ONE-DIMENSIONAL LIGHT BEAM WIDENING USING PRISMS FOR INCREASE OF SPECTROMETER SPECTRAL RESOLUTION AND ANGULAR DISPERSION

The increase of angular dispersion and slit resolution limit of grating spectrometers by means of variation of grating parameters is limited by its period and allowable order of diffraction. The special solutions (echelle, holographic, immersion gratings) are acceptable in a limited parameter range and are technologically complex in fabrication, thus hardly applicable to instruments of mass production. We propose to decrease slit resolution limit by one-dimensional beam widening in dispersion plane by means of passing it through oblique prism before incidence onto diffraction grating. The increase of angular dispersion can be achieved by narrowing of dispersed beams after grating while passing through other oblique prism. We prove that slit resolution limit in such a system changes approximately as multiplied by angular magnification of the first prism (that is less than 1 times). Also angular dispersion changed approximately as multiplied by angular magnification of the second prism. The Fresnel reflection from the faces of prisms is analyzed. Accounting for that factor gives the increase of resolution about 1,4–1,6 times without loss of light (and can be 2 and more times while using anti-reflective coating). The proposed method is different from the similar ones first of all by its simplicity because it uses simple optical elements – plane reflective grating and thin prisms. It can be applied to amend the analytical characteristics of dispersive spectrometers, first of all the small-sized ones

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

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.In this paper we proposed variants for optical design optimization: normalization of beam incidence on a mask and field curvature compensation; they allow to increase system resolution and to extend application area of multislit dispersive spectrometers; also a design being a synthesis of these two approaches is analyzed. According to simulation results, width on half-maximum in dispersion direction Δl ≤ 10 µm, only for limited field points set Δl ≤ 15 µm, that stands for spectral resolutioДля 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

СПЕКТРАЛЬНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОСРЕДСТВОМ ДИСПЕРСИОННЫХ СИСТЕМ

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. 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.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИЗМЕННОГО ТЕЛЕСКОПИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПУЧКА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО РАЗРЕШЕНИЯ И УГЛОВОЙ ДИСПЕРСИИ СПЕКТРОМЕТРА

The increase of angular dispersion and slit resolution limit of grating spectrometers by means of variation of grating parameters is limited by its period and allowable order of diffraction. The special solutions (echelle, holographic, immersion gratings) are acceptable in a limited parameter range and are technologically complex in fabrication, thus hardly applicable to instruments of mass production. We propose to decrease slit resolution limit by one-dimensional beam widening in dispersion plane by means of passing it through oblique prism before incidence onto diffraction grating. The increase of angular dispersion can be achieved by narrowing of dispersed beams after grating while passing through other oblique prism. We prove that slit resolution limit in such a system changes approximately as multiplied by angular magnification of the first prism (that is less than 1 times). Also angular dispersion changed approximately as multiplied by angular magnification of the second prism. The Fresnel reflection from the faces of prisms is analyzed. Accounting for that factor gives the increase of resolution about 1,4–1,6 times without loss of light (and can be 2 and more times while using anti-reflective coating). The proposed method is different from the similar ones first of all by its simplicity because it uses simple optical elements – plane reflective grating and thin prisms. It can be applied to amend the analytical characteristics of dispersive spectrometers, first of all the small-sized ones. Повышение угловой дисперсии и «щелевой» разрешающей способности дисперсионных спектрометров на основе дифракционной решетки за счет изменения ее параметров ограничено допустимым порядком дифракции и периодом; решения на основе модифицированных решеток (эшелле, голографических, иммерсионных) приемлемы в ограниченной области параметров и сложны в производстве, поэтому мало пригодны для использования в массовых приборах. В предлагаемом методе уменьшение «щелевого» предела разрешения обеспечивается одномерным расширением светового пучка в плоскости дисперсии посредством прохождения через наклонную призму перед падением на решетку. Увеличение угловой дисперсии обеспечивается сужением диспергированных пучков после решетки при прохождении через вторую наклонную призму. Показано, что «щелевой» предел разрешения в такой системе улучшается (уменьшается) приближенно в число раз, равное угловому увеличению первой призмы (величина меньше единицы); угловая дисперсия увеличивается в число раз, равное угловому увеличению второй призмы. Проанализировано влияние френелевского отражения от граней призм, которое растет с увеличением их наклона относительно пучка, поэтому целесообразное с точки зрения повышения светопропускания системы увеличение разрешающей способности составляет 1,4–1,6 раза (при использовании просветления может достигать 2 и более раз). От аналогов метод отличается технологичностью реализации, поскольку используются простые оптические элементы  – плоская отражательная дифракционная решетка и оптические клинья. Благодаря этому он может применяться для улучшения аналитических характеристик широкого класса дисперсионных спектрометров, в первую очередь малогабаритных.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОГРАММИРУЕМЫМ СПЕКТРОМ НА ОСНОВЕ ДИСПЕРСИОННОЙ СИСТЕМЫ С МИКРОЗЕРКАЛЬНОЙ МАТРИЦЕЙ

