a diferentes longitudes de onda de la aritmética espectral. No es bueno para su uso.

Ejemplos

En 2014, Japón lanzó el micro-nano-satélite Rising-2, que se utiliza principalmente para observar escenas de cumulonimbos de alta resolución y fenómenos élficos en la atmósfera superior, y el telescopio de alta precisión (HPT) HPT a bordo puede ser la primera carga útil de satélite que utiliza la tecnología LCTF.El HPT tiene un campo de visión de 0,28 ° × 0,21 °, y el rango espectral de 400~1050 nm, de los cuales el LCTF sólo se utiliza para la espectroscopia en la banda del infrarrojo cercano (650~1.050 nm). El HPT tiene un campo de visión de 0,28°×0,21° y un rango espectral de 400~1050 nm, del cual el LCTF sólo se utiliza para espectroscopia en la banda del infrarrojo cercano (650~1.050 nm), y la siguiente figura muestra el camino óptico del HPI a bordo del Rising-2.

Cámara hiperespectral de tipo filtro sintonizable acústico-óptico (ATOF)

Es cara, así que el ciudadano medio debería abstenerse. Se utiliza en el ejército y en satélites.

Principio

AOTF consiste en un medio acústico-óptico (por lo general un cristal anisotrópico), un conjunto de transductores (PZT) y un terminal acústico. Las ondas acústicas pertenecen a las ondas mecánicas, la propagación en el medio causará cambios en la densidad del medio, lo que conducirá a cambios en la densidad del índice de refracción del medio, la formación de longitud de onda de onda acústica para la constante de rejilla de la rejilla de transmisión, cuando la luz se proyecta al medio acusto-óptico en un ángulo específico se producirá cuando el fenómeno de proyección de línea para completar la separación de la luz de color complejo a la luz monocromática, la cámara hiperespectral de tipo ATOF se desarrolló de acuerdo con este principio.

Ventajas:

Miniaturización

En comparación con la cámara hiperespectral LCTF, la cámara hiperespectral ATOF también tiene la ventaja de la miniaturización, que se puede adaptar al entorno aéreo, de transporte de balas y otros tipos de montaje.

Desventajas

El rango de ajuste de la longitud de onda de la cámara hiperespectral AOTF depende de la banda de paso del producto acústico-óptico. Aunque los cristales de óxido de telurio (TeO,) utilizados habitualmente pueden cubrir la gama de longitudes de onda de 0,2~4,5 um, el ancho de banda del transductor ultrasónico suele influir en que la gama de sintonización de longitudes de onda se limite a un múltiplo (1x a 2x longitudes de onda)». Por lo tanto, la tecnología LCTF es más competitiva en términos de flexibilidad del rango de modulación.

Un momento (muestreo una vez) sólo puede obtener todos los datos del objeto en una longitud de onda específica, y si desea obtener los datos en otras longitudes de onda, es necesario ajustar (se necesita tiempo), y se ve afectada por la intensidad de la luz y el espectro de la fuente de iluminación, por lo que no se puede utilizar para la aritmética espectral en diferentes longitudes de onda. No es bueno para su uso.

Ejemplo

En 2013, China lanzó el módulo de aterrizaje lunar Chang'e-3 a bordo de la cámara hiperespectral de tipo ojeador VNIS, que también adopta el principio espectral de la AOTF; la siguiente figura muestra el diseño esquemático de la AOTF.El rango espectral de la VNIS es de 0,45~2,4 um, el campo de visión (FOV) de las longitudes de onda visibles es de 60x6°, y el FOV de las longitudes de onda del infrarrojo cercano es de 30x3°. El rango espectral del VNIS es de 0,45~2,4 um, el campo de visión en la banda visible es de 60x6°, y el campo de visión en la banda del infrarrojo cercano es de 30x3°. El VNIS utiliza una frecuencia de RF ajustable de forma continua de 40 a 180 MHz, y alcanza una resolución espectral de menos de 8 nm en la banda de 450~950 nm y de menos de 12 nm en la banda de 900~2400 nm, lo que proporciona datos de exploración científica para la composición de los minerales que vagan por la superficie lunar.1 Se trata de la primera aplicación espacial de este tipo de tecnología en China. Se trata de la primera aplicación espacial de este tipo de tecnología en China.

