Một camera siêu phổ là gì? Nguyên tắc và ứng dụng trong một bài
Một camera siêu phổ là gì? Nguyên tắc và ứng dụng trong một bài
Hyperspectral camera, còn được gọi là Hyperspectral Imaging Meter, là một thiết bị phát hiện tích hợp việc thu thập quang phổ và hình ảnh mục tiêu, và sử dụng công nghệ quang phổ để thực hiện hình ảnh phổ của cùng một mục tiêu trong dải quang phổ liên tục, hoàn thành tích hợp không gian, radiometric và thông tin quang phổ của mục tiêu, giúp tăng cường đáng kể các kích thước thông tin của quan sát mục tiêu.
Những loại máy siêu phổ nào có sẵn?
Các máy ảnh siêu phổ hiện có được phân loại thành ba loại chính dựa trên nguyên tắc phổ học:
Phân tán
Kiểu can thiệp
Loại lọc
Máy ảnh Hyperspectral phân tán - Loại phân tán
Tính năng: Không tốn kém, độ phân giải phổ cao, tất cả các bước sóng có thể được chụp cùng một lúc, nhưng chỉ một vạch có thể được chụp cùng một lúc
Các máy ảnh siêu phổ phân tán thường sử dụng một yếu tố phân tán (grating hoặc lăng kính) cho quang phổ trước khi được chụp trên một máy dò bởi một hệ thống hình ảnh. Hình sau đây cho thấy nguyên tắc cụ thể của máy ảnh siêu phổ phân tán Grating.
Nếu chúng ta muốn đo hình của chiếc lá này mỗi điểm của dữ liệu siêu phổ, thông qua ánh sáng đến được phản xạ trong bề mặt grating, ánh sáng tới tại điểm này được chia nhỏ thành các bước sóng khác nhau của sự phân bố năng lượng, và sau đó thông qua một số điểm ảnh cảm biến trên các bước sóng cụ thể khác nhau của năng lượng để được đo. Bức ảnh này cho thấy sự cần thiết của một tia phản chiếu hoặc di chuyển để tách ánh sáng.
Ưu điểm của phương pháp này là tất cả các điểm trên một đường thẳng có thể được xử lý cùng một lúc. Năng lượng ở các bước sóng khác nhau tại mỗi điểm sau đó có thể được đo cùng một lúc. Đó là lý do tại sao hầu hết các máy ảnh hyperspectral dựa trên grating được thiết kế như các máy ảnh quét dòng. Dữ liệu phổ của tất cả các bước sóng của mỗi điểm trên một đường thẳng được thu được tại một thời điểm. Vì dữ liệu phổ ở các bước sóng khác nhau của mỗi điểm được thu thập tại cùng một thời điểm, dữ liệu phổ ở các bước sóng khác nhau của điểm này có thể được tính toán cùng một lúc. Đây là một đặc điểm rất quan trọng của loại grating. Máy ảnh siêu phổ kiểu Raster đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như đo màu, phân loại và chất lượng quả, phát hiện briX, và phân loại nhựa trong tái chế chất thải nhựa, bởi vì các ứng dụng này đòi hỏi tính toán đồng thời các bước sóng khác nhau tại mỗi điểm để tính toán kết quả.
Nhưng nếu chúng ta muốn có được một hình ảnh đầy đủ của dữ liệu siêu phổ, không chỉ là một dòng dữ liệu siêu phổ, chúng ta cần làm cho dòng quét này camera siêu phổ và chiếc lá này để tạo ra chuyển động tương đối giữa các lá, như được trình bày trong hình dưới đây, quét qua máy quét. Bằng cách này, có thể thu được dữ liệu siêu phổ của toàn bộ hình ảnh của một chiếc lá.
Bây giờ máy ảnh siêu phổ phân tán grating là khả năng phổ mạnh nhất của tất cả các phương tiện, đó là để nói, độ phân giải phổ cao nhất, hiệu quả chi phí cao nhất và loại máy ảnh siêu phổ được sử dụng rộng rãi nhất. 2020 năm trước, giá của một máy ảnh siêu phổ nước ngoài vẫn được bán cho 400 ~ 500.000 nhân dân tệ. Nhưng bây giờ giá của máy ảnh siêu phổ do Hàng Châu sản xuất đã ít hơn 100.000 nhân dân tệ ở Trung Quốc. Vì thế nó rất tiết kiệm chi phí. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong đo lường màu sắc, phân loại trái cây và đo lường chất lượng, đặc biệt là trong phát hiện đường và axit và tái chế chất thải nhựa.
Một camera siêu phổ giao thoa
Camera siêu phổ giao thoa chủ yếu sử dụng sự tương ứng giữa giao thoa và bản đồ quang phổ, với sự giúp đỡ của giao thoa kế để đo cường độ giao thoa của các yếu tố vạch phổ, và biến đổi Fourier nghịch đảo của giao thoa để có được bản đồ quang phổ của mục tiêu. Nguyên tắc cụ thể được thể hiện trong hình
Đặc trưng bởi: Độ phân giải phổ cao, đắt tiền, một khoảnh khắc của toàn bộ hình ảnh có thể được chụp trên một bước sóng, không phải tất cả các bước sóng tại cùng một thời điểm hình ảnh
Các camera siêu phổ giao thoa trắc lượng được đặc trưng:
Có thể thu được dữ liệu quang phổ của toàn bộ hình ảnh tại một bước sóng cụ thể tại cùng một thời điểm.
Nhưng nếu bạn muốn có được dữ liệu quang phổ ở các bước sóng khác, bạn phải di chuyển bên trong lăng kính hết thời điểm khác để có được toàn bộ hình ảnh không phải ở các bước sóng khác của dữ liệu.
