pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-3-92-102pimi-269Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsСПЕКТРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ ДИСПЕРСИОННЫХ СИСТЕМSPECTRAL FILTRATION OF IMAGES BY MEANS OF DISPERSIVE SYSTEMSГулисИ. М.GulisI. M.

Адрес для переписки: Гулис И.М.  – Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь   e-mail: gulis@bsu.by

Address for correspondence: Gulis I.M. – Belarusian State University, Nezavisimosty Ave., 4, 220030, Minsk, Belarus  e-mail: gulis@bsu.by

gulis@bsu.byКупреевА. Г.KupreyeuA. G.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20160712201673262270Copyright © Гулис И.М., Купреев А.Г., 20162016Гулис И.М., Купреев А.Г.Gulis I.M., Kupreyeu A.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/269

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. 

Instruments for spectral filtration of images are an important element of the systems used in remote sensing, medical diagnostics, in-process measurements. The aim of this study is analysis of the functional features and characteristics of the proposed two image monochromator versions which are based on dispersive spectral filtering. The first is based on the use of a dispersive monochromator, where collimating and camera lenses form a telescopic system, the dispersive element of which is within the intermediate image plane. The second version is based on an imaging double monochromator with dispersion subtraction by back propagation. For the telescopic system version, the spectral and spatial resolutions are estimated, the latter being limited by aberrations and diffraction from the entrance slit. The device has been numerically simulated and prototyped. It is shown that for the spectral bandwidth 10 nm (visible spectral range), the aberration-limited spot size is from 10–20 μm at the image center to about 30 μm at the image periphery for the image size 23–27 mm. The monochromator with dispersion subtraction enables one to vary the spectral resolution (up to 1 nm and higher) by changing the intermediate slit width. But the distinctive feature is a significant change in the selected central wavelength over the image field. The considered designs of dispersive image monochromators look very promising due to the particular advantages over the systems based on tunable filters as regards the spectral resolution, fast tuning, and the spectral contrast. The monochromator based on a telescopic system has a simple design and a rather large image field but it also has a limited light throughput due to small aperture size. The monochromator with dispersion subtraction has higher light throughput, can provide high spectral resolution when recording a full data cube in a series of measuring acts for different dispersive element positions. 

