Hiperespectral portátilEl equipo debe lograr una resolución espectral a nivel nanométrico (2 - 10 nm convencional, hasta 1 nm en la parte superior) bajo la premisa de miniaturización (peso generalmente ≤ 5 kg) y bajo consumo de energía (duración ≥ 4 horas), para escenarios como la identificación de minerales de campo, la detección de calidad de productos agrícolas y el análisis de contaminantes ambientales. Su desafío central es equilibrar la precisión del sistema óptico con la sensibilidad de detección de señales en un volumen limitado. es necesario romper la contradicción entre portabilidad y resolución A través del diseño colaborativo de "optimización de la estructura óptica - detección de alta sensibilidad - procesamiento preciso de señales" para garantizar que los datos espectrales puedan distinguir las diferencias sutiles en la Longitud de onda de los nanómetros adyacentes.

　　I. optimización de sistemas ópticos: soporte básico para la resolución A nivel nanométrico

A través del diseño óptico de precisión, se mejora la precisión de separación y enfoque de la longitud de onda y se sientan las bases para la resolución A nivel nanométrico:

Selección de componentes de astigmatismo de alto color: los componentes de dispersión central utilizan rejillas de alta resolución (como rejillas cóncavas holográficas, densidad de línea de grabado ≥ 1200 líneas / mm) o sistemas combinados Prism - rejillas de densidad de línea de grabado alto, que pueden separar eficazmente las señales espectrales con un intervalo de longitud de onda ≤ 2 nm (como la banda 500 - 1000 nm, la tasa de dispersión de rejillas de línea / MM 1200 puede alcanzar 0,5 NM / mm), la estructura cóncava tiene funciones de dispersión y enfoque, reduce el número de elementos ópticos (3 - 5 lentes menos que las rejillas planas tradicionales) y se adapta a las necesidades de portabilidad; Algunos equipos utilizan rejillas de microscópico de sistema micromecánico (microelectromecánico) de tamaño más pequeño, que permiten el escaneo de longitud de onda a través de la rotación del microscópico, con una resolución de hasta 1 - 2 nm y un espesor del componente de solo 0,5 - 1 mm.

Optimización de la trayectoria óptica y la apertura: diseño de "distancia focal corta + gran apertura relativa" (distancia focal ≤ 100 mm, apertura relativa 1: 2,8), al tiempo que reduce el volumen del sistema óptico, aumenta la cantidad de luz entrante (un 30% más que el sistema de apertura relativa pequeña), asegurando que la señal espectral óptica a nivel nanométrico todavía se puede capturar En un entorno de luz débil; La lente adopta un diseño acromático complejo (por ejemplo, utiliza 3 - 4 lentes de dispersión especiales) para corregir la diferencia de color de diferentes longitudes de onda (control de la diferencia de color ≤ 1 nm) y evitar la disminución de la resolución causada por el desplazamiento de la longitud de onda; Se instala un filtro de banda estrecha (ancho de banda ≤ 5 nm) en el canal óptico para filtrar la luz dispersa (relación de supresión de la luz dispersa ≥ 10: 1) y reducir la interferencia de la señal de longitud de onda no objetivo.

　　II. detección y procesamiento de señales de alta sensibilidad: captura precisa de diferencias a nivel nanométrico

A través de la selección de detectores y la optimización de algoritmos de señal, las señales espectrales a nivel nanométrico separadas ópticamente se convierten en datos precisos:

La selección del detector coincide con el píxel: se selecciona un detector CMOS / CC de matriz facial o lineal de alta resolución (tamaño del píxel ≤ 5 micras, número de píxeles ≥ 1024 × 1024), cuanto menor sea el tamaño del píxel, mayor será la capacidad de resolución espacial de la señal de longitud de onda nanométrica después de la dispersión (por ejemplo, 5 micras de píxeles pueden coincidir con una rejilla de dispersión de 0,5 NM / MM para lograr una resolución espectral de 1 nm); Algunos equipos utilizan detectores de retroiluminación (eficiencia cuántica ≥ 80%) para mejorar la respuesta de la señal bajo luz débil (20% - 30% más que el tipo de iluminación delantera), evitando la pérdida de señales de longitud de onda a nivel nanométrico debido a la debilidad de la señal; El detector integra un módulo de refrigeración termoeléctrica (temperatura de refrigeración - 20 ~ - 40 ℃), reduce la corriente oscura (corriente oscura ≤ 0,1na / CM cuadrado) y reduce la interferencia del ruido en la señal a nivel nanométrico.