Đây là một tính năng rất quan trọng, và bây giờ đã có những máy ảnh siêu phổ nước ngoài theo nguyên tắc này (không ai đã làm), giá này là không tốn kém. Phương pháp của họ là sử dụng khoang Fabry Polo (FPI) làm thiết bị quang phổ.
Nhưng nguyên lý này của máy ảnh siêu phổ, nó có một bất lợi rất rõ ràng trong ứng dụng của nó.
Ví dụ, nếu chúng ta muốn làm một ứng dụng để chọn ra nhựa mong muốn thành một đống nhựa. Điều đơn giản nhất để làm là:
Lấy một hình ảnh siêu phổ của đống chất dẻo.
So sánh từng điểm của quang phổ trong hình ảnh để xem nó thuộc về nhựa nào.
Nếu bạn sử dụng một máy ảnh siêu phổ kiểu RAster để chụp hình dòng quét. Vì dữ liệu quang phổ ở tất cả các bước sóng được thu thập đồng thời cho mỗi điểm trong ảnh, toàn bộ hồ sơ quang phổ của mỗi điểm có thể được phân tích.
Tuy nhiên, nếu một camera siêu phổ giao thoa được sử dụng, có thể thu được dữ liệu quang phổ tại 600 nanomet tại một điểm trong toàn bộ hình ảnh. Cần phải di chuyển ống kính (mất một thời gian) trước khi có được hình ảnh quang phổ tại 700 nm. Nhưng vì 600 nm và 700 nm không được chụp ảnh ở cùng một thời điểm. Có thể cường độ và phổ của nguồn sáng chiếu sáng đã thay đổi trong thời gian ống kính được di chuyển. Trong trường hợp này So sánh dữ liệu ở 600 nm và 700 nm bị ảnh hưởng bởi cường độ và phổ của nguồn ánh sáng chiếu sáng và không có ý nghĩa.
Phổ giao thoa trắc quang vẫn là một lựa chọn tuyệt vời cho các ứng dụng không yêu cầu so sánh và tính toán dữ liệu ở các bước sóng khác nhau. Nhưng phần lớn các ứng dụng yêu cầu một ít dữ liệu ở các bước sóng khác nhau để so sánh và tính toán. Điều này giới hạn rất nhiều các ứng dụng của nó.
Một máy ảnh siêu phổ kiểu lọc
Vì tôi đã làm một máy ảnh siêu phổ lọc khi tôi đang học, có rất nhiều điều tôi muốn nói ở đây.
Nguyên tắc của một máy ảnh siêu phổ dựa trên bộ lọc là đặt một bộ lọc trước một máy ảnh bình thường, giống như chúng ta đeo kính râm cho mắt người. Nếu bộ lọc có một băng thông đủ hẹp, hoặc dải quang phổ, thì có thể đo phổ ánh sáng cho phép đi qua.
Các đặc điểm là: rẻ, nhưng độ phân giải phổ không cao, một mô men có thể là một bước sóng của toàn bộ hình ảnh, không phải tất cả các bước sóng cùng một lúc chụp ảnh
Mặc dù bây giờ độ phân giải phổ tương đối cao có thể đạt được bằng các phương pháp chụp ảnh điện toán, điều này giới thiệu vấn đề về tính tuyến tính năng lượng, sẽ được thảo luận chi tiết hơn sau này.
Tùy thuộc vào bộ lọc, tức là bạn đặt kính râm trên cảm biến bằng cách nào? Các máy ảnh siêu phổ lọc có thể được chia thành:
Bộ lọc quay
Wedge Filter Kiểu
Bộ lọc có thể điều chỉnh được
Bộ lọc chấm lượng tử
Quay một bộ lọc Hyperspectral Camera
Cấu trúc của các bánh lọc camera hyperspectral được hiển thị trong hình bên dưới, cho bánh xe lọc như phần tử quang phổ, và nhận được các hình ảnh quang phổ của các bước sóng khác nhau bằng cách quay bánh xe bộ lọc, để hoàn thành sự phân tách quang phổ của ánh sáng composite thành ánh sáng đơn sắc. Bánh lọc thường là một tập hợp các bộ lọc dải hẹp với độ truyền bước sóng khác nhau cố định trên cấu trúc bánh xe, mỗi tiếp xúc bằng cách sử dụng một bộ lọc. Điều khiển tốc độ quay của bánh lọc, do đó tần số quay của nó và đồng bộ hóa tần số lấy mẫu cảm biến của nó, do đó đảm bảo rằng mỗi bộ lọc tương ứng với băng phổ có thể được chụp trên cảm biến.
Ưu điểm:
Thiết bị quan trọng của máy ảnh siêu phổ bánh lọc là bánh xe lọc, có thể được thay thế bằng bánh xe lọc của dải quang phổ tương ứng theo các dải quan sát khác nhau.
Cấu trúc của đường đi quang học rất đơn giản, và dải quang phổ có thể được thay thế linh hoạt.
Nhược điểm
Tuy nhiên, vì sự chuyển đổi giữa các kênh quang phổ cần phải dựa vào sự quay của cấu trúc bánh xe, độ rung gây ra bởi cấu trúc quay có tác động rõ ràng hơn đến chất lượng hình ảnh, và thời gian tiếp xúc cần thiết để chụp ảnh lâu hơn;
Và một tiếp xúc duy nhất chỉ có thể có được hình ảnh của dải phổ quy định, đường cong đáp ứng phổ là rời rạc, không thể có được hình ảnh của dải phổ liên tục, có một vấn đề thời gian thực.
