สถาบันทัศนศาสตร์ฉางชุนวิเคราะห์สถานะการพัฒนาและแนวโน้มของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมชนิดฟิลเตอร์สเปกโทรสโกปี

กล้อง Hyperspectral สามารถรวมเทคโนโลยีการถ่ายภาพเข้ากับเทคโนโลยีการตรวจจับสเปกตรัม และในขณะที่ถ่ายภาพลักษณะเชิงพื้นที่ของเป้าหมาย กล้องสามารถสร้างแถบแคบหลายแถบสำหรับองค์ประกอบภาพเชิงพื้นที่แต่ละส่วนเพื่อให้ได้การครอบคลุมสเปกตรัมอย่างต่อเนื่อง และข้อมูลสเปกตรัมที่แตกต่างกันสามารถสะท้อนความแตกต่างทางกายภาพได้อย่างเต็มที่ โครงสร้างและองค์ประกอบทางเคมีภายในคุณลักษณะ เมื่อเปรียบเทียบกับการถ่ายภาพเชิงพื้นที่แบบสองมิติแบบดั้งเดิม กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมสามารถรับข้อมูลเชิงพื้นที่และเชิงสเปกตรัมเกี่ยวกับเป้าหมายได้ ที่ความละเอียดเชิงพื้นที่เฉพาะ พวกมันสามารถบรรลุลักษณะสเปกตรัมต่อเนื่องที่เป็นเอกลักษณ์ของลักษณะพื้นในแถบสเปกตรัมที่หลากหลาย ซึ่งมีข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการระบุและตรวจจับลักษณะพื้นอย่างแม่นยำ มีมูลค่าการใช้งานจำนวนมากในการเกษตร ป่าไม้ น้ำ ดิน เหมืองแร่ และการสำรวจทรัพยากรอื่น ๆ และการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการเคลือบฟิลเตอร์ การพัฒนากล้องไฮเปอร์สเปกตรัมสเปกโทรสโกปีแบบฟิลเตอร์จึงได้รับการส่งเสริมอย่างกว้างขวาง กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมที่ใช้หลักการกรองสเปกโทรสโกปีได้กลายเป็นส่วนสำคัญของโหลดการตรวจจับระยะไกลแบบไฮเปอร์สเปกตรัม ด้วยข้อดีของแบนด์วิธขนาดใหญ่ ความละเอียดเชิงพื้นที่สูง ความละเอียดสเปกตรัมสูง และขนาดที่เบาและเล็ก มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเครือข่ายของกลุ่มดาวไฮเปอร์สเปกตรัมดาวเทียมไมโครนาโน

จากข้อมูลของ McMasters Consulting กลุ่มวิจัยของ Liu Chunyu ที่ Changchun Institute of Optics and Precision Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences เพิ่งตีพิมพ์บทความในวารสาร Infrared and Laser Engineering ในหัวข้อ "สถานะและแนวโน้มของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมสเปกโทรสโกปีแบบฟิลเตอร์ การพัฒนา." Liu Chunyu มีส่วนร่วมในการวิจัยการออกแบบระบบออปติคัลและการออกแบบโดยรวมของระบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์

แผนผังของหลักการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัม

งานวิจัยนี้ส่วนใหญ่เป็นการทบทวนกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมสเปกโทรสโกปีแบบฟิลเตอร์ แนะนำระบบสร้างภาพไฮเปอร์สเปกตรัมสเปกโทรสโกปีแบบออนบอร์ดทั้งในและต่างประเทศ และระบบสร้างภาพสเปกโทรสโกปีแบบไฮเปอร์สเปกตรัมแบบฟิลเตอร์ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา และวิเคราะห์โซลูชันทางเทคนิค ดัชนีประสิทธิภาพ และการประยุกต์ใช้ แนวโน้มของระบบเหล่านี้ และอธิบายลักษณะทางเทคนิค ข้อดี และข้อเสียของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมที่ใช้หลักการของฟิลเตอร์สเปกโทรสโกปี มีการอธิบายด้านเทคนิค ประโยชน์ และข้อเสียของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมตามหลักการฟิลเตอร์สเปกโทรสโกปี และสุดท้าย แนวโน้มการพัฒนาของกล้องสเปกโทรสโกปีฟิลเตอร์ได้รับการคาดการณ์ล่วงหน้า

กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมของวงล้อฟิลเตอร์ใช้วงล้อฟิลเตอร์เป็นองค์ประกอบสเปกตรัมเพื่อให้ได้ภาพสเปกตรัมของแถบความยาวคลื่นต่างๆ โดยการหมุนวงล้อฟิลเตอร์ ซึ่งจะทำให้การแยกสเปกตรัมของแสงเชิงซ้อนเป็นแสงสีเดียวเสร็จสมบูรณ์ ส่วนประกอบที่สำคัญของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมของวงล้อฟิลเตอร์คือวงล้อฟิลเตอร์ ซึ่งวงล้อฟิลเตอร์สามารถแทนที่ช่วงสเปกตรัมที่สอดคล้องกันตามแถบการสังเกตที่แตกต่างกัน ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการถ่ายภาพสเปกตรัม จำนวนแถบการตรวจจับจึงเพิ่มขึ้น และวงล้อตัวกรองไม่สามารถตอบสนองการสังเกตการณ์ที่มีความละเอียดสูงในวงกว้างได้อีกต่อไป ดังนั้นจึงมีการใช้มากขึ้นในการตรวจจับหลายสเปกตรัม

กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมแบบฟิลเตอร์ที่ปรับค่าได้ใช้ฟิลเตอร์แบบปรับค่าได้เป็นส่วนประกอบสเปกตรัม และส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมแบบฟิลเตอร์คริสตัลเหลว (LCTF), กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมแบบอะคูสติกแบบปรับค่าได้ (Acousto-Optic Tunable Filter: AOTF) และกล้องโพรง FP แบบปรับค่า MEMS ได้ กล้องไฮเปอร์สเปกตรัม MEMS Tunable Fabry-Perot Cavity Filters (AOTF)

กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมตัวกรองรูปลิ่ม หรือที่เรียกว่ากล้องไฮเปอร์สเปกตรัมตัวกรองที่ปรับค่าได้ ช่วยให้สามารถสุ่มตัวอย่างได้อย่างต่อเนื่องในบริเวณสเปกตรัมและเชิงพื้นที่ แนวคิดคือการใช้สื่อฟิล์มบางหลายชั้นรูปลิ่มเป็นตัวกรอง และติดตั้งใกล้กับตัวตรวจจับอาร์เรย์สองมิติ เพื่อให้องค์ประกอบภาพหลายส่วนของเซ็นเซอร์สอดคล้องกับแถบสเปกตรัมเฉพาะของตัวกรองที่ปรับค่าได้ ขึ้นอยู่กับความสอดคล้องกันระหว่างแถบของตัวกรองการไล่ระดับสีและองค์ประกอบภาพของเครื่องตรวจจับ กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมตัวกรองการไล่ระดับสีสามารถแบ่งออกเป็นประเภทการไล่ระดับสีเชิงเส้นและประเภทอาร์เรย์ตัวกรอง

โครงสร้างและสเปกโทรสโกปีของฟิลเตอร์เชิงเส้นแบบโปรเกรสซีฟ

จุดควอนตัมหรือที่เรียกว่า "ผลึกนาโน" เป็นวัสดุอนินทรีย์ที่มีความเสถียรสูงและมีรัศมีที่เล็กกว่ารัศมีของคลื่นเอ็กซิตอนขนาดใหญ่ การรวมควอนตัมดอทประเภทต่างๆ เข้าด้วยกันทำให้สามารถตรวจจับความยาวคลื่นต่างๆ ได้พร้อมกัน ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังการพัฒนาควอนตัมดอทสเปกโตรมิเตอร์ (CQD) แนวคิดแบบดั้งเดิมของสเปกโตรมิเตอร์ที่มีส่วนประกอบทางแสงและเชิงกลที่มีความแม่นยำสูงนั้นมีขนาดใหญ่ ราคาแพง ซับซ้อน และมีข้อจำกัดอย่างมากในการใช้งาน

แผนภาพหลักการของ NIR quantum dot spectrometer

โดยทั่วไป กล้องไฮเปอร์สเปกตรัมชนิดฟิลเตอร์สเปกโทรสโกปียังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และความละเอียดของสเปกตรัมยังคงต้องเทียบเคียงได้กับวิธีสเปกโทรสโกปีแบบกระจายตะแกรงที่มีความแม่นยำสูง นอกจากนี้ การผสมผสานระหว่างตัวกรองและเครื่องตรวจจับจะช่วยปรับปรุงความละเอียดเชิงสเปกตรัมของระบบให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งเทียบได้กับสเปกโทรสโกปีแบบกระจายที่มีความแม่นยำสูง ดังนั้น การรวมฟิลเตอร์และเวเฟอร์ตัวตรวจจับเข้าด้วยกันจึงเป็นแนวโน้มการพัฒนาที่สำคัญของกล้องไฮเปอร์สเปกตรัมแบบเคลือบ เป็นเรื่องง่ายที่จะเห็นว่าการพัฒนากล้องไฮเปอร์สเปกตรัมที่ใช้ตัวกรองจะขับเคลื่อนการเติบโตที่ก่อกวนในด้านการถ่ายภาพไฮเปอร์สเปกตรัม ซึ่งจะทำให้เกิดการพัฒนาเทคโนโลยีตรวจจับระยะไกลไฮเปอร์สเปกตรัมสำหรับดาวเทียมไมโครนาโนและวางเทคนิค รากฐานสำหรับการดำเนินงานในอนาคตของกลุ่มดาวเทียมไมโครนาโนไฮเปอร์สเปกตรัมในวงโคจร เพื่อรองรับเศรษฐกิจของประเทศให้ดีขึ้น

โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนโดย National Natural Science Foundation of China (41504143), Research Equipment Development Project of the Chinese Academy of Sciences (YJKYYQ20190044), Natural Science Foundation of Anhui Province (1908085 ME135) และ Youth Innovation Promotion Council of สถาบันวิทยาศาสตร์จีน (2016203)