pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2018-9-4-296-305pimi-403Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsПовышение спектрального разрешения многощелевого спектрометра с дифракционной решеткой для спектроскопии с пространственным разрешениемIncreasing of Spectral Resolution of Multislit Imaging Spectrometer with Diffractive GratingГулисИ. М.GulisI. M.

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

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

gulis@bsu.byКупреевА. Г.KupreyeuA. G.Белорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20181712201894296305Copyright © Гулис И.М., Купреев А.Г., 20182018Гулис 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/403

Для спектроскопии с пространственным разрешением представляет интерес регистрация нестационарных процессов, в частности мгновенная гиперспектроскопия, позволяющая получать куб данных I(x,y,λ) в одном акте измерения. Целью работы являлось повышение спектрального разрешения в приборах для спектроскопии с пространственным разрешением, в которых пространственная фильтрация изображения объекта осуществляется многощелевой маской, в качестве диспергирующего элемента используется дифракционная решетка (что обеспечивает практически неизменную дисперсию в рабочем спектральном диапазоне), а проекция куба данных представляется в виде совокупности локальных спектров от отдельных фрагментов объекта.

Изображение на детекторе формируется телецентрической системой из двух объективов, настроенных на бесконечность и расположенных так, что их передние фокусы совпадают. Размещенная в точке совпадения фокусов диафрагма пропускает лишь пучки нужного порядка, что в совокупности с полосовыми светофильтрами на входе устраняет типичную для систем с дифракционной решеткой проблему отсечения всех порядков дифракции кроме рабочего. Предложенный подход реализован в двух разработанных схемных решениях спектрометров: в первом телецентрическая система построена на основе двух многолинзовых изображающих объективов, во втором – на основе внеосевых параболических зеркал.

В рамках данной работы предложены варианты оптимизации схемных решений, предусматривающие обеспечение нормального падения световых пучков на маску, а также компенсацию кривизны поля изображения, что позволяет повысить разрешение системы и расширить область применения рассмотренных схемных решений многощелевых дисперсионных спектрометров; рассмотрено схемное решение, представляющее собой синтез обоих подходов. Согласно результатам моделирования, полуширина пятен рассеяния в направлении дисперсии Δl ≤ 10 мкм, лишь в отдельных точках поля Δl ≤ 15 мкм, что соответствует пределу спектрального разрешения δλ ≤ 10 нм на диапазоне 450–750 нм.

Registration of non-stationary processes, namely snapshot hyperspectral imaging that allows to capture data cube I(x,y,λ) in one measurement act, is of interest for imaging spectroscopy.

The purpose of the work is increasing of spectral resolution of imaging spectrometers with spatial filtering of object image using multislit mask, where a diffractive grating is used as disperser (providing almost constant dispersion in working spectral range), and the data cube is projected on a detector as a set of local spectra from object fragments.

An image is formed on detector by a two-objective telecentric system composed from two lenses focused on infinity so that their front focuses are matched. A diaphragm in the match point allows passing only for beams of needed diffraction order, so along with a bandpass filter near the system entrance they solve a typical problem of diffractive systems – elimination of beams of all orders but a needed one. The approach is implemented in two proposed designs of spectrometers: in the first a telecentric system is based on two multi-lens imaging objectives, in the second – is based on two reflective off-axis parabolic objectives.