Đồng thời, sự đồng phẳng của mỗi bộ lọc trên các bánh lọc và sự đồng bộ độ dày cũng sẽ gây ra các vấn đề như hình ảnh mờ.
Với sự phát triển của công nghệ hình ảnh phổ, số lượng băng tần phát hiện đang tăng lên, các bánh xe bộ lọc có thể không còn đáp ứng các quan sát độ phân giải cao của các dải phổ rộng, vì vậy nó ngày càng được sử dụng trong phát hiện đa phổ.
: : Xin lưu ý: Các máy ảnh đa phổ ngày nay về cơ bản thuộc loại này!! : :
Thí dụ
Năm 1994, Hoa Kỳ đã phóng thành công vệ tinh thăm dò Mặt Trăng Clementine, trọng tải của vệ tinh: camera UV/VIS, camera NIR và camera thuê được sử dụng trong bánh lọc, bao gồm waveband và các thông số liên quan của bánh lọc như được hiển thị trong bảng dưới đây.
James Webb Space Telescope JWST (phát triển bởi NASA)
Các bánh xe bộ lọc được sử dụng trong máy quang phổ sóng hồng ngoại trung bình MIRI và máy đo phổ kế cận hồng ngoại đa mục tiêu trên tàu.
Trọng tải là gì?
Nó đề cập đến các dụng cụ, thiết bị, nhân sự, sinh vật thử nghiệm và các mẫu thử nghiệm được mang trên tàu vũ trụ để trực tiếp hoàn thành một nhiệm vụ cụ thể được thực hiện bởi tàu vũ trụ trong quỹ đạo.
NIRSpec sử dụng một bánh xe bộ lọc kết hợp với một bánh xe lưới, nơi mục đích chính của bánh xe bộ lọc là phá vỡ sóng ánh sáng thành các thành phần khác nhau của nó, và sau đó kết hợp nó với bánh xe lưới để phân tích quang phổ chi tiết hơn. Hình dưới đây cho thấy sơ đồ của các bánh xe bộ lọc được sử dụng bởi NIRSpec, bao gồm một dải quang phổ 0, 6 ~ 5 um và bao gồm bốn bộ lọc cạnh, hai bộ lọc cho các dải quang phổ khác nhau, một bộ lọc trong suốt để bắt mục tiêu và một bộ phản xạ cho hiệu chuẩn trên quỹ đạo. Hình sau đây cho thấy sơ đồ của bánh xe bộ lọc sử dụng trong NIRSpec và cấu trúc phụ của bánh xe bộ lọc.
MIRI (một trong những tải trọng chính của JWST) : Chủ yếu bao gồm một thiết bị hình ảnh và hai máy đo phổ, SPO và SMO, chịu trách nhiệm cho phân tích hình ảnh và phổ ở độ phân giải thấp và trung bình trong dải hồng ngoại 5 ~ 28 Uum. Các bánh xe lọc ở MIRI chủ yếu đóng vai trò kết nối hình ảnh và phổ học. Như thể hiện trong hình, bánh lọc được chia thành 18 kênh, bao gồm mười bộ lọc hình ảnh, bốn bộ lọc coronal, một bộ lọc mật độ trung bình, một lăng kính đôi, ống kính, và một vị trí ánh sáng và tối đối trọng với lăng kính. Dưới đây là sơ đồ của bánh lọc trên MIRI.
Euclid, một trong những vệ tinh hiện đang được cơ quan Vũ trụ châu Âu phát triển.
Euclid dự kiến sẽ phóng vào điểm Lagrange thứ hai, nhiệm vụ chính của vệ tinh là hoàn thành việc phát hiện các mục tiêu mờ trong suốt hệ thống extragalactic trong vòng năm năm, trọng tải chủ yếu là một thiết bị hình ảnh và một thiết bị quang phổ, trong đó thiết bị quang phổ sử dụng một bánh xe bộ lọc gồm bốn bộ lọc để tách chùm, mà chủ yếu là trách nhiệm phát hiện ra dải bước sóng cận hồng ngoại. Trong đó mỗi bộ lọc có độ nghiêng 8, 5 ° để ngăn chặn hình ảnh ma được hình thành trên máy dò để tạo thành một hình ảnh ma, các hình sau đây cho các công cụ quang phổ trong bánh xe lọc của mô hình thiết kế ban đầu được sử dụng, bây giờ những gì nó trông giống như không được biết.
Bộ lọc điều chỉnh được Camera siêu phổ
Máy ảnh siêu phổ có thể điều chỉnh được sử dụng các bộ lọc có thể điều chỉnh được như các yếu tố quang phổ, mà chủ yếu được chia thành bộ lọc điều chỉnh tinh thể lỏng (LCTF) máy ảnh siêu phổ và bộ lọc điều chỉnh quang học (AOTF) máy ảnh siêu phổ theo các phương pháp điều chỉnh khác nhau. Máy ảnh là một máy ảnh quang phổ cao.
Bộ lọc tinh thể lỏng Có thể điều chỉnh được Kiểu hyperspectral camera
Đặc điểm: tốn kém, tinh tế, không hiệu quả về chi phí
Bộ lọc tinh thể lỏng Hyperspectral sử dụng công nghệ LCTF cho quang phổ.
LCTF là gì?
Trong tiếng Trung Quốc, nó là bộ lọc điều chỉnh tinh thể lỏng.
Nó giống như một bộ lọc giao thoa, nhưng bước sóng của ánh sáng truyền có thể được điều khiển bởi một tín hiệu điện tử, có thể nhanh chóng và miễn phí rung chọn bất kỳ bước sóng nào trong phổ nhìn thấy hoặc cận hồng ngoại.
