Гиперспектральный датчик среднего инфракрасного диапазона на основе интерферометра Фабри-Перо, выполненного по технологии MEMS, для удаленного зондирования

В данной статье описан новый гиперспектральный датчик на основе интерферометра Фабри-Перо, выполненного по технологии MEMS, и суперконтинуумного лазера среднего инфракрасного (ИК) диапазона, изготовленного на заказ. Интерферометр Фабри-Перо позволяет осуществлять осевую фильтрацию спектральных составляющих суперконтинуума, отраженного от мишени, со спектральным разрешением около 25 нм. В статье описано гиперспектральное различение черного полипропилена и полиэтилена (PE500) с использованием спектра суперконтинуума 3-3,5 мкм и соответствующей скорости измерения 62,5 спектров в секунду. Полученные спектры полностью соответствуют эталонам, основанным на ИК-Фурье спектрометре. Кроме того, в работе продемонстрировано, что цвет пластмасс не влияет на их различение в этом диапазоне.

Традиционные гиперспектральные датчики и камеры основаны на пассивном освещении мишени, как правило, на окружающем освещении, вследствие чего склонны к неправильной интерпретации из-за колебаний в спектре излучения, нарушающих целостность сигнала. Однако в результате недавних открытий в области нелинейной волоконной оптики были разработаны широкополосные волоконные лазеры с пространственной когерентностью, называемые суперконтинуумными лазерами, обеспечивающими активное освещение мишени для надежного мультиспектрального, а также гиперспектрального зондирования с очень высоким отношением сигнал/шум.

Кроме того, в различных исследованиях сообщается о значительном прогрессе в расширении спектра суперконтинуума в средний ИК диапазон с высокой средней выходной мощностью, высокой частотой повторения и высокой длительностью фемтосекундных импульсов, что создает возможности для различных видов применений в среднем ИК диапазоне, включая спектроскопию, визуализацию и оптическую когерентную томографию. Средний ИК диапазон предполагает новую перспективу для более точного анализа мишени, поскольку молекулы демонстрируют сильное характерное поглощение в этой области, называемое отпечатком молекулы, из-за значительных фундаментальных переходов между колебательными состояниями молекулы.

Благодаря вышеупомянутым свойствам суперконтинуума в среднем ИК диапазоне были обнаружены новые возможности применения гиперспектрального зондирования в среднем ИК диапазоне. Однако для применения в целях гиперспектрального зондирования требуется быстрая и надежная фильтрация различных компонентов спектра суперконтинуума в среднем ИК диапазоне.

Были предложены перспективные решения с использованием спектрометра, включая компактный интерферометр Фабри-Перо. Однако системно-интегрированный характер спектрометра ограничивает адаптированность конструкции датчика к достижению целей пользователя и выбор фотоприемника, поскольку и детектор, и интерферометр Фабри-Перо объединены в единое целое. 

В статье описан активный гиперспектральный датчик на основе интерферометра Фабри-Перо, выполненного по технологии MEMS, и источника спектрального суперконтинуума, охватывающего до 3,5 мкм среднего ИК диапазона.  Интерферометр Фабри-Перо, настраиваемый по напряжению, обеспечивает компактную, экономичную и осевую недисперсионную фильтрацию составляющих спектра суперконтинуума, отраженного от мишени. В работе описано гиперспектральное различение черных пластмасс, которое трудно выполнить в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) из-за добавок на основе углерода, значительно поглощающих излучение БИК. Черный полиэтилен (PE500) и полипропилен (PP) были специально выбраны в качестве образцов материалов, поскольку они являются одними из основных отходов черного пластика, особенно среди отходов электрического и электронного оборудования.  Были успешно измерены спектры отражения с использованием спектральной полосы суперконтинуума 3-3,5 мкм.  Полученные спектры полностью соответствуют своему эталону, основанному на ИК-Фурье спектрометре.  Данный метод дополнительно расширен для различения пластмасс белого цвета, чтобы подтвердить его применимость к обнаружению пластмасс других цветов.  Таким образом, данная технология обладает большим потенциалом в сортировке пластиковых отходов, процессах вторичной переработки и других видах применения гиперспектрального зондирования.

