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Dispositivi di scansione iperspettrale: dalla fase di progettazione alla realizzazione pratica F. RAMPAZZO, M. D'AGOSTINI, A. DALL'AVA DV S.R.L TECNOLOGIE D'AVANGUARDIA, DIP. DI SPETTROSCOPIA Viale Dell'Industria, 64 – 35129 Padova 1. Introduzione P. MARETTO, A. VENDRAMINELLI VECOM S.R.L Viale Dell'Industria, 64 - 35129 Padova, Italia La realizzazione dei primi dispositivi di spettrometria d'immagine era basata sulla sincronizzazione della movimentazione di filtri anteriormente disposti a camere matriciali sensibili nella banda di frequenza d'interesse. Non vi erano particolari richieste nell'ambito progettuale meccanico/ottico se non accortezze nella scelta e disposizione di filtri tali da assicurare l'attendibilità della misura. Per superare le difficoltà intrinseche nell'uso dei filtri discreti o interferenziali (aventi caratteristiche diverse fra loro e poco ripetibili) si sono usati filtri tunabili che garantivano la possibilità di variare con continuità la propria risposta spettrale in termini di frequenza centrale. Tali configurazioni permisero risultati confortanti nei limiti delle risoluzioni spettrali consentite senza mai garantire l'interstrumentalità dei dispositivi, caratteristica comune con gli apparati di precedente generazione. La strada della movimentazione 2D di sonde a minisfera integratrice collegate al medesimo spettrofotometro puntuale ha portato risultati notevoli dal punto di vista della qualità delle misure con forti limitazioni però nella risoluzione spaziale e nei tempi di acquisizione; le meccaniche poi risultavano necessitare di grande precisione con conseguenti ingombri e criticità. La soluzione che allo stato tecnologico attuale presenta i maggiori vantaggi nel compromesso fra attendibilità e ripetibilità della misura, risoluzione spaziale e tempi di acquisizione vede l'impiego di spettrometri di linea [1-4]. L'anteposizione di un policromatore di linea (a riflessione o trasmissione) ad un sensore matriciale di adeguata sensibilità spettrale consente di acquisire lo spettro di una linea spaziale del campione in pochi centesimi di secondo con risoluzione limitata in termini assoluti unicamente dalla qualità/tipologia delle ottiche interne. Attraverso la movimentazione relativa dello spettrofotometro e del campione si rileva lo spettro punto punto dell'immagine nei tempi caratteristici dei dispositivi di acquisizione scelti. 2. Parametri e vincoli progettuali Passiamo in rassegna parametri e vincoli progettuali caratterizzanti la strumentazione in esame nell'ottica del confronto fra le diverse tipologie 1
costruttive. In ambito applicativo alcune variabili assumono connotazioni estese e/o specifiche della spettrofotometria d'immagine. 2.1 Risoluzione spaziale e range spaziale Nei dispositivi "a filtri" e "puntuali" la risoluzione spaziale è unica e limitata dalle caratteristiche dei sensori e delle ottiche a questi accoppiati (generalmente adattabili ai casi d'interesse). Espressa in paia di linee per millimetro o unità equivalenti risulta legata a vincoli minimi dettati dal potere risolvente dell'occhio umano. Nei dispositivi impieganti policromatori di linea è generalmente diversa quella orizzontale (legata alla sensoristica e alle ottiche disperdenti) e verticale (legata alle dimensioni della fenditura del policromatore). Il range spaziale, l'area che lo spettrofotometro d'immagine può rilevare, è quindi legata alla risoluzione spaziale voluta; a parità di sensore/spettrofotometro impiegato questi risultano complementari. Anche se solitamente non stringente, le esigenze dell'applicazione finale del dispositivo possono rendere anche il range spaziale un limite vincolante dato che la rilevazione di ampie superfici comporterebbe non solo un elevato impegno logistico ma anche delicate operazioni di "mosaicing". 2.2 Risoluzione spettrale e range spettrale La risoluzione spettrale si esprime generalmente come parametro massimo poiché risulta spesso differente nei dispositivi a filtri quando esaminata in diverse regioni del range spettrale utile (ovvero dell'estensione frequenziale rilevabile dallo strumento). La suddivisione di detto range in bande sfocia in compromessi poco soddisfacenti in relazione al tipo e al numero dei filtri impiegati e a conseguenti operazioni di deconvoluzione degli spettri molto pesanti. Nei dispositivi impieganti dispersori ottici puntuali o di linea invece la risoluzione spettrale è un parametro rappresentativo in tutto lo spettro. Le caratteristiche della risposta spettrale in quest'ultimo caso validano a priori le misure ottenute lasciando i limiti di risoluzione alla progettazione delle ottiche disperdenti. 2.3 Sensibilità, dinamica e tempi di acquisizione Come per tutti i dispositivi di acquisizione fotonica è la sensoristica che determina principalmente sensibilità e dinamica. Nei sistemi a filtri non si avvertono particolari esigenze nella scelta del sensore purché assicuri l'opportuno SNR nella banda d'interesse. I sensori impiegati a valle di policromatori di linea invece sono scelti avendo cura che la geometria del focal plane di sensore e policromatore corrispondano. Il miglior compromesso fra i parametri citati è da ricercarsi spingendo più sui tempi di acquisizione complessivi richiesti dall'applicazione che sui valori di sensibilità e dinamica ormai garantiti dalle camere di pregio attuali. 2.4 Illuminazione E' cruciale mantenere i parametri d'illuminazione costanti in termini di geometria e radianza durante l'acquisizione completa del dispositivo d'immagine impiegato. Ecco perché sempre più costruttori propongono come parte integrante del dispositivo l'illuminatore stabilizzato e controllato alogeno, allo Xe o combinato. 2
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