Что такое гиперспектральная камера?Принципы и применение в одной статье

Что такое гиперспектральная камера?Принципы и применение в одной статье

Гиперспектральная камера, также известная как гиперспектральный визуальный спектрометр, представляет собой устройство обнаружения, которое объединяет спектральное получение и получение изображений цели и использует технологию визуализирующей спектроскопии для выполнения спектрального изображения одной и той же цели в непрерывных спектральных диапазонах, завершая интеграцию пространственной, радиометрической и спектральной информации о цели, что значительно расширяет информационные измерения наблюдения за целью.

Какие виды гиперспектральных камер существуют?

Существующие гиперспектральные камеры подразделяются на три основных типа по принципу спектроскопии:

Дисперсионные

Интерференционные

Фильтровые

Дисперсионная гиперспектральная камера - решетчатого дисперсионного типа

Особенности: недорогая, высокое спектральное разрешение, все длины волн могут быть отображены одновременно, но только одна линия может быть отображена одновременно

Дисперсионные гиперспектральные камеры обычно используют дисперсионный элемент (решетку или призму) для спектроскопии перед тем, как система формирования изображения поместит изображение на детектор. На следующем рисунке показан конкретный принцип решетчатой дисперсионной гиперспектральной камеры.

Если мы хотим измерить фигуру этого листа в каждой точке гиперспектральных данных, через падающий свет, отраженный от поверхности решетки, падающий свет в этой

точке разбивается на различные длины волн распределения энергии, а затем через ряд пикселей датчиков на определенных различных длинах волн измеряемой энергии.

На этом рисунке показана необходимость отражательной решетки или пропускающей решетки для разделения света.

Преимущество этого подхода заключается в том, что все точки на линии могут быть обработаны одновременно. Затем энергия на различных длинах волн в каждой точке

может быть измерена одновременно. Вот почему большинство гиперспектральных камер на основе решеток спроектированы как камеры линейного сканирования. Спектр

альные данные всех длин волн каждой точки на линии собираются одновременно. Поскольку спектральные данные на различных длинах волн каждой точки собираются

одновременно, спектральные данные на различных длинах волн этой точки могут быть рассчитаны одновременно. Это очень важная особенность типа решетки. Растров

ые гиперспектральные камеры особенно подходят для таких приложений, как измерение цвета, классификация и качество фруктов, определение шкалы Брикса и классиф

икация пластика при переработке пластиковых отходов, поскольку эти приложения требуют одновременного вычисления различных длин волн в каждой точке для вычисл

ения желаемых результатов.

Но если мы хотим получить полное изображение гиперспектральных данных, а не просто линию гиперспектральных данных, нам нужно заставить эту сканирующую лини

ю гиперспектральную камеру и этот лист производить относительное движение между листьями, как показано на рисунке ниже, сканируя на сканер. Таким образом, можн

о получить гиперспектральные данные всего изображения листа.

Теперь решетчатая дисперсионная гиперспектральная камера имеет самую сильную спектральную способность из всех средств, то есть самое высокое спектральное разрешение, самую высокую экономическую эффективность и самый широко используемый тип гиперспектральной камеры. 2020 лет назад цена гиперспектральной камеры зарубежного производства все еще продавалась по цене 400 ~ 500 000 юаней. Но сейчас цена гиперспектральной камеры, произведенной Hangzhou Color Spectrum, в Китае составляет менее 100 000 юаней. Поэтому она очень экономически эффективна. Она широко используется при измерении цвета, классификации фруктов и измерении качества, особенно при обнаружении сахара и кислотности, а также при переработке пластиковых отходов.

Интерферометрическая гиперспектральная камера

Интерферометрическая гиперспектральная камера в основном использует соответствие между интерферограммой и спектральной картой, с помощью интерферометра для измерения интенсивности интерференции элементов спектральной линии и обратного преобразования Фурье интерферограммы для получения спектральной карты цели. Конкретный принцип показан на рисунке

Характеризуется: дороговизной, высоким спектральным разрешением, момент всего изображения может быть отображен на длине волны, не все длины волн одновременно.

Интерферометрические гиперспектральные камеры характеризуются:

Возможно получить спектральные данные всего изображения на определенной длине волны в тот же момент.

Но если вы хотите получить спектральные данные на других длинах волн, вам придется переместить внутреннюю часть призмы через другой момент, чтобы

получить все изображение не на других длинах волн длины волны данных.

