Визуализирующий спектрометр

Спектрометр визуализации — это инструмент, используемый в гиперспектральной визуализации и спектроскопии визуализации для получения изображения объекта или сцены со спектральным разрешением, обычно для поддержки анализа состава отображаемого объекта. ^[1]^[2] Спектральные данные, полученные для пикселя, часто называют кубом данных из -за трехмерного представления данных. Две оси изображения соответствуют расстоянию по вертикали и горизонтали, а третья — длине волны . Принцип работы такой же, как и у простого спектрометра , но особое внимание уделяется предотвращению оптических аберраций для лучшего качества изображения.

Примеры типов спектрометров визуализации включают в себя: камеру с фильтром, сканер с меткой , сканер с меткой , интегральный полевой спектрограф (или соответствующие методы размерного переформатирования), спектрометр клиновой визуализации, спектрометр визуализации с преобразованием Фурье, спектрометр визуализации компьютерной томографии (CTIS), спектрометр визуализации с репликацией изображений (IRIS). , спектрометр для моментальных снимков с кодированной апертурой (CASSI) и спектрометр для картографирования изображений (IMS).

Принцип

Спектрометры визуализации используются специально для измерения спектрального состава света и электромагнитного света. Собранные спектральные данные используются, чтобы дать оператору представление об источниках излучения. В призменных спектрометрах используется классический метод рассеивания излучения с помощью призмы в качестве преломляющего элемента.

Спектрометр визуализации работает путем формирования изображения источника излучения на так называемой «щели» с помощью устройства формирования изображения источника. Коллиматор коллимирует луч, который рассеивается преломляющей призмой и повторно отображается в системе обнаружения с помощью устройства повторного формирования изображения. Особое внимание уделяется созданию наилучшего изображения источника на щели. Целью коллиматора и оптики повторного формирования изображения является получение наилучшего изображения щели. На этом этапе систему обнаружения заполняет массив элементов. Исходное изображение перерисовывается, каждая точка, в виде линейного спектра в так называемом столбце детекторной матрицы. Сигналы детекторной матрицы предоставляют данные, относящиеся к спектральному составу, в частности, точки источника с пространственным разрешением внутри области источника. Эти точки источника отображаются на щели, а затем повторно отображаются на матрице детекторов. Одновременно система предоставляет спектральную информацию об области источника и его линии пространственно разрешенных точек. Затем линия сканируется для создания базы данных информации о спектральном составе. ^[3]

Приложения

Планетарные наблюдения

Практическое применение визуализирующих спектрометров заключается в том, что они используются для наблюдения за планетой Земля с орбитальных спутников. Функционирование спектрометра заключается в регистрации всех цветовых точек на изображении, поэтому спектрометр фокусируется на определенных участках поверхности Земли для записи данных. Преимущества данных о спектральном составе включают идентификацию растительности, анализ физического состояния, идентификацию минералов с целью потенциальной добычи, а также оценку загрязненных вод в океанах, прибрежных зонах и внутренних водных путях.

Призменные спектрометры идеально подходят для наблюдения Земли, поскольку они компетентно измеряют широкие спектральные диапазоны. Спектрометры можно настроить на диапазон от 400 до 2500 нм, что интересует ученых, способных наблюдать Землю с помощью самолетов и спутников. Спектральное разрешение призматического спектрометра нежелательно для большинства научных приложений; таким образом, его цель заключается в регистрации спектрального состава областей с большими пространственными вариациями. ^[3]

Венера-экспресс , вращавшаяся вокруг Венеры, имела ряд спектрометров визуализации, охватывающих БИК- и УФ-диапазон.

Недостатки

Линзы призматического спектрометра используются как для коллимации, так и для повторного отображения; однако эффективность спектрометра формирования изображений ограничена качеством изображения, обеспечиваемым коллиматорами и устройствами повторного формирования изображения. Разрешение щелевого изображения на каждой длине волны ограничивает пространственное разрешение; аналогичным образом разрешение оптики поперек щелевого изображения на каждой длине волны ограничивает спектральное разрешение. Более того, искажение изображения щели на каждой длине волны может усложнить интерпретацию спектральных данных.

