دوربین فراطیفی چیست
تصویر بردار فراطیفی ترکیب تصویر برداری و طیف سنجی از راه دور می‌باشد. دوربین های رایج مانند دوربین موبایل و یا هر دوربین دیجیتال دیگر عکس رنگی در سه باند طیفی، که اصطلاحا به آن ها RGB گفته می شود، ثبت می‌کنند. تصویر بردارهای فراطیفی مجموعه عکسهایی در تعداد بیشتر از ۲۰۰ باند طیفی ثبت می‌کنند که نتیجه آن داده سه بعدی به نام hypercube است که دارای دو بعد فضایی و یک بعد طیفی است. به عبارتی تصویربردار فراطیفی فناوری است که از ترکیب تصویربرداری معمولی و طیف سنجی حاصل میشود و در یک تصویر فراطیفی به طور همزمان اطلاعات مکانی و طیفی یک جسم وجود دارد. هر پیکسل از تصویرفراطیفی صدها باند طیفی را داراست.
دوربین فراطیفی چگونه کار می کند
دوربین فراطیفی با استفاده از پراکنش نور (مانند منشور یا توری پراش) نور منعکس‌شده از اجسام را به طیف‌های مختلف تجزیه میکند و از هر نقطه از تصویر یک امضای طیفی (Spectral Signature) منحصر به‌فرد ثبت میکند. این امضا می‌تواند برای شناسایی مواد مختلف استفاده شود.
کاربردهای دوربین فراطیفی
۱. کشاورزی دقیق (Precision Agriculture)
یکی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین حوزه‌های استفاده از دوربین‌های فراطیفی، کشاورزی دقیق است. این دوربین‌ها با تحلیل طیف‌های نوری بازتاب‌شده از گیاهان، اطلاعات ارزشمندی ارائه می‌دهند:
– بررسی سلامت گیاهان: تشخیص بیماری‌ها، آفات و کمبود مواد مغذی در گیاهان.
– پایش تنش آبی: شناسایی مناطق تحت تنش آبی در مزارع.
– تحلیل کیفیت خاک: بررسی ترکیبات خاک و تشخیص مناطق نیازمند اصلاح.
– بهینه‌سازی کوددهی و آبیاری: کاهش هزینه‌ها و افزایش بهره‌وری.
۲. محیط زیست و پایش منابع طبیعی
دوربین‌های فراطیفی در مدیریت و پایش محیط زیست نقش مهمی دارند:
– پایش آلودگی: تشخیص آلودگی‌های آب، خاک و هوا (مثل نشت نفت یا مواد شیمیایی).
– بررسی تغییرات اکوسیستم: مطالعه جنگل‌ها، تالاب‌ها و مراتع.
– مدیریت منابع آب: تحلیل کیفیت آب و تشخیص آلاینده‌ها.
– پایش بلایای طبیعی: ارزیابی خسارت‌های ناشی از سیل، آتش‌سوزی یا زلزله.
۳. صنعت و کنترل کیفیت
در صنعت، دوربین‌های فراطیفی برای کنترل کیفیت و بازرسی مواد استفاده می‌شوند:
– تشخیص ناخالصی‌ها: شناسایی مواد خارجی در محصولات غذایی یا صنعتی.
– بازرسی خطوط تولید: کنترل کیفیت محصولات در حین تولید.
– تحلیل مواد: شناسایی ترکیبات شیمیایی مواد در صنایع معدنی، پتروشیمی و دارویی.
– بازیافت مواد: جداسازی مواد قابل بازیافت از زباله‌ها.
۴. علوم زمین و اکتشاف معادن
دوربین‌های فراطیفی در علوم زمین و اکتشاف منابع طبیعی بسیار مفید هستند:
– اکتشاف معادن: شناسایی کانی‌هاو مواد معدنی در سطح زمین.
اطلاعات تکمیلی
تجزیه و ثبت شدت باریکه نور در طول موجهای تشکیل دهنده آن طیف سنجی اپتیکی (Optical Spectroscopy) نامیده میشود. ریشه تکنیک طیفسنجی به سال 1665 برمیگردد، زمانی که آیزاک نیوتون، از عبور باریکه نور خورشید از یک منشور، رنگهای تشکیل دهنده آن را مشاهده کرد. در آغاز قرن نوزدهم ثابت شد که طیف رنگین کمان مشاهده شده توسط ایزاک نیوتون پیوسته نیست و نوارهای تیره ، که اکنون از آنها به عنوان خطوط جذب می‌شناسیم در آن دیده میشود
پس از دهه ها گسترش مبانی نظری ، ماکس پلانک جذب کوانتومی و انتشار تابش را کشف کرد و دریافت که هر اتم فقط می‌تواند تابش یک طول موج خاص را جذب کند و از آن ساطع کند. سرانجام، در اواسط قرن نوزدهم ، والش و آلكران به طور مستقل روشهای تحلیلی طیف سنجی جذب اتمی را منتشر كردند.