Это очень важная особенность, и сейчас есть зарубежные гиперспектральные камеры этого принципа (никто не делал), цена не высокая. Их подход заключа

ется в использовании резонатора Фабри-Поло (FPI) в качестве спектроскопического устройства.

Но этот принцип гиперспектральной камеры имеет очень определенный недостаток в своем применении.

Например, если мы хотим сделать приложение для выбора нужного пластика в куче пластика. Самое простое, что можно сделать, это:

Сделать гиперспектральное изображение кучи пластика.

Сравнить каждую точку спектрального спектра на изображении, чтобы увидеть, к какому пластику он принадлежит.

Если вы используете растровую гиперспектральную камеру для линейной развертки изображения. Поскольку спектральные данные на всех длинах волн полу

чаются одновременно для каждой точки на изображении, можно проанализировать весь спектральный профиль каждой точки.

Однако, если используется интерферометрическая гиперспектральная камера, например, можно получить спектральные данные на 600 нанометрах в одной

точке на всем изображении. Необходимо переместить объектив (что занимает некоторое время), прежде чем можно будет получить спектральное изображ

ение на 700 нм. Но поскольку 600 нм и 700 нм не отображаются в один и тот же момент. Возможно, интенсивность света и спектр освещающего источника

света изменились за время перемещения линзы. Поэтому в этом случае сравнение данных при 600 нм и 700 нм зависит от интенсивности и спектра освеща

ющего источника света и не имеет смысла.

Интерферометрическая спектроскопия по-прежнему является отличным выбором для приложений, не требующих сравнения и расчета данных на разных д

линах волн. Но подавляющее большинство приложений требуют сравнения и расчета небольшого количества данных на разных длинах волн. Это значител

ьно ограничивает ее применение.

Гиперспектральная камера фильтрового типа

Поскольку я сделал гиперспектральную камеру фильтрового типа, когда учился, мне есть что сказать здесь.

Принцип работы гиперспектральной камеры на основе фильтра заключается в том, чтобы поместить фильтр перед обычной камерой, как мы носим солнцеза

щитные очки для наших человеческих глаз. Если фильтр имеет достаточно узкую полосу пропускания или спектральный диапазон, то можно спектрально из

мерить свет, который может пройти через него.

Характеристики: дешевизна, но спектральное разрешение невысокое, за один момент можно получить изображение длины волны всего изображения, а не всех длин волн одновременно.

Хотя относительно высокое спектральное разрешение теперь может быть достигнуто с помощью методов вычислительной визуализации, это создает

проблему энергетической линейности, которая будет более подробно рассмотрена позже.

В зависимости от фильтра, т. е. каким образом вы надеваете солнцезащитные очки на датчик? Гиперспектральные камеры на основе фильтров мож

но разделить на:

• Тип вращающегося фильтра

• Тип клинового фильтра

• Тип настраиваемого фильтра

• Фильтр квантовых точек

Гиперспектральная камера с вращающимся фильтром

Структура гиперспектральной камеры с колесом фильтров показана на рисунке ниже, которая использует колесо фильтров в качестве спектрального элем

ента и получает спектральные изображения различных длин волн путем вращения колеса фильтров, чтобы завершить спектральное разделение составно

го света на монохроматический свет. Колесо фильтров обычно представляет собой набор узкополосных фильтров с различным коэффициентом пропуск

ания длин волн, закрепленных на структуре колеса, каждая экспозиция использует фильтр. Управляйте скоростью вращения колеса фильтров, чтобы син

хронизировать его частоту вращения и частоту дискретизации сенсора, тем самым гарантируя, что каждый фильтр, соответствующий спектральному диа

пазону, может быть отображен на сенсоре.

Преимущества:

Ключевым устройством гиперспектральной камеры с колесом фильтров является колесо фильтров, которое можно заменить колесом фильтров соответ

ствующего спектрального диапазона в соответствии с различными полосами наблюдения.

Структура оптического пути проста, а спектральный диапазон можно гибко заменять.

Недостатки

Однако, поскольку переключение между спектральными каналами должно зависеть от вращения конструкции колеса, вибрация, вызванная вращающей

ся конструкцией, оказывает более очевидное влияние на качество изображения, а время экспозиции, необходимое для получения изображения, больше;

И однократная экспозиция может получить изображение только указанного спектрального диапазона, кривая спектрального отклика дискретна, невозмо

жно получить изображение непрерывной спектральной полосы, существует проблема реального времени.

В то же время копланарность каждого фильтра на колесе фильтров и однородность толщины также приведут к таким проблемам, как размытость изоб

ражения.