спектроскопия с пространственным разрешениеммонохроматор изображениядисперсионная системаспектральная фильтрацияimaging spectroscopyimage monochromatordispersive systemspectral filteringReferencesXie, 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.Xie Y., Sha Z., Yu M. Remote sensing imagery in vegetation mapping: a review. Journal of Plant Ecology, 2008, vol. 1, no. 1, pp. 9–23. doi: org/10.1093/jpe/rtm005Govender, 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.Govender M., Chetty K., Bulcock H. A review of hyperspectral remote sensing and its application in vegetation and water resource studies. Water SA, 2007, vol. 33, pp. 145–151. doi: org/10.4314/wsa.v33i2.49049Hyperspectral 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.Qin J., Chao K., Kim M.S., Lu R., Burks T.F. Hyperspectral and multispectral imaging for evaluating food safety and quality. Journal of Food Engineering, 2013, vol. 118, no. 2, pp. 157–171. doi: org/10.1016/j.jfoodeng.2013.04.001Herold, 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.Herold M., Roberts D.A. Multispectral Satellites – Imaging Spectrometry – LIDAR: Spatial-Spectral Tradeoffs in Urban Mapping. International Journal of Geoinformatics, 2006, vol. 2, no. 1, pp. 1–13.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.Thompson D.R., Leifer I., Bovensmann H., Eastwood M., Fladeland M., Frankenberg C., Gerilowski K., Green R.O., Kratwurst S., Krings T., Luna B., Thorpe A.K. Real-time remote detection and measurement for airborne imaging spectroscopy: a case study with methane. Atmospheric Measurement Techniques, 2015, vol. 8, no. 10, pp. 4383–4397. doi: org/10.5194/amt-8-4383-2015Using 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.Kuula J., Pölönen I., Puupponen H.H., Selander T., Reinikainen T., Kalenius T., Saari H. Using VIS/NIR and IR spectral cameras for detecting and separating crime scene details. Proceedings SPIE, 2012, vol. 8359, pp. 83590P-1–83590P-11. doi: org/10.1117/12.918555Lu, G. Medical hyperspectral imaging: a review / G. Lu, B. Fei // Journ. of Biomed. Optics. – 2014. – Vol. 19, no. 1. – P. 010901-1–010901-23.Lu G., Fei B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics, 2014, vol. 19, no. 1, pp. 010901-1–010901-23. doi: org/10.1117/1.JBO.19.1.010901Hyperspectral 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.Grégori G., Patsekin V., Rajwa B., Jones J., Ragheb K., Holdman C., Robinson J.P. Hyperspectral cytometry at the single-cell level using a 32-channel photodetector. Cytometry Part A, 2012, vol. 81, no. 1, pp. 35–44. doi: org/10.1002/cyto.a.21120Accuracy 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.Pierce M.C., Schwarz R.A., Bhattar V.S., Mondrik S., Williams M.D., Lee J.J., Richards-Kortum R., Gillenwater A.M. Accuracy of in vivo multimodal optical imaging for detection of oral neoplasia. Cancer Prevention Research, 2012, vol. 5, no. 6, pp. 801–809. doi: org/10.1158/1940-6207.CAPR-11-0555Chin, 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.Chin J.A., Wang E.C., Kibbe M.R. Evaluation of hyperspectral technology for assessing the presence and severity of peripheral artery disease. Journal of Vascular Surgery, 2011, vol. 54, no. 6, pp. 1679–1688. doi: org/10.1016/j.jvs.2011.06.022On-orbit performance of the Landsat 8 Operational Land Imager / E. Micijevic [et al.] // Proc. SPIE. – 2014. – Vol. 9218. – P. 921816-1–921816-12.Micijevic E., Vanderwerff K., Scaramuzza P., Morfitt R.A., Barsi J.A., Levy R. On-orbit performance of the Landsat 8 Operational Land Imager. Proceedings SPIE, 2014, vol. 9218, pp. 921816-1–921816-12. doi: org/10.1117/12.2063338Liang, 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.Liang H. Advances in multispectral and hyperspectral imaging for archaeology and art conservation. Applied Physics A, 2012, vol. 106, no. 2, pp. 309–323. doi: org/10.1007/s00339-011-6689-1Hagen, N. Review of snapshot spectral imaging technologies / N. Hagen, M.W. Kudenov // Opt. Engineering.– 2013. – Vol. 52, no. 9. – P. 090901-1–090901-23.Hagen N., Kudenov M.W. Review of snapshot spectral imaging technologies. Optical Engineering, 2013, vol. 52, no. 9, pp. 090901-1–090901-23. doi: org/10.1117/1.OE.52.9.090901Improving 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.Vila-Francés J., Calpe-Maravilla J., GómezChova L., Amorós-López J. Improving the performance of acousto-optic tunable filters in imaging applications. Journal of Electronic Imaging, 2014, vol. 19, no. 4, pp. 043022-1–043022-9. doi: org/10.1117/1.3518139Characterization of a double monochromator / L. Ding [et al.] // Proc. SPIE. – 2010. – Vol. 7826. – P. 782624-1–782624-10.Ding L., Cooper J.W., Kowalewski M.G., Smith G.R., Butler J.J. Characterization of a double monochromator. Proceedings SPIE, 2010, vol. 7826, pp. 782624-1–782624-10. doi: org/10.1117/12.865091Гулис, 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.Gulis I.M., Kupreyeu A.G., Kostukevich A.G. [Double image monochromator with dispersion subtraction]. Vestnik BGU. Series 1, 2011, no. 2, pp. 19–23 (in Russian).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.Gulis I.M., Kupreyeu A.G. [Spectral selection in image monochromator with dispersion subtraction]. Vestnik BGU. Series 1, 2014, no. 3, pp. 3–7 (in Russian).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.Gulis I.M., Kupreyeu A.G. Low-Aberration Imaging Monochromator with Dispersion Subtraction Based on an Axially Symmetric Design. Journal of Applied Spectroscopy, 2015, vol. 82, no. 1, pp. 131–136. doi: org/10.1007/s10812-015-0075-2High-performance hyperspectral imaging using virtual slit optics / B.B. Behr [et al.] // Proc. SPIE. – 2013. – Vol. 8726. – P. 872604-1–872604-11.Behr B.B., Meade J.T., Hajian A.R., Cenko A.T. High-performance hyperspectral imaging using virtual slit optics. Proceedings SPIE, 2013, vol. 8726, pp. 872604- 1–872604-11. doi: org/10.1117/12.2016011

The authors declare that there are no conflicts of interest present.