Cámara hiperespectral con filtro de cuña

La cámara hiperespectral de tipo filtro de cuña, también conocida como cámara hiperespectral de tipo filtro de gradiente, puede realizar un muestreo continuo en las regiones espectral y espacial, su concepto de diseño es un medio de película fina multicapa en forma de cuña como filtro, e instalado en la posición inmediatamente adyacente al detector de matriz bidimensional, de modo que un número de elementos del detector y una determinada banda espectral del filtro de gradiente se correspondan entre sí, la siguiente figura muestra la modulación del espesor de la capa resonante del filtro de cuña.

La cámara hiperespectral de tipo filtro de gradiente se basa principalmente en imágenes de escaneo de empuje, la dirección del escaneo de empuje y la dirección del gradiente de longitud de onda es la misma, a través del escaneo del objetivo se pueden medir para obtener los datos completos, la imagen corresponde a todas las bandas de trabajo. La longitud de onda central del filtro de gradiente también cambiará. Debido al filtro de gradiente de longitud de onda central diferente del espesor de la película correspondiente cambia lentamente, traerá la complejidad de la estructura de la película, el número de capas y otras cuestiones, pero en los últimos años, con la mejora del proceso de recubrimiento, el filtro de gradiente de transmitancia espectral puede alcanzar el 70%, la resolución espectral puede alcanzar el 1%. Según la correspondencia entre las bandas del filtro de gradiente y el elemento de imagen del detector, la cámara hiperespectral de filtro de gradiente puede dividirse en:

• Tipo de gradiente lineal

• Tipo de matriz de filtros

Filtro variable lineal

El filtro lineal variable (LVF) es un tipo especial de filtro cuyas características espectrales cambian linealmente con la posición, y que puede descomponer la compleja luz de color emitida por una persona en espectros relacionados con la posición del filtro. Los LVF están disponibles en paso banda, paso alto, paso bajo, etc. Los filtros variables lineales que se utilizan habitualmente en los espectrómetros de formación de imágenes son generalmente filtros variables lineales F-P de paso de banda estrecho basados en el principio de interferencia este multióptico. El principio se muestra a continuación:

Los filtros graduados de banda estrecha FP suelen consistir en dos capas de película reflectante con una capa de cavidad de espesor graduado, con la longitud de onda central en cada posición variando continua y linealmente en la dirección del gradiente. Es algo parecido a la imagen siguiente.

Ventajas:

• Recorrido óptico compacto, gran resistencia a las vibraciones

• El filtro de gradiente lineal y el detector de matriz de superficie juntos forman una cámara hiperespectral de tipo filtro de gradiente lineal, este tipo de cámara hiperespectral y la cámara hiperespectral de tipo rejilla tienen ventajas en comparación.

• Es barata. Ahora con pulverización catódica de iones puede ser un gran número de barato de hacer.

• Doméstica puede participar en, Changchun Instituto de Maquinaria Óptica para participar en más. Dado que la máquina de recubrimiento de pulverización de iones es ahora más barato, por lo que las fábricas nacionales también pueden participar. Basta con preguntar, muchos de ellos pueden hacerlo

• La resolución espectral (anchura de media onda) también es bastante alta, hasta 11 nm (por debajo), pero todavía no es tan alta como el tipo de dispersión de rejilla.

• Alta transmitancia espectral, superior a la de las rejillas

Desventaja:

• Problema clave: para este tipo de cámara con principio de filtro interferométrico, si se quiere obtener una transmitancia espectral precisa, hay que asegurarse de que la luz incida normal (es decir, perpendicular) a la superficie del filtro, y si la luz incide con un ligero ángulo, se producirán errores espectrales muy grandes.

• Otra cuestión clave: debido a la diferente transmitancia espectral del filtro en el sensor de imágenes en realidad corresponde a diferentes posiciones del objeto, desea obtener una distribución hiperespectral completa de una imagen, de hecho, y la línea de exploración del mismo movimiento relativo.
  

  
  

• Y el mismo punto en el objeto, desea obtener los datos espectrales a diferentes longitudes de onda, también necesitan moverse para obtener diferentes datos espectrales.