С развитием технологии спектральной визуализации количество полос обнаружения увеличивается, колесо фильтров больше не может соответствоват

ь высокому разрешению наблюдения широких спектральных полос, поэтому оно все чаще используется в многоспектральном обнаружении.

::: Обратите внимание: многоспектральные камеры в настоящее время в основном относятся к этой категории!!!! :::

Примеры

В 1994 году США успешно запустили лунный исследовательский спутник Clementine, полезная нагрузка спутника: UV/VIS-камера, NIR-камера и HIRES-камера

используются в фильтрующем колесе, охватывая диапазон волн и соответствующие параметры фильтрующего колеса, как показано в таблице ниже.

Космический телескоп имени Джеймса Уэбба JWST (разработан NASA)

Фильтрующие диски используются в средневолновой инфракрасной камере-спектрометре MIRI и ближнем инфракрасном многоцелевом спектрометре

NIRSpec на борту.

Что такое полезная нагрузка?

Она относится к приборам, оборудованию, персоналу, тестовым организмам и тестовым образцам, которые перевозятся на борту космического корабл

я для непосредственного выполнения определенной миссии, которую должен выполнить космический корабль на орбите.

NIRSpec использует фильтрующий диск в сочетании с решетчатым диском, где основная цель фильтрующего диска — разбить световую волну на разли

чные компоненты, а затем объединить ее с решетчатым диском для более подробного спектрального анализа. На рисунке ниже показана принципиальная

схема фильтрующего диска, используемого NIRSpec, который охватывает спектральный диапазон 0,6–5 мкм и состоит из четырех краевых фильтров, двух

полосовых фильтров для различных спектральных диапазонов, прозрачного фильтра для захвата цели и отражателя для калибровки на орбите. На следую

щем рисунке показана принципиальная схема колеса фильтров, используемого в NIRSpec, а также вспомогательная конструкция колеса фильтров.

MIRI (одна из основных полезных нагрузок JWST): MIRI в основном состоит из формирователя изображений и двух спектрометров, SPO и SMO, которые отвечают за формирование изображений и спектральный анализ с низким и средним разрешением в среднем инфракрасном диапазоне 5~28 мкм. Колесо фильтров в MIRI в основном играет роль соединения формирования изображений и спектроскопии. Как показано на рисунке, колесо фильтров разделено на 18 каналов, включая десять фильтров изображений, четыре коронарных фильтра, один фильтр средней плотности, двойную призму, линзу и положение света и тени, уравновешенное призмой. Ниже приведена схема колеса фильтров на MIRI.

«Евклид» — один из спутников, разрабатываемых в настоящее время Европейским космическим агентством.

Ожидается, что Euclid будет запущен во вторую точку Лагранжа, основная миссия спутника - завершить обнаружение слабых целей по всей внегалактической системе в течение пяти лет, полезная нагрузка в основном состоит из инструмента для получения изображений и спектроскопического инструмента, в котором спектроскопический инструмент использует колесо фильтров, состоящее из четырех фильтров для разделения пучка, которое в основном отвечает за обнаружение ближнего инфракрасного диапазона длин волн, в котором каждый фильтр имеет наклон 8,5°, чтобы предотвратить формирование фантомных изображений на детекторе для формирования фантомного изображения, следующее изображение для инструмента для спектроскопии в колесе фильтров ранней модели, используемой сейчас, как он выглядит, неизвестно.

Гиперспектральная камера с настраиваемым фильтром

Гиперспектральные камеры с настраиваемым фильтром используют настраиваемые фильтры в качестве спектральных элементов, которые в основном деля

тся на гиперспектральные камеры с жидкокристаллическим настраиваемым фильтром (LCTF) и гиперспектральные камеры с акустооптическим настраиваем

ым фильтром (AOTF) в соответствии с различными методами настройки. Камера представляет собой высокоспектральную камеру.

Гиперспектральная камера с настраиваемым фильтром на жидких кристаллах

Характеристики: дорогой, деликатный, нерентабельный

Гиперспектральные камеры с жидкокристаллическим перестраиваемым фильтром используют технологию LCTF для спектроскопии.

Что такое LCTF?

На китайском это жидкокристаллический перестраиваемый фильтр.

Он похож на интерференционный фильтр, но длина волны проходящего света может управляться электронным сигналом, который может быстро и без виб

рации выбирать любую длину волны в видимом или ближнем инфракрасном спектре.

