Кіріспе

Бейнелеу спектрометрі - объектінің немесе сахнаның спектрлік ажыратылған бейнесін алу үшін гиперспектральды бейнелеуде және бейнелеу спектроскопиясында қолданылатын аспап, әдетте, бейнеленген объектінің құрамын талдауды қолдау үшін. Пиксел үшін шығарылған спектрлік деректерді деректердің үш өлшемді бейнелеуіне байланысты көбінесе деректік куб деп атайды. Суреттің екі осьтері тік және көлденең қашықтыққа, ал үшіншісі толқын ұзындығына сәйкес келеді. Жұмыс принципі қарапайым спектрометрдің жұмысына ұқсас, бірақ бейне сапасының жақсаруы үшін оптикалық аберрациялардан аулақ болу үшін ерекше назар аударылады. Бейнелеу спектрометрлерінің үлгілері: сүзгіленген камера, шүберек сканері, шүберек сканері, интегралды өрістік спектрограф (немесе байланысты өлшемді қайта пішімдеу әдістері), клиндік бейнелеу спектрометрі, Фурье трансформациясы бейнелеу спектрометрі, компьютерлік томографиялық бейнелеу спектрометрі (CTIS), бейнелерді қайталау бейнелеу спектрометрі (IRIS), кодталған диафрагмалық сынды спектралдық бейнелеу (CASSI) және бейне карталау спектрометрі (IMS).

Принцип

Бейнелеу спектрометрлері жарық пен электромагниттік жарықтың спектрлік құрамын өлшеу үшін қолданылады. Жиналған спектрлік деректер операторға сәулелену көздерін түсіндіру үшін қолданылады. Призмалы спектрометрлер сәулеленуді призма арқылы сыну элементі ретінде таратудың классикалық әдісін қолданады. Суретке түсіру спектрометрі сәулелену көзін көз кескіш арқылы "сынық" деп аталатын жерге түсіру арқылы жұмыс істейді. Коллиматор сәулелерді рефракциялық призма арқылы шашыратып, оны фоторезонанс арқылы анықтау жүйесіне түсіреді. Айналадағы көздің ең жақсы суретін шығару үшін ерекше қамқорлық қажет. Коллиматор мен бейнелеу оптикасының мақсаты - ойықтың мүмкіндігінше жақсы суретін алу. Бұл кезеңде элементтердің аймақтық массиві детекторлық жүйені толтырады. Суреттің қайнар көзі әр нүктесі детектор массиві деп аталатын тізімде сызық спектрі ретінде қайтадан бейнеленеді. Детектор массивтік сигналдары спектрлік мазмұнға қатысты, атап айтқанда, көз ауданындағы кеңістікте шешілген көз нүктелерін береді. Бұл көз нүктелері ойыққа түсіріледі, содан кейін детектор массивіне қайта түсіріледі. Сонымен қатар, жүйе көз ауданы және оның кеңістіктегі нүктелер сызығы туралы спектрлік ақпарат береді. Содан кейін сызық спектрлік мазмұны туралы ақпараттың дерекқорын құру үшін сканерленеді.

Планеталарды бақылау

Суретке түсіру спектрометрлерінің практикалық қолданылуы - олар Жер планетасын орбиталық спутниктерден бақылау үшін қолданылады. Спектрометр суреттегі барлық түсті нүктелерді жазып отырады, сондықтан спектрометр деректерді жазу үшін Жердің бетінің белгілі бір бөліктеріне бағытталған. Спектрлік мазмұнның артықшылықтары өсімдіктерді анықтау, физикалық жағдайды талдау, ықтимал кен өндіру мақсатында минералдарды анықтау және мұхиттардағы, жағалау аймақтарындағы және ішкі су жолдарындағы ластанған суларды бағалау. Призмалы спектрометрлер Жерді бақылау үшін өте қолайлы, өйткені олар кең спектрлік диапазонды тиімді өлшейді. Спектрометрлерді 400 нм-ден 2500 нм-ге дейінгі диапазонды қамтитын етіп орнатуға болады, бұл ұшақ пен спутник арқылы Жерді бақылай алатын ғалымдарды қызықтырады. Призмалық спектрометрдің спектрлік ажыратылуы көптеген ғылыми қолданбалар үшін қолайлы емес; сондықтан оның мақсаты кеңістіктік ауытқулары бар аймақтардың спектрлік мазмұнын жазуға арналған. Венераның орбитасында орналасқан Венера экспресі NIR мен UV сәулелерін қамтитын бірнеше бейнелеу спектрометрлері бар еді.