• Es decir, en un momento dado, los datos espectrales de todos los puntos de una línea en el objeto a una longitud de onda se pueden obtener al mismo tiempo.

• Los datos espectrales de todos los puntos de un objeto en todas las longitudes de onda sólo pueden obtenerse moviendo el objeto y la cámara uno respecto al otro.

::: Este párrafo no es lo suficientemente claro como para que la gente piense si puede entenderlo.

Esta es la cuestión clave.

Es mucho peor que una cámara espectral dispersiva de rejilla ！！！！！

Esto es muy crítico ！！！！！

No hay manera de hacer operaciones entre diferentes espectros de datos hiperespectrales en este caso. La razón ya se ha dicho antes. :::

Ejemplo:

En 2020, el Instituto de Changchun de Maquinaria de Precisión Óptica y Física de la Academia China de Ciencias, Liu Chunyu «equipo para utilizar el filtro de gradiente lineal no está limitado por las características de la rendija, en combinación con la tecnología TDI de dominio digital, para resolver la cámara hiperespectral de alta resolución pequeña y ligera portadora de estrellas relación señal-ruido es insuficiente, el desarrollo de una banda de longitud de onda de trabajo de 0,4 ~ 1 um, la resolución del suelo de 10m, la resolución espectral media de 8,9 nm, la calidad total del sistema es de 7,9 nm. El equipo ha desarrollado un espectrómetro de imágenes hiperespectrales ligero y pequeño, transportado por una estrella, con una banda operativa de 0,4~1 um, una resolución terrestre de 10 m, una resolución espectral media de 8,9 nm y una masa total del sistema de 7 kg. Las filas PI~P3 del detector principal se visualizan consecutivamente muchas veces, y el número de electrones visualizados varias veces puede sumarse para mejorar la relación señal-ruido de la imagen. Ese mismo año, el equipo también anunció una cámara hiperespectral de alta resolución y gran anchura que utiliza la tecnología de empalme de múltiples detectores de filtro de gradiente, que tiene una anchura de 150 km en una órbita de 500 km y una masa de sólo 9,2 kg Pl. La figura siguiente muestra el esquema del filtro de gradiente lineal y el TDI de dominio digital.

Cámara hiperespectral con matriz de filtros

Una matriz de filtros es una estructura periódica formada por una disposición repetitiva de primitivos, que puede dividirse en n regiones, y la longitud de onda central que atraviesa cada región se controla ajustando el grosor de la capa de película en cada región, de modo que la detección espectral a nivel de píxel puede realizarse por correspondencia uno a uno entre la matriz de filtros y el elemento de imagen del detector.

::: Aunque cada píxel corresponde a un espectro, en realidad diferentes espectros corresponden a diferentes píxeles del sensor, y la imagen corresponde a diferentes posiciones del objeto, es decir, los datos de cada longitud de onda en un punto de la imagen hiperespectral obtenida son en realidad diferentes puntos del objeto que están muy próximos entre sí ！！！！ ¡Esta es una cuestión clave que hay que tener en cuenta! :::

La figura siguiente muestra un esquema de la distribución del conjunto de filtros. Tras la adquisición de datos, los elementos de la imagen correspondientes a la misma región dentro de diferentes primitivas se empalman para obtener la información completa de la banda espectral correspondiente a esa posición.

Ventajas:

La cámara hiperespectral de matriz de filtros requiere que la matriz de filtros coincida con el elemento de imagen del detector al detectar, y un área de coincidencia demasiado pequeña provocará un mayor error de alineación del sistema, lo que tendrá un cierto impacto en la calidad final de la imagen espectral.

En comparación con la cámara hiperespectral de barrido de empuje tradicional, la cámara adquiere la información espectral y la información de la imagen en la forma de disparo de la mirada (es decir, una vez puede obtener toda la imagen hiperespectral, específicamente significa que puede obtener un momento para obtener una imagen completa de un objeto, en el que cada punto puede obtener todas las longitudes de onda de los datos), y puede llevar a cabo imágenes hiperespectrales de vídeo, lo que tiene ventajas obvias en los campos de la detección de objetivos oscuros y débiles, la observación astronómica, la detección aerotransportada y la vigilancia de la seguridad. Las ventajas son más evidentes en el campo de la detección de objetivos oscuros y débiles, la observación astronómica, la detección aerotransportada y la vigilancia de la seguridad.

