体积虽小，性能不减：小型成像光谱仪

研究人员开发了一种新型成像光谱仪，这种成像光谱仪比现有最新型的仪器重量更低、体积更小，同时保持了高水平的性能。新型仪器体积小，采用模块化设计；借助这种新型仪器，有望将光谱分析技术应用到空中飞行器上甚至行星探测任务中。

成像光谱仪通过捕捉一系列单色图像，来分析特定区域的空间和光谱特征。这种分析手段广泛应用于大气科学，生态学、地质学、农林等领域。然而，仪器本身体积大的缺点，限制了其进一步应用。

近日，由麻省理工学院林肯实验室Ronald B. Lockwood带领的团队，在美国光学学会刊物Applied Optics上描述了其发明的Chrisp小型可见近红外/短波红外成像光谱仪（Chrisp compact VNIR/SWIR imaging spectrometer, CCVIS）。与世上大多数同类型设备相比，这台仪器的体积缩小了至少十倍。其中某版克里斯普小型近红外/短波红外成像光谱仪直径8.3厘米，长7厘米，大概只有一个易拉罐那么大。

这种光谱仪可以捕捉波长400到2500纳米的光谱图像，此波段范围包括可见光和近红外（VNIR）以及短波近红外（SWIR）部分光谱。

“我们的小型光谱仪可供各类光谱成像研究、商业应用，既可以用于行星探测的小型卫星，也可以用于农业无人机系统。” Lockwood说。“新型光谱仪也可以用于研究气候变化，这是成它最令人兴奋的应用之一。”

小型光谱仪的制造

如今多数成像光谱仪均采用Offner-Chrisp配置，因为这种配置可以很好的消除一种被称为“像差”的光学误差。然而这种设计需要相对大型的光学配置。研究人员开发的Chrisp小型可见近红外/短波红外成像光谱仪与Offner-Chrisp型原理相似，但是采用了新的光学组件，使得设计更加紧凑。

在制造这种新型的光谱仪时，研究人员采用了一种结合了折射和反射原理的折反射透镜，在保留了对光学像差极佳控制的基础上，缩小了光谱仪整体的体积。研究人员还使用了一种特殊的平反射光栅，这种光栅浸泡在非空气的折射率介质中，与传统光栅分辨率相同，占用空间更少。

制造工艺简单

Lockwood说：“Chrisp小型可见近红外/短波红外成像光谱仪中使用的是平面光栅，而不是需要复杂的电子束光刻或金刚石加工技术才可以加工制造的凹面及凸面光栅。我们还发明了一种灰度光刻微加工方法，使用一次性曝光来制作光栅，免除了需要大量人工电子束处理的过程。”

为了测试新型成像光谱仪的性能，研究人员在实验室中进行了测试。实验验证，Chrisp小型可见近红外/短波红外成像光谱仪在全视场上均达到了预期的性能。

“Chrisp小型可见近红外/短波红外成像光谱仪紧凑的尺寸意味着它可以被制成独立的模块，可多个堆叠使用，以增加成像视野。”Lockwood说。“这也使得它更容易保持性能稳定，温度不会变化，因此光学对准、光谱性能都能够保持稳定。”

研究人员的最终目标是实现光谱仪的空中应用实验。目前，研究人员正在寻求资金支持，来开发可以在空中飞行器上进行各项测试的仪器原型。

原文：M. P. Chrisp, R. B. Lockwood, M. A. Smith, G. Balonek, C. Holtsberg, K. J. Thome, K. E. Murray, P. Ghuman, "Development of a Compact Imaging Spectrometer Form for the Solar Reflective Spectral Region," Applied Optics, 59, 32, 10007-10017 (2020). DOI: https://doi.org/10.1364/AO.405303