Spektrometr obrazowy - Imaging spectrometer
Spektrometr obrazowania jest przyrząd stosowany w Hyperspectral obrazowania i spektroskopii obrazowania nabyć widmowo rozdzielonego obrazu obiektu lub sceny, często określanych jako datacube dzięki trójwymiarowym danych. Dwie osie obrazu odpowiadają odległości pionowej i poziomej, a trzecia długości fali . Zasada działania jest taka sama, jak w przypadku prostego spektrometru , ale szczególną uwagę zwraca się na unikanie aberracji optycznych w celu uzyskania lepszej jakości obrazu.
Rodzaje przykład obrazowanie spektrometr obejmują filtered kamery, whiskbroom skaner , skaner pushbroom , integralną spektrografu pola (lub pokrewny przestrzenne techniki reformatowanie), obrazowanie klin spektrometr transformacji Fouriera obrazu spektrometr obliczane spektrometr obrazowania tomografii (CTI) obrazu replikacji obrazowania spektrometr (IRIS) , kodowana kamera spektralna do migawek z aperturą (CASSI) oraz spektrometr do mapowania obrazu (IMS).
Zasada
Spektrometry obrazowe są używane specjalnie do pomiaru zawartości spektralnej światła i światła elektromagnetycznego. Zebrane dane spektralne są wykorzystywane do zapewnienia operatorowi wglądu w źródła promieniowania. Spektrometry pryzmatyczne wykorzystują klasyczną metodę rozpraszania promieniowania za pomocą pryzmatu jako elementu załamującego.
Spektrometr obrazowania działa na zasadzie obrazowania źródła promieniowania na tak zwanej „szczelinie” za pomocą urządzenia do obrazowania źródła. Kolimator kolimuje wiązkę, która jest rozpraszana przez pryzmat załamujący i ponownie obrazowana w systemie detekcji przez re-imager. Szczególną uwagę zwraca się na uzyskanie najlepszego możliwego obrazu źródła na szczelinie. Zadaniem kolimatora i optyki reimaging jest uzyskanie jak najlepszego obrazu szczeliny. Na tym etapie układ detekcji wypełnia obszarowa tablica elementów. Obraz źródłowy jest odtwarzany w każdym punkcie jako widmo liniowe na tak zwanej kolumnie matrycy detektorów. Sygnały matrycy detektorów dostarczają dane dotyczące zawartości widmowej, w szczególności przestrzennie rozdzielonych punktów źródłowych wewnątrz obszaru źródłowego. Te punkty źródłowe są obrazowane na szczelinie, a następnie ponownie obrazowane na matrycę detektorów. Jednocześnie system dostarcza informacje spektralne o obszarze źródłowym i jego linii punktów rozdzielonych przestrzennie. Linia jest następnie skanowana w celu zbudowania bazy danych informacji o zawartości widmowej.
Aplikacje
Obserwacje planetarne
Praktyczne zastosowanie spektrometrów obrazowania polega na tym, że służą one do obserwacji Ziemi z orbitujących satelitów. Spektrometr działa poprzez rejestrowanie wszystkich punktów koloru na obrazie, dlatego spektrometr skupia się na określonych częściach powierzchni Ziemi, aby rejestrować dane. Zalety danych o zawartości spektralnej obejmują identyfikację roślinności, analizę stanu fizycznego, identyfikację minerałów w celu potencjalnego wydobycia oraz ocenę zanieczyszczonych wód w oceanach, strefach przybrzeżnych i śródlądowych drogach wodnych.
Spektrometry pryzmatyczne są idealne do obserwacji Ziemi, ponieważ mierzą kompetentnie szerokie zakresy widmowe. Spektrometry można ustawić na zakres od 400 nm do 2500 nm, co interesuje naukowców, którzy są w stanie obserwować Ziemię za pomocą samolotów i satelitów. Rozdzielczość spektralna spektrometru pryzmatycznego nie jest pożądana w większości zastosowań naukowych; dlatego jego cel jest specyficzny do rejestrowania zawartości widmowej obszarów o większych zróżnicowaniach przestrzennych.
