In een nieuwe studie, onderzoekers gebruikten 3D-printen en goedkope onderdelen om een ​​goedkope hyperspectrale imager te maken die licht genoeg is om drones aan boord te gebruiken. Ze bieden een recept voor het maken van deze imagers, waardoor de traditioneel dure analytische techniek breder toegankelijk zou kunnen worden.

Hyperspectrale imagers produceren beelden zoals een traditionele kleurencamera, maar detecteren enkele honderden kleuren in plaats van de drie die door normale camera's worden gedetecteerd. Elke pixel van een hyperspectraal beeld bevat informatie die het gehele zichtbare spectrum bestrijkt, het verstrekken van gegevens die kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om automatisch objecten te detecteren en te sorteren of de kleur van de oceaan te meten om schadelijke algenbloei in kaart te brengen. Traditionele hyperspectrale imagers kunnen tienduizenden dollars kosten en zijn erg omvangrijk en zwaar.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers beschrijven hoe ze hyperspectrale imagers met zichtbare golflengte kunnen maken die minder dan een half pond wegen voor slechts $ 700 (USD). Ze tonen ook aan dat deze imagers spectrale gegevens kunnen verkrijgen van aan boord van een drone.

"De instrumenten die we hebben gemaakt, kunnen zeer effectief worden gebruikt op een drone of onbemand voertuig om spectrale beelden te verkrijgen, " zei onderzoeksteamleider Fred Sigernes van het Universitair Centrum in Svalbard (UNIS), Noorwegen. "Dit betekent dat hyperspectrale beeldvorming kan worden gebruikt om grote terreinen in kaart te brengen, bijvoorbeeld, zonder de noodzaak om een ​​vliegtuig of helikopter te huren om een ​​duur en groot instrument te vervoeren."

De juiste onderdelen printen

Een desktop 3D-printer heeft het proces van het maken van de op maat gemaakte optiekhouders die nodig zijn voor de imagers aanzienlijk vereenvoudigd. "Het maken van voorwerpen in metaal is tijdrovend en kan erg duur zijn, "zei Sigmarnes. "Echter, 3D-printen met plastic is goedkoop en zeer effectief voor het maken van zelfs complexe onderdelen, zoals het stuk dat nodig is om het rooster vast te houden dat het licht verspreidt. Ik heb verschillende versies kunnen printen en uitproberen."

De hyperspectrale imagers die door de onderzoekers zijn gemaakt, maken gebruik van wat bekend staat als de push-broom-techniek, die nauwkeurige lijnscanning gebruikt om een ​​spectraal beeld op te bouwen. De onderzoekers voegden een stabilisatiesysteem toe aan de opstelling, zodat de beweging van een drone het beeld niet zou vervormen terwijl het werd gegenereerd.

"Push-bezem hyperspectrale imagers vereisen doorgaans dure oriëntatiestabilisatie, " legde Sigernes uit. "Echter, u kunt nu zeer goedkope op gyroscoop gebaseerde, elektronisch stabiliserende systemen. De komst van deze nieuwe systemen maakt het voor ons mogelijk om goedkope hyperspectrale imagers te maken."

Testen tijdens de vlucht

De onderzoekers maakten verschillende prototypes door met 3D-printen plastic houders te maken die precies kleine, lichtgewicht in de handel verkrijgbare camera's en optische componenten. Ze testten een van de instrumenten aan boord van een octocopter-drone uitgerust met een elektronisch stabilisatiesysteem met twee assen. De hyperspectrale imager presteerde goed en was in staat om landschapskenmerken zoals vegetatie en waterlichamen te detecteren.

De onderzoekers voerden ook handheld-tests uit met de hyperspectrale imagers en elektronische stabilisatiesystemen met drie assen. Voor een experiment, ze veegden de imager over een computerscherm met daarop een fruitcollectie, het verwerven van 571 spectrogrammen in 22 seconden.

Deze haalbaarheidstests toonden aan dat 3D-printen nauwkeurig genoeg is om prototype-onderdelen voor optische systemen te produceren. De bedrukte plastic onderdelen waren licht van gewicht en sterk genoeg om het totale systeem licht en klein te houden, wat belangrijk is voor gebruik met drones. Na het testen, metalen versies van 3D-geprinte onderdelen kunnen desgewenst worden besteld om imagers te maken die duurzamer zijn.

Gevoeligheid verbeteren

Hoewel de nieuwe imagers niet de gevoeligheid bieden van traditionele hyperspectrale imagers, hun prestaties zijn voldoende om het terrein in kaart te brengen of de kleur van de oceaan bij daglicht te detecteren. De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de gevoeligheid door iets grotere versies van de instrumenten te maken die nog steeds klein en licht genoeg zijn voor gebruik op drones. Het verbeteren van de gevoeligheid van de imagers zal data van hogere kwaliteit opleveren.

"Er zijn veel manieren om gegevens te gebruiken die zijn verkregen door hyperspectrale imagers, " zei Sigernes. "Door de kosten van deze instrumenten te verlagen, we hopen dat meer mensen deze analytische techniek kunnen gebruiken en verder kunnen ontwikkelen."