Kleine dungelaagde filters vanuit een andere invalshoek: Correctie van hoekafhankelijkheid voor spectrale beeldvorming

Spectrale beeldvorming is een technologie die fotografie en spectroscopie combineert. Dit betekent dat voor elk punt in het beeld, het elektromagnetisch spectrum wordt bemonsterd.
Dit spectrum kan gebruikt worden als een soort ``vingerafdruk'' om materialen te identificeren en hun eigenschappen te analyseren.
Recente ontwikkelingen maken het mogelijk om dungelaagde filters te integreren op de pixels van een beeldsensor zodat deze het spectrum kunnen bemonsteren op specifieke golflengtes.
De integratie van filters op pixels maakt deze spectrale cameras robuust, compact en licht genoeg om gebruikt te worden in verscheidene toepassingen zoals aardobservatie, industriële kwaliteitscontrole, medische zorg en precisielandbouw.
Echter, om grootschalige productie en industriële adoptie te faciliteren zal het noodzakelijk zijn om dure en tijdsrovende deskundige ondersteuning voor camerakalibratie tot een minimum te beperken.

Een inherente uitdaging in kalibratie ontstaat door de hoekafhankelijke transmittantie van de dungelaagde filters.
In het geval van gefocust licht bestaat de mogelijkheid dat de filters het spectrum op andere golflengtes bemonsteren dan bedoeld. Een ongewenst gevolg hiervan is dat de gemeten spectra vervormd of spectraal verschoven kunnen worden. Deze variabiliteit kan een belangrijke invloed hebben op de prestaties van toepassingen en limiteert bijgevolg ook de keuze aan compatibele lenzen.  
Mogelijke hardware-oplossingen omvatten het gebruik van filtermaterialen die minder hoekafhankelijk zijn, dure telecentrische lenzen of aangepaste filterontwerpen. Deze oplossingen zijn echter niet altijd toepasbaar door een gebrek aan bruikbare materialen of budgettaire beperkingen.

In dit werk opteren we voor het gebruik van softwarecorrecties die het mogelijk maken om eenzelfde sensor te gebruiken met de meeste commercieel beschikbare cameralenzen.
Dit proefschrift omvat twee belangrijke bijdragen aan deze strategie.

De eerste bijdrage omvat nieuwe en inzichtelijke analytische modellen die gebruikt worden om de transmittantie van dungelaagde filters te voorspellen wanneer deze belicht worden door een cameralens. De modellen beschrijven het effect van gefocust licht van cirkelvormige aperturen en lenzen met vignetting. Door middel van analytische benaderingen, gebaseerd op klassieke dunnelaagtheorie, kunnen spectraal verschoven metingen gecorrigeerd worden op een praktische manier. Hierdoor maakt het niet meer uit welke lens gebruikt wordt, zolang de verschuiving voorspeld kan worden en andere afwijkingen verwaarloosbaar zijn.

De tweede bijdrage is de afleiding van een nieuw model voor dungelaagde filters die hun eindige breedte in rekening neemt. Dit model voor ``kleine filters'' voorspelt belangrijke afwijkingen van de klassieke dunnelaagtheorie die een oneindige breedte veronderstelt.
Deze afwijkingen worden geobserveerd in de spectrale cameras en dit leidt tot de formulering van een nieuwe limiet voor de verdere minaturizatie van de filters. Verder, zou het model gebruikt kunnen worden om nieuwe softwaretools te onwikkelen om kleine filters te ontwerpen op een efficiente manier, of mogelijks om onnodige investeringen te vermijden.

Het resultaat is dat de ontwikkelde softwarecorrecties zorgen voor een eenvoudiger kalibratieproces en voor een ruimere selectie aan compatibele lenzen, dit zolang de klassieke dunnelaagtheorie van toepassing is.
Wanneer dit niet het geval is, bestaan er nog geen gelijkaardige correctiemethodes. De ontwikkeling van dergelijke methodes kan het onderwerp van verder onderzoek zijn.