Venus express , orbitujący wokół Wenus, miał wiele spektrometrów obrazowania obejmujących NIR-vis-UV.
Niedogodności
Soczewki spektrometru pryzmatycznego służą zarówno do kolimacji, jak i ponownego obrazowania; jednak spektrometr obrazowania jest ograniczony w swojej wydajności przez jakość obrazu zapewnianą przez kolimatory i urządzenia do ponownego obrazowania. Rozdzielczość obrazu szczeliny przy każdej długości fali ogranicza rozdzielczość przestrzenną; podobnie rozdzielczość optyki na obrazie szczelinowym przy każdej długości fali ogranicza rozdzielczość widmową. Ponadto zniekształcenie obrazu szczeliny przy każdej długości fali może skomplikować interpretację danych widmowych.
Soczewki załamujące stosowane w spektrometrze do obrazowania ograniczają wydajność przez osiowe aberracje chromatyczne soczewki. Te aberracje chromatyczne są złe, ponieważ powodują różnice w ostrości, co uniemożliwia uzyskanie dobrej rozdzielczości; jednak jeśli zakres jest ograniczony, możliwe jest osiągnięcie dobrej rozdzielczości. Ponadto aberracje chromatyczne można korygować za pomocą dwóch lub więcej materiałów załamujących w całym zakresie widzialnym. Trudniej jest skorygować aberracje chromatyczne w szerszych zakresach widmowych bez dalszej złożoności optycznej.
Systemy
Spektrometry przeznaczone do bardzo szerokich zakresów spektralnych najlepiej sprawdzają się, gdy są wykonane z systemami całkowicie lustrzanymi. Te konkretne systemy nie mają aberracji chromatycznych i dlatego są preferowane. Z drugiej strony, spektrometry z jednopunktowymi lub liniowymi systemami detekcji wymagają prostszych systemów zwierciadlanych. Spektrometry wykorzystujące detektory z matrycą obszarową wymagają bardziej złożonych systemów zwierciadlanych, aby zapewnić dobrą rozdzielczość. Można sobie wyobrazić, że można by stworzyć kolimator , który zapobiegałby wszelkim aberracjom; jednak ten projekt jest drogi, ponieważ wymaga użycia luster asferycznych.
Mniejsze systemy z dwoma lustrami mogą korygować aberracje, ale nie nadają się do obrazowania spektrometrów. Trzy systemy luster są kompaktowe i korygują aberracje, ale wymagają co najmniej dwóch elementów asferycznych. Systemy z więcej niż czterema lustrami są zwykle duże i dużo bardziej złożone. Systemy katadioptryczne są stosowane w spektrometrach Imagine i są również kompaktowe; jednak kolimator lub imager będzie składał się z dwóch zakrzywionych luster i trzech elementów załamujących, a zatem system jest bardzo złożony.
Złożoność optyczna jest jednak niekorzystna, ponieważ efekty rozpraszają wszystkie powierzchnie optyczne i rozpraszają odbicia. Promieniowanie rozproszone może zakłócać działanie detektora, wchodząc do niego i powodując błędy w rejestrowanych widmach. Promieniowanie rozproszone jest określane jako światło rozproszone . Ograniczając całkowitą liczbę powierzchni, które mogą przyczyniać się do rozpraszania, ogranicza wprowadzanie do równania światła rozproszonego.
Spektrometry obrazowe mają dawać obrazy o dobrej rozdzielczości. Aby tak się stało, spektrometry obrazujące muszą być wykonane z niewielu powierzchni optycznych i nie mieć asferycznych powierzchni optycznych.
Przykłady
- Ralph (New Horizons) , Spektrometr do obrazowania w zakresie widzialnym i ultrafioletowym na New Horizons
- Jovian Infrared Auroral Mapper , spektrometr obrazowania w podczerwieni na orbiterze Juno Jupiter
- Mapping Imaging Spectrometer for Europa (planowany dla rozwojowej sondy Europa Clipper)
- Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM), spektrometr obrazowania na orbicie Marsa na pokładzie Mars Reconnaissance Orbiter