LCTF được phát triển dựa trên nguyên tắc kiểm soát điện tử lưỡng chiết của các tinh thể lỏng, và bao gồm một số bộ lọc lYOt được sắp xếp song song trong một thác.
Nói rõ hơn:
Sơ đồ dưới đây cho thấy cấu trúc của một bộ lọc Lyot 1 giai đoạn.
Khi ánh sáng của một bước sóng nhất định đi qua chất phân cực đầu tiên, nó sẽ trở thành phân cực tuyến tính, và khi ánh sáng phân cực tuyến tính đi vào tầng tinh thể lỏng, sự lưỡng chiết xảy ra, tạo ra ánh sáng bất thường (O-light) và ánh sáng phi thường (e-light), lan truyền theo cùng một hướng nhưng ở các tốc độ khác nhau, và do đó sự khác biệt pha giữa ánh sáng đi sau khi đi qua lớp tinh thể lỏng xảy ra.
Sau thiết bị phân cực thứ hai, hai chùm ánh sáng sẽ xuất hiện lựa chọn bước sóng, có nghĩa là, nó có thể được quyết định ánh sáng nào có thể đi qua và ánh sáng nào không thể.
Khi nhiệt độ là chắc chắn, hàm truyền của LCTF chỉ phụ thuộc vào bước sóng và điện áp, và sự chọn lọc bước sóng có thể được thực hiện bằng cách áp dụng một điện áp bên ngoài vào lớp tinh thể lỏng bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện của tinh thể.
Ưu điểm:
Nguyên tắc đơn giản, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp
Camera siêu phổ loại LCTF chủ yếu điều chỉnh bước sóng truyền bằng điện áp, có thể thực hiện điều chế nhanh trong bất kỳ dải băng rộng nào. So với máy ảnh siêu phổ loại bánh xe lọc, nó không cần cơ chế bánh xe và tránh ảnh hưởng của vi rung, vv, chiếm một vị trí duy nhất trong các tải vệ tinh nhẹ và kích thước nhỏ hiện tại.
Một tầm nhìn nhỏ
Các máy ảnh siêu phổ kiểu LCTF thường có tầm nhìn nhỏ, thích hợp cho hình ảnh quang phổ của các mục tiêu lấy mẫu được chỉ định với một lĩnh vực xem nhỏ.
Nhược điểm:
Phổ đi qua thấp, rất thấp.
LCTF là một yếu tố quang phổ lõi, vấn đề truyền quang phổ thấp của chính nó, làm hạn chế trực tiếp khả năng phát hiện phổ của quang phổ kế hình ảnh LCTF;
Nhiệt độ ổn định kém.
Các chỉ số khúc xạ của tinh thể lỏng bị ảnh hưởng lớn bởi nhiệt độ, và bước sóng trung tâm trôi đáng kể với sự thay đổi nhiệt độ, cũng sẽ có một tác động nhất định lên độ chính xác của phép đo quang phổ.
Một khoảnh khắc (lấy mẫu một lần) chỉ có thể thu được toàn bộ dữ liệu của đối tượng tại một bước sóng cụ thể, muốn có được dữ liệu ở các bước sóng khác cần phải được điều chỉnh (nó mất thời gian), bởi nguồn chiếu sáng cường độ ánh sáng và ảnh hưởng quang phổ, vì vậy nó không thể được thực hiện ở các bước sóng khác nhau của phổ số học. Nó không dùng được.
Thí dụ
Năm 2014, Nhật Bản đã phóng vệ tinh Micro NANO Rising-2, được sử dụng chủ yếu để quan sát các cảnh vũ trụ có độ phân giải cao và hiện tượng elfin trong bầu khí quyển phía trên, và kính thiên văn có độ chính xác cao (HPT) HPT trên tàu có thể là tải vệ tinh đầu tiên sử dụng công nghệ LCTF. HPT có một trường quan sát 0, 28 ° × 0, 21 °, và dải quang phổ 400 ~ 1050 nm, nơi LCTF chỉ được sử dụng cho quang phổ trong dải gần hồng ngoại (650 ~ 1.050 nm). HPT có góc nhìn 0.28 ° Đức 0.21 ° và dải quang phổ 400 ~ 1050 nm, trong đó LCTF chỉ được sử dụng cho quang phổ trong dải gần hồng ngoại (650 ~ 1.050 nm), và hình sau cho thấy đường đi quang học của HPI trên Rising-2.
Camera siêu phổ (ATOF)
Nó đắt, nên một người bình thường nên lùi lại. Nó được dùng trong quân đội và vệ tinh.
Nguyên tắc
AOTF bao gồm một môi trường âm học thị giác (thường là một tinh thể dị hướng), một mảng transducer (PZT) và một thiết bị đầu cuối âm thanh. Sóng âm thuộc về sóng cơ học, lan truyền trong môi trường sẽ gây ra sự thay đổi mật độ của môi trường, dẫn đến sự thay đổi mật độ của chỉ số khúc xạ của môi trường, sự hình thành sóng âm bước sóng cho hằng số di chuyển của sóng truyền, khi ánh sáng chiếu đến môi trường âm quang ở một góc cụ thể sẽ xảy ra khi hiện tượng chiếu đường để hoàn thành sự tách biệt của ánh sáng màu phức tạp với ánh sáng đơn sắc. Các kiểu camera siêu phổ kiểu được phát triển theo nguyên tắc này.
Ưu điểm:
Công nghệ thu nhỏSo với máy ảnh hyperspectral LCTF, ATOF Hyperspectral camera cũng có lợi thế của tiểu hình hóa, có thể được điều chỉnh để không khí, mang đạn và các loại môi trường gắn kết khác.