Desventajas:

Los requisitos no son altos si se puede utilizar, pero no mucho uso, este caso no hay manera de hacer la operación entre diferentes espectros de datos hiperespectrales. No hay manera de hacer las operaciones entre diferentes espectros de datos hiperespectrales en este caso, por las razones mencionadas anteriormente.

Aunque cada píxel corresponde a un espectro, de hecho, diferentes espectros corresponden a diferentes píxeles del sensor, y corresponden a diferentes posiciones del objeto al obtener la imagen, es decir, ¡cada longitud de onda de los datos en un punto de la imagen hiperespectral es en realidad un punto diferente del objeto que está muy cerca de ！！！！! Esta es una cuestión crítica que hay que tener en cuenta. Otro recordatorio. No hay manera de hacer operaciones entre diferentes espectros de datos hiperespectrales en este caso. La razón ya se ha indicado anteriormente.

Ejemplo:

Liu Chunyu y Xie Yunqiang, del Instituto de Maquinaria y Física Óptica de Precisión de Changchun, de la Academia China de Ciencias, diseñaron un filtro de nivel de píxel de 16 canales (4 × 4) con una anchura de media onda de unos 25 nm para puertas de cámaras hiperespectrales de infrarrojos de onda corta, y los filtros y toda la máquina utilizada se muestran en las Figs. La cámara espectral consta de un objetivo fotográfico, un filtro de píxeles, un objetivo relé y un detector pancromático, y las longitudes de onda centrales de los 16 canales del filtro son 1131, 1163, 1199, 1238, 1259, 1301, 1339, 1381, 1413, 1456, 1495, 1532, 1600, 1636, 1669 nm, con 640 × 512 unidades de filtro, cada una de las cuales tiene una anchura de media onda de unos 25 nm. 512 unidades de filtro, cada una con un tamaño de 15 um × 15 um.

Espectrómetro con filtro de puntos cuánticos

Los puntos cuánticos, también conocidos como «nanocristales», son materiales inorgánicos con alta autoestabilidad y un radio menor que el radio del excitón borr de la masa. El color es el estado intrínseco de la materia, en general, el color de los macromateriales no cambiará debido al cambio de la forma y el volumen del propio material, mientras que los puntos cuánticos como una especie de nanomateriales de tamaño muy pequeño, su color cambiará debido al aumento o disminución del número de sus propios átomos, es decir, para cambiar la forma y el tamaño de los puntos cuánticos se puede sintonizar con el rango espectral de su absorción, el uso de los puntos cuánticos del espectro de las características de sintonización de los espectros para ser capaz de lograr la función de la espectroscopia. El uso de la propiedad de sintonización de puntos cuánticos del espectro puede realizar la función de la espectroscopia. La integración de puntos cuánticos de diferentes tamaños en el mismo sustrato puede considerarse una forma especial de filtro. Puntos cuánticos individuales son extremadamente sensibles a las ondas de luz transmitida, un control razonable del tamaño, forma y disposición de los puntos cuánticos se puede realizar en el espectro de detección continua y precisa; la integración de diferentes tipos de puntos cuánticos juntos, se puede realizar la detección de diferentes longitudes de onda al mismo tiempo, Espectrómetros de puntos cuánticos (espectrómetros de puntos cuánticos coloidales, CQDs) se desarrolla basado en el principio de la obra de los puntos cuánticos, la obra de los puntos cuánticos se puede lograr. Los CQDs se desarrollan basándose en este principio, y su principio de funcionamiento se muestra en la figura.

Pros:

Pequeños, baratos, excepcionalmente baratos, nuevas ideas para la promoción de espectrómetros en miniatura.

Desventajas:

::::

Sin embargo, debido al hecho de que los puntos cuánticos sintonizan las ondas de luz de forma similar a los filtros, existe un grave problema de ruido en la inversión espectral, lo que impulsa en gran medida el desarrollo de algoritmos de reconstrucción espectral específicos.

Actualmente, la resolución espectral puede ser muy alta con la introducción de algoritmos de reconstrucción espectral a través del aprendizaje automático y el aprendizaje profundo. Sin embargo, para la «linealidad de energía» más crítica en el análisis espectral, hay un problema muy grande, por lo que no se puede utilizar ampliamente por las razones más críticas.

