Портативный гиперспектрОборудование должно быть миниатюризировано (вес обычно 5 кг), низкое энергопотребление (срок службы ≥4 часа), для достижения спектрального разрешения нанометрового уровня (обычная 2 - 10 нм, верхняя часть до 1 нм), для полевых идентификаций минералов, контроля качества сельскохозяйственной продукции, анализа загрязнителей окружающей среды и других сценариев. Основная задача состоит в том, чтобы сбалансировать точность оптической системы и чувствительность к обнаружению сигнала в ограниченном объеме и преодолеть противоречие между портативностью и разрешением с помощью совместного проектирования « Оптическая оптимизация структуры - высокочувствительное обнаружение - точная обработка сигналов», чтобы гарантировать, что спектральные данные могут различать небольшие различия в длинах волн соседних нанометровых уровней.

　　Оптическая оптимизация системы: базовая поддержка разрешения наноуровня

Благодаря точному оптическому дизайну, чтобы повысить точность разделения длин волн и фокусировки, чтобы заложить основу для разрешения наноуровня:

Выбор элементов для спектроскопии высокого цвета: основные дисперсионные компоненты с использованием решетки с высоким разрешением (например, голографическая вогнутая решетка, плотность штриховки ≥1200 линий / мм) или призматическо - растровой комбинированной системы - решетка с высокой плотностью штриховки может эффективно отделять спектральные сигналы с интервалом волны 2 нм (например, диапазон 500 - 1000 нм, дисперсия 1200 линий / мм решетки может достигать 0,5 нм / мм), вогнутая структура сочетает в себе дисперсию и фокусировку, уменьшает количество оптических элементов (на 3 - 5 линз меньше, чем традиционная плоская решетка) и удовлетворяет потребности в переноске; В некоторых устройствах используется микрозеркальная решетка с меньшим объемом микромеханической электрической системы (MEMS), которая обеспечивает сканирование длины волны посредством вращения микрозеркала с разрешением до 1 - 2нм, а толщина элемента составляет всего 0,5 - 1мм.

Оптимизация оптического пути и апертуры: использование конструкции « короткое фокусное расстояние + большая относительная апертура» (фокусное расстояние 100 мм, относительная апертура 1: 2,8), при уменьшении объема оптической системы, увеличение входной мощности света (на 30% выше, чем у системы с малой относительной апертурой), чтобы гарантировать, что в слабой световой среде все еще могут захватывать спектральные сигналы нанометрового уровня; Камера имеет комплексную ахроматическую конструкцию (например, с использованием 3 - 4 специальных дисперсионных линз) для коррекции цветовой аберрации на разных длинах волн (дисперсионный контроль 1 нм), чтобы избежать снижения разрешения, вызванного смещением длины волны; В оптических каналах установлены узкополосные фильтры (ширина полосы пропускания 5 нм), которые фильтруют рассеянный свет (коэффициент подавления рассеянного света ≥10 𔒛: 1) и уменьшают помехи сигналам на длине волны, не являющейся целью.

　　Высокочувствительное обнаружение и обработка сигналов: точное улавливание различий на наноуровне

Оптимизируя выбор детектора и алгоритм сигнала, оптически разделенные нанометровые спектральные сигналы преобразуются в точные данные:

Выбор типа детектора соответствует пикселю: выбирайте детектор CMOS / CCD с высокоразрешающей решеткой или линейной решеткой (размер пикселей 5 мкм, число пикселей ≥1024 × 1024), чем меньше размер пикселей, тем сильнее пространственное разрешение рассеянного сигнала на длине волны нанометрового уровня (например, решетка с 5 мкм пикселей соответствует дисперсии 0,5 нм / мм для достижения спектрального разрешения 1 нм); В некоторых устройствах используются детекторы с обратным освещением (квантовая эффективность ≥ 80%) для улучшения реакции сигнала при слабом свете (на 20 - 30% выше, чем при переднем освещении), чтобы избежать потери сигнала длины волны наноуровня из - за слабого сигнала; Детектор интегрирует термоэлектрический холодильный модуль (температура охлаждения - 20 ~ - 40 °C) для снижения темного тока (темный ток - 0,1 нА / см²) и уменьшения помех от шума на сигналах наноуровня.

Алгоритм усиления сигнала и снижения шума: слабый электрический сигнал, выводимый детектором (сила сигнала, соответствующая длине волны на наноуровне, обычно составляет 10 мкВ), усиливается с помощью низкошумного предусилителя (напряжение шума составляет более 1 нВ / Гц), чтобы избежать ослабления сигнала; Использование технологии « связанного двойного отбора проб» для устранения шума в фиксированном режиме детектора (коэффициент подавления шума ≥100: 1); Программный уровень дополнительно отфильтровывает случайный шум с помощью адаптивных алгоритмов фильтрации (например, пороговое шумоподавление малых волн) (соотношение сигнала и шума после снижения шума ≥50 дБ); Внедрение алгоритмов спектральной калибровки для регулярной калибровки длины волны (1 раз в 3 месяца) с помощью стандартных источников света (например, ртутно - аргоновых ламп с точностью характерных длин волн ± 0,1 нм) для обеспечения точности определения длины волны на уровне 0,5 нм и обеспечения стабильности разрешения на наноуровне.

　　III. Интеграция основных компонентов: сбалансированная портативность и производительность

Благодаря модульному и легкому дизайну, обеспечивая портативность устройства при достижении разрешения наноуровня:

Модульная интеграция: оптические системы, детекторы, модули обработки сигналов, модули питания спроектированы как отдельные модули (объем каждого модуля составляет 200 см³), собранные с помощью высокоточного интерфейса (например, штифт позиционирования + резьбовое соединение), межмодульный кабель использует гибкий плоский кабель (толщина 0,2 мм), чтобы уменьшить занятость пространства; В некоторых устройствах используется интегрированная упаковка (например, оптическая система и детектор интегрированы в одну и ту же металлическую оболочку, толщина корпуса составляет 3 мм), размер тела на 40% меньше, вес может контролироваться в пределах 3 кг.

Конструкция с низким энергопотреблением и охлаждением: выбор элементов с низким энергопотреблением (например, растр MEMS потребляет 100 мВт, детектор потребляет 500 мВт), общее энергопотребление контролируется на 5 - 10 Вт (поддерживается литиевая батарея, срок службы 4 - 6 часов); Корпус оборудования использует материал из алюминиевого сплава (коэффициент теплопроводности ≥200W / (m. K)) и спроектирован для радиатора плавника (площадь ≥100cm²), который быстро выводит тепло, создаваемое охлаждением детектора и работой схемы (рабочая температура ≥45°C), избегая деформации оптических элементов, вызванной изменением температуры (деформация контролируется на уровне 0,1 мкм), влияя на разрешение наноуровня.

Благодаря вышеуказанной конструкции, портативные гиперспектральные устройства могут удовлетворять портативность при достижении спектрального разрешения 2 - 10 нм, некоторые модели могут даже достигать 1 нм, как для полевых, полевых и других мобильных сценариев обнаружения, так и для точного разделения различий в длинах волн на наноуровне (например, различия между пиками поглощения хлорофилла а на 680 нм и 685 нм), обеспечивая техническую поддержку для быстрого и высокоточного спектрального анализа.