The optical design of the apparatus for generation of programmable-spectrum light is proposed. Both wide-band (hundreds of nanometer) and narrow-band (units of nanometer) spectral patterns may be generated by means of the proposed device. The spectral pattern is generated by micromirror array spatial sampling of incoming wide-band light beam, that gives needed spectral components after passing the dispersion system. The designed prototype of the apparatus was tested experimentally.Предложена  схема прибора,  позволяющего  формировать  излучение с  заданным  спектральным составом. При помощи устройства возможно формирование как широкополосных (сотни нанометров), так и узкополосных (единицы нанометров) спектральных контуров. Формирование спектра осуществляется выборкой областей из светового пучка с широким спектром с помощью размещенной на входной апертуре дисперсионного спектрального прибора микрозеркальной матрицы, что позволяет получить на выходе дисперсионной системы требуемые спектральные компоненты. Проведена экспериментальная апробация прототипа прибора

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ФОТОКАМЕРЫ CANON 1000D ДЛЯ МУЛЬТИЗОНАЛЬНОЙ СЪЕМКИ В СПЕКТРАЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ

The possibility of use a CANON 1000D digital camera for multizone photography is demonstrated. It is found that a dynamic range of the recorded light intensities is varied from 260 to 3650 quantization levels of the ADC. Linearity of the light-sensitive element of the camera has been studied in dependence on its illumination and exposure time.Показана возможность применения цифровой фотокамеры CANON 1000D для мультизональной съемки. Установлено, что динамический диапазон значений регистрируемых интенсивностей сигнала составляет от 260 до 3650 уровней квантования АЦП. Исследована линейность сигнала светочувствительного элемента фотоаппарата в зависимости от его освещенности и времени экспозиции

МИНИМИЗАЦИЯ АБЕРРАЦИЙ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОСИЛЬНЫХ КОМПАКТНЫХ ДИСПЕРСИОННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ

Schemes of high-aperture and compact optical spectrometers and giperspectrometer with minimized aberrations are presented. In the first scheme usage of inclined plane-parallel plate allows decreasing of astigmatism. In the second scheme off-axis aberrations are practically removed due to axial propagation of light. For giperspectrometer narrowing of light propagation angle through the object lens and turning the light out of dispersion plane lead to minimizing of picture aberrations.Предложены схемы светосильных компактных спектрометров и гиперспектрометра с минимизированными аберрациями. В первой схеме за счет использования наклонной плоскопараллельной пластинки уменьшен астигматизм. Во второй благодаря осевому прохождению светового пучка внеосевые аберрации практически устранены. В схеме гиперспектрометра аберрационные искажения изображения минимизированы за счет уменьшения углов прохождения светового пучка через объективы и вывода его из плоскости дисперсии

Incidence of cancer in the area around Amsterdam Airport Schiphol in 1988–2003: a population-based ecological study