در سال 1937 اولین طیف سنج کاملاً خودکار توسط E. Lehrer ساخته شد تا به اندازه گیری دقیق تر خطوط طیفی کمک کند. از نظر فنی ، از دهه 1950 با پیشرفت علم الکترونیک و ساخت نیمه هادی‌ها بهبود بسیار در ثبت و تفکیک خطوط طیفی صورت گرفت. طیف سنجی به دو صورت جذبی و نشری صورت می‌گیرد. در طیف سنجی جذبی، طیف سنجی بر روی باریکه نور عبوری یا انعکاسی از نمونه انجام می‌گیرد که در آن منبع نور ورودی دارای طیف پیوسته است. لامپ هالوژن نمونه‌ای از این نوع منبع نور است. در صورتی که ترازهای انرژی اتمی و مولکولی مواد تشکیل دهنده نمونه با انرژی فوتونهای منبع نور تطابق داشته باشد انرژی فوتونها در طول موجهای متناظر آن ترازها جذب و لذا در طیف عبوری شدت در آن طول موجهای کاهش می‌یابد که به خطوط جذبی در طیف عبوری معروف هستند.
در طیف سنج نشری ابتدا نمونه توسط عواملی چون قوس الکتریکی تحریک شده و ترازهای اتمی و مولکولی مواد تشکیل دهنده نمونه برانگیخته می‌شوند. با برگشت الکترونها به ترازهای پایینتر فوتون نشر میشود. طیف فوتونهای منتشر شده از نمونه به طیف نشری معروف است .
طیف سنج‌ها با توجه به دامنه طیفسنجی و قدرت تفکیک طیفی آنها با تکنیک‌های مختلفی کار می‌کنند. طیف سنجی توسط منشور دارای قدرت تفکیک و دامنه طیفسنجی کم ولی بسیار ارزان قیمت هستند. طیف سنجی توسط توری پراش در عبوری و یا انعکاسی بیشتر در ناحیه مرئی و فروسرخ نزدیک کاربرد دارد که قدرت تفکیک متوسطی دارند. طیف سنجی توسط تداخل‌سنج مایکلسون به Fourier Transform Spectroscopy FTIR معروف است که دامنه طیفی آن درناحیه فروسرخ نزدیک و دور قرار دارد و برای بررسی طیف مولکولی مواد بکار میرود. نوع دیگر طیفسنج تداخلی به طیف سنج‌فابری-پرو Fabry- Perot معرف است. دارای بازه طیفی بسیار کوچک، ولی قدرت تفکیک بسیار بالا می‌باشد لذا در زمینه بررسی ترازهای انرژی بسیار ریز اتمی کاربرد دارد.
تصویر بردار فراطیفی به نوعی طیف سنجی از راه دور به روش کاملاً غیر تماسی و غیر تهاجمی می باشد. دوربین های رایج مانند دوربین موبایل و یا هر دوربین دیجیتال دیگر عکس رنگی در سه باند طیفی، که اصطلاحا به آن ها RGB گفته می شود، ثبت می‌کنند. تصویر بردارهای فراطیفی مجموعه عکسهایی در تعداد بیشتری باند ثبت می‌کنند که نتیجه آن داده سه بعدی به نام hypercube است که دارای دو بعد فضایی و یک بعد طیفی است.
به عبارتی تصویربردار فراطیفی فناوری است که از ترکیب تصویربرداری معمولی و طیف سنجی حاصل میشود و در یک تصویر فراطیفی به طور همزمان اطلاعات مکانی و طیفی یک جسم وجود دارد. هر پیکسل از تصویرفراطیفی صدها باند طیفی را داراست.
اولین تصویر بردار فراطیفی در سال 1969 توسط جورج اسمیت و ویلارد بویل ،اختراع شد، که به منظور نقشهبرداری هوایی مواد معدنی ایالات متحده آمریکا در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 مورد استفاده قرار گرفت. تکامل در سیستمهای تصویربرداری فراطیفی که به طور مستقیم وابسته به پیشرفت در الکترونیک، سخت افزار، محاسبات و نرم افزار بود، در طول دهه 1980 و دهه 1990 اتفاق افتاد.
تصویربرداری فراطیفی در زمینه‌های مختلفی مانند کشاورزی، محیط زیست، زمینشناسی، داروسازی، پزشکی و کنترل کیفیت و ایمنی مواد غذایی کاربرد دارد.
در زمینه پزشکی اغلب تصویربردار فراطیفی به طور خاص، در مطالعه پوست بخاطر جذب بالای نور توسط هموگلوبین و ملانین مورد توجه قرار گرفته است و پارامترهایی چون ملانین، هموگلوبین، دی‌اکسی هموگلوبین و … اندازهگیری می گردد. تعیین رنگ پوست، غلظت ملانین، غلظت خون، میزان درصد اشباع اکسیژن خون، مورفولوژیکی پوست، ناهنجاری در بافت و کمک در شناسایی و برداشت صحیح تومر و تشخیص سرطان نیز از دیگر کاربردهای ان در پزشکی است در تشخیص بالینی و کنترل روند جراحی و درمان، تشخیص سرطان حنجره و تومر زبان بکار میرود.