LCTF разработан на основе принципа электронно-управляемого двулучепреломления жидких кристаллов и состоит из нескольких наборов фильтров типа

Лио, расположенных параллельно в каскаде

.

Для ясности:

На схеме ниже показана структура одноступенчатого фильтра Лио.

Когда свет определенной длины волны проходит через первый поляризатор, он становится линейно поляризованным, а когда линейно поляризованный

свет попадает в слой жидкого кристалла, происходит двойное лучепреломление, в результате чего возникает необычный свет (o-свет) и необыкновенный

свет (e-свет), которые распространяются в одном направлении, но с разной скоростью, и, таким образом, возникает разность фаз между исходящим светом

после прохождения через слой жидкого кристалла.

После второго поляризатора два пучка света интерференции проявят селекцию длины волны, то есть можно решить, какой свет может пройти, а какой нет.

Когда температура определена, функция пропускания LCTF зависит только от длины волны и напряжения, а селективность длины волны может быть реализ

ована путем приложения внешнего напряжения к слою жидкого кристалла с использованием фотоэлектрического эффекта кристалла.

Преимущества:

Простой принцип, малый размер, низкое энергопотребление

Гиперспектральная камера типа LCTF в основном модулирует передаваемую длину волны напряжением, что позволяет реализовать быструю модуляцию в

любом широком диапазоне частот. По сравнению с гиперспектральной камерой с фильтрующим колесом, ей не нужен колесный механизм, и она избегает

влияния микровибрации и т. д., что занимает уникальное положение в современных легких и малогабаритных спутниковых полезных нагрузках.

Малое поле зрения

Гиперспектральные камеры типа LCTF обычно имеют малое поле зрения, что подходит для спектральной визуализации определенных целей отбора проб

с малым полем зрения.

Недостатки:

Низкий спектральный коэффициент пропускания, очень низкий.

LCTF как основной спектроскопический элемент, его собственная проблема низкого спектрального коэффициента пропускания, которая напрямую ограни

чивает спектральную способность обнаружения спектрометра визуализации LCTF;

Плохая температурная стабильность.

Показатель преломления жидкого кристалла сильно зависит от температуры, а центральная длина волны значительно дрейфует с изменениями температ

уры, что также окажет определенное влияние на точность спектральных измерений.

За один момент (однократная выборка) можно получить все данные об объекте только на определенной длине волны, для получения данных на других

длинах волн необходимо выполнить настройку (это занимает время) источником освещения, интенсивностью света и спектральным влиянием, поэтому

ее нельзя выполнять на разных длинах волн спектральной арифметики. Она не подходит для использования.

Примеры

В 2014 году Япония запустила микро-наноспутник Rising-2, который в основном используется для наблюдения за кучево-дождевыми облаками с высоким

разрешением и явлениями эльфов в верхних слоях атмосферы, а высокоточный телескоп (HPT) HPT на борту может стать первой полезной нагрузкой спу

тника, использующей технологию LCTF. HPT имеет поле зрения 0,28 ° × 0,21 ° и спектральный диапазон 400~1050 нм, где LCTF используется только для спе

ктроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне (650~1050 нм). HPT имеет поле зрения 0,28°×0,21° и спектральный диапазон 400~1050 нм, из которых L

CTF используется только для спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне (650~1050 нм), а на следующем рисунке показан оптический путь HPI н

а борту Rising-2.

Акустооптическая гиперспектральная камера с настраиваемым фильтром (ATOF)

Это дорого, поэтому среднестатистическому человеку стоит отступить. Это используется в военных целях и спутниках.

Принцип

AOTF состоит из акустооптической среды (обычно анизотропного кристалла), матрицы преобразователей (PZT) и акустического терминала. Акустические

волны относятся к механическим волнам, распространение в среде вызовет изменения плотности среды, что приведет к изменениям плотности показат

еля преломления среды, образованию длины волны акустической волны для постоянной решетки пропускающей решетки, когда свет проецируется на

акустооптическую среду под определенным углом, произойдет явление проекции линии для завершения разделения сложного цветного света на моно

хроматический свет, гиперспектральная камера типа ATOF была разработана в соответствии с этим принципом.

Преимущества:

Миниатюризация

По сравнению с гиперспектральной камерой LCTF, гиперспектральная камера ATOF также имеет преимущество миниатюризации, которая может быть а

даптирована к воздушной, пулевой и другим типам монтажной среды.

