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(shí)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(shí)現(xiàn)植被識(shí)別，物理?xiàng)l件分析，用于潛在采礦目的的礦物識(shí)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?yàn)樗梢猿錾乜刂品Q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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jì)，有望將這種先進(jìn)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(jī)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(gè)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(gè)組件，在創(chuàng)造了一個(gè)更緊湊的儀器的同時(shí)仍然能夠達(dá)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(qiáng)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(gè)原型，包括一個(gè)折反射透鏡和一個(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生溫度變化，因此光學(xué)對準(zhǔn)和光譜性能保持不變。

來自林肯實(shí)驗(yàn)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(jìn)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。”