Wide-field mid-infrared hyperspectral imaging beyond video rate

Resumo Técnico: Imageamento hiperespectral de infravermelho médio de campo amplo além da taxa de vídeo

Enunciação do Problema
A imageamento hiperespectral de infravermelho médio (MIR) é uma ferramenta crítica para resolver informações químicas em amostras diversas, oferecendo sensibilidade superior à espectroscopia Raman devido a maiores seções de choque de absorção no infravermelho. No entanto, a aquisição de cubos de dados espectrais tridimensionais tem sido historicamente demorada, limitada principalmente pela velocidade da varredura raster ou do ajuste de comprimento de onda. Tecnologias existentes enfrentam gargalos significativos: sistemas de Transformada de Fourier no Infravermelho (FTIR) que dependem de fontes térmicas sofrem com baixas razões sinal-ruído (SNR), exigindo longos tempos de permanência, enquanto a varredura mecânica de interferogramas limita as taxas de atualização a minutos. Sistemas de Laser de Cascata Quântica (QCL) oferecem ajuste mais rápido, mas são frequentemente restritos a números de onda únicos ou campos de visão reduzidos para manter a velocidade. Além disso, detectores diretos de MIR (microbolômetros ou semicondutores de banda proibida estreita) são afetados por alto ruído escuro, baixas contagens de pixels e taxas de quadros limitadas. Consequentemente, alcançar imageamento hiperespectral de MIR em alta definição e taxa de vídeo (ou mais rápida) com resolução espacial de megapixel e ampla cobertura espectral permanece um desafio não resolvido, impedindo a observação em tempo real de processos transitórios nas ciências dos materiais e da vida.

Metodologia
Os autores propõem e implementam um sistema de imageamento hiperespectral de MIR de campo amplo e alta velocidade que contorna as limitações da detecção direta de MIR utilizando conversão paramétrica ascendente de banda larga. A metodologia central envolve três estágios sequenciais:

1. Conversão Ascendente Não Linear de Banda Larga: Uma fonte laser de supercontinuo (SC) de alto brilho (1,9–3,9 µm) ilumina a amostra. O campo de MIR transmitido é direcionado para um sistema de imageamento 4f, onde um cristal não linear de niobato de lítio com polarização chirped (CPLN) é colocado no plano de Fourier. Um laser de bombeio de banda estreita sincronizado (1064 nm) gera a geração de frequência somada (SFG). O cristal CPLN é projetado com um período de polarização que aumenta linearmente (16–24 µm) para satisfazer as condições de casamento de fase quase em uma ampla faixa de ângulos de incidência e comprimentos de onda de sinal, permitindo a conversão de banda larga e campo amplo para o espectro visível.
2. Filtragem Espectral Rápida: O campo convertido ascendente policromático resultante (faixa visível) passa por um filtro sintonizável acusto-óptico (AOTF). Diferentemente de filtros mecânicos, o AOTF é livre de inércia, permitindo um ajuste ágil e eletrônico da banda de passagem com um tempo de comutação de aproximadamente 2,8 µs. Este componente atua como um filtro de passagem de banda programável de alta velocidade para extrair imagens monocromáticas.
3. Detecção de Alta Velocidade: As imagens monocromáticas filtradas são capturadas por uma câmera CMOS de silício de alta definição e megapixel, capaz de taxas de quadros superiores a 10 kHz. O sistema utiliza um FPGA para sincronizar o pulso de MIR, o pulso de bombeio, o ajuste do AOTF e a exposição da câmera.

Uma característica física fundamental desta configuração é o fator de escala espacial dependente do comprimento de onda inerente ao processo de conversão ascendente no plano de Fourier. O sistema leva isso em consideração determinando previamente um mapa de escala para compensar numericamente o efeito de desfoque radial, garantindo a reconstrução espacial precisa para cada canal espectral.