¿Qué significa?

En el espectrómetro de puntos cuánticos de uso común algoritmos de reconstrucción espectral, el status quo dará lugar a una operación similar «anti-convolución», la precisión de cálculo de la energía no es lo suficientemente buena. Es decir, la medición real del espectrómetro de punto cuántico sólo puede obtener la energía espectral a 600nm,650nm, después de aplicar el algoritmo de reconstrucción espectral, se puede obtener la energía espectral de 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm, pero la energía espectral obtenida por el algoritmo de reconstrucción espectral no es tan buena como la energía espectral calculada por el algoritmo de reconstrucción espectral de 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,640nm. 630nm,610nm,620nm,640nm,650nm calculadas por el algoritmo de reconstrucción espectral, pero la diferencia entre las energías espectrales de 600nm,610nm,620nm,630nm,640nm,650nm calculadas por el algoritmo de reconstrucción espectral y las energías espectrales reales es muy grande.

En el análisis espectral NIR, debido a que la señal es muy débil, una desviación del 1% o 2% en la energía puede tener un impacto muy grande en los resultados del análisis espectral, lo que resulta en una precisión de modelado muy pobre.

En el caso de la luz visible, una desviación del 1% o 2% en la energía dará lugar a una diferencia de color dEab superior a 1, lo que es inaceptable en la evaluación de las diferencias de color.

Sin embargo, para el campo civil menos exigente, como la función fotográfica de los teléfonos móviles, esta tecnología de puntos cuánticos aplicada a una de las múltiples cámaras de los teléfonos móviles, puede conseguir mejor la toma de color verdadero, restaurar el color verdadero u optimizar el color. Se espera que pronto se puede ver un programa de este tipo.

Sin embargo, si se utiliza para el análisis espectral, esta tecnología para recorrer un largo camino, no soy muy optimista. Ahora, en las instituciones de investigación para hacer un buen montón de empresas tienen Shanghai y la luz, Nanjing Micro-Nano, Shenzhen (se me olvida). :::.

Ejemplo:

En 2015, Bao Jie y otros, de la Universidad de Tsinghua, introdujeron por primera vez el concepto de espectrómetro de puntos cuánticos. Aprovechando el diminuto tamaño de los puntos cuánticos, concentraron 195 tipos de puntos cuánticos en la misma película delgada y unieron la película a una matriz de microdetectores para constituir un microespectrómetro de puntos cuánticos. En teoría, el espectrómetro de puntos cuánticos puede cubrir un rango espectral de 0,2~5 um. Este nuevo tipo de espectrómetro reduce en gran medida el volumen y la calidad del instrumento, sin afectar a la resolución ni a la eficacia del propio espectrómetro.

En 2021, el equipo de Huiyu Li investigó un espectrómetro de puntos cuánticos para la banda espectral del infrarrojo cercano. Seleccionaron puntos cuánticos de PbS y PbSe, y realizaron el ajuste espectral de los dos tipos de puntos cuánticos controlando los parámetros clave, como la síntesis alternante, el intercambio de ligandos y el intercambio de cationes, etc. El equipo utilizó 195 puntos cuánticos para la integración, que se empleó como elemento filtrante, y seleccionó un semiconductor de óxido metálico como detector, lo que constituyó el espectrómetro de puntos cuánticos de infrarrojo cercano. El equipo utilizó 195 puntos cuánticos como elementos filtrantes y semiconductores de óxido metálico como detectores para formar un espectrómetro de puntos cuánticos en el infrarrojo cercano. La figura 24 muestra el diagrama esquemático del espectrómetro de puntos cuánticos de infrarrojo cercano desarrollado por el equipo, que tiene un rango espectral de 0,9~1,7 um, y una tasa media de separación espectral de hasta 6 nm.

Resumen:

Si se requiere resolución espectral, el tipo de dispersión de rejilla es la elección óptima.

Si el requisito de resolución espectral es bajo, opte por una cámara hiperespectral con filtros tradicionales. Pero no puede funcionar con varias longitudes de onda.

Espero que la tecnología de puntos cuánticos pueda perfeccionarse.