Forskere kombinerer avanceret spektroskopiteknik med billeddannelse med videohastighed

For første gang, forskere har brugt en avanceret analytisk teknik kendt som dual-kam spektroskopi til hurtigt at erhverve ekstremt detaljerede hyperspektrale billeder. Ved at indsamle et fuldt spektrum af oplysninger for hver pixel i en scene med høj følsomhed og hastighed, den nye tilgang kunne i høj grad fremme en lang række videnskabelige og industrielle anvendelser såsom kemisk analyse og biomedicinsk sansning.

"Dual-kam spektroskopi har revolutioneret optisk spektroskopi ved at levere en uovertruffen spektral opløsning og nøjagtighed samt korte optagelsestider uden bevægelige dele, "sagde forskerteamleder Pedro Martín-Mateos fra Universidad Carlos III de Madrid, i Spanien. "Vores nye direkte hyperspektrale dual-kam billeddannelsesmetode vil gøre det muligt at udvide de fleste af punktdetekteringskapaciteterne i de nuværende dual-comb-systemer for at skabe et spektralbillede af en hel scene."

Dual-kam spektroskopi bruger to optiske kilder, kendt som optiske frekvenskamme, der udsender et spektrum af farver - eller frekvenser - der har perfekt afstand som tænderne på en kam. Som rapporteret i Optica , The Optical Society's journal for high impact research, det er første gang, at et dual-kam spektrum er blevet registreret direkte ved hjælp af et videokamera.

"Vi demonstrerer spektral afhøring af et 2-D objekt på bare et sekund, mere end tre størrelsesordener hurtigere end tidligere demonstrationer, "sagde Martín-Mateos." Denne hurtige erhvervelsestid muliggør dual-kam hyperspektral billeddannelse af hurtige eller dynamiske processer, hvilket ikke var muligt før. "

Selvom arbejdet blev udført ved hjælp af nær-infrarøde bølgelængder, forskerne siger, at konceptet let kan overføres til en række forskellige spektrale områder, udvidelse af antallet af mulige ansøgninger.

I særdeleshed, udvidelse af tilgangen til terahertz- og millimeterbølgespektralområderne ville åbne mange nye muligheder for ikke -destruktiv testning og produktinspektion i fødevarerne, landbrugs- og farmaceutisk industri. I melleminfrarøde og nærinfrarøde områder kan det også forbedre ydeevnen for kemisk billeddannelse, 3D-kortlægning og overfladetopografiteknologier.

Videoredigering

Dobbeltkammespektrometre fungerer ved at forstyrre lys fra to tæt matchede optiske frekvenskamme. Denne blandingsproces genererer et signal kendt som et interferogram med hastigheder, der typisk er i titalls megahertz (millioner gange i sekundet), for hurtigt til at optage med selv de hurtigste højhastighedsvideokameraer.

"Vi strakte interferogrammerne genereret af vores system op til et sekund for at gøre det muligt at detektere interferenssignalet med dobbelt kam ved hjælp af et videokamera, "forklarede Martín-Mateos." Dette tillader spektralanalyse af en hel scene, i stedet for bare et punkt. "

For at gøre dette byggede forskerne et system baseret på en meget enkel elektro-optisk dual-kam kilde, der hovedsagelig består af optiske fiberkomponenter. Brugen af ​​to akustisk-optiske modulatorer lader dem opveje de optiske kamme med en vilkårligt lav frekvens, at lave ultra-langsomme interferogrammer.

Forskerne brugte den nye metode til at erhverve hyperspektrale billeder af ammoniakgas, der slap ud af en flaske. De opnåede en optisk opløsning på 1 GHz (0,0033 cm-1) ved videofrekvenser på 25 billeder i sekundet, med hver ramme indeholdende 327, 680 individuelle spektrale målinger. Ifølge forskerne, den opløsning, de opnåede, tillader let sondring mellem forskellige gasser og er 100 gange bedre end nuværende kommercielt udstyr.

"Dette gør det muligt for os, for eksempel, let at identificere og skelne mellem forskellige gasser. Den opløsning, der blev demonstreret i denne første eksperimentelle demonstration, er to størrelsesordener bedre end den for nuværende kommercielt udstyr.

"Enkelhed er en af ​​systemets vigtigste styrker, "sagde Martín-Mateos." Det fungerede fejlfrit og kunne implementeres i ethvert optiklaboratorium. "

Arbejdet er en del af et større projekt finansieret af ATTRACT -initiativet (Horisont 2020), som har til formål at udvikle et hurtigt hyperspektralt billeddannelsessystem, der bruger terahertz -området i det elektromagnetiske spektrum til inspektion, kvalitetskontrol og klassificering af landbrugs- og fødevareprodukter. Forskerne arbejder nu på at udvikle en terahertz dual-comb kilde til at demonstrere metoden i dette spektrale område.