BACKGROUND: Amsterdam Airport Schiphol is a major source of complaints about aircraft noise, safety risks and concerns about long term adverse health effects, including cancer. We investigated whether residents of the area around Schiphol are at higher risk of developing cancer than the general Dutch population. METHODS: In a population-based study using the regional cancer registry, we estimated the cancer incidence during 1988–2003 in residents of the area surrounding Schiphol. We defined a study area based on aircraft noise contours and 4-digit postal code areas, since historical data on ambient air pollution were not available and recent emission data did not differ from the background urban air quality. RESULTS: In residents of the study area 13 207 cancer cases were diagnosed, which was close to the expected number, using national incidence rates as a reference (standardized incidence ratio [SIR] 1.02). We found a statistically significantly increased incidence of hematological malignancies (SIR 1.12, 95% confidence interval [CI]: 1.05, 1.19), mainly due to high rates for non-Hodgkin lymphoma (SIR 1.22, 95% CI: 1.12, 1.33) and acute lymphoblastic leukemia (SIR 1.34, 95% CI: 0.95, 1.83). The incidence of cancer of the respiratory system was statistically significantly decreased (SIR 0.94, 95% CI: 0.90, 0.99), due to the low rate in males (SIR 0.89). In the core zone of the study area, cancer incidence was slightly higher than in the remaining ring zone (rate ratio of the core zone compared to the ring zone 1.05, 95% CI 1.01, 1.10). This was caused by the higher incidence of cancer of the respiratory system, prostate and the female genital organs in the core zone in comparison to the ring zone. CONCLUSION: The overall cancer incidence in the Schiphol area was similar to the national incidence. The moderately increased risk of hematological malignancies could not be explained by higher levels of ambient air pollution in the Schiphol area. This observation warrants further research, for example in a study with focus on substances in urban ambient air pollution, as similar findings were observed in Greater Amsterdam

Taxa-area relationship of aquatic fungi on deciduous leaves

One of the fundamental patterns in macroecology is the increase in the number of observed taxa with size of sampled area. For microbes, the shape of this relationship remains less clear. The current study assessed the diversity of aquatic fungi, by the traditional approach based on conidial morphology (captures reproducing aquatic hyphomycetes) and next generation sequencing (NGS; captures other fungi as well), on graded sizes of alder leaves (0.6 to 13.6 cm2). Leaves were submerged in two streams in geographically distant locations: the Oliveira Stream in Portugal and the Boss Brook in Canada. Decay rates of alder leaves and fungal sporulation rates did not differ between streams. Fungal biomass was higher in Boss Brook than in Oliveira Stream, and in both streams almost 100% of the reads belonged to active fungal taxa. In general, larger leaf areas tended to harbour more fungi, but these findings were not consistent between techniques. Morphospecies-based diversity increased with leaf area in Boss Brook, but not in Oliveira Stream; metabarcoding data showed an opposite trend. The higher resolution of metabarcoding resulted in steeper taxa-accumulation curves than morphospecies-based assessments (fungal conidia morphology). Fungal communities assessed by metabarcoding were spatially structured by leaf area in both streams. Metabarcoding promises greater resolution to assess biodiversity patterns in aquatic fungi and may be more accurate for assessing taxa-area relationships and local to global diversity ratios.This work was supported by the strategic programme UID/BIA/04050/2013 (POCI-01-0145-FEDER-007569), funded by national funds through the Portuguese Foundation for Science and Technology (FCT) I.P. (http://www.fct.pt/) and by the ERDF through the COMPETE2020 - Programa Operacional Competitividade e Internacionalizacao (POCI) and by the project PTDC/AAC-AMB/117068/2010, funded by national funds through FCT I.P. and the European Regional Development Funds through the Operational Competitiveness Program (FEDER-COMPETE). Support from FCT to SD (SFRH/BPD/47574/2008 and SFRH/BPD/109842/2015) and from NSERC Discovery grant program (http://www.nserc-crsng.gc.ca/index_eng.asp) to FB is also acknowledged. The funders had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.info:eu-repo/semantics/publishedVersio