Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate

Sintesi Tecnica: Imaging iperspettrale a infrarossi medio a campo largo oltre la velocità video

Enunciazione del Problema
L'imaging iperspettrale a infrarossi medio (MIR) è uno strumento critico per risolvere le informazioni chimiche in campioni diversi, offrendo una sensibilità superiore rispetto alla spettroscopia Raman grazie a sezioni d'urto di assorbimento infrarosso più ampie. Tuttavia, l'acquisizione di cubi di dati spettrali tridimensionali è storicamente stata lunga, limitata principalmente dalla velocità della scansione raster o della sintonizzazione della lunghezza d'onda. Le tecnologie esistenti affrontano colli di bottiglia significativi: i sistemi a trasformata di Fourier nell'infrarosso (FTIR) che si basano su sorgenti termiche soffrono di bassi rapporti segnale-rumore (SNR), richiedendo tempi di permanenza lunghi, mentre la scansione meccanica degli interferogrammi limita le frequenze di aggiornamento a minuti. I sistemi a laser a cascata quantica (QCL) offrono una sintonizzazione più rapida ma sono spesso limitati a singoli numeri d'onda o campi visivi ridotti per mantenere la velocità. Inoltre, i rivelatori MIR diretti (microbolometri o semiconduttori a bandgap stretto) sono afflitti da alto rumore di buio, basso numero di pixel e frequenze di quadro limitate. Di conseguenza, ottenere imaging iperspettrale MIR ad alta definizione, a velocità video (o superiore) con risoluzione spaziale megapixel e ampia copertura spettrale rimane una sfida irrisolta, ostacolando l'osservazione in tempo reale di processi transienti nelle scienze dei materiali e della vita.

Metodologia
Gli autori propongono e implementano un sistema di imaging iperspettrale MIR ad alta velocità e a campo largo che supera i limiti della rilevazione MIR diretta sfruttando la conversione parametrica in frequenza verso l'alto a banda larga. La metodologia di base coinvolge tre stadi sequenziali:

1. Conversione in frequenza verso l'alto non lineare a banda larga: Una sorgente laser a supercontinuo (SC) ad alta luminosità (1,9–3,9 µm) illumina il campione. Il campo MIR trasmesso viene indirizzato in un sistema di imaging 4f dove un cristallo non lineare di niobato di litio a periodicità di inversione chirpata (CPLN) è posizionato sul piano di Fourier. Un laser di pompaggio a banda stretta sincronizzato (1064 nm) guida la generazione di somma di frequenze (SFG). Il cristallo CPLN è progettato con un periodo di inversione a rampa lineare (16–24 µm) per soddisfare le condizioni di adattamento di fase quasi-fasico su un'ampia gamma di angoli di incidenza e lunghezze d'onda del segnale, consentendo una conversione a banda larga e a campo largo verso lo spettro visibile.
2. Filtraggio spettrale rapido: Il campo convertito in frequenza policromatico risultante (range visibile) viene fatto passare attraverso un filtro sintonizzabile acusto-ottico (AOTF). A differenza dei filtri meccanici, l'AOTF è privo di inerzia, consentendo una sintonizzazione agile ed elettronica della banda passante con un tempo di commutazione di circa 2,8 µs. Questo componente agisce come un filtro passa-banda ad alta velocità e programmabile per estrarre immagini monocromatiche.
3. Rilevazione ad alta velocità: Le immagini monocromatiche filtrate vengono catturate da una fotocamera CMOS al silicio ad alta definizione e megapixel capace di frequenze di quadro superiori a 10 kHz. Il sistema utilizza un FPGA per sincronizzare l'impulso MIR, l'impulso di pompaggio, la sintonizzazione dell'AOTF e l'esposizione della fotocamera.

Una caratteristica fisica chiave di questa configurazione è il fattore di scala spaziale dipendente dalla lunghezza d'onda intrinseco al processo di conversione in frequenza verso l'alto sul piano di Fourier. Il sistema tiene conto di ciò pre-determinando una mappa di scala per compensare numericamente l'effetto di sfocatura radiale, garantendo una ricostruzione spaziale accurata per ciascun canale spettrale.

