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美國麻省理工學(xué)院開發(fā)出新型成像光譜儀,更小更輕性能更高


  來源: MEMS 時間:2020-11-16 編輯:清風(fēng)
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成像光譜儀(imaging spectrometer)是一種用于高光譜成像和成像光譜學(xué)的儀器。它能夠記錄一系列單色圖像,用于獲取物體或某一區(qū)域的空間和光譜分析,并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維表示。


收集的光譜數(shù)據(jù)可以讓觀察者更深入地了解輻射源。這種分析方法在大氣科學(xué)、生態(tài)學(xué)、地質(zhì)學(xué)、農(nóng)林學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。例如,將成像光譜儀裝配到軌道衛(wèi)星上,聚焦于地球表面的特定部分以實現(xiàn)植被識別,物理條件分析,用于潛在采礦目的的礦物識別以及海洋河流等污染程度的評估。


圖1 Offner-Chrisp光學(xué)配置簡略示意圖


當(dāng)今大多數(shù)成像光譜儀都使用Offner-Chrisp光學(xué)配置,因為它可以出色地控制稱為像差(aberrations)的光學(xué)誤差。然而,這些儀器通常都是大尺寸的(狹縫到主鏡32cm,主鏡頂?shù)饺R底20cm),因此限制了它們在某些場景中的應(yīng)用。


圖2 配有折反射透鏡的緊湊型光譜儀


近日,來自美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室的研究人員開發(fā)了一種新的成像光譜儀,Chrisp配置緊湊的可見近紅外/短波紅外成像光譜儀 (CCVIS),用于記錄波長為400至2500納米的光譜圖像。這種光譜儀比目前最先進的儀器更輕、更小,但卻能保持同樣高的性能水平。


由于它小巧的尺寸和模塊化設(shè)計,有望將這種先進的分析技術(shù)應(yīng)用于航空系統(tǒng),甚至用于行星探測任務(wù)。相關(guān)工作以“Development of a compact imaging spectrometer form for the solar reflective spectral region”為題發(fā)表在Applied Optics上。 論文地址:https://doi.org/10.1364/AO.405303。


圖源:中國科學(xué)院長春光機所,Light學(xué)術(shù)出版中心,新媒體工作組


這種新型成像光譜儀的表現(xiàn)和常規(guī)Offner-Chrisp光學(xué)配置非常類似,但是體積卻比現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備要小10倍甚至更多。其中一個CCVIS版本的直徑僅為8.3厘×米7厘米,大約只是汽水罐的大小。


為了制造CCVIS,研究人員使用了一種折反射透鏡(catadioptric lens),它將反射和折射元素組合成一個組件,在創(chuàng)造了一個更緊湊的儀器的同時仍然能夠達到控制光學(xué)像差的目的。


傳統(tǒng)的凹凸光柵需要復(fù)雜的電子束光刻或金剛石加工技術(shù)來制造,作為替代技術(shù),研究人員開發(fā)了一種灰度光刻微加工方法,在不需要強電子束處理的情況下使用一次性曝光來制作光柵,這種特殊的平面反射光柵浸入到折射介質(zhì)而不是空氣中,在保持相同分辨率的前提下,該光柵比傳統(tǒng)光柵占用了更少的空間。


圖3 CCVIS的一個原型,包括一個折反射透鏡和一個浸沒式平面反射光柵


CCVIS緊湊的尺寸意味著可以將其制成模塊,從而實現(xiàn)通過堆疊以增加視野的目的。


除此之外,小尺寸也能使它相對容易地保持穩(wěn)定,不會產(chǎn)生溫度變化,因此光學(xué)對準和光譜性能保持不變。


來自林肯實驗室的Lockwood說:“我們的緊湊型儀器有助于將成像光譜學(xué)應(yīng)用于各種科學(xué)和商業(yè)問題,例如部署在小型衛(wèi)星上進行行星探測或整合到無人航空系統(tǒng)中用于農(nóng)業(yè)目的。我們相信,我們的新光譜儀還可用于研究氣候變化,這是成像光譜儀最令人興奮的應(yīng)用之一?!?


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