Недостатки

Диапазон настройки длины волны гиперспектральной камеры AOTF зависит от полосы пропускания акустооптического продукта. Хотя обычно используем

ые кристаллы оксида теллура (TeO,) способны охватывать диапазон длин волн 0,2–4,5 мкм, полоса пропускания ультразвукового преобразователя часто вл

ияет на диапазон настройки длины волны, ограничиваясь кратностью (от 1 до 2 длин волн)". Поэтому технология LCTF более конкурентоспособна с точки

зрения гибкости диапазона модуляции.

Момент (однократная выборка) может получить все данные объекта только на определенной длине волны, и если вы хотите получить данные на других

длинах волн, вам необходимо настроить (это занимает время), и на него влияют интенсивность света и спектр источника освещения, поэтому его нельзя

использовать для спектральной арифметики на разных длинах волн. Он не подходит для использования.

Пример

В 2013 году Китай запустил лунный модуль «Чанъэ-3» на борту гиперспектральной камеры пристального типа. VNIS также использует спектральный прин

цип AOTF, на следующем рисунке показана схематическая конструкция AOTF. Спектральный диапазон VNIS составляет 0,45~2,4 мкм, поле зрения (FOV) ви

димых длин волн составляет 60x6°, а поле зрения ближнего инфракрасного диапазона составляет 30x3°. Спектральный диапазон VNIS составляет 0,45~2,4

мкм, поле зрения в видимом диапазоне составляет 60x6°, а поле зрения в ближнем инфракрасном диапазоне составляет 30x3°. VNIS использует непреры

вно регулируемую частоту RF от 40 до 180 МГц и реализует спектральное разрешение менее 8 нм в диапазоне 450~950 нм и менее 12 нм в диапазоне 90

0~2400 нм, что обеспечивает научные данные по исследованию состава минералов, перемещающихся по поверхности Луны.1 Это первое космическое п

рименение такого рода технологии в Китае. Это первое космическое применение такого рода технологии в Китае.

Гиперспектральная камера с клиновидным фильтром

Гиперспектральная камера с клиновидным фильтром, также известная как гиперспектральная камера с градиентным фильтром, может осуществлять непрерывную выборку в спектральной и пространственной областях, ее конструктивная концепция представляет собой клиновидную многослойную тонкопленочную среду в качестве фильтра и устанавливается в положение, непосредственно примыкающее к двумерному массиву детектора, так что ряд элементов детектора и определенная спектральная полоса градиентного фильтра соответствуют друг другу, на следующем рисунке показана модуляция толщины резонансного слоя клиновидного фильтра. На следующем рисунке показана модуляция толщины резонансного слоя клиновидного фильтра.

Гиперспектральная камера с градиентным фильтром в основном основана на формировании изображений методом push-scan, направление push-сканирования и направление градиента длины волны совпадают, посредством сканирования цели можно измерить, чтобы получить полные данные, изображение соответствует всем рабочим полосам. Центральная длина волны градиентного фильтра также изменится. Из-за градиентного фильтра, отличающегося от центральной длины волны соответствующей толщины пленки, медленно изменяется, что приведет к усложнению структуры пленки, количеству слоев и другим проблемам, но в последние годы, с улучшением процесса нанесения покрытия, спектральное пропускание градиентного фильтра может достигать 70%, спектральное разрешение может достигать 1%. Согласно соответствию между полосами градиентного фильтра и элементом изображения детектора, гиперспектральную камеру с градиентным фильтром можно разделить на:

• Тип линейного градиента

• Тип массива фильтра

Линейный переменный фильтр

Линейный переменный фильтр (LVF) — это особый тип фильтра, спектральные характеристики которого линейно изменяются в зависимости от положения,

и который может разложить сложный цветной свет, излучаемый человеком, на спектры, связанные с положением фильтра. LVF доступны в полосовом, выс

окочастотном, низкочастотном и т. д. Линейные переменные фильтры, обычно используемые в спектрометрах визуализации, обычно представляют собой

узкополосные линейные переменные фильтры F-P, основанные на принципе многооптической восточной интерференции. Принцип показан ниже:

Узкополосные градиентные фильтры F-P обычно состоят из двух слоев отражающей пленки с резонаторным слоем градуированной толщины, при этом центральная длина волны в каждой позиции непрерывно и линейно изменяется в направлении градиента. Это похоже на рисунок ниже.

Преимущества:

Компактный оптический путь, сильная устойчивость к вибрации

Линейный градиентный фильтр и поверхностный матричный детектор вместе образуют гиперспектральную камеру типа линейного градиентного фильтра

, этот тип гиперспектральной камеры и гиперспектральной камеры решетчатого типа имеет преимущества по сравнению.