Nhược điểm
Phạm vi điều chỉnh bước sóng của máy ảnh siêu phổ AOTF phụ thuộc vào passband của sản phẩm âm thanh quang học. Mặc dù các tinh thể tellurium oxide thường được sử dụng (TeO,) có thể bao gồm bước sóng 0, 2 ~ 4, 5 um, băng thông siêu âm thường ảnh hưởng đến phạm vi điều chỉnh bước sóng được giới hạn trong nhiều (bước sóng 1x đến 2x) ". Do đó, công nghệ LCTF cạnh tranh hơn về tính linh hoạt của phạm vi điều chế.
A moment (sampling once) can only get the whole data of the object at a specific wavelength, and if you want to get the data at other wavelengths, you need to adjust (it takes time), and it is affected by the light intensity and spectrum of the illumination source, so it can't be used for spectral arithmetic at different wavelengths. It is not good for use.
Thí dụ
Vào năm 2013, Trung Quốc đã ra mắt tàu hạ cánh Mặt Trăng Chang 'E-3 trên máy ảnh hyperspectral kiểu Gazing-type VNIS cũng thông qua nguyên tắc quang phổ của AOTF, hình sau đây cho thấy thiết kế sơ đồ của AOTF. Dải phổ của VNIS là 0, 45 ~ 2, 4 um, trường quan sát (FOV) của các bước sóng nhìn thấy được là 60x6 °, và FOV của các bước sóng cận hồng ngoại là 30x3 °. Dải phổ của VNIS là 0, 45 ~ 2, 4 um, trường quan sát trong dải nhìn thấy được là 60x6 °, và trường quan sát trong dải gần hồng ngoại là 30x3 °. VNIS sử dụng tần số RF điều chỉnh liên tục từ 40 đến 180 MHz, và nó nhận ra độ phân giải quang phổ nhỏ hơn 8 nm trong băng tần 450 ~ 950 nm và ít hơn 12 nm trong băng tần 900 ~ 2400 nm, cung cấp dữ liệu thăm dò khoa học cho thành phần các khoáng chất di chuyển trên bề mặt Mặt Trăng Đây là ứng dụng không gian đầu tiên của công nghệ này ở Trung Quốc. Đây là ứng dụng không gian đầu tiên của loại công nghệ này ở Trung Quốc.
Wedge Filter Hyperspectral Camera (bằng tiếng Anh)
Bộ lọc Wedge Type Hyperspectral Camera, còn được gọi là gradient Filter Type hyperspectral Camera, có thể nhận ra lấy mẫu liên tục trong các vùng quang phổ và không gian, khái niệm thiết kế của nó là một môi trường màng mỏng nhiều lớp nêm như một bộ lọc, và được cài đặt ở vị trí liền kề với các máy dò mảng hai chiều, để một số yếu tố của máy dò và một dải phổ nhất định của bộ lọc gradient tương ứng với nhau. Hình sau đây cho thấy việc điều chế lớp cộng hưởng của bộ lọc chèn. Hình dưới đây cho thấy điều chế độ dày của lớp cộng hưởng của bộ lọc nêm.
Máy ảnh hyperspectral loại Gradient chủ yếu dựa trên hình ảnh push-scan, hướng của push-scan và hướng Gradient bước sóng là như nhau, thông qua quét của mục tiêu có thể được đo để có được dữ liệu đầy đủ, hình ảnh tương ứng với tất cả các dải làm việc. Bước sóng trung tâm của bộ lọc gradient cũng sẽ thay đổi. Do bộ lọc gradient bước sóng trung tâm khác nhau của độ dày phim tương ứng từ từ, sẽ mang lại sự phức tạp của cấu trúc phim, số lượng lớp và các vấn đề khác, nhưng trong những năm gần đây, với sự cải thiện của quá trình phủ, truyền phổ của bộ lọc gradient có thể đạt 70%, độ phân giải quang phổ có thể lên tới 1%. Theo sự tương ứng giữa các dải lọc gradien và phần tử hình ảnh của máy dò, bộ lọc gradien của máy ảnh siêu phổ có thể được chia thành:
Độ dốc tuyến tính kiểu
Một loạt các bộ lọc
Bộ lọc biến đổi tuyến tính
Bộ lọc biến tuyến tính (LVF) là một loại bộ lọc đặc biệt có đặc tính quang phổ thay đổi tuyến tính với vị trí, và có thể phân hủy ánh sáng màu phức tạp phát ra bởi một người vào phổ liên quan đến vị trí của bộ lọc. LVFs có sẵn trong Bandpass, Highpass, Lowpass, vv. Các bộ lọc biến tuyến tính thường được sử dụng trong phổ kế hình ảnh thường là các bộ lọc biến tuyến tính F-P hẹp dựa trên nguyên tắc giao thoa đa quang phía Đông. Nguyên tắc được trình bày dưới đây:
Các bộ lọc loại HẸP F-P thường bao gồm hai lớp phim phản chiếu với một lớp khoang có độ dày tốt nghiệp, với bước sóng trung tâm tại mỗi vị trí thay đổi liên tục và tuyến tính theo hướng của gradient. Giống như bức tranh bên dưới.
Ưu điểm:
Đường đi quang học nhỏ gọn, khả năng chống rung động mạnh
Bộ lọc gradient tuyến tính và máy dò mảng bề mặt cùng nhau tạo thành một bộ lọc gradient tuyến tính Kiểu hyperspectral camera, loại hyperspectral camera và grating Type hyperspectral camera có lợi thế so với các máy ảnh.
Không tốn kém. Bây giờ với xì hơi ion có thể là một số lượng lớn giá rẻ để thực hiện.
