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美国麻省理工学院开发出新型成像光谱仪,更小更轻性能更高


  来源: MEMS 时间:2020-11-16 编辑:清风
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成像光谱仪(imaging spectrometer)是一种用于高光谱成像和成像光谱学的仪器。它能够记录一系列单色图像,用于获取物体或某一区域的空间和光谱分析,并实现数据的三维表示。


收集的光谱数据可以让观察者更深入地了解辐射源。这种分析方法在大气科学、生态学、地质学、农林学等领域都有着广泛的应用。例如,将成像光谱仪装配到轨道卫星上,聚焦于地球表面的特定部分以实现植被识别,物理条件分析,用于潜在采矿目的的矿物识别以及海洋河流等污染程度的评估。


图1 Offner-Chrisp光学配置简略示意图


当今大多数成像光谱仪都使用Offner-Chrisp光学配置,因为它可以出色地控制称为像差(aberrations)的光学误差。然而,这些仪器通常都是大尺寸的(狭缝到主镜32cm,主镜顶到三镜底20cm),因此限制了它们在某些场景中的应用。


图2 配有折反射透镜的紧凑型光谱仪


近日,来自美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员开发了一种新的成像光谱仪,Chrisp配置紧凑的可见近红外/短波红外成像光谱仪 (CCVIS),用于记录波长为400至2500纳米的光谱图像。这种光谱仪比目前最先进的仪器更轻、更小,但却能保持同样高的性能水平。


由于它小巧的尺寸和模块化设计,有望将这种先进的分析技术应用于航空系统,甚至用于行星探测任务。相关工作以“Development of a compact imaging spectrometer form for the solar reflective spectral region”为题发表在Applied Optics上。 论文地址:https://doi.org/10.1364/AO.405303。


图源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组


这种新型成像光谱仪的表现和常规Offner-Chrisp光学配置非常类似,但是体积却比现在大多数设备要小10倍甚至更多。其中一个CCVIS版本的直径仅为8.3厘×米7厘米,大约只是汽水罐的大小。


为了制造CCVIS,研究人员使用了一种折反射透镜(catadioptric lens),它将反射和折射元素组合成一个组件,在创造了一个更紧凑的仪器的同时仍然能够达到控制光学像差的目的。


传统的凹凸光栅需要复杂的电子束光刻或金刚石加工技术来制造,作为替代技术,研究人员开发了一种灰度光刻微加工方法,在不需要强电子束处理的情况下使用一次性曝光来制作光栅,这种特殊的平面反射光栅浸入到折射介质而不是空气中,在保持相同分辨率的前提下,该光栅比传统光栅占用了更少的空间。


图3 CCVIS的一个原型,包括一个折反射透镜和一个浸没式平面反射光栅


CCVIS紧凑的尺寸意味着可以将其制成模块,从而实现通过堆叠以增加视野的目的。


除此之外,小尺寸也能使它相对容易地保持稳定,不会产生温度变化,因此光学对准和光谱性能保持不变。


来自林肯实验室的Lockwood说:“我们的紧凑型仪器有助于将成像光谱学应用于各种科学和商业问题,例如部署在小型卫星上进行行星探测或整合到无人航空系统中用于农业目的。我们相信,我们的新光谱仪还可用于研究气候变化,这是成像光谱仪最令人兴奋的应用之一。”


关键词:成像光谱仪 红外成像光谱仪 仪器    浏览量:1101

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