در زمینه های کشاورزی از تصویربردار فراطیفی برای سنجش سلامت گیاهان و محصولات کشاورزی، تشخیص آفات، نظارت بر مواد مغذی گیاهی، نظارت بر پوشش زمین و بسیار موارد دیگر بکار میرود.
در صنایع غذایی، تشخیص در صد چربی در گوشت چرخ کرده، شناسایی نوع گوشت، طبقه بندی کیفیت گوشت ، پیش بینی ظرفیت نگهداری آب، اندازهگیری PH ، تشخیص فساد و آلودگی میکروبی، تشخیص تومور در مرغ و ارزیابی میزان آب و چربی موجود در فیله ماهی، تشخیص کیفیت و تازگی ماهی قزل آلای رنگین کمان و بررسی و ارزیابی میزان چربی و پروتئین ماهی‌ها از جمله کاربردهای آن است.
در حالت کلی برای تصویر برداری فرا طیفی سه تکنیک وجود دارد.
- ویسک بروم
- پوش بروم
- اسنپ شات
ویسک بروم
با اسکن دوبعدی نمونه، طیف سنجی انجام شده و پیکسل به پیکسل تصویر فراطیفی ایجاد میشود، شکل. 5-a. از نظر مفهومی اسکن طیفی نامیده میشود. روش ویسک بروم ابتدا توسط ناسا به عنوان اولین طیفسنج تصویربرداری هوایی مرئی/ فروسرخ(AVIRIS) طراحی و در تولید تصویر بردار فراطیفی استفاده شد.
کارکرد آن، به این صورت است که ابتدا یک شبکه منظم موقعیت مکانی بر روی سطح نمونه تعریف شده، اندازهگیری طیف یک نقطه (پیکسل) در یک زمان انجام میشود، نمونه یا طیف سنج به نقطه اندازهگیری بعدی شبکه میرود و طیف دیگری نیز گرفته میشود. این فرایند برای تمام موقعیتها در شی تکرار میشود. با حرکت دادن نمونه یا طیفسنج به طور سیستماتیک در دو بعد فضایی، یک تصویر کامل فراطیفی به دست میآید.
اسنپ شات
در این نوع دوربین فراطیفی بدون بخش متحرک، از نمونه تصویرفراطیفی ثبت میشود، شکل. 5-c. به دو روش کار میکند. در روش اول تصاویر متوالی در باندهای طول موجی مختلف بصورت متوالی ثبت میشود باندهای طیفی به روشهای مختلفی مانند روشن کردن نمونه توسط لامپ یا LED با طول موج های مختلف، یک فیلتر دوار یا یک فیلتر قابل تنظیم مانند فیلتر قابل تنظیم کریستال مایع (LCTF) یا یک فیلتر قابل تنظیم آکوستیک-نوری (AOTF) یا تغییر پی در پی فیلترهای رنگی جلوی دوربین تعریف میشود. بدین ترتیب مکعب طیفی از کنار هم قرار دادن ماتریس تصاویر متوالی ثبت شده ایجاد میشود.
در روش دوم سطح چیپ دوربین با تعداد پیکسل بالا توسط آرایه‌ای از ریزعدسیها پوشش داده میشود بطوری که در کانون هر ریزعدسی یک تصویر از نمونه ایجاد می‌گردد بین نمونه و در برابر ریزعدسیها یک سیستم اپتیکی وجود دارد که طیف نمونه را تفکیک میکند بطوری که هر ریزعدسی در باند مشخص طیفی از نمونه تصویر خواهد داشت و بدین ترتیب با یکبار عکس گرفتن تعداد زیادی باند طیفی ثبت میشود. با جدا کردن تصاویر و کنار هم قراردادن انها تصویر فراطیفی ایجاد می شود.
پوش بروم،
در تصویربردار فراطیفی مورد استفاده در روش پوش-بروم، بین لنز تصویرساز و دوربین، یک طیف سنج قرار دارد، شکل. 6. دوربین طیف نقاط مختلف شکاف ورودی را ثبت میکند. با توجه به اینکه لنز تشکیل دهنده تصویر در ورودی دوربین یک خط از نمونه را بر روی شکاف تصویر کرده است. تصویر یک بعدی فراطیفی در یک فریم دوربین ثبت شده است.
در این بخش یک نوع تصویربردار فراطیف ساخت شرکت پرتوافزار صنعت با برند HYSPIM معرفی و کاربردهای ان در شرایط مختلف توضیح داده میشود. این تصویربردار از تکنیک پوش بروم برای تصویربرداری فراطیفی استفاده میکند به طوری که با حرکت نمونه یا طیف سنج خطوط دیگری در تصویر نمونه طیف سنجی میشود و در آخر یک تصویر فرا طیفی از نمونه را خواهیم داشت که هر پیکسل از آن طیف نمونه را دارد. شکل. 10 تصویر دوربین فراطیفی و جدول. 1 و جدول. 2 مشخصات مدلهای مختلف تصویربردار فراطیفی HYSPIM را نشان می‌دهد.
