Гиперспектральная камера и принцип ее работы.Что такое гиперспектральная камера?

Гиперспектальная камера-это оптический прибор, который способен разбивать свет на простейшие цвета, такие как зеленый, красный, синий. Гиперспектральные сенсоры наиболее эффективно работают и в спектральном, и в пространственном отношении.

RGB-изображения не дают спектральной информации за пределами видимого спектра, что имеет большое значение для характеристики химических и физических свойств измеряемых объектов.

Гиперспектральная камера работает по принципу разложения света на три основных цвета: зеленый, красный, синий. В результате данного процесса, мы можем наблюдать объекты в другом спектре, благодаря чему, можно определять ту или иную молекулу в веществе. Как мы знаем, каждое вещество обладает своим спектром поглощения и отражения. При облучении вещества светом, часть света отражается, часть поглощается. Оба процесса определяются молекулами вещества, на которое падает свет. Благодаря способности различных тел по-разному отражать и поглощать свет, мы можем видеть мир в разных цветах.

 В приложении к биологическим тканям, при их облучении светом определенного спектрального состава, мы можем обнаруживать те или иные вещества, их составляющие, например, гемоглобин в крови. При оксигенации-кровь насыщенна большим количеством кислорода, который переносится гемоглобином в эритроцитах. Это приводит к усилению поглощения зеленого цвета (около 530-550 нм), соответствующему одной из полос поглощения гемоглобина (рис. 1).

В случае гипоксии (недостатка кислорода) зеленый цвет будет слабеепоглощаться по сравнению со случаем высокого содержания кислорода. Все эти изменения могут быть зарегистрированы гиперспектральной камерой, благодаря чему у крови будет свой оттенок в зеленом спектре на гиперспектральной камере. Простейшую гиперспектральную камеру можно создать в домашних условиях, используя обычную камеру от телефона и несколько светодиодов.

 

История создания гиперспектральной камеры .

Первый шаг к созданию камеры сделал Исаак Ньютон. В своём труде «Оптика», вышедшем в 1704 году, опубликовал результаты своих опытов разложения с помощью призмы белого света на отдельные компоненты различной цветности и преломляемости, то есть получил спектры солнечного излучения, и объяснил их природу.В 1859 году Кирхгоф опубликовал в журнале «Ежемесячные сообщения Берлинской академии наук» небольшую статью «О фраунгоферовых линиях». Работа Кирхгофа позволила объяснить природу фраунгоферовых линий в спектре Солнца и определить химический (или, точнее, элементный) состав его атмосферы. Фактически, спектральный анализ открыл новую эпоху в развитии науки — исследование спектров как наблюдаемых наборов значений функции состояния объекта или системы оказалось чрезвычайно плодотворным.

Практическая часть

 

Экспериментальная реализация проекта

 

 

Принципиальная схема

Система камеры является аппаратом для съемки светового поля и устройство отображения является проекцией светового поля, причем камера и проекция имеют общий оптический путь и камера выполнена с возможностью съемки гиперспектрального поля, и содержит вывод отправляемых данных снятого гиперспектрального поля на вход проектора светового поля и он располагается так, чтобы проецировать световое поле в видимом спектре на объект на основании данных, принятых от камеры.

Для этого способ отличается тем, что световое поле в гиперспектральном диапазоне излучения объекта снимают посредством камеры светового поля.Данные светового поля, снятого камерой, обрабатываются, чтобы обеспечить проекционноеизображение для проектора светового поля. После проектор поля проецирует световое поле на основании данных проекционного изображения объекта, причем камера и проектор имеют общий оптический путь и световое поле в видимом свете проецируется на объект проектором светового поля.

 

Камера для съемки светового поля получает световое поле в гипердиапазоне, то есть в спектральном диапазоне излучения по меньшей мере частично невидимого для человеческого глаза, и проектор светового поля проецирует световое поле в видимом спектре. Проектор светового поля образует устройство отображения для отображения гиперспектрального изображения, записанного регистрирующим устройством, в видимом свете. Спроецированное световое поле создает отображение спроецированного трехмерного изображения, покрывающего объект, причем трехмерное изображение является резким в большом диапазоне глубин. Общий оптический путь обеспечивает относительно простое совмещение снятого и спроецированного световых полей. Это позволяет проводить точное проецирование в реальном времени проектором гиперспектрального изображения в видимом свете на объект наблюдения, для которого камера сняла гиперспектральное световое поле, а также в случае, когда объект наблюдения является не плоским, а имеет трехмерную форму.

Камера для съемки светового поля по сравнению с обычной двухмерной и даже трехмерной камерой имеет то преимущество, что снимает полное световое поле с возможностью съемки резких изображений по всему диапазону глубин.

 

Задача кКамеры состоит в обеспечении результирующего изображения как проекции на наблюдаемой ткани и все же таким способом, что проекция всегда правильно сфокусирована на ткани, независимо от поверхностной кривизны ткани или ее ориентации относительно устройства получения/проекции изображения.

Гиперспектральная визуализация обеспечивает контраст, например, контраст ткани, который невидим невооруженным глазом. Улучшенный контраст может использоваться, например, для обнаружения кровеносных сосудов и нервов во время хирургической операции или введения игл в вены. Он может также использоваться для идентификации злокачественной ткани.

 

Гиперспектральная визуализация может быть основана на монохромном, спектрально неселективном датчике изображения и использовании спектрально селективной фильтрации перед датчиком изображения подобно обычной камере RGB, но с большим количеством цветовых каналов и с различными характеристиками фильтра. В противном случае, гиперспектральная визуализация может также быть основана на спектрально управляемом освещении в сочетании с датчиком изображения без фильтра. Возможно также «фильтрованного освещения» и «фильтрованного сбора данных».

 

На (рис. 2)1 источник 2 света освещает светом в широком спектральном диапазоне объект 1, в этом примере - человеческую ткань. Источник света может быть или частью системы, или существовать независимо от нее. Источник света формирует гиперспектральное изображение ткани, например, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. В качестве альтернативы, объект может самостоятельно, независимо от наличия источника  света, формировать гиперспектральное изображение. Это, например, реализуется в процессе фосфоресценции, когда источник света выключен, а процесс свечения продолжается.

На (фиг.1 рис 2) источник 2 гиперспектрального света освещает гиперспектральным светом объект 1, в этом примере - человеческую ткань. Источник света может быть частью системы и в предпочтительных вариантах осуществления он предусмотрен или может быть предусмотрен отдельно. Источник гиперспектрального света вызывает формирование гиперспектрального изображения ткани, например, в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. В качестве альтернативы, объект может самостоятельно, независимо от наличия источника гиперспектрального света, обеспечивать гиперспектральное изображение, то есть изображение на длине волны, на которой его не видно или трудно видеть человеческим глазом. Например, объект может быть снабжен веществом, которое, будучи освещенным ранее, фосфоресцирует на конкретной длине волны.

На (фиг. 2 рис 2) также показан вариант осуществления системы согласно изобретению. Зеркало используется для изгиба спроецированного светового поля. Это позволяет при некоторых обстоятельствах получить более компактную конструкцию системы.

 

 

2.2 .2.

 

Чертежи камеры в обычном виде и компактном