Недорого. Теперь с ионным распылением можно сделать большое количество дешевого.

Отечественные могут заниматься, Чанчуньский институт оптического машиностроения может заниматься большим. Поскольку машина для нанесения по

крытия ионным распылением теперь дешевле, поэтому отечественные заводы также могут заниматься. Просто спросите, многие из них могут это сделать.

Спектральное разрешение (ширина полуволны) также довольно высокое до 11 нм (ниже), но все еще не такое высокое, как у решетчатого дисперсионног

о типа.

Высокий спектральный коэффициент пропускания, выше, чем у решетки

Недостаток:

Основная проблема: для такого типа камеры с интерферометрическим фильтром, если вы хотите реализовать точное спектральное пропускание, вы дол

жны убедиться, что свет падает нормально (то есть перпендикулярно) к поверхности фильтра, и если свет падает под небольшим углом, это приведет к оч

ень большим спектральным ошибкам.

Еще одна ключевая проблема: из-за разного спектрального пропускания фильтра на датчике изображение фактически соответствует разным положения

м объекта, требуется получить полное гиперспектральное распределение изображения, по сути, и строка сканирования — это то же относительное дви

жение.

И одна и та же точка на объекте, требуется получить спектральные данные на разных длинах волн, также необходимо перемещать, чтобы получить ра

зные спектральные данные.

То есть в один момент спектральные данные всех точек на линии на объекте на одной длине волны могут быть получены одновременно.

Спектральные данные всех точек на объекте на всех длинах волн могут быть получены только путем перемещения объекта и камеры относительно др

уг друга.

::: Этот абзац недостаточно ясен, чтобы люди задумались, могут ли они его понять.

Это ключевой вопрос.

Это намного хуже, чем решетчатая дисперсионная спектральная камера ！！！！！

Это очень критично ！！！！！

В этом случае нет возможности выполнять операции между различными спектрами гиперспектральных данных. Причина указана ранее. :::

Пример:

В 2020 году в Чанчуньском институте оптической точной техники и физики Китайской академии наук Лю Чуньюй «команда по использованию линейного

градиентного фильтра не ограничивается характеристиками щели, в сочетании с технологией цифрового домена TDI, для решения проблемы недостаточ

ного отношения сигнал/шум для гиперспектральной камеры с высоким разрешением, переносящей звезды, разработка рабочей полосы длин волн 0,4 ~

1 мкм, наземного разрешения 10 м, среднего спектрального разрешения 8,9 нм, общего качества системы 7,9 нм. Команда разработала легкий и небольш

ой спектрометр для получения гиперспектральных изображений, переносимый звездами, с рабочей полосой 0,4 ~ 1 мкм, наземным разрешением 10 м, ср

едним спектральным разрешением 8,9 нм и общей массой системы 7 кг. Ряды PI ~ P3 основного детектора отображаются последовательно много раз, и кол

ичество Электроны, отображенные несколько раз, могут быть добавлены для улучшения соотношения сигнал/шум изображения. В том же году команда так

же анонсировала гиперспектральную камеру с высоким разрешением и большой шириной, использующую технологию сращивания детекторов с несколь

кими градиентными фильтрами, которая имеет ширину 150 км на орбите 500 км и массу всего 9,2 кг Pl. На рисунке ниже показана схема линейного градие

нтного фильтра и цифрового домена TDI.

Гиперспектральная камера с матрицей фильтров

Массив фильтров представляет собой периодическую структуру, состоящую из повторяющегося расположения примитивов, которые можно разделить

на n областей, а центральная длина волны, проходящая через каждую область, контролируется установкой толщины слоя пленки в каждой области, так

что спектральное обнаружение на уровне пикселей может быть реализовано путем однозначного соответствия между матрицей фильтров и элементо

м изображения детектора.

::: Хотя каждый пиксель соответствует спектру, на самом деле разные спектры соответствуют разным пикселям датчика, а изображение соответствует

разным положениям объекта, то есть данные каждой длины волны в точке полученного гиперспектрального изображения на самом деле являются р

азными точками на объекте, которые находятся очень близко друг к другу ！！！！ Это ключевой вопрос, о котором следует знать! :::

На рисунке ниже показана схема распределения матрицы фильтров. После получения данных элементы изображения, соответствующие одной и той

же области внутри разных примитивов, объединяются вместе для получения полной информации о спектральном диапазоне, соответствующей этой

позиции.

Преимущества:

Гиперспектральная камера с матрицей фильтров требует, чтобы матрица фильтров соответствовала элементу изображения детектора при обнаружении,

а слишком малая область соответствия приведет к большей ошибке выравнивания системы, что окажет определенное влияние на качество конечного

спектрального изображения.

По сравнению с традиционной гиперспектральной камерой с push-сканированием, камера получает спектральную информацию и информацию об изо

бражении способом съемки взглядом (то есть за один раз можно получить все гиперспектральное изображение, в частности, это означает, что вы може

те получить момент, чтобы получить все изображение объекта, в котором каждая точка может получить все длины волн данных), и может выполнять

видеогиперспектральную съемку, что имеет очевидные преимущества в областях обнаружения темных и слабых целей, астрономических наблюдений,

обнаружения с воздуха и наблюдения за безопасностью. Преимущества более очевидны в области обнаружения темных и слабых целей, астрономичес

ких наблюдений, обнаружения с воздуха и наблюдения за безопасностью.

Недостатки:

Требования не высоки, если вы можете использовать, но не очень полезны, в этом случае нет способа выполнять операции между различными спектр

ами гиперспектральных данных. В этом случае нет способа выполнять операции между различными спектрами гиперспектральных данных по указанны

м выше причинам.

Хотя каждый пиксель соответствует спектру, на самом деле разные спектры соответствуют разным пикселям сенсора и соответствуют разным положе

ниям объекта при формировании изображения, то есть каждая длина волны данных в точке гиперспектрального изображения на самом деле является

другой точкой на объекте, которая очень близка к ！！！！! Это критически важный вопрос, о котором следует знать! Еще одно напоминание! В этом

случае нет способа выполнять операции между различными спектрами гиперспектральных данных. Причина указана ранее.

Пример:

Лю Чуньюй и Се Юньцян из Чанчуньского института оптической точной техники и физики Китайской академии наук разработали 16-канальный (4 ×

4) пиксельный фильтр с шириной полуволны около 25 нм для коротковолновых инфракрасных моментальных снимков гиперспектральной камеры, а

фильтры и вся используемая машина показаны на рис. Спектральная камера состоит из фотографического объектива, пиксельного фильтра, релейног

о объектива и панхроматического детектора, а центральные длины волн 16 каналов фильтра составляют 1131, 1163, 1199, 1238, 1259, 1301, 1339, 1381

, 1413, 1456, 1495, 1532, 1600, 1636, 1669 нм, с 640 × 512 фильтрующими блоками, каждый из которых имеет ширину полуволны около 25 нм. 512 филь

трующих блоков, каждый размером 15 мкм × 15 мкм.

Спектрометр с квантовыми точками

Квантовые точки, также известные как «нанокристаллы», представляют собой неорганические материалы с высокой самостабильностью и радиусом,

меньшим радиуса экситонного бора объема. Цвет является собственным состоянием вещества, в общем, цвет макроматериалов не будет меняться из-

за изменения формы и объема самого материала, в то время как квантовые точки как вид наноматериалов очень малого размера, его цвет будет меня

ться из-за увеличения или уменьшения количества его собственных атомов, т. е. для изменения формы и размера квантовых точек можно настроить с

пектральный диапазон его поглощения, использование квантовых точек спектра настроечных характеристик спектров, чтобы иметь возможность дост

ичь функции спектроскопии. Используя настроечное свойство квантовых точек на спектре, можно реализовать функцию спектроскопии. Интеграцию к

вантовых точек разных размеров на одной подложке можно рассматривать как особую форму фильтра. Отдельные квантовые точки чрезвычайно чув

ствительны к проходящим световым волнам, разумный контроль размера, формы и расположения квантовых точек может быть реализован на спектр

е непрерывного и точного обнаружения; интеграция различных типов квантовых точек вместе, вы можете реализовать обнаружение различных длин

волн одновременно, спектрометры с квантовыми точками (коллоидные спектрометры с квантовыми точками, CQD) разработаны на основе принципа

работы квантовых точек, работа квантовых точек может быть достигнута. CQD разработаны на основе этого принципа, и принцип их работы показан

на рисунке.

Плюсы:

Маленькие, дешевые, исключительно дешевые, новые идеи для продвижения миниатюрных спектрометров.

Недостатки:

:::: Однако, из-за того, что квантовые точки настраивают световые волны подобно фильтрам, существует серьезная проблема шума в спектральной

инверсии, что в значительной степени стимулирует разработку целевых алгоритмов спектральной реконструкции.

