استكشاف مبدأ وتطبيق مطياف التداخل من نوع تكييف الهواء الزمني

من بين أنواع المطيافات العديدة، تتميز المطيافات التداخلية بـ...إنتاجية عالية للضوء، ودقة طيفية عالية، ونسبة إشارة إلى ضوضاء عالية، وتغطية نطاق واسعيتميز هذا الجهاز بمزايا هامة. فعلى عكس أجهزة قياس الطيف التشتتي التقليدية التي تعتمد على الموشورات أو المحززات، يستخدم مبدأ التداخل لتراكب الضوء ذي الأطوال الموجية المختلفة لتكوين أهداب، ثم يستخدم تحويل فورييه لفك تشفير معلومات التداخل إلى طيف. وهذا يُمكّنه من التمييز بين الأطوال الموجية المتقاربة للغاية، والحفاظ على نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية في ظروف الإضاءة الخافتة أو الأشعة تحت الحمراء، وإجراء قياسات واسعة النطاق من الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة والبعيدة. ويُستخدم على نطاق واسع في رصد الغلاف الجوي، والاستشعار عن بُعد البيئي، وتحليل المواد بالأشعة تحت الحمراء. ويكمن جوهر جهاز قياس الطيف التداخلي في توليد وتسجيل التغيرات في فرق المسار البصري (OPD) للحصول على أهداب تداخل كاملة واستعادة التوزيع الطيفي. وبناءً على طريقة اكتساب فرق المسار البصري، يمكن تقسيمه إلى أنواع مُعدَّلة زمنيًا، ومُعدَّلة مكانيًا، ومُتحكَّم بها زمنيًا. ستركز هذه المقالة على مطياف التداخل من النوع الذي يتم التحكم فيه زمنيًا، باستخدام مطياف التصوير التداخلي الثابت ذو الفتحة الكبيرة الكلاسيكي (LASIS) كمثال.

يتكون هيكل نظام LASIS بشكل أساسي من نظام بصري تلسكوبي أمامي، ومقياس تداخل قصي عرضي مصنوع من موشورات نصف خماسية ملتصقة، وعدسة تصوير فورييه، وكاشف مصفوفة مساحية. يُستخدم التلسكوب الأمامي لضغط فتحة شعاع الهدف لتتوافق مع مقياس التداخل، مما يقلل حجم النظام بشكل فعال (كما هو موضح في الشكل 1). أثناء التشغيل، يقسم مقياس التداخل القصي العرضي إشعاع الهدف الوارد إلى شعاعين متماسكين بينهما فرق في المسار البصري، مما يُشكل أهداب تداخل على مستوى البؤرة الخلفية للنظام البصري. يحدد مقدار فرق المسار البصري الدقة الطيفية: فكلما زاد فرق المسار البصري، زادت الدقة. ثم يسجل الكاشف "صورة التداخل" المُعدلة بالتداخل (كما هو موضح في الشكل 2)، والتي تحتوي في آنٍ واحد على معلومات مكانية ثنائية الأبعاد ومعلومات طيفية أحادية البعد للهدف.

الشكل 1: رسم تخطيطي لمبدأ LASIS البصري

(مصدر الصورة: هو بينغليانغ. مراجعة لتطور تقنية التصوير الطيفي التداخلي (مقال مدعو))

الشكل 2. "صورة التداخل" المعدلة بواسطة مقياس التداخل من مخرج LASIS.

(مصدر الصورة: لي شيانغبين. بحث حول تقنية تصحيح الصور لمطياف التصوير التداخلي الثابت ذي الفتحة الكبيرة)

يوضح الشكل 3 عملية حصول نظام LASIS على المعلومات الطيفية لخاصية أرضية محددة. يُظهر الشكل 3(أ) عملية التصوير، حيث تُمثل الرموز المختلفة (■، ★، ●) مواقع الخصائص الأرضية المختلفة. مع استمرار عملية المسح الضوئي، يلتقط الكاشف تدريجيًا أهداب التداخل لنفس الخاصية الأرضية تحت اختلافات مختلفة في المسار البصري، ثم يجمعها معًا بترتيب المسح للحصول على مخطط تداخل كامل (الشكل 3(ب)). يتم استخراج منحنى الهدب لبكسل واحد من مخطط التداخل هذا (الشكل 3(ج))، وبعد تحويل فورييه، يمكن فك تشفير المنحنى الطيفي لهذا البكسل (الشكل 3(د)). تشمل العملية بأكملها خطوات معالجة البيانات مثل تجميع الأهداب، وتصحيح التيار المظلم ومعالجة الضوضاء، وفك تشفير فورييه، والمعايرة الطيفية. تضمن هذه الخطوات دقة وموثوقية المعلومات الطيفية لكل بكسل، مما يوفر أساسًا متينًا لمزيد من التحليل والتطبيق.