Contributi Chiave

• Architettura di Sistema: L'integrazione di una sorgente a supercontinuo a banda larga, un convertitore in frequenza verso l'alto CPLN a campo largo e un AOTF a banda visibile crea un'architettura innovativa che disaccoppia l'imaging spettrale MIR dai limiti della tecnologia dei rivelatori MIR.
• Velocità e Risoluzione: Il sistema raggiunge una velocità di acquisizione dati di 100 Hz per un intero cubo di dati spettrali (100 bande) con una risoluzione spaziale su scala megapixel (dimostrata a ~500 kilopixel). Ciò rappresenta una frequenza di aggiornamento oltre due ordini di grandezza più rapida rispetto ai risultati comparabili precedenti.
• Capacità di Acquisizione Istantanea e Multiplexing: Gli autori dimostrano la capacità di eseguire operazioni istantanee con multiplexing spaziale. Sfruttando la dipendenza angolare dell'adattamento di fase, il sistema può registrare simultaneamente più canali spettrali, offrendo una via per aumentare ulteriormente le velocità di imaging.
• Copertura a Banda Larga: Il sistema opera efficacemente su un'ampia gamma spettrale di 2600–4085 cm⁻¹ (circa 2,45–3,85 µm), coprendo le regioni chiave delle impronte digitali molecolari.

Risultati
Il sistema è stato caratterizzato utilizzando campioni statici e dinamici:

• Imaging Statico: Il sistema ha imaging con successo un target di risoluzione USAF-1951, dimostrando la capacità di risolvere dettagli fini dopo la de-sfocatura numerica. È stato utilizzato per distinguere tra due tipi di pellicole di plastica (polipropilene e acetato di cellulosa) in base ai loro profili di assorbimento distinti a 2915, 3500 e 3995 cm⁻¹.
• Analisi Quantitativa: Il sistema ha quantificato il gradiente di concentrazione di alcol etilico iniettato in un solvente di tetracloruro di carbonio, mappando la distribuzione verticale della concentrazione con alta fedeltà spaziale.
• Imaging Dinamico (Videografia): Il sistema ha catturato il processo di diffusione transitorio dell'iniezione di liquido a una frequenza di quadro di 100 Hz. Un intero cubo di dati spettrali (100 bande) è stato acquisito in 10 ms.
• Dinamiche di Miscelazione in Tempo Reale: Gli autori hanno dimostrato la visualizzazione in tempo reale della miscelazione di liquidi (etanolo e benzene in CCl₄) selezionando bande spettrali specifiche corrispondenti ai picchi di assorbimento unici di ciascun liquido (3050 cm⁻¹ e 3350 cm⁻¹). Questi canali sono stati mappati sui canali di colore RGB per creare un video a falsi colori che mostra le dinamiche di miscelazione a 100 Hz.
• Metriche di Prestazione: Il sistema ha raggiunto una risoluzione spettrale di circa 15 cm⁻¹ (limitata dall'AOTF) e un tempo di commutazione di 2,8 µs per canale. Il tempo totale di acquisizione per 100 bande spettrali è stato di 10 ms.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma di affrontare la sfida di lunga data di implementare l'imaging iperspettrale MIR a velocità video (e oltre) con alta densità di pixel. Spostando la rilevazione nello spettro visibile tramite conversione in frequenza verso l'alto, il sistema sfrutta la velocità e la sensibilità superiori delle fotocamere al silicio mantenendo la specificità chimica della spettroscopia MIR. Gli autori affermano che questa alta velocità di acquisizione, combinata con l'operazione a campo largo e la copertura spettrale a banda larga, apre nuove possibilità per la caratterizzazione ad alto rendimento di processi transienti nelle scienze dei materiali e della vita. Il lavoro suggerisce che la velocità dimostrata è sufficiente per il tracciamento in tempo reale di organismi viventi, la caratterizzazione rapida della combustione gassosa e la selezione ad alto rendimento di campioni biomedici. Inoltre, il documento nota che la capacità di multiplexing spaziale offre una strada per aumentare ulteriormente le velocità di imaging, potenzialmente portando all'imaging iperspettrale a istantanea completa. Gli autori sottolineano inoltre che la strategia è particolarmente attraente per lunghezze d'onda infrarosse più lunghe dove gli imaging sensibili e i filtri veloci sono tipicamente non disponibili.