Кемшіліктер

Призмалық спектрометрдің линзалары коллимация мен қайта бейнелеу үшін де қолданылады; алайда бейнелеу спектрометрі өзінің өнімділігі коллиматорлар мен қайта бейнелеушілер ұсынатын бейне сапасымен шектеледі. Әр толқын ұзындығындағы ойық кескіннің ажыратылуы кеңістіктік ажыратылуын шектейді; сол сияқты, әр толқын ұзындығындағы ойық кескіндегі оптиканың ажыратылуы спектралдық ажыратылуын шектейді. Сонымен қатар, әр толқын ұзындығында жарық кескінінің бұрмалануы спектрлік деректерді түсіндіруді қиындатады. Бейнелеу спектрометріне қолданылатын сынушы линзалар өнімділігін линзаның осьтік хроматикалық аберрацияларымен шектейді. Бұл хроматикалық аберрациялар жаман, өйткені олар жақсы шешімді болдырмайтын фокус айырмашылығын тудырады; дегенмен, диапазон шектелсе, жақсы шешімге қол жеткізуге болады. Сонымен қатар, хроматикалық аберрацияларды толық көрінетін диапазон бойынша екі немесе одан да көп сынушы материалдарды қолдану арқылы түзетуге болады. Оптикалық күрделіліксіз кең спектрлік диапазондағы хроматикалық аберрацияларды түзету қиын.

Жүйелер

Өте кең спектрлік диапазонға арналған спектрометрлер барлық айна жүйелерімен жасалса, жақсы. Бұл жүйелерде хроматикалық аберрациялар жоқ, сондықтан олар артық. Екінші жағынан, бір нүктелі немесе сызықтық массивті анықтау жүйелері бар спектрометрлерге қарапайым айна жүйелері қажет. Аймақтық массив детекторларын пайдаланатын спектрометрлерге жақсы ажырату қабілетін қамтамасыз ету үшін күрделі айна жүйелері қажет. Барлық ауытқуларды болдырмайтын коллиматор жасау мүмкін, бірақ бұл дизайн қымбат, өйткені ол асфералық айналарды пайдалануды қажет етеді. Кішірек екі айналы жүйелер аберрацияларды түзете алады, бірақ олар спектрометрлерді бейнелеуге жарамсыз. Үш айналы жүйелер компактты және аберрацияларды да түзетеді, бірақ оларға кем дегенде екі асперсиялық компонент қажет. Төрт айнадан көп жүйелер үлкен және күрделі болады. Катадиоптрикалық жүйелер Imagine спектрометрлерінде қолданылады және олар да компактты; алайда, коллиматор немесе бейнелеуші екі қисық айнадан және үш сынушы элементтен тұрады, сондықтан жүйе өте күрделі. Алайда оптикалық күрделілік қолайсыз, өйткені әсерлер барлық оптикалық беттерді шашыратады және адасқан шағылыстар. Шашыраңқы сәуле детекторға еніп, оған кедергі келтіріп, жазылған спектрлерде қателерге әкелуі мүмкін. Қаңғыраған сәулеленуді қаңғыраған жарық деп атайды. Шашырауға ықпал ететін беттердің жалпы санын шектеуі арқылы ол теңдеуге шашыраңқы жарықтың енгізілуін шектейді. Суретке түсіретін спектрометрлер жақсы ажыратылған суреттерді шығару үшін арналған. Бұл үшін бейнелеу спектрометрлері аз оптикалық беттермен және асфералық оптикалық беттерсіз жасалуы қажет.