ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 92-98
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 534:621.382+534:535
МЕТОД КОРРЕКЦИИ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИСКАЖЕНИИ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА ИЗОБРАЖЕНИЙ
© 2009 г. А. С. Мачихин, В. Э. Пожар
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН Россия, 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15 E-mail: aoslab@ckbup.dol.ru Поступила в редакцию 29.04.2009 г.
Предложен и проанализирован алгоритм калибровки и спектральной коррекции изображений, получаемых с помощью спектрометров. На примере акустооптического микровидеоспектрометра определен вклад отдельных элементов прибора в спектральные искажения изображений. Проведена оценка погрешности алгоритма.
PACS: 42.79.Jq, 07.60.-j
ВВЕДЕНИЕ
Спектрометры, регистрирующие изображения, эффективно используются для флуоресцентной визуализации биологических тканей и визуализации структуры объектов методами комбинационного рассеяния света и абсорбционной спектроскопии [1]. Оптический прибор при этом последовательно настраивается на те интервалы спектра излучения, которые связаны с определенными физическими, химическими, биологическими и другими свойствами исследуемого объекта, и это позволяет получить изображение, контрастно отображающее именно эти свойства.
Для получения таких изображений используются разные подходы и аппаратура, но наиболее универсальным является метод, основанный на использовании перестраиваемых оптических фильтров — акустооптических (а.о.) и жидкокристаллических [2—4]. Эти фильтры используются в самых разных задачах: при дистанционном зондировании поверхности Земли (спектрозональ-ной съемке) — для обнаружения и идентификации малозаметных и замаскированных объектов [5], зон биопродуктивности и участков загрязнения Мирового океана, при астрофизических исследованиях других планет и межзвездных объектов [6], для биомедицинских [7] и прочих применений.
Акустооптические фильтры обладают рядом особенностей: быстрой произвольной спектральной перестройкой, высокой светосилой, возможностью модуляции и синтеза передаточной функции [8], что позволяет создавать на их основе эффективные методы визуализации объектов [9]. Эти фильтры превосходят жидкокристаллические по ширине спектрального диапазона, числу спектральных полос и быстродействию, уступая,
однако, последним по качеству изображения [2]. В настоящей работе подробно рассмотрен вопрос качества изображений, получаемых а.о.-фильтрами.
Непосредственные измерения показывают, что искажения изображений, получаемых с использованием а.о.-фильтров, достигают 5% и являются спектрально зависимыми [10]. Хотя такая точность в принципе достаточна для некоторых задач, однако в криминалистике, микроэлектронике и других областях, где необходимы измерения геометрических параметров объекта по получаемым спектральным изображениям, вопросы качества передачи изображения выходят на первый план. К тому же существенная спектральная зависимость искажений затрудняет групповую обработку спектральных изображений: автоматическое выделение спектральных признаков и определение пространственного положения объектов, спектральных характеристик и зависимостей в отдельных точках поля зрения (рис. 1). Для устранения этих спектральных искажений было бы достаточно выработать процедуру отождествления разных пикселов.
В данной работе рассмотрена именно последняя задача и предложен алгоритм коррекции спектральных искажений, основанный на результатах предварительной калибровки прибора (а.о.-спектрометра изображений).
УСТАНОВКА
Приведенный ниже анализ и результаты относятся ко всем а.о.-спектрометрам изображений. Для примера на рис. 2 приведена схема конкретного прибора, с помощью которого были получены экспериментальные результаты [10]. Прибор представляет собой перестраиваемый монохро-матор с видеокамерой, установленный на микро-
Изображение на V2
Изображение на V!
Объект
Рис. 1. Объект и его изображения на разных оптических частотах. Один и тот же пиксел разных спектральных изображений относится к разным элементам вследствие искажений.
скоп, и позволяет регистрировать изображения микрообъектов на разных длинах волн и определять их спектральные пространственные характеристики. Микровидеоспектрометр имеет следующие характеристики: спектральный диапазон 440—760 нм, полоса пропускания 1—4 нм, число пространственно разрешимых элементов в поле зрения >300 х 250 для матрицы 1/2''.
Особенностью микровидеоспектрометра является двойная монохроматизация, обеспечивающая высокие спектральные и оптические характеристики при малых размерах и быструю немеханическую перестройку с помощью компьютера. Двойной монохроматор обеспечивает существенно более низкий коэффициент пропускания (<10-3) излучения вне полосы пропускания фильтра по сравнению с одиночным а.о.-филь-тром (до 4%). Кроме того, в этом монохроматоре два а.о.-фильтра расположены центрально симметрично, что позволяет скомпенсировать часть аберраций, возникающих в одиночных а.о.-филь-трах.
