Повышение спектрального разрешения многощелевого спектрометра с дифракционной решеткой для спектроскопии с пространственным разрешением

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.

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. DOI: https://doi.org/10.1093/jpe/rtm005

2. 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. DOI: https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.1.010901

3. Thompson, 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-8-4383-2015

4. Kuula, 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/10.1117/12.918555

5. Qin, 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.2013.04.001

6. Gao, 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.201400051

7. Lefebvre, 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.6b05077

8. Mouroulis, 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.39.002210

9. Tran, 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-200047754

10. Hagen, 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.52.9.090901

11. Sugai, 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/10.1086/650397

12. Bodkin, 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/10.1117/12.818929

13. Volin, C.E. Portable computed-tomography imaging spectrometer / C.E. Volin [et al.] // Proc. SPIE. – 1996. – Vol. 2819. – P. 224–230. DOI: https://doi.org/10.1117/12.258068

14. Kudenov, 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.20.017973

15. Гулис, 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.

16. 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.

17. Schroeder, D.J. Astronomical optics / D.J. Schroeder. – 2nd edition. – San Diego : Academic Press, 1999. – 478 p.