Algoritmo de amplificación y reducción de ruido de la señal: la señal eléctrica débil emitida por el detector (la intensidad de la señal correspondiente a la longitud de onda a nivel nanométrico suele ser ≤ 10 μv) se amplifica a través de un preamplificador de bajo ruido (tensión de ruido ≤ 1nv / cuadrado hz) para evitar la atenuación de la señal; Adoptar la tecnología de "doble muestreo relacionado" para eliminar el ruido del modo fijo del detector (relación de supresión de ruido ≥ 100: 1); A nivel de software, el ruido aleatorio se filtra aún más a través de algoritmos de filtrado adaptativo (como la reducción de ruido del umbral de onda) (la relación señal - ruido después de la reducción de ruido es ≥ 50 db); Introducir un algoritmo de calibración espectral para calibrar regularmente la longitud de onda (una vez cada tres meses) a través de fuentes de luz estándar (como lámparas de argón de mercurio, precisión de longitud de onda característica de ± 0,1 nm), para garantizar que el error de posicionamiento de la longitud de onda sea ≤ 0,5 nm y garantizar la estabilidad de la resolución a nivel nanométrico.

　　III. integración de componentes básicos: equilibrar la portabilidad y el rendimiento

A través de un diseño modular y ligero, mientras se logra una resolución A nivel nanométrico, se garantiza la portabilidad del dispositivo:

Integración modular: el sistema óptico, el detector, el módulo de procesamiento de señales y el módulo de alimentación están diseñados como módulos independientes (el volumen de cada módulo es ≤ 200 cm cúbico), ensamblados a través de interfaces de alta precisión (como pin de posicionamiento + conexión roscada), y los cables entre módulos utilizan cables planos flexibles (espesor ≤ 0,2 mm) para reducir la ocupación de espacio; Algunos equipos están encapsulados de manera integrada (por ejemplo, integrando el sistema óptico con el detector en la misma carcasa metálica, con un espesor de la carcasa ≤ 3 mm), un 40% más pequeño en volumen y un peso controlable dentro de 3 kg.

Diseño de bajo consumo de energía y disipación de calor: selección de componentes de bajo consumo de energía (como el consumo de energía de la rejilla microelectrónica ≤ 100 mw, el consumo de energía del detector ≤ 500 mw), el consumo total de energía se controla en 5 - 10w (soporte para el suministro de energía de la batería de litio, duración de 4 - 6 horas); La carcasa del equipo está hecha de aleación de aluminio (conductividad térmica ≥ 200w / (m · k) y está diseñada con aletas de disipación de calor (área ≥ 100 cm cuadrados) para exportar rápidamente el calor generado por la refrigeración del detector y el trabajo del circuito (temperatura de trabajo ≤ 45 ° c) para evitar la deformación de los componentes ópticos causada por cambios de temperatura (control de deformación ≤ 0,1 μm) y afectar la resolución A nivel nanométrico.

A través del diseño anterior, el equipo hiperespectral portátil puede lograr una resolución espectral de 2 - 10 nm mientras cumple con la portabilidad, y algunos modelos incluso pueden alcanzar 1 nm, que no sólo puede adaptarse a escenarios de detección móvil como campo y campo, sino también distinguir con precisión las diferencias de longitud de onda a nivel nanométrico (como distinguir los picos de absorción de clorofila A a 680 nm y 685 nm), proporcionando soporte técnico para análisis espectrales rápidos y de alta precisión.