Рисунок 1. Настройка параметров интерферометра Фабри-Перо. (a) Синяя линия обозначает соответствующую центральную длину волны по отношению к напряжению настройки, а наложенная красная (пунктирная) линия обозначает полуширину. (b) Спектры пропускания интерферометра Фабри-Перо показаны в виде функции рабочего напряжения в диапазоне 11-29 В с постоянными приращениями напряжения, обозначенными разными цветами

Рисунок 2. Экспериментальная установка для удаленного гиперспектрального измерения коэффициента отражения. Обозначения: MT – зеркальный телескоп, LP – фильтр длинных частот, DU – блок обнаружения, FPI – интерферометр Фабри-Перо и DAQ – сбор данных

Методы и результаты 

Рабочие параметры интерферометра Фабри-Перо показаны на рисунке 1. Компактный настраиваемый фильтр интерферометра Фабри-Перо, выполненного по технологии MEMS, является частью решений MEMS-FPI, разработанных в ООО «Центр технических исследований Финляндии VTT». Резонатор Фабри-Перо состоит из двух зеркал с высокой отражательной способностью, разделенных воздушным зазором.  Между зеркалами пропускается свет с конструктивной интерференцией, а полоса пропускания определяется воздушным зазором между зеркалами. Воздушный зазор настраивается путем подачи напряжения между зеркалами, и, таким образом, полоса пропускания интерферометра Фабри-Перо может быть настроена в соответствии с интересующим диапазоном. На рисунке 1а представлены параметры настройки интерферометра Фабри-Перо. Рабочее напряжение находится в диапазоне 0-29 В, что соответствует диапазону настройки длины волны 3000-3600 нм. Полуширина полосы пропускания остается в диапазоне 22-28 нм, что составляет весь рабочий диапазон интерферометра Фабри-Перо. Пример спектров пропускания интерферометра Фабри-Перо при постоянном увеличении напряжения показан на рисунке 1b.

Экспериментальная схема представлена на рисунке 2. Изготовленный на заказ источник суперконтинуума, вырабатывающий суб- и наносекундные импульсы с пиковой мощностью 10 кВт и частотой следования 100 кГц, направлен на пластиковую мишень черного цвета толщиной 3-5 мм, расположенную на расстоянии 2 м. Излучение суперконтинуума частично поглощается при падении на мишень, при этом оно является рассеянным. Обратно рассеянный свет собирается с помощью устройства зеркального телескопа (MPD399V–M01 & PFE10–P01, Thorlabs), затем фильтруется с помощью длинноволнового пропускающего фильтра (SLWP-2989-000453, NOC) для отсечения волн длиной меньше 3000 нм.

Рисунок 3. Измеренный спектр обратного рассеяния суперконтинуума (– -) от рассеивателя и соответствующий шум относительной интенсивности (—) на основе десяти последовательных измерений

