Hyperspectrum portableL'équipement doit atteindre une résolution spectrale à l'échelle nanométrique (2 - 10 nm classique, jusqu'à 1 nm à l'extrémité supérieure) sous réserve de miniaturisation (poids généralement ≤ 5 kg), de faible consommation d'énergie (endurance ≥ 4 heures) pour des scénarios tels que l'identification des minéraux sur le terrain, la détection de la qualité des produits agricoles, l'analyse des contaminants environnementaux, etc. Le défi principal est d'équilibrer la précision du système optique et la sensibilité de détection du signal dans un volume limité, il est nécessaire de surmonter les contradictions de la portabilité et de la résolution grâce à une conception collaborative « optimisation de la structure optique - détection de haute sensibilité - traitement de précision du signal», afin de s'assurer que les données spectrales peuvent distinguer les différences subtiles de longueur d'onde à l'échelle nanométrique adjacente.

　　I. optimisation du système optique: support de base pour la résolution à l'échelle nanométrique

Grâce à la conception optique de précision, améliorer la séparation des longueurs d'onde et la précision de mise au point, jetant les bases de la résolution à l'échelle nanométrique:

Options d'éléments optométriques à dispersion chromatique élevée: les composants de dispersion chromatique de base utilisent un réseau à haute résolution (tel qu'un réseau holographique concave, densité de facettes ≥ 1200 lignes / MM) ou un système de combinaison prisme - réseau - le réseau à densité de facettes élevée peut séparer efficacement les signaux spectraux avec un intervalle de longueur d'onde ≤ 2 nm (tel que la bande 500 - 1000 nm, la dispersion chromatique du réseau 1200 lignes / MM peut atteindre 0,5 nm / MM), la structure concave combine la dispersion chromatique et la fonction de mise au point, réduit le nombre d'éléments optiques (3 - 5 lentilles de moins qu'un réseau plat traditionnel), convient aux besoins de portabilité; Certains appareils utilisent des réseaux de micro - miroirs MEMS (microsystèmes électromécaniques) de plus petite taille qui permettent un balayage en longueur d'onde par rotation de micro - miroirs avec une résolution allant jusqu'à 1 - 2 nm et une épaisseur d'élément de seulement 0,5 - 1 mm.

Optimisation du chemin optique et de l'ouverture: avec une conception « courte distance focale + grande ouverture relative» (distance focale ≤ 100 mm, ouverture relative 1: 2,8), la quantité de lumière entrante est augmentée (30% de plus que les systèmes à petite ouverture relative) Tout en réduisant le volume du système optique, ce qui garantit que les signaux spectraux à l'échelle nanométrique peuvent toujours être capturés dans des environnements faiblement éclairés; L'objectif adopte une conception apochromatique (par exemple avec 3 - 4 lentilles dispersives spéciales), corrige l'aberration chromatique à différentes longueurs d'onde (contrôle de l'aberration chromatique ≤ 1 nm) et évite la baisse de résolution causée par le décalage de longueur d'onde; Un filtre à bande étroite (bande passante ≤ 5 nm) est ajouté dans le canal optique, filtre la lumière parasite (taux de réjection de la lumière parasite ≥ 10 ⁵: 1), réduit les interférences du signal de longueur d'onde non cible.

　　Détection et traitement du signal haute sensibilité: capture précise des différences à l'échelle nanométrique

Les signaux spectraux à l'échelle nanométrique séparés optiquement sont transformés en données précises grâce à l'optimisation des algorithmes de détection et de signal:

Option de détecteur adaptée au pixel: Choisissez un détecteur CMOS / CCD à matrice de surface ou de ligne à haute résolution (taille de pixel ≤ 5 µm, nombre de pixels ≥ 1024 × 1024), plus la taille du pixel est petite, plus la résolution spatiale du signal de longueur d'onde à l'échelle nanométrique après dispersion chromatique est forte (par exemple, un pixel de 5 µm peut correspondre à un réseau de dispersion chromatique de 0,5 nm / MM, atteignant une résolution spectrale de 1 nm); Certains appareils utilisent un détecteur rétro - éclairé (Efficacité quantique ≥ 80%), améliorant la réponse du signal en faible luminosité (20% - 30% de plus que le projecteur), évitant la perte de signal de longueur d'onde à l'échelle nanométrique due à un signal faible; Le détecteur intègre un module de réfrigération thermoélectrique (température de réfrigération - 20 ~ - 40 ℃), réduit le courant d'obscurité (courant d'obscurité ≤ 0,1 na / cm²), réduit l'interférence du bruit sur le signal à l'échelle nanométrique.