В настоящее время спектральное разрешение может быть очень высоким с введением алгоритмов спектральной реконструкции посредством машинн

ого обучения и глубокого обучения. Однако для наиболее критической «энергетической линейности» в спектральном анализе существует очень большая

проблема, поэтому он не может широко использоваться по самым критическим причинам.

Что это значит?

В обычно используемых алгоритмах спектральной реконструкции спектрометра на квантовых точках статус-кво приведет к аналогичной «антисверточной»

операции, точность расчета энергии недостаточно хороша. То есть фактическое измерение спектрометра с квантовыми точками может получить только

спектральную энергию при 600 нм, 650 нм, после применения алгоритма спектральной реконструкции может быть получена спектральная энергия 600 нм

, 610 нм, 620 нм, 630 нм, 640 нм, 650 нм, но спектральная энергия, полученная с помощью алгоритма спектральной реконструкции, не так хороша, как

спектральная энергия, рассчитанная с помощью алгоритма спектральной реконструкции 600 нм, 610 нм, 620 нм, 630 нм, 640 нм, 640 нм, 640 нм. 630 нм,

610 нм, 620 нм, 640 нм, 650 нм, рассчитанные с помощью алгоритма спектральной реконструкции, но разница между спектральными энергиями 600 нм,

610 нм, 620 нм, 630 нм, 640 нм, 650 нм, рассчитанными с помощью алгоритма спектральной реконструкции, и реальными спектральными энергиями

очень велика.

В спектральном анализе NIR, поскольку сигнал очень слабый, отклонение энергии на 1% или 2% может оказать очень большое влияние на результаты

спектрального анализа, что приводит к очень плохой точности моделирования.

В случае видимого света отклонение энергии на 1% или 2% приведет к цветовой разнице dEab больше 1, что неприемлемо при оценке цветовых различий.

Однако для менее требовательной гражданской области, такой как функция фотосъемки с помощью мобильного телефона, эта технология квантовых точек,

примененная к одной из нескольких камер мобильного телефона, позволяет лучше добиться истинной цветопередачи, восстановить истинный цвет или о

птимизировать цвет. Ожидается, что вскоре вы сможете увидеть такую программу.

Однако, если использовать эту технологию для спектрального анализа, чтобы пройти долгий путь, я не очень оптимистичен. Сейчас в научно-исследовате

льских институтах, чтобы сделать довольно много компаний, есть Шанхай и свет, Нанкин Micro-Nano, Шэньчжэнь (я забыл) :::.

Пример:

В 2015 году Бао Цзе и др. из Университета Цинхуа впервые представили концепцию квантового точечного спектрометра. Воспользовавшись крошечным р

азмером квантовых точек, они сконцентрировали 195 видов квантовых точек на одной тонкой пленке и прикрепили пленку к микродетекторной матрице,

чтобы составить микроквантовый точечный спектрометр. Теоретически квантовый точечный спектрометр может охватывать спектральный диапазон 0,2~

5 мкм. Этот новый тип спектрометра значительно уменьшает объем и качество прибора, не влияя при этом на разрешение и эффективность самого спек

трометра.

В 2021 году команда Хуэйюй Ли провела исследование квантового точечного спектрометра для ближнего инфракрасного спектрального диапазона. Они

выбрали квантовые точки PbS и PbSe и осуществили спектральную настройку двух видов квантовых точек, контролируя ключевые параметры, такие как

чередующийся синтез, обмен лигандами и обмен катионами и т. д. Команда использовала 195 квантовых точек для интеграции, которая использовалась

в качестве фильтрующего элемента, и выбрала металл-оксид-полупроводник в качестве детектора, который составил ближний инфракрасный квантовый

точечный спектрометр. Команда использовала 195 квантовых точек в качестве фильтрующих элементов и металл-оксид-полупроводники в качестве дете

кторов для формирования ближнего инфракрасного квантового точечного спектрометра. На рисунке 24 показана принципиальная схема ближнего инфр

акрасного квантового точечного спектрометра, разработанного командой, который имеет спектральный диапазон 0,9–1,7 мкм и среднюю скорость спект

рального разделения до 6 нм.

Резюме:

Если требуется спектральное разрешение, оптимальным выбором будет решетчатая дисперсия.

Если требования к спектральному разрешению низкие, используйте гиперспектральную камеру с традиционными фильтрами. Но она не может работать на нескольких длинах волн.

Надеюсь, что технологию квантовых точек можно усовершенствовать.