يعد التصوير الفائق الطيفي هو الأكثر شمولاً من بين تقنيات معالجة الصور الثلاثة الشائعة. والتقنيتان الأخريان هما التصوير باللون الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) والتصوير متعدد الأطياف. الثلاثة جميعها غير باضعة وغير مدمرة وتمنح المهندسين والعلماء طرقًا مختلفة لتحليل الأشياء.
يمكن أن يكون تصوير RGB سريعًا وغير مكلف في التنفيذ ويوفر معلومات أساسية حول كائن ما. يلتقط التصوير متعدد الأطياف المزيد من الفروق الدقيقة في الأطوال الموجية المختلفة التي تشكل الطيف المرئي. يلتقط التصوير الفائق الطيفي معلومات تفصيلية حول كل بكسل عبر نطاق أوسع بكثير، عادةً من 250 نانومتر (نانومتر) إلى 15,000 نانومتر والأشعة تحت الحمراء الحرارية (الشكل 1).
متعدد الأطياف مقابل فوق الطيفي
التصوير متعدد الأطياف هو تحسين وتوسيع لتصوير RGB باستخدام المزيد من نطاقات الطيف. ويمكن أن تكون البيانات الناتجة مفصلة بما فيه الكفاية لتمكين تحليل الخصائص الفيزيائية والكيميائية الأساسية للكائن.
التصوير الفائق الطيفي مختلف. فهو يجمع بين التصوير والتحليل الطيفي. باستخدام التصوير الفائق الطيفي، يتم التقاط طيف كل بكسل بالتفصيل. وتنتج بيانات حول المحتوى المكاني والطيفي في الصورة. يدعم التصوير الفائق الطيفي التوصيف التفصيلي لتركيبة الجسم.
تلتقط الكاميرا فائقة الطيف النموذجية مئات الآلاف من الأطياف لإنشاء مكعب فائق الطيف حيث يمثل بعدان البنية المكانية للصورة، والبعد الثالث هو المحتوى الطيفي. بالإضافة إلى ذلك، فإن المعلومات الملتقطة مفصلة بشكل كافٍ لتقديمها كتمثيل مستمر وليس في مجموعات طيفية منفصلة مثل تلك المستخدمة في التصوير RGB والتصوير متعدد الأطياف (الشكل 2).
تم تمكين التطوير التجاري للتصوير فوق الطيفي من خلال التقدم في التصوير، بما في ذلك القدرة على فصل الضوء المنعكس بسرعة من جسم ما إلى مكوناته الطيفية باستخدام تقنيات مثل المسح المكاني، والمسح الطيفي، والتصوير اللقطة، والمسح الطيفي المكاني. يعد توفر أجهزة استشعار CMOS عالية الدقة التي تعمل بمعدلات الفيديو إلى جانب التقدم في أنظمة معالجة الصور عالية الأداء من العوامل الرئيسية أيضًا.
كيف تبدو الكاميرا الفائقة الطيفية؟
هناك عدة طرق لصنع كاميرا فائقة الطيف. أحد النماذج الموضحة في الشكل 3 يبدأ بعدسة تركز صورة الجسم على شق ضيق يحدد خط التصوير. يؤدي ضيق القائمة إلى حيود الضوء، ويتم استخدام العدسة المتوازية لمحاذاة الشعاع وإزالة تأثير الحيود. يمر الضوء بعد ذلك عبر هيكل المنشور الذي يفصله إلى مكوناته الطيفية. وأخيرًا، تقوم العدسة بتركيز الضوء الناتج على مستشعر CMOS (غير موضح) الذي ينتج مكعب البيانات الفائقة. لا يظهر أيضًا هيكل المرآة المستخدم لمسح المشهد وإجراء عمليات مسح للخط الفردي.
ما فائدة التصوير الفائق الطيفي؟
يمكن التعرف على المواد المختلفة من خلال توقيعها الطيفي. على الرغم من أن الأمر بدأ بالتصوير متعدد الأطياف، إلا أن المستوى المتزايد من التفاصيل الذي تم تمكينه بواسطة التصوير الفائق الطيفي أدى إلى رفع القدرة على تحديد المواد وتحليلها عن بعد. يمكن تنفيذ التصوير الفائق الطيفي على خطوط الإنتاج والطائرات والطائرات بدون طيار والأقمار الصناعية. يتم استخدامه عبر مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك علم الفلك والزراعة والجيولوجيا والتصوير الطبي الحيوي والمراقبة البيئية والمزيد.
تتوفر الكاميرات فائقة الطيف من العديد من البائعين وقد تم تحسينها لاستخدامات محددة، بما في ذلك:
- يُستخدم التصوير الفائق الطيفي لتقييم مستويات الصحة والمغذيات في المحاصيل لتمكين المزارعين من استخدام الأسمدة وتدابير مكافحة الحشرات بشكل انتقائي، مما يقلل التكاليف ويحقق أقصى قدر من النتائج.
- التحليل الفني. يمكن أن يؤدي فحص المحتوى الكيميائي للمواد الموجودة في القطعة الفنية إلى ضمان توافقها مع تلك الفترة ويمكن أن يدعم تأريخ الأعمال الفنية المكتشفة حديثًا.
- معالجة الغذاء. في صناعة اللحوم، يُستخدم التصوير الفائق الطيفي لقياس التركيب الكيميائي لتحديد محتوى البروتين أو التعرف على العظام والغضاريف والمواد الأخرى. كما أنها تستخدم لعمليات مراقبة الجودة العامة مثل تحديد مدى نضج الفواكه والخضروات.
- تدعم القدرة على تحديد المواد باستخدام التصوير الفائق الطيفي الفرز الآلي للعناصر المعاد تدويرها وإدارتها.
نبذة عامة
يلتقط التصوير الفائق الطيفي معلومات حول جسم ما ويعالجها عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية، والتي غالبًا ما تمتد من 250 إلى 15,000 نانومتر والأشعة تحت الحمراء الحرارية. فهو ينتج معلومات أكثر دقة بكثير من التصوير متعدد الأطياف ويتيح إجراء تحليل أكثر تفصيلاً للمواد والعمليات. تم تصميم الكاميرات فائقة الطيف التجارية لمجموعة من التطبيقات المحددة.
مراجع حسابات
التطبيقات الطيفية ودراسات الحالة، RESONON
إطار التصوير الفائق الطيفي Line Scan للمنصات مفتوحة المصدر منخفضة التكلفة والاستشعار عن بعد MDPI
ما هو التصوير الفائق الطيفي؟، NIREOS
ما هو التصوير الفائق الطيفي؟ SPECIM
لماذا لا يتم تطبيق التصوير الفائق الطيفي على نطاق واسع وكيفية تغيير ذلك؟، Netguru