мгновенная гиперспектроскопиямногощелевой дисперсионный спектрометрпараболический зеркальный объективтелецентрическая системаsnapshot hyperspectroscopymultislit dispersive spectrometerparabolic mirror lenstelecentric systemReferencesXie, 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. DOI: https://doi.org/10.1093/jpe/rtm005Xie 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: https://doi.org/10.1093/jpe/rtm005Lu, G. Medical hyperspectral imaging: a review / G. Lu, B. Fei // Journ. of Biomed. Optics. – 2014. – Vol. 19, no. 1. – P. 010901-1–010901-23. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.010901Lu G., Fei B. Medical hyperspectral imaging: a review. Journal of Biomedical Optics, 2014, vol. 19, no. 1, pp. 010901-1–010901-23. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.010901Thompson, D.R. 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. DOI: https://doi.org/10.5194/amt-8-4383-2015Thompson 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: https://doi.org/10.5194/amt-8-4383-2015Kuula, J. 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. DOI: https://doi.org/10.1117/12.918555Kuula J., Pölönen I., Puupponen 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: https://doi.org/10.1117/12.918555Qin, J. 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. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2013.04.001Qin 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: https://doi.org/10.1016/j.jfoodeng.2013.04.001Gao, L. Optical hyperspectral imaging in microscopy and spectroscopy – a review of data acquisition / L. Gao, R.T. Smith // Journ. of Biophotonics. – 2015. – Vol. 8, no. 6. – P. 441–456. DOI: https://doi.org/10.1002/jbio.201400051Gao L., Smith R.T. Optical hyperspectral imaging in microscopy and spectroscopy – a review of data acquisition. Journal of Biophotonics, 2015, vol. 8, no. 6, pp. 441–456. DOI: https://doi.org/10.1002/jbio.201400051Lefebvre, J. Real Time Hyperspectroscopy for Dynamical Study of Carbon Nanotubes / J. Lefebvre // ACS Nano. – 2016. – Vol. 10, no. 10. – P. 9602–9607. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05077Lefebvre J. Real Time Hyperspectroscopy for Dynamical Study of Carbon Nanotubes. ACS Nano, 2016, vol. 10, no. 10, pp. 9602–9607. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05077Mouroulis, P. Design of pushbroom imaging spectrometers for optimum recovery of spectroscopic and spatial information / P. Mouroulis, R.O. Green, T.G. Chrien // Appl. Opt. – 2000. – Vol. 39, no. 13. – P. 2210– 2220. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.39.002210Mouroulis P., Green R.O., Chrien T.G. Design of pushbroom imaging spectrometers for optimum recovery of spectroscopic and spatial information. Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 13, pp. 2210–2220. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.39.002210Tran, C.D. Principles, Instrumentation, and Applications of Infrared Multispectral Imaging, An Overview / C.D. Tran // Analytical Letters. – 2005. – Vol. 38, no. 5. – P. 735–752. DOI: https://doi.org/10.1081/AL-200047754Tran C.D. Principles, Instrumentation, and Applications of Infrared Multispectral Imaging, An Overview. Analytical Letters, 2005, vol. 38, no. 5, pp. 735– 752. DOI: https://doi.org/10.1081/AL-200047754Hagen, N. Review of snapshot spectral imaging technologies / N. Hagen, M.W. Kudenov // Opt. Engineering. – 2013. – Vol. 52, no. 9. – P. 090901-1–09090123. DOI: https://doi.org/10.1117/1.OE.52.9.090901Hagen N., Kudenov M.W. Review of snapshot spectral imaging technologies. Optical Engineering, 2013, vol. 52, no. 9, pp. 090901-1–090901-23. DOI: https://doi.org/10.1117/1.OE.52.9.090901Sugai, H. The Kyoto tridimensional spectrograph II on Subaru and the University of Hawaii 88-in telescopes / H. Sugai [et al.] // Publ. Astron. Soc. Pac. – 2010. – Vol. 122, no. 887.–P.103–118.DOI:https://dx.doi.org/10.1086/650397Sugai H., Hattori T., Kawai A., Ozaki S., Hayashi T., Ishigaki T., Ishii M., Ohtani H., Shimono A., Okita Y., Matsubayashi K., Kosugi G., Sasaki M., Takeyama N. The Kyoto tridimensional spectrograph II on Subaru and the University of Hawaii 88-in telescopes. Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 2010, vol. 122, no. 887, pp. 103–118. DOI: https://dx.doi.org/10.1086/650397Bodkin, A. Snapshot hyperspectral imaging – the hyperpixel array camera / A. Bodkin [et al.] // Proc. SPIE. – 2009. – Vol. 7334. – P. 73340H-1–73340H-11. DOI: https://doi.org/10.1117/12.818929Bodkin A., Sheinis A., Norton A., Daly J., Beaven S., Weinheimer J. Snapshot hyperspectral imaging – the hyperpixel array camera. Proceedings SPIE, 2009, vol. 7334, pp. 73340H-1–73340H-11. DOI: https://doi.org/10.1117/12.818929Volin, C.E. Portable computed-tomography imaging spectrometer / C.E. Volin [et al.] // Proc. SPIE. – 1996. – Vol. 2819. – P. 224–230. DOI: https://doi.org/10.1117/12.258068Volin C.E., Gleeson T.M., Descour M.R., Dereniak E.L. Portable computed-tomography imaging spectrometer. Proceedings SPIE, 1996, vol. 2819, pp. 224–230. DOI: https://doi.org/10.1117/12.258068Kudenov, M.W. Compact real-time birefringent imaging spectrometer / M.W. Kudenov, E.L. Dereniak // Opt. Express. – 2012. – Vol. 20, no. 16. – P. 17973–17986. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.20.017973Kudenov M.W., Dereniak E.L. Compact real-time birefringent imaging spectrometer. Optics Express, 2012, vol. 20, no. 16, pp. 17973–17986. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.20.017973Гулис, И.М. Многощелевой спектрометр с дифракционной решеткой для спектроскопии с пространственным разрешением / И.М. Гулис, А.Г. Купреев, И.Д. Демидов, Е.С. Воропай // Журн. Белорус. гос. ун-та. Физика. – 2017. – № 3. – С. 4–11.Gulis I.M., Kupreyeu A.G., Demidov I.D., Voropay E.S. [Multislit diffraction grating spectrometer for imaging spectroscopy]. J. Belarus. State Univ. Phys., 2017, no. 3, pp. 4–11 (in Russian).Гулис, И.М. Многощелевой спектрометр с дифракционной решеткой и зеркальными объективами для спектроскопии с пространственным разрешением / И.М. Гулис, А.Г. Купреев, И.Д. Демидов // Журн. Белорус. гос. ун-та. Физика. – 2018. – № 2. – С. 4–10.Gulis I.M., Kupreyeu A.G., Demidov I.D. [Multislit diffraction grating spectrometer with mirror lens for imaging spectroscopy]. J. Belarus. State Univ. Phys., 2018, no. 2, pp. 4–10 (in Russian).Schroeder, D.J. Astronomical optics / D.J. Schroeder. – 2nd edition. – San Diego : Academic Press, 1999. – 478 p.Schroeder D.J. Astronomical optics, 2nd edition. San Diego, Academic Press, 1999, 478 p.

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