Введение
Спектрометр изображения - инструмент, используемый в гиперспектральной визуализации и спектроскопии изображения для получения спектрального изображения объекта или сцены, обычно для поддержки анализа композиции изображаемого объекта. Спектральные данные, полученные для пикселя, часто называют кубом данных из-за трехмерного представления данных. Две оси изображения соответствуют вертикальному и горизонтальному расстояниям, а третья - длине волны. Принцип работы такой же, как у простого спектрометра, но особое внимание уделяется избежанию оптических аберраций для улучшения качества изображения. Примеры спектрометров для визуализации включают в себя: фильтрованную камеру, сканер с помощью швабры, сканер с помощью швабры, спектрограф интегрального поля (или связанные с ним методы измерения), клиновый спектрометр для визуализации, спектрометр для визуализации преобразования Фурье, спектрометр для визуализации компьютерной томографии (CTIS), спектрометр для визуализации репликации изображений (IRIS), спектральный изобразитель с кодированным снимком диафрагмы (CASSI) и спектрометр для картографирования изображений (IMS).
Принцип
Спектрометры изображения используются специально для измерения спектрального содержания света и электромагнитного света. Собранные спектральные данные используются для того, чтобы дать оператору представление о источниках излучения. Призменные спектрометры используют классический метод рассеивания излучения при помощи призмы в качестве преломляющего элемента. Спектрометр изображения работает, изображая источник излучения на так называемый "щелок" с помощью изображения источника. Коллиматор коллимирует луч, который рассеивается преломляющей призмой и воспроизводится на детекторной системе воспроизводящим устройством. Особое внимание уделяется созданию наилучшего изображения источника на щеле. Целью коллиматора и оптики для получения изображения является получение наилучшего изображения щели. На этой стадии система обнаружения заполнена массивом элементов. Источник изображения воспроизводится, каждая точка, как линейный спектр на так называемой столбце массива детектора. Сигналы массива детекторов обеспечивают данные, относящиеся к спектровому содержанию, в частности, пространственно разрешенные точки источника внутри области источника. Эти точки источника изображаются на щеле, а затем переизображаются на массиве детекторов. Одновременно система предоставляет спектральную информацию о области источника и его линии пространственно разрешенных точек. Затем линия сканируется для создания базы данных информации о спектральном содержании.
Планетарные наблюдения
Практическое применение изобразительных спектрометров заключается в том, что они используются для наблюдения за планетой Земля с орбитальных спутников. Спектрометр работает, записывая все цветные точки на изображении, таким образом, спектрометр сосредоточен на определенных частях поверхности Земли для записи данных. Преимущества данных о спектральном содержании включают идентификацию растительности, анализ физического состояния, идентификацию минералов с целью потенциальной добычи и оценку загрязненных вод в океанах, прибрежных зонах и внутренних водных путях. Призменные спектрометры идеально подходят для наблюдения за Землей, потому что они эффективно измеряют широкие спектральные диапазоны. Спектрометры могут быть настроены на диапазон от 400 до 2500 нм, что интересует ученых, способных наблюдать Землю с помощью самолетов и спутников. Спектральное разрешение призмального спектрометра не является желательным для большинства научных применений; таким образом, его предназначение специфично для записи спектрального содержания областей с большими пространственными изменениями. Venus Express, вращавшийся вокруг Венеры, имел ряд спектрометров изображения, охватывающих NIR и UV.
Недостатки
Объективы призмального спектрометра используются как для коллимации, так и для получения изображений; однако, производительность изобразительного спектрометра ограничена качеством изображения, обеспечиваемым коллиматорами и реимагерами. Разрешение разреза изображения на каждой длине волны ограничивает пространственное разрешение; аналогично, разрешение оптики через разреза изображения на каждой длине волны ограничивает спектральное разрешение. Кроме того, искажение разреза изображения на каждой длине волны может усложнить интерпретацию спектральных данных. Рефракционные линзы, используемые в спектрометре изображения, ограничивают производительность по осевым хроматическим аберрациям линз. Эти хроматические аберрации являются плохими, потому что они создают различия в фокусе, которые препятствуют хорошему разрешению; однако, если диапазон ограничен, можно достичь хорошего разрешения. Кроме того, хроматические аберрации могут быть исправлены с помощью двух или более преломляющих материалов в течение всего видимого диапазона. Труднее исправить хроматические аберрации в более широких спектральных диапазонах без дополнительной оптической сложности.
Системы
Спектрометры, предназначенные для очень широких спектральных диапазонов, лучше всего изготавливать со всеми системами зеркал. Эти системы не имеют хроматических аберраций, и именно поэтому они предпочтительнее. С другой стороны, спектрометры с одноточечными или линейными системами обнаружения массивов требуют более простых зеркальных систем. Спектрометры, использующие детекторы массива площадей, нуждаются в более сложных системах зеркал для обеспечения хорошего разрешения. Можно представить, что можно сделать коллиматор, который бы предотвратил все аберрации; однако, эта конструкция дорогая, потому что требует использования асферических зеркал. Две более мелкие системы зеркал могут исправлять аберрации, но они не подходят для изображения спектрометров. Три зеркальные системы компактны и также исправляют аберрации, но для них требуются по крайней мере два аспериковых компонента. Системы с более чем четырьмя зеркалами, как правило, большие и гораздо более сложные. Катадиоптические системы используются в спектрометрах Imagine и также компактны; однако коллиматор или изобразитель будут состоять из двух изогнутых зеркал и трех преломляющих элементов, и, таким образом, система очень сложна. Однако оптическая сложность неблагоприятна, поскольку эффекты рассеивают все оптические поверхности и рассеивают отражения. Рассеянное излучение может помешать детектору, попадая в него и вызывая ошибки в записанных спектрах. Рассеянное излучение называется рассеянным светом. Ограничивая общее количество поверхностей, которые могут способствовать рассеянию, он ограничивает введение блуждающего света в уравнение. Спектрометры предназначены для получения изображений с высоким разрешением. Для этого спектраторы изображения должны быть сделаны с небольшим количеством оптических поверхностей и не иметь асферических оптических поверхностей.