Nội địa có thể tham gia vào Học viện Máy móc quang học Changchun để tham gia vào nhiều hơn nữa. Kể từ khi máy phủ phùn ion bây giờ rẻ hơn, vì vậy các nhà máy trong nước cũng có thể tham gia. Chỉ cần hỏi, rất nhiều người trong số họ có thể làm được điều đó.
Phổ phân giải (độ rộng nửa sóng) cũng khá cao tới 11nm (dưới), nhưng vẫn không cao như loại phân tán grating.
Truyền phổ cao, cao hơn khả năng di chuyển
Nhược điểm:
Vấn đề chính: Đối với loại bộ lọc giao thoa này, camera nếu bạn muốn nhận ra truyền phổ chính xác, bạn phải chắc chắn rằng ánh sáng là bình thường (tức là, vuông góc) với bề mặt của bộ lọc, và nếu ánh sáng là sự cố ở một góc nhỏ, nó sẽ dẫn đến lỗi quang phổ rất lớn.
Một vấn đề quan trọng khác: bởi vì truyền phổ khác nhau của bộ lọc trên hình ảnh cảm biến thực sự tương ứng với các vị trí khác nhau của đối tượng, muốn có được một sự phân bố siêu phổ hoàn chỉnh của một hình ảnh, trong thực tế, và quét đường thẳng cùng chuyển động tương đối.
Và cùng một điểm trên đối tượng, muốn có được dữ liệu phổ ở các bước sóng khác nhau, cũng cần phải di chuyển để có được dữ liệu phổ khác nhau.
Đó là, tại một thời điểm, dữ liệu quang phổ của tất cả các điểm trên một đường thẳng trên đối tượng tại một bước sóng có thể thu được cùng một lúc.
Dữ liệu quang phổ của tất cả các điểm trên một đối tượng ở tất cả các bước sóng chỉ có thể thu được bằng cách di chuyển đối tượng và máy ảnh tương đối với nhau.
: : Đoạn này không đủ rõ ràng để người ta nghĩ xem họ có hiểu được không.
Đây là vấn đề then chốt.
Nó còn tệ hơn một máy quay quang phổ phân tán! Này! Này! Này! Này!
Điều này rất quan trọng! Này! Này! Này! Này!
Không có cách nào để thực hiện các phép toán giữa các phổ khác nhau của dữ liệu siêu phổ trong trường hợp này. Lý do được nêu ra ở trên. : :
Ví dụ:
Năm 2020, viện Changchun về máy điện toán chính xác quang học và vật lý của viện hàn lâm khoa học trung quốc, Liu Chunyu "đội để sử dụng bộ lọc gradient tuyến tính không bị giới hạn bởi các đặc điểm của khe, kết hợp với công nghệ TDI miền kỹ thuật số, để giải quyết các ngôi sao nhẹ mang theo camera tín hiệu/nhiễu nhỏ có độ phân giải cao là không đủ, sự phát triển của một dải bước sóng làm việc 0, 4 ~ 1 um, độ phân giải mặt đất của 10m. Độ phân giải phổ trung bình 8, 9 nm, tổng chất lượng của hệ thống là 7, 9 nm. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phổ kế hình ảnh siêu phổ nhẹ và nhỏ mang sao với một dải hoạt động 0.4 ~ 1 um, độ phân giải mặt đất 10m, độ phân giải phổ trung bình 8.9 nm, và tổng khối lượng hệ thống là 7kg. Các hàng PI ~ P3 của máy dò nguyên lý được chụp ảnh liên tục trong nhiều lần, và số lượng các electron được chụp ảnh nhiều lần có thể được thêm vào để cải thiện tỷ lệ tín hiệu hình ảnh thành tiếng ồn. Trong cùng năm đó, nhóm nghiên cứu cũng công bố một máy ảnh siêu phổ độ phân giải cao, rộng lớn sử dụng công nghệ ghép thiết bị lọc nhiều gradient, có chiều rộng 150 km ở quỹ đạo 500km và khối lượng chỉ 9, 2kg Pl. Hình dưới đây cho thấy sơ đồ của bộ lọc gradien tuyến tính và TDI tên miền số.
Một máy ảnh siêu phổ của một dãy lọc
Một bộ lọc mảng là một cấu trúc tuần hoàn bao gồm sự sắp xếp lặp đi lặp lại của các nguyên thủy, có thể được chia thành n vùng, và bước sóng trung tâm đi qua mỗi vùng được kiểm soát bằng cách thiết lập độ dày của lớp phim trong mỗi vùng, để phát hiện phổ cấp điểm ảnh có thể được thực hiện bằng tương ứng một-một giữa các mảng bộ lọc và yếu tố hình ảnh của máy dò.
: : Mặc dù mỗi điểm ảnh tương ứng với một phổ, trên thực tế các phổ khác nhau tương ứng với các điểm ảnh khác nhau của cảm biến, và hình ảnh tương ứng với các vị trí khác nhau của đối tượng, tức là, dữ liệu của mỗi bước sóng tại một điểm trong hình ảnh siêu phổ thu được thực sự là những điểm khác nhau trên đối tượng rất gần nhau! Này! Này! Này! Đây là vấn đề then chốt cần phải biết! : :
Hình dưới đây cho thấy sơ đồ về cách các mảng bộ lọc được phân bố. Sau khi thu thập dữ liệu, các yếu tố hình ảnh tương ứng với cùng một vùng bên trong các nguyên thủy khác nhau được ghép lại với nhau để thu được thông tin dải phổ đầy đủ tương ứng với vị trí đó.