Интерферометр Фабри-Перо сканирует в спектральном диапазоне 3050-3600 нм с частотой 62,5 Гц. Свет, проходящий через интерферометр Фабри-Перо, фокусируется на фотоприемнике (PV-3TE-5, VIGO Systems). Измеренный сигнал усиливается с помощью специального усилителя с полосовым фильтром, имеющего коэффициент усиления по напряжению 250 и полосу пропускания 3,5 кГц-10 МГц. Измеренные суб- и наносекундные импульсы суперконтинуума временно растягиваются из-за пороговой частоты усилителей 10 МГц. Они оцифровываются с помощью 14-разрядного аналого-цифрового преобразователя (LTC2145-14, Analog Devices, Inc.), который является частью макетной платы (STEMlab 125-14, Red Pitaya d.d.). Оцифрованный сигнал обрабатывается с использованием решения «система на кристалле» (Zynq 7010, Xilinx) Система на кристалле содержит программируемую пользователем вентильную матрицу на основе программируемой логики (Artix 7, Xilinx) и процессор (ARM Cortex-A9 MPCore, Arm Holdings). Программируемая пользователем вентильная матрица «системы на кристалле» удаляет постоянную составляющую сигнала и объединяет все выборки данных, относящиеся к одному импульсу суперконтинуума, в одно значение, в то время как процессор отправляет интегрированные значения данных на ПК через Ethernet. Модуляция напряжения интерферометра Фабри-Перо и программное обеспечение для сбора данных «системы на кристалле» синхронизируются при помощи того же внешнего триггера, что и для суперконтинуумного лазера. Хотя интерферометр Фабри-Перо сканирует непрерывно, измеренные спектры, по-видимому, показывают дискретные данные, поскольку пропускаемый сигнал оцифровывается программируемой пользователем вентильной матрицей с частотой выборки 125 МГц, что позволяет различать и интегрировать отдельные импульсы суперконтинуума. И затем они усредняются за периоды времени длительностью 100 мкс, соответствующие независимым спектральным каналам.

На рисунке 3 показаны измеренный спектр обратного рассеяния суперконтинуума от рассеивателя и соответствующая относительная интенсивность шума по результатам на 10 различных измерениях. Полученная форма спектра в основном обусловлена спектром источника суперконтинуума, поскольку динамические характеристики рассеивателя и детектора являются плоскими в исследуемом диапазоне длин волн. Относительные колебания интенсивности между последующими измерениями могут достигать всего 1% на длине волны 3 мкм и увеличиваться примерно до 8% на длине волны 3,5 мкм. Резкое изменение на участке 3,35–3,5 мкм, совпадающем с длинноволновым краем спектра суперконтинуума, объясняется значительным уменьшением спектральной плотности мощности и большими стохастическими колебаниями спектральной мощности источника суперконтинуума. Такие отклонения интенсивности являются типичными характеристиками как на коротковолновом, так и на длинноволновом краях спектра суперконтинуума.

Образец полипропилена черного цвета исследуется с использованием разработанного активного гиперспектрального датчика, а его соответствующая отражательная способность вычисляется с использованием вышеприведенной формулы. Полученный спектр сравнивают с эталонным спектром отражения полипропилена черного цвета, измеренным с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье (FT-MIR Rocket, ARCoptix) со спектральным охватом 2-6 мкм и разрешением 4 см^-1. Сравнение спектров отражения полипропилена черного цвета, измеренных как с помощью активного гиперспектрального датчика, так и с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье, показано на рисунке 4a. Спектры, измеренные с помощью активного гиперспектрального датчика и ИК спектрометра с преобразованием Фурье, демонстрируют очень высокое соответствие. Два пика отражения в спектрах, измеренных с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье, между 3,3 и 3,45 мкм обусловлены функциональными группами СН3, в то время как пик между 3,45–3,5 мкм обусловлен функциональной группой СН228. Следует обратить внимание, что пики отражения в спектрах, измеренных с помощью активного гиперспектрального датчика, немного шире по сравнению с пиками спектров, измеренных с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье. Это связано с относительно низким спектральным разрешением интерферометра Фабри-Перо.

Аналогичным образом спектры отражения образца PE500 черного цвета, измеренные с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье и активного гиперспектрального датчика, сравниваются на рисунке 4b.

