I ricercatori hanno sviluppato un nuovo spettrometