การสำรวจหลักการและการประยุกต์ใช้สเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกชนิดปรับอุณหภูมิตามเวลา

ในบรรดาสเปกโทรเมตรหลายประเภท สเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกมีความโดดเด่นด้วย...มีประสิทธิภาพในการส่งผ่านแสงสูง ความละเอียดสเปกตรัมสูง อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง และครอบคลุมช่วงความถี่กว้างสเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกมีข้อดีที่สำคัญหลายประการ แตกต่างจากสเปกโทรเมตรแบบกระจายแสงแบบดั้งเดิมที่อาศัยปริซึมหรือตะแกรง สเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกใช้หลักการแทรกสอดเพื่อซ้อนทับแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันให้เกิดเป็นแถบแทรกสอด จากนั้นใช้การแปลงฟูริเยร์เพื่อถอดรหัสข้อมูลการแทรกสอดให้เป็นสเปกตรัม วิธีนี้ทำให้สามารถแยกแยะความยาวคลื่นที่อยู่ใกล้กันมาก รักษาอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูงภายใต้สภาวะแสงน้อยหรืออินฟราเรด และทำการวัดแบบแถบกว้างตั้งแต่แสงที่มองเห็นได้ไปจนถึงอินฟราเรดช่วงกลางและไกล มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการตรวจสอบบรรยากาศ การสำรวจระยะไกลด้านสิ่งแวดล้อม และการวิเคราะห์วัสดุอินฟราเรด หัวใจสำคัญของสเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกอยู่ที่การสร้างและบันทึกการเปลี่ยนแปลงของความแตกต่างของเส้นทางแสง (OPD) เพื่อให้ได้แถบแทรกสอดที่สมบูรณ์และกู้คืนการกระจายสเปกตรัม โดยพิจารณาจากวิธีการได้มาซึ่ง OPD สามารถแบ่งออกเป็นแบบปรับเวลา แบบปรับพื้นที่ และแบบควบคุมเวลา บทความนี้จะเน้นไปที่สเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกชนิดควบคุมเวลา โดยใช้สเปกโทรเมตรแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกแบบคงที่ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่ (LASIS) เป็นตัวอย่าง

โครงสร้างของ LASIS ประกอบด้วยระบบเลนส์กล้องโทรทรรศน์ด้านหน้า อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบเฉือนตามแนวขวางที่ทำจากปริซึมครึ่งห้าเหลี่ยมที่เชื่อมติดกัน เลนส์สร้างภาพฟูริเยร์ และตัวตรวจจับแบบอาร์เรย์พื้นที่ กล้องโทรทรรศน์ด้านหน้าใช้เพื่อบีบอัดรูรับแสงของลำแสงเป้าหมายให้ตรงกับอินเตอร์เฟอโรเมตร ซึ่งช่วยลดขนาดของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ (ดังแสดงในรูปที่ 1) ในระหว่างการทำงาน อินเตอร์เฟอโรเมตรแบบเฉือนตามแนวขวางจะแยกการแผ่รังสีของเป้าหมายที่เข้ามาออกเป็นสองลำแสงที่สอดคล้องกันโดยมีความแตกต่างของเส้นทางแสง ทำให้เกิดแถบการแทรกสอดบนระนาบโฟกัสด้านหลังของระบบเลนส์ ขนาดของความแตกต่างของเส้นทางแสงจะเป็นตัวกำหนดความละเอียดเชิงสเปกตรัม ยิ่งความแตกต่างของเส้นทางแสงมากเท่าใด ความละเอียดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น จากนั้นตัวตรวจจับจะบันทึก "ภาพการแทรกสอด" ที่ถูกปรับเปลี่ยนโดยการแทรกสอด (ดังแสดงในรูปที่ 2) ซึ่งประกอบด้วยข้อมูลเชิงพื้นที่สองมิติและข้อมูลเชิงสเปกตรัมหนึ่งมิติของเป้าหมายพร้อมกัน

รูปที่ 1 แผนภาพแสดงหลักการทางแสงของระบบ LASIS

(ที่มาของภาพ: หู ปิงเหลียง. บทวิจารณ์การพัฒนาเทคโนโลยีการถ่ายภาพสเปกโทรสโกปีแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริก (บทความรับเชิญ))

รูปที่ 2. "ภาพแทรกสอด" ที่ถูกปรับแต่งโดยอินเตอร์เฟอโรเมตรจากเอาต์พุตของ LASIS

(ที่มาของภาพ: หลี่ เซียงปิน งานวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการแก้ไขภาพสำหรับสเปกโทรเมตรวัดการแทรกสอดแบบคงที่ที่มีรูรับแสงขนาดใหญ่)

ภาพที่ 3 แสดงกระบวนการที่ LASIS ได้มาซึ่งข้อมูลสเปกตรัมของลักษณะพื้นดินเฉพาะจุด ภาพที่ 3(a) แสดงกระบวนการสร้างภาพ โดยสัญลักษณ์ต่างๆ (■, ★, ●) แทนตำแหน่งของลักษณะพื้นดินที่แตกต่างกัน เมื่อการดำเนินการแบบ push-broom ดำเนินไป ตัวตรวจจับจะค่อยๆ เก็บแถบการรบกวนของลักษณะพื้นดินเดียวกันภายใต้ความแตกต่างของเส้นทางแสงที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงนำมาต่อกันตามลำดับการสแกนเพื่อให้ได้อินเตอร์เฟอโรแกรมที่สมบูรณ์ (ภาพที่ 3(b)) เส้นโค้งแถบของพิกเซลเดียวจะถูกดึงออกมาจากอินเตอร์เฟอโรแกรมนี้ (ภาพที่ 3(c)) และหลังจากแปลงฟูริเยร์แล้ว เส้นโค้งสเปกตรัมของพิกเซลนั้นสามารถถอดรหัสได้ (ภาพที่ 3(d)) กระบวนการทั้งหมดประกอบด้วยขั้นตอนการประมวลผลข้อมูล เช่น การต่อแถบ การแก้ไขกระแสไฟฟ้ามืดและการประมวลผลสัญญาณรบกวน การถอดรหัสฟูริเยร์ และการสอบเทียบสเปกตรัม ขั้นตอนเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความถูกต้องและความน่าเชื่อถือของข้อมูลสเปกตรัมของแต่ละพิกเซล ซึ่งเป็นพื้นฐานที่มั่นคงสำหรับการวิเคราะห์และการประยุกต์ใช้ต่อไป