Рисунок 4. На рисунках (a), (b) и (c) сравниваются спектры отражения образца полипропилена черного цвета (PP), образца полиэтилена черного цвета (PE500) и образца полиэтилена белого цвета (PE500), соответственно. Сплошная синяя линия обозначает спектры, измеренные с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье, а красная линия с пометками обозначает спектры, измеренные с помощью активного гиперспектрального датчика

Активный гиперспектральный датчик дополнительно применяется при измерении пластика белого цвета для проверки надежности метода, а также влияния добавления цветного материала. На рисунке 4c представлено сравнение спектров отражения образца PE500 белого цвета, измеренных с помощью активного гиперспектрального датчика и ИК спектрометра с преобразованием Фурье. Наблюдается очень сильное совпадение между спектрами. Более того, спектры отражения образца PE500 как черного, так и белого цветов, очень похожи, что можно наблюдать на рисунке 4b и 4c соответственно. Сходство между спектрами связано с тем, что добавление цветного материала оказывает незначительное влияние на оптические свойства полимера в этом диапазоне длин волн. Это подчеркивает потенциальную применимость датчика к обнаружению пластмасс разного цвета.

Наблюдается небольшое изменение в спектрах пластмасс, измеренных с помощью активного гиперспектрального датчика. Причиной является различие используемых образцов по качеству поверхности (глянцевая, матовая или шероховатая поверхность), что приводит к возникновению различий между характеристиками рассеивания света. Тем не менее, все пики поглощения четко присутствуют в измеренных спектрах и могут быть использованы для обнаружения и дифференциации видов пластика.

Вывод

В результате был разработан новый гиперспектральный датчик, использующий суперконтинуумный лазер в средней ИК области и настраиваемый интерферометр Фабри-Перо, выполненный по технологии MEMS. Интерферометр Фабри-Перо обеспечивает надежный выбор длины волны во всем исследуемом диапазоне спектра суперконтинуума. Интерферометр Фабри-Перо спроектирован как автономный, что обеспечивает надежную конструкцию датчика, поскольку расположение интерферометра Фабри-Перо на датчике можно изменять.

Предварительная демонстрация линейной фильтрации с помощью интерферометра Фабри-Перо аналогичного основного механизма, работающего в ближнем ИК диапазоне, с размером апертуры около 1,5 мм, показала, что мощность непрерывной волны суперконтинуумного лазера 1-2 мкм составляет более 10 Вт.

Было продемонстрировано гиперспектральное зондирование полиэтилена черного цвета (PE500) и полипропилена (PP) черного цвета с использованием полосы 3-3,5 мкм спектра суперконтинуума. Измеренные спектры отражения пластмасс сравниваются с их эталонными значениями, измеренными с помощью ИК спектрометра с преобразованием Фурье. Между спектрами наблюдалось полное соответствие. Кроме того, были измерены спектры отражения полиэтилена PE500 белого цвета, чтобы показать применимость датчика к обнаружению образцов пластика разного цвета. Результаты впервые показали пригодность интерферометра Фабри-Перо для активного гиперспектрального обнаружения полимеров.

Важно подчеркнуть, что скорость и точность измерений могут быть значительно улучшены за счет оптимизации частоты сканирования во время половины рабочего цикла интерферометра Фабри-Перо для использования полного цикла, что удвоит скорость сбора спектра и повысит уровень сигнала за то же время сбора, и, таким образом, увеличит соотношение сигнал-шум в √2 раза. Дальнейшее улучшение может быть достигнуто путем настройки временного профиля сканирования таким образом, чтобы шумовая часть спектра имела более длительное время интеграции по сравнению с другими частями спектра.

Кроме того, наибольшее улучшение может быть достигнуто за счет использования более адаптированного источника излучения суперконтуума, в котором интересующий диапазон длин волн не находится на дальнем краю спектра суперконтинуума. Использование такого источника привело бы к увеличению средней спектральной плотности на этом участке и значительно уменьшило бы колебания от кадра к кадру, тем самым улучшив отношение сигнал/шум измеренных спектров. Вышеупомянутая оптимизация позволила бы в режиме реального времени сортировать пластиковые отходы и выполнять другие задачи, связанные с гиперспектральным зондированием в средней ИК области.

© ARCoptix

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования ARCoptix на территории РФ