СПЕКТРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ ДИСПЕРСИОННЫХ СИСТЕМ

Приборы для спектральной фильтрации изображений являются важным элементом систем дистанционного зондирования, медицинской диагностики и технологического контроля. Цель работы – анализ функциональных особенностей и характеристик двух предлагаемых вариантов монохроматоров изображения, основанных на дисперсионной спектральной фильтрации. Первый вариант основан на использовании дисперсионного монохроматора, в котором коллиматорный и камерный объективы формируют телескопическую систему, в плоскости промежуточного изображения которой размещается дисперсионный элемент. Второй вариант основан на использовании двойного монохроматора с вычитанием дисперсии при обратном прохождении. Для варианта с телескопической системой выполнены оценки спектрального разрешения и пространственного разрешения, определяемого аберрациями и дифракцией на входной щели. Проведено численное моделирование и макетирование прибора. Показано, что при ширине выделяемого спектрального интервала 10 нм в видимой области размеры аберрационно-лимитируемого кружка рассеяния варьируются от 10–20 мкм в центре до 30 мкм на краях изображения с размерами 23–27 мм. Монохроматор с вычитанием дисперсии позволяет варьировать достигаемое в отдельной точке изображения спектральное разрешение (до 1 нм и выше) изменением ширины промежуточной щели, однако особенностью является изменение в значительных пределах выделяемой центральной длины волны по полю изображения. Рассмотренные схемные решения дисперсионных монохроматоров изображения представляются перспективными и обладают преимуществами в сравнении с системами на основе перестраиваемых фильтров по достижимому спектральному разрешению и возможности его оперативного варьирования, спектральному контрасту. Монохроматор на основе телескопической системы характеризуется простотой устройства и достаточно большим полем изображения, однако имеет ограниченное светопропускание из-за малого размера входной апертуры. Монохроматор с вычитанием дисперсии имеет большее светопропускание, позволяет обеспечить высокое спектральное разрешение при условии регистрации полного куба данных в серии установок дисперсионного элемента. 

1. Xie, Y. Remote sensing imagery in vegetation mapping: a review / Y. Xie, Z. Sha, M. Yu // Journ. of Plant Ecology. – 2008. – Vol. 1, no. 1. – P. 9–23.

2. Govender, M. A review of hyperspectral remote sensing and its application in vegetation and water resource studies / M. Govender, K. Chetty, H. Bulcock // Water S. A. – 2007. – Vol. 33. – P. 145–151.

3. Hyperspectral and multispectral imaging for evaluating food safety and quality // J. Qin [et al.] // Journ. of Food Engineering. – 2013. – Vol. 118, no. 2. – P. 157–171.

4. Herold, M. Multispectral Satellites – Imaging Spectrometry – LIDAR: Spatial-Spectral Tradeoffs in Urban Mapping / M. Herold, D.A. Roberts // International Journ. of Geoinform. – 2006. – Vol. 2, no. 1. – P. 1–13.

5. Real-time remote detection and measurement for airborne imaging spectroscopy: a case study with methane / D.R. Thompson [et al.] // Atmos. Meas. Tech. – 2015. – Vol. 8, no. 10. – P. 4383–4397.

6. Using VIS/NIR and IR spectral cameras for detecting and separating crime scene details / J. Kuula [et al.] // Proc. SPIE. – 2012. – Vol. 8359. – P. 83590P-1– 83590P-11.

7. Lu, G. Medical hyperspectral imaging: a review / G. Lu, B. Fei // Journ. of Biomed. Optics. – 2014. – Vol. 19, no. 1. – P. 010901-1–010901-23.

8. Hyperspectral cytometry at the single-cell level using a 32-channel photodetector / G. Grégori [et al.] // Cytometry Part A. – 2012. – Vol. 81, no. 1. – P. 35–44.

9. Accuracy of in vivo multimodal optical imaging for detection of oral neoplasia / M.C. Pierce [et al.] // Cancer Prevention Research. – 2012. – Vol. 5, no. 6. – P. 801–809.

10. Chin, J.A. Evaluation of hyperspectral technology for assessing the presence and severity of peripheral artery disease / J.A. Chin, E.C. Wang, M.R. Kibbe // Journ. of Vascular Surgery. – 2011. – Vol. 54, no. 6. – P. 1679–1688.

11. On-orbit performance of the Landsat 8 Operational Land Imager / E. Micijevic [et al.] // Proc. SPIE. – 2014. – Vol. 9218. – P. 921816-1–921816-12.

12. Liang, H. Advances in multispectral and hyperspectral imaging for archaeology and art conservation / H. Liang // Applied Physics A. – 2012. – Vol. 106, no. 2. – P. 309–323.

13. Hagen, N. Review of snapshot spectral imaging technologies / N. Hagen, M.W. Kudenov // Opt. Engineering.– 2013. – Vol. 52, no. 9. – P. 090901-1–090901-23.

14. Improving the performance of acousto-optic tunable filters in imaging applications / J. Vila-Francés [et al.] // Journ. Electronic Imaging. – 2010. – Vol. 19, no. 4. – P. 043022-1–043022-9.

15. Characterization of a double monochromator / L. Ding [et al.] // Proc. SPIE. – 2010. – Vol. 7826. – P. 782624-1–782624-10.

16. Гулис, И.М. Двойной монохроматор изображения с вычитанием дисперсии / И.М. Гулис, А.Г. Купреев, А.Г. Костюкевич // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 1. Физика. Математика. Информатика. – 2011. – № 2. – С. 19–23.

17. Гулис, И.М. Спектральная селекция в монохроматоре изображения с вычитанием дисперсии / И.М. Гулис, А.Г. Купреев // Вестник Белорусского государственного университета. Серия 1. Физика. Математика. Информатика. – 2014. – № 3. – С. 3–7.

18. Gulis, I.M. Low-Aberration Imaging Monochromator with Dispersion Subtraction Based on an Axially Symmetric Design / I.M. Gulis, A.G. Kupreyeu // Journal of Applied Spectroscopy. – 2015. – Vol. 82, no. 1. – P. 131–136.

19. High-performance hyperspectral imaging using virtual slit optics / B.B. Behr [et al.] // Proc. SPIE. – 2013. – Vol. 8726. – P. 872604-1–872604-11.