Монохроматор имеет входной зрачок диаметром 8 мм и работает в слабосходящихся лучах (до 3°). При этом достаточно малая длина монохро-матора (120 мм), обеспеченная предельно плотным расположением всех пяти кристаллических элементов монохроматора, допускает использование для формирования такого пучка одного лишь объектива микроскопа и тем самым позволяет избежать необходимости использования дополнительной линзы на выходе монохроматора.
Прибор работает следующим образом. Объект анализа помещается на столик микроскопа в проходящий или отраженный свет, в качестве которого может использоваться и лазерное излучение для регистрации рассеянного излучения. Длина волны излучения, которая должна быть выделена а.о.-монохроматором, задается по программе с помощью персонального компьютера (ПК). Плата контроллера, расположенная в блоке управле-
ния, в соответствии с программой обеспечивает выработку управляющего сигнала от высокочастотного (в.ч.) синтезатора и в.ч.-усилителя. Этот сигнал подается одновременно на оба идентичных а.о.-фильтра [11]. Излучение от исследуемого объекта собирается объективом и после прохождения через а.о.-фильтры фокусируется на п.з.с.-матрицу видеокамеры. Изображение с матрицы с помощью платы видеозахвата оцифровывается, отображается на мониторе и сохраняется для дальнейшей обработки.
АНАЛИЗ ИСКАЖЕНИИ
Очевидно, что все элементы оптико-электронной системы прибора, находящиеся на пути светового пучка, участвуют в формировании изображения этого объекта. Искажения, которые эти элементы могут вносить, делятся на три группы: точечные (размытие), пространственные (искажения формы и сдвиг изображения) и спектральные. Под спектральными здесь и далее понимается зависимость геометрических (точечных и пространственных) искажений от длины волны. Спектральная зависимость коэффициента передачи Т(к) устраняется нормировкой и в данной статье не рассматривается.
Рассмотрим влияние каждого элемента а.о.-спектрометра на передаваемое изображение. Осветительная система создает неравномерность в распределении интенсивности на изображении. Вариации характеристик источника излучения (мощности, спектра и др.) не приводят к геометрическим искажениям формы объектов.
Формирующая оптическая система, представляющая собой, как правило, объектив или микрообъектив, способна вносить аберрационные искажения, приводить к расфокусировке и цветовым искажениям изображения [12]. Аналогичное влияние на качество изображения оказывает и объектив видеокамеры.
Рис. 2. Структурная схема а.о.-микровидеоспектрометра МВС-В видимого диапазона.
Трансформация изображения, вызываемая а.о.-монохроматором, определяется влиянием, вносимым каждым его элементом: входным, промежуточным и выходным поляризаторами и двумя а.о.-ячейками. Влияние поляризаторов определяется конкретной конструкцией. В рассматриваемом приборе каждый поляризатор представляет собой пару прямоугольных призм, разделенных воздушным зазором. Поэтому эти элементы вносят спектрально зависимый сдвиг изображения,
но не вызывают монохроматических аберраций, поскольку работают в параллельных лучах.
Искажения, вносимые а.о.-ячейкой, теоретически проанализированы для различной геометрии дифракции в работе [13] в приближении малости показателя двулучепреломления и для случая нормального падения излучения на поверхность кристалла ячейки. Установлено, что влияние дифракции на фазовой решетке сводится к появлению искажений трех видов: 1) неравномерному по спектру сдвигу изображения; 2) спектральной
зависимости размеров изображения и различию увеличения по разным направлениям; 3) неоднородности масштаба преобразования изображения в пределах поля зрения. Данные результаты дают качественно верную картину, однако, как показали экспериментальные исследования [10], не полностью описывают реальное изображение.
Матричный приемник излучения осуществляет выборку и дискретизацию сигнала. Погрешности цифрового представления изображения при рациональном выборе приемника излучения незначительны и поддаются учету [14].
Из вышеизложенного очевидно, что задача учета искажений изображений, вносимых а.о.-спектрометром изображений, является многофакторной. Хотя влияние отдельно некоторых элементов поддается теоретическому описанию, влияние всего прибора, даже при заданных вариантах конструкции каждого элемента, описать крайне затруднительно. В этом случае проблема учета искажений может быть решена путем калибровки каждого прибора.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Все указанные искажения изображений существенно ограничивают возможности спектрометра. Пространственные и точечные искажения не позволяют точно измерять геометрические размеры объекта. Спектральные искажения приводят к тому, что один и тот же элемент объекта занимает разные положения на снимках, вследствие чего возникают проблемы корректного отождествления и соответственно построения спектра отдельных элементов изображения.
Поскольку проведенный анализ показывает, что проблема искажения изображений распадается на две части, то и задача коррекции может решаться в два этапа: коррекция спектральных искажений и последующая (при необходимости
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.