Forskare har utvecklat en ny bildspektrometer som är mycket lättare och mindre än toppmoderna instrument samtidigt som den bibehåller samma höga prestandanivå. På grund av sin lilla storlek och modulära design, det nya instrumentet är redo att ge denna avancerade analytiska teknik till luftburna fordon och till och med planetariska utforskningsuppdrag.

Bildspektrometrar spelar in en serie monokromatiska bilder som används för både rumslig och spektral analys av ett område. Denna analytiska metod används i stor utsträckning inom områden som atmosfärisk vetenskap, ekologi, geologi, jordbruk och skogsbruk. Dock, instrumentens stora storlek har hindrat den från att användas i vissa applikationer.

I tidskriften Optical Society (OSA) Tillämpad optik , forskare under ledning av Ronald B. Lockwood från MIT Lincoln Laboratory beskriver deras nya Chrisp kompakta VNIR/SWIR bildspektrometer (CCVIS). Den har en volym som är cirka 10 eller fler gånger mindre än de flesta av dagens enheter. En version av CCVIS är 8,3 cm i diameter och 7 cm lång, ungefär lika stor som en läskburk.

Spektrometern är utformad för att spela in spektralbilder över våglängder som sträcker sig från 400 till 2500 nm. Detta inkluderar de synliga och nära infraröda (VNIR) samt kortvågiga nära infraröda (SWIR) delarna av spektrumet.

"Vårt kompakta instrument underlättar tillämpningen av bildspektroskopi för en mängd olika vetenskapliga och kommersiella problem, t.ex. utplacering på små satelliter för planetutforskning eller användning av obemannade luftsystem för jordbruksändamål, "sa Lockwood." Vi tror att vår nya spektrometer också kan användas för att studera klimatförändringar, en av de mest spännande tillämpningarna av en bildspektrometer. "

Gör en mindre spektrometer

De flesta av dagens bildspektrometrar använder en Offner-Chrisp optisk konfiguration eftersom den erbjuder utmärkt kontroll av optiska fel som kallas aberrationer. Dock, denna design kräver en relativt stor optisk installation. Det nya CCVIS som utvecklats av forskarna fungerar ungefär som Offner-Chrisp-konfigurationen men med nya optiska komponenter som skapar en mer kompakt design.

För att göra det nya CCVIS, forskarna använde en katadioptrisk lins som kombinerar reflekterande och brytande element till en komponent. Detta skapade ett mer kompakt instrument medan man fortfarande kontrollerade optiska avvikelser. Forskarna använde också ett speciellt platt reflektionsgaller som är nedsänkt i ett brytningsmedium snarare än i luft. Det här gallret tar mindre plats än ett traditionellt galler samtidigt som det bibehåller samma upplösning.

Enkel tillverkning

"CCVIS använder ett platt galler istället för ett konkavt eller konvext galler som kräver tillverkning med komplex elektronstråle litografi eller diamantbearbetningsteknik, "sa Lockwood." Vi har utvecklat ett fotolitografiskt mikrofabrikationssätt i gråskala som använder en engångsexponering för att göra gallret och inte kräver arbetskrävande elektronstrålebearbetning. "

För att testa deras nya design, forskarna demonstrerade spektrometern med hjälp av en laboratorieinställning. Deras experiment verifierade att CCVIS hade förväntad prestanda över hela synfältet.

"CCVIS kompakta storlek innebär att den kan göras till moduler som kan staplas för att öka synfältet, "sa Lockwood." Det gör det också relativt enkelt att hålla sig stabil utan temperaturförändringar så att optisk inriktning, och därmed spektral prestanda, förblir oförändrad."

Som ett steg mot det slutliga målet för en rymdbaserad demonstration, forskarna söker finansiering för att utveckla en fullständig prototyp som kan testas grundligt från ett luftburet fordon.