Ưu điểm:
Các máy ảnh siêu phổ của bộ lọc yêu cầu các mảng lọc để phù hợp với phần tử hình ảnh của máy dò khi phát hiện, và quá nhỏ một khu vực phù hợp sẽ dẫn đến một lỗi liên kết lớn hơn của hệ thống, mà sẽ có một tác động nhất định đến chất lượng hình ảnh quang phổ cuối cùng.
So với máy ảnh siêu phổ quét push-Scan truyền thống, máy ảnh thu được thông tin quang phổ và hình ảnh thông tin bằng cách nhìn chằm chằm (có nghĩa là, một lần có thể có được hình ảnh siêu phổ toàn bộ, đặc biệt là bạn có thể có được một khoảnh khắc để có được một hình ảnh toàn bộ của một đối tượng, trong đó mỗi điểm có thể nhận được tất cả các bước sóng của dữ liệu), và có thể thực hiện hình ảnh siêu phổ video, có lợi thế rõ ràng trong các lĩnh vực tối và phát hiện mục tiêu yếu. Quan sát thiên văn, phát hiện trên không và giám sát an ninh. Ưu điểm này rõ ràng hơn trong lĩnh vực phát hiện mục tiêu tối và yếu, quan sát thiên văn, phát hiện trên không và giám sát an ninh.
Nhược điểm:
Yêu cầu là không cao nếu bạn có thể sử dụng, nhưng không sử dụng nhiều, trường hợp này không phải là cách để thực hiện các phép toán giữa các phổ khác nhau của dữ liệu siêu phổ. Không có cách nào để thực hiện các phép toán giữa các phổ khác nhau của dữ liệu siêu phổ trong trường hợp này, vì những lý do được đề cập ở trên.
Mặc dù mỗi điểm ảnh tương ứng với một phổ, trong thực tế, các phổ khác nhau tương ứng với các điểm ảnh khác nhau của cảm biến, và tương ứng với các vị trí khác nhau của đối tượng khi chụp ảnh, tức là, mỗi bước sóng của dữ liệu trên một điểm trong ảnh hyperspectral thực sự là một điểm khác nhau trên đối tượng rất gần!! Đây là một vấn đề quan trọng cần phải nhận thức! Một lời nhắc nhở khác! Không có cách nào để thực hiện các phép toán giữa các phổ khác nhau của dữ liệu siêu phổ trong trường hợp này. Lý do được nêu ra ở trên.
Ví dụ:
Liu Chunyu và Xie Yunqiang từ Viện Khoa học và Máy móc chính xác quang học Changchun, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, thiết kế một bộ lọc cấp điểm ảnh 16 kênh (4 × 4) với chiều rộng nửa sóng khoảng 25 nm cho các cổng máy ảnh siêu phổ hồng ngoại sóng ngắn, và các bộ lọc và toàn bộ máy được sử dụng được trưng bày trong quả sung. Camera quang phổ bao gồm một mục tiêu nhiếp ảnh, một bộ lọc điểm ảnh, một mục tiêu tiếp sức và một máy dò panchromatic, và các bước sóng trung tâm của 16 kênh của bộ lọc là 1131, 1163, 1199, 1238, 1259, 1301, 1339, 1381, 1413, 1456, 1495, 1532, 1600, 1669 nm, với chiều rộng nửa sóng khoảng 25 nm. 512 đơn vị bộ lọc, mỗi đơn vị có kích thước 15 um × 15 um.
Máy đo phổ tia lượng tử
Các chấm lượng tử, còn được gọi là "tinh thể nano", là vật liệu vô cơ với độ ổn định cao và bán kính nhỏ hơn bán kính của Exciton Borr của số lượng lớn. Màu sắc là trạng thái nội tại của vật chất, nói chung, màu sắc của các vật liệu vĩ mô sẽ không thay đổi do sự thay đổi hình dạng và thể tích của vật liệu chính nó, trong khi các chấm lượng tử như một loại vật liệu nano có kích thước rất nhỏ, màu sắc của nó sẽ thay đổi do sự tăng hoặc giảm số lượng các nguyên tử của chính nó, tức là, để thay đổi hình dạng và kích thước của các chấm lượng tử có thể được điều chỉnh với dải quang phổ của sự hấp thụ của nó. Việc sử dụng các chấm lượng tử của quang phổ của các đặc điểm điều chỉnh của quang phổ để có thể đạt được chức năng của quang phổ học. Sử dụng đặc tính điều chỉnh của các chấm lượng tử trên quang phổ có thể nhận ra chức năng của quang phổ học. Sự tích hợp của các chấm lượng tử có kích thước khác nhau trên cùng một chất nền có thể được coi là một hình thức đặc biệt của bộ lọc. Các chấm lượng tử riêng lẻ rất nhạy cảm với truyền sóng ánh sáng, kiểm soát hợp lý của các kích thước, hình dạng và sắp xếp của các chấm lượng tử có thể được thực hiện trên quang phổ của phát hiện liên tục và chính xác; Sự tích hợp của các loại khác nhau của các chấm lượng tử với nhau, bạn có thể nhận ra sự phát hiện của các bước sóng khác nhau tại cùng một thời điểm, phổ kế chấm lượng tử (keo chấm lượng tử phổ kế, CQDs) được phát triển dựa trên các nguyên tắc của các công việc của các chấm lượng tử, các công việc của các chấm lượng tử có thể được đạt được. CQDs được phát triển dựa trên nguyên tắc này, và nguyên tắc làm việc của nó được thể hiện trong hình.
Dân chuyên nghiệp.
Những ý tưởng nhỏ, rẻ, đặc biệt rẻ, mới cho việc quảng bá các máy quang phổ thu nhỏ.
