研究人员开发出一种紧凑型高性能成像光谱仪

研究人员开发出一种新的成像光谱仪，它比最先进的仪器轻得多，体积更小，同时保持了同样的高性能。由于其体积小、模块化设计，新仪器将为机载车辆甚至行星探测任务带来这种先进的分析技术。

成像光谱仪记录一系列单色图像，用于对某一区域进行空间和光谱分析。该分析方法在大气科学、生态学、地质、农林等领域得到了广泛的应用。然而，由于仪器的体积大，使得它无法在某些应用中使用。

如上图所示，研究人员开发了一种紧凑的成像光谱仪，使用折反射透镜，将反射和折射元素组合成一个组件。他们还使用了一种特殊的平面浸没反射光栅，在保持相同分辨率的同时，比传统光栅占用更少的空间。

在光学学会（OSA）杂志《应用光学Applied Optics》上，麻省理工学院林肯实验室的RonaldB.Lockwood领导的研究人员描述了他们的新型CHRIP紧凑型VNIR/SWIR成像光谱仪（CCVIS）。它的体积比现在的大多数设备小10倍或更多。一种CCVIS的直径为8.3厘米，长7厘米，大约是苏打罐的大小。

光谱仪设计用于记录波长为400到2500纳米的光谱图像。这包括光谱的可见光和近红外（VNIR）以及短波近红外（SWIR）部分。

Lockwood说：“我们的小型仪器有助于成像光谱学在各种科学和商业问题上的应用，例如部署在小型卫星上进行行星探测，或将无人驾驶航空系统用于农业目的。我们相信，我们的新光谱仪也可以用于研究气候变化，这是成像光谱仪最令人兴奋的应用之一。”

制作更小的光谱仪

今天大多数的成像光谱仪使用的是Offner-Chrisp光学结构，因为它能很好地控制被称为像差的光学误差。然而，这种设计需要一个相对较大的光学装置。研究人员开发的新型CCVIS的性能与Offner-Chrisp配置非常相似，但采用了新的光学元件，使设计更加紧凑。

为了制造新的CCVIS，研究人员使用了一种折反射透镜，它将反射和折射元素组合成一个组件。这创造了一个更紧凑的仪器，同时仍然控制光学像差。研究人员还使用了一种特殊的平面反射光栅，它浸没在折射介质中而不是空气中。这种光栅在保持相同分辨率的同时，比传统光栅占用的空间更小。

易于制造

Lockwood说：“CCVIS使用的是平面光栅，而不是凹面或凸面光栅，后者需要复杂的电子束光刻或金刚石加工技术制造。我们开发了一种灰度光刻微加工方法，使用一次性曝光制作光栅，不需要劳动密集型电子束处理。”

为了测试他们的新设计，研究人员在实验室里演示了分光计。他们的实验证实了CCVIS在整个视野范围内具有预期的性能。

Lockwood说：“CCVIS紧凑的尺寸意味着它可以制成模块，可以堆叠起来以增加视野。它还使得在没有温度变化的情况下保持稳定相对容易，因此光学对准和光谱性能保持不变。”

作为向太空演示的最终目标迈进的一步，研究人员正在寻求资金开发一个完整的原型，该原型可以在空中飞行器上进行进一步的测试。

原文链接：https://phys.org/news/2020-11-imaging-spectrometer-compromising.html