Principais Contribuições

• Arquitetura do Sistema: A integração de uma fonte de supercontinuo de banda larga, um conversor ascendente CPLN de campo amplo e um AOTF de banda visível cria uma arquitetura inovadora que desacopla a imageamento espectral de MIR das limitações da tecnologia de detectores de MIR.
• Velocidade e Resolução: O sistema alcança uma taxa de aquisição de dados de 100 Hz para um cubo de dados espectral completo (100 bandas) com uma resolução espacial na escala de megapixel (demonstrada em ~500 kilopixels). Isso representa uma taxa de atualização mais de duas ordens de magnitude mais rápida que resultados comparáveis anteriores.
• Capacidade de Captura Única e Multiplexação: Os autores demonstram a capacidade de realizar operação de captura única com multiplexação espacial. Ao explorar a dependência angular do casamento de fase, o sistema pode registrar simultaneamente múltiplos canais espectrais, oferecendo um caminho para aumentar ainda mais as velocidades de imageamento.
• Cobertura de Banda Larga: O sistema opera efetivamente em uma ampla faixa espectral de 2600–4085 cm⁻¹ (aprox. 2,45–3,85 µm), cobrindo regiões-chave de impressão digital molecular.

Resultados
O sistema foi caracterizado usando amostras estáticas e dinâmicas:

• Imageamento Estático: O sistema imageou com sucesso um alvo de resolução USAF-1951, demonstrando a capacidade de resolver detalhes finos após a desfocagem numérica. Foi utilizado para distinguir entre dois tipos de filmes plásticos (polipropileno e acetato de celulose) com base em seus perfis de absorção distintos em 2915, 3500 e 3995 cm⁻¹.
• Análise Quantitativa: O sistema quantificou o gradiente de concentração de álcool etílico injetado em um solvente de tetracloreto de carbono, mapeando a distribuição vertical de concentração com alta fidelidade espacial.
• Imageamento Dinâmico (Videografia): O sistema capturou o processo de difusão transitória de injeção de líquido a uma taxa de quadros de 100 Hz. Um cubo de dados espectral completo (100 bandas) foi adquirido em 10 ms.
• Dinâmicas de Mistura em Tempo Real: Os autores demonstraram a visualização em tempo real da mistura de líquidos (etanol e benzeno em CCl₄) selecionando bandas espectrais específicas correspondentes aos picos de absorção únicos de cada líquido (3050 cm⁻¹ e 3350 cm⁻¹). Esses canais foram mapeados para canais de cor RGB para criar um vídeo em falso-colorido mostrando as dinâmicas de mistura a 100 Hz.
• Métricas de Desempenho: O sistema alcançou uma resolução espectral de aproximadamente 15 cm⁻¹ (limitada pelo AOTF) e um tempo de comutação de 2,8 µs por canal. O tempo total de aquisição para 100 bandas espectrais foi de 10 ms.

Significado e Alegações
O artigo afirma abordar o desafio de longa data de implementar imageamento hiperespectral de MIR em taxa de vídeo (e além) com alta densidade de pixels. Ao deslocar a detecção para o espectro visível via conversão ascendente, o sistema aproveita a velocidade e sensibilidade superiores das câmeras de silício, mantendo a especificidade química da espectroscopia de MIR. Os autores afirmam que essa alta taxa de aquisição, combinada com operação de campo amplo e cobertura espectral de banda larga, abre novas possibilidades para a caracterização de alto rendimento de processos transitórios nas ciências dos materiais e da vida. O trabalho sugere que a velocidade demonstrada é suficiente para o rastreamento em tempo real de organismos vivos, caracterização rápida de combustão gasosa e classificação de alto rendimento de amostras biomédicas. Além disso, o artigo observa que a capacidade de multiplexação espacial oferece uma rota para aumentar ainda mais as taxas de imageamento, potencialmente levando ao imageamento hiperespectral de captura única completa. Os autores também destacam que a estratégia é particularmente atraente para comprimentos de onda infravermelhos mais longos, onde imageadores sensíveis e filtros rápidos geralmente não estão disponíveis.