Nhược điểm:
: : Tuy nhiên, do các chấm lượng tử điều chỉnh sóng ánh sáng tương tự như các bộ lọc, có một vấn đề tiếng ồn nghiêm trọng trong nghịch quang phổ, điều này dẫn đến sự phát triển của các thuật toán tái thiết quang phổ mục tiêu.
Hiện nay, độ phân giải quang phổ có thể rất cao với sự giới thiệu của các thuật toán tái tạo quang phổ thông qua học máy và học sâu. Tuy nhiên, đối với "tính tuyến tính năng lượng" quan trọng nhất trong phân tích phổ, có một vấn đề rất lớn, đó là lý do tại sao nó không thể được sử dụng rộng rãi cho các lý do quan trọng nhất.
Điều đó có nghĩa gì?
Trong phổ kế chấm lượng tử thường được sử dụng thuật toán tái tạo quang phổ, hiện trạng sẽ dẫn đến hoạt động "chống tích tụ" tương tự, độ chính xác tính toán năng lượng là không đủ. Đó là để nói, phép đo thực tế của phổ kế chấm lượng tử chỉ có thể có được năng lượng quang phổ ở 600nm, 650nm, sau khi áp dụng thuật toán tái tạo quang phổ, năng lượng quang phổ của 600nm, 610nm, 620nm, 630nm, 640nm, 640nm, 640nm, 650nm, nhưng năng lượng quang phổ thu được bởi thuật toán tái tạo quang phổ của 600nm, 610nm, 620nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm, 640nm. 630nm, 610nm, 620nm, 640nm, 640nm, 650nm, 650nm được tính bởi thuật toán tái tạo quang phổ, nhưng sự khác biệt giữa năng lượng quang phổ của 600nm, 610nm, 620nm, 630nm, 640nm, 650nm được tính bởi thuật toán tái tạo quang phổ và năng lượng quang phổ thực là rất lớn.
Trong phân tích phổ NIR, bởi vì tín hiệu rất yếu, một độ lệch 1% hoặc 2% trong năng lượng có thể có tác động rất lớn đến kết quả phân tích quang phổ, dẫn đến độ chính xác mô hình hóa rất kém.
Trong trường hợp của ánh sáng khả kiến, độ lệch 1% hoặc 2% trong năng lượng sẽ dẫn đến hiệu ứng tách biệt màu lớn hơn 1, không thể chấp nhận được trong việc đánh giá sự khác biệt màu.
Tuy nhiên, đối với lĩnh vực dân sự ít đòi hỏi hơn, chẳng hạn như chức năng ảnh điện thoại di động, công nghệ chấm lượng tử này áp dụng cho một trong nhiều máy ảnh điện thoại di động, bạn có thể đạt được màu sắc thực sự tốt hơn, khôi phục màu sắc thực hoặc tối ưu hóa màu sắc. Người ta mong rằng chẳng bao lâu bạn có thể thấy chương trình như thế.
Tuy nhiên, nếu dùng để phân tích phổ, công nghệ này sẽ đi một chặng đường dài, tôi không mấy lạc quan. Hiện nay trong các tổ chức nghiên cứu làm rất nhiều công ty có Thượng Hải và ánh sáng, Nam Kinh siêu nano, Thâm Quyến (tôi quên) : :.
Ví dụ:
Trong năm 2015, Bao Jie et al. từ Đại học Thanh Hoa lần đầu tiên giới thiệu khái niệm phổ kế chấm lượng tử. Tận dụng các kích thước nhỏ của các chấm lượng tử, họ tập trung 195 loại chấm lượng tử trên cùng một tấm phim mỏng và gắn bộ phim vào một mảng vi máy dò để tạo thành một phổ kế chấm lượng tử vi mô. Về mặt lý thuyết, quang phổ chấm lượng tử có thể bao gồm một dải quang phổ 0, 2 ~ 5 um. Loại máy đo phổ mới này làm giảm đáng kể thể tích và chất lượng của công cụ trong khi không ảnh hưởng đến độ phân giải và hiệu quả của chính quang phổ kế.
Năm 2021, nhóm của Huiyu Li tiến hành nghiên cứu phổ kế chấm lượng tử cho dải quang phổ cận hồng ngoại. Họ chọn các chấm lượng tử của PbS và PbSe, và nhận ra sự điều chỉnh phổ của hai loại chấm lượng tử bằng cách kiểm soát các thông số chìa khóa như luân phiên tổng hợp, trao đổi ligand, và trao đổi cation, vv. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng 195 chấm lượng tử cho tích hợp, được sử dụng như các yếu tố bộ lọc, và lựa chọn chất bán dẫn oxit Kim loại làm máy dò, trong đó tạo thành các phổ kế chấm lượng tử gần hồng ngoại. Nhóm đã sử dụng 195 chấm lượng tử như các yếu tố lọc và chất bán dẫn oxit Kim loại làm máy dò để tạo thành một phổ kế chấm lượng tử gần hồng ngoại. Hình 24 cho thấy sơ đồ của các chấm lượng tử cận hồng ngoại phổ được phát triển bởi nhóm có dải quang phổ 0, 9 ~ 1, 7 um, và một tỷ lệ phân tách phổ trung bình lên đến 6 nm.
Tóm tắt:
Nếu độ phân giải phổ là cần thiết, kiểu phân tán grating là lựa chọn tối ưu.
Nếu các yêu cầu độ phân giải phổ thấp, hãy dùng một máy ảnh siêu phổ với các bộ lọc truyền thống. Nhưng nó không thể hoạt động ở nhiều bước sóng.
Tôi hy vọng công nghệ của chấm lượng tử có thể được hoàn thiện.