Forskere skrumper billedspektrometer uden at gå på kompromis med ydeevnen

Forskere har udviklet et nyt billeddannelsesspektrometer, der er meget lettere og mindre end avancerede instrumenter, samtidig med at det bevarer det samme høje ydeevneniveau. På grund af sin lille størrelse og modulære design, det nye instrument er klar til at bringe denne avancerede analytiske teknik til luftbårne køretøjer og endda planetariske udforskningsmissioner.

Billedspektrometre optager en række monokromatiske billeder, der bruges til både rumlig og spektral analyse af et område. Denne analytiske tilgang anvendes i vid udstrækning inden for områder som atmosfærisk videnskab, økologi, geologi, landbrug og skovbrug. Imidlertid, den store størrelse af instrumenterne har forhindret det i at blive brugt i nogle applikationer.

I tidsskriftet Optical Society (OSA). Anvendt optik , forskere ledet af Ronald B. Lockwood fra MIT Lincoln Laboratory beskriver deres nye Chrisp kompakte VNIR/SWIR billeddannelsesspektrometer (CCVIS). Den har en volumen, der er omkring 10 eller flere gange mindre end de fleste af nutidens enheder. En version af CCVIS er 8,3 cm i diameter og 7 cm lang, på størrelse med en sodavandsdåse.

Spektrometret er designet til at optage spektrale billeder over bølgelængder, der spænder over 400 til 2500 nm. Dette inkluderer de synlige og nær-infrarøde (VNIR) samt kortbølgede nær-infrarøde (SWIR) dele af spektret.

"Vores kompakte instrument letter anvendelsen af ​​billeddannelsesspektroskopi til en række videnskabelige og kommercielle problemer, såsom indsættelse på små satellitter til planetarisk udforskning eller brug af ubemandede luftsystemer til landbrugsformål, " sagde Lockwood. "Vi mener, at vores nye spektrometer også kan bruges til at studere klimaændringer, en af ​​de mest spændende anvendelser af et billeddannende spektrometer."

At lave et mindre spektrometer

De fleste af nutidens billedspektrometre bruger en Offner-Chrisp optisk konfiguration, fordi den giver fremragende kontrol over optiske fejl kaldet aberrationer. Imidlertid, dette design kræver en relativt stor optisk opsætning. Det nye CCVIS udviklet af forskerne fungerer meget som Offner-Chrisp-konfigurationen, men med nye optiske komponenter, der skaber et mere kompakt design.

For at lave den nye CCVIS, forskerne brugte en katadioptrisk linse, der kombinerer reflekterende og refraktive elementer i én komponent. Dette skabte et mere kompakt instrument, mens det stadig kontrollerede optiske aberrationer. Forskerne brugte også et specielt fladt reflektionsgitter, der er nedsænket i et brydningsmedium i stedet for i luft. Denne rist fylder mindre end en traditionel rist, mens den bevarer den samme opløsning.

Nem fremstilling

"CCVIS bruger et fladt gitter i stedet for et konkavt eller konveks gitter, der kræver fremstilling med kompleks elektronstrålelitografi eller diamantbearbejdningsteknikker, " sagde Lockwood. "Vi udviklede en gråskala fotolitografisk mikrofremstillingsmetode, der bruger en engangseksponering til at lave gitteret og ikke kræver arbejdskrævende elektronstrålebehandling."

For at teste deres nye design, forskerne demonstrerede spektrometeret ved hjælp af en laboratorieopsætning. Deres eksperimenter bekræftede, at CCVIS havde den forventede ydeevne over hele synsfeltet.

"CCVIS's kompakte størrelse betyder, at den kan laves om til moduler, der kan stables for at øge synsfeltet, " sagde Lockwood. "Det gør det også relativt nemt at holde stabilt uden temperaturændringer, så optisk justering, og dermed spektral ydeevne, forbliver uændret."

Som et skridt mod det ultimative mål med en rumbaseret demonstration, forskerne søger midler til at udvikle en komplet prototype, der kan testes grundigt fra et luftbårent køretøj.