L'amplification du signal et l'algorithme de réduction du bruit: le signal électrique faible en sortie du détecteur (intensité du signal correspondent à une longueur d'onde à l'échelle nanométrique typiquement ≤ 10 µv) est amplifié par un préamplificateur à faible bruit (tension de bruit ≤ 1 NV / √hz), évitant l'atténuation du signal; Avec la technique du « double échantillonnage corrélé », le bruit en mode fixe du détecteur est éliminé (rapport de réjection du bruit ≥ 100: 1); Le niveau logiciel filtre davantage le bruit aléatoire (rapport signal sur bruit ≥ 50 DB après réduction du bruit) par des algorithmes de filtrage adaptatifs tels que la réduction de bruit par seuil d'ondelettes; L'algorithme d'étalonnage Spectral est introduit, la longueur d'onde est régulièrement étalonnée (1 fois tous les 3 mois) par une source lumineuse standard (par exemple, lampe à argon au mercure, précision de longueur d'onde caractéristique ± 0,1 nm), assurant une erreur de positionnement de longueur d'onde ≤ 0,5 nm, garantissant la stabilité de la résolution à l'échelle nanométrique.

　　Iii. Intégration des composants de base: équilibrez portabilité et performance

Grâce à une conception modulaire et légère, tout en atteignant une résolution à l'échelle nanométrique, assurez - vous que l'appareil est portable:

Intégration modulaire: conception du système optique, du détecteur, du module de traitement du signal, du module d'alimentation séparément en modules indépendants (volume de chaque module ≤ 200 cm³), assemblés via des interfaces de haute précision telles que des goupilles de positionnement + connexions filetées, câbles inter - modules avec des câbles plats flexibles (épaisseur ≤ 0,2 mm), réduisant l'encombrement; Certains appareils utilisent un boîtier tout - en - un (par exemple, l'intégration du système optique avec le détecteur dans le même boîtier métallique, l'épaisseur du boîtier ≤ 3 mm), le volume est 40% plus petit que le type Split et le poids peut être contrôlé à moins de 3 kg.

Faible consommation d'énergie et conception de dissipation de chaleur: sélection d'éléments à faible consommation d'énergie (tels que la consommation d'énergie du réseau MEMS ≤ 100mw, la consommation d'énergie du détecteur ≤ 500mW), la consommation totale d'énergie est contrôlée à 5 - 10W (prise en charge de l'alimentation par batterie au lithium, autonomie de 4 à 6 heures); Le boîtier de l'appareil utilise un matériau en alliage d'aluminium (conductivité thermique ≥ 200w / (M ・k)) et est conçu avec des ailettes de dissipation de chaleur (zone ≥ 100cm²) pour dériver rapidement la chaleur générée par la réfrigération du détecteur et le fonctionnement du circuit (température de fonctionnement ≤ 45 ℃), en évitant la déformation des composants optiques causée par les changements de température (contrôle de la déformation ≤ 0,1 μm), affectant la résolution à l'échelle nanométrique.

Grâce à la conception ci - dessus, les dispositifs hyperspectraux portables peuvent atteindre une résolution spectrale de 2 à 10 nm tout en respectant la portabilité, certains modèles pouvant même atteindre 1 nm, à la fois pour s'adapter à des scénarios de détection mobiles sur le terrain, sur le terrain, etc., et pour distinguer avec précision les Différences de longueur d'onde à l'échelle nanométrique (telles que la différenciation des pics d'absorption de la chlorophylle a à 680 nm par rapport à 685 nm), fournissant un support technique pour une analyse spectrale rapide et de haute précision.