Преломляющие линзы, используемые в спектрометре формирования изображений, ограничивают производительность из-за осевых хроматических аберраций линзы. Эти хроматические аберрации плохи, потому что они создают различия в фокусе, которые мешают хорошему разрешению; однако, если диапазон ограничен, можно добиться хорошего разрешения. Кроме того, хроматические аберрации можно исправить, используя два или более преломляющих материала во всем видимом диапазоне. Труднее исправить хроматические аберрации в более широких спектральных диапазонах без дополнительных оптических сложностей. ^[3]

Системы

Спектрометры, предназначенные для очень широких спектральных диапазонов, лучше всего изготавливать с цельнозеркальной системой. Именно эти системы не имеют хроматических аберраций, и именно поэтому они предпочтительнее. С другой стороны, спектрометры с одноточечной или линейной системой детектирования требуют более простых зеркальных систем. Спектрометрам, использующим детекторы с площадями, требуются более сложные системы зеркал, чтобы обеспечить хорошее разрешение. Вполне возможно, что можно было бы создать коллиматор , предотвращающий все аберрации; однако эта конструкция дорогая, поскольку требует использования асферических зеркал.

Меньшие двухзеркальные системы могут корректировать аберрации, но они не подходят для спектрометров формирования изображений. Трехзеркальные системы также компактны и корректируют аберрации, но требуют как минимум двух асперических компонентов. Системы с более чем четырьмя зеркалами, как правило, большие и намного более сложные. Катадиоптрические системы используются в спектрометрах Imagine и к тому же компактны; однако коллиматор или формирователь изображения будет состоять из двух изогнутых зеркал и трех преломляющих элементов, и, таким образом, система очень сложна.

Однако оптическая сложность невыгодна, поскольку эффекты рассеивают все оптические поверхности и паразитные отражения. Рассеянное излучение может мешать работе детектора, попадая в него и вызывая ошибки в записываемых спектрах. Рассеянное излучение называется рассеянным светом . Ограничивая общее количество поверхностей, которые могут способствовать рассеянию, мы ограничиваем появление рассеянного света в уравнении.

Спектрометры визуализации предназначены для получения изображений с хорошим разрешением. Чтобы это произошло, спектрометры формирования изображений должны быть изготовлены с небольшим количеством оптических поверхностей и не иметь асферических оптических поверхностей. ^[3]

Примеры

Ральф (New Horizons) , спектрометр видимого и ультрафиолетового диапазона на New Horizons
Jovian Infrared Auroral Mapper , инфракрасный спектрометр на орбитальном аппарате Юнона-Юпитер
Картографический спектрометр для Европы (планируется для разрабатываемого Europa Clipper) космического корабля
Компактный спектрометр разведывательной визуализации для Марса (CRISM), спектрометр визуализации на орбите Марса на борту Mars Reconnaissance Orbiter
Специальный датчик ультрафиолетового изображения конечностей для наблюдения за ионосферой и термосферой Земли.

См. также

Ландсат

Ссылки

^ Уильям Л. Вулф (1997). Введение в спектрометры визуализации . СПАЙ Пресс. ISBN 978-0-8194-2260-6 .
^ Фрик Д. ван дер Меер; С.М. де Йонг (29 марта 2011 г.). Визуальная спектрометрия: основные принципы и перспективные применения . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-0194-9 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Гугл Патентс» . Проверено 5 марта 2012 г.

Внешние ссылки

Список инструментов спектрометра визуализации

[Wolfe1997-1] Уильям Л. Вулф (1997). Введение в спектрометры визуализации . СПАЙ Пресс. ISBN 978-0-8194-2260-6 .

[MeerJong2011-2] Фрик Д. ван дер Меер; С.М. де Йонг (29 марта 2011 г.). Визуальная спектрометрия: основные принципы и перспективные применения . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4020-0194-9 .

[autogenerated1-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Гугл Патентс» . Проверено 5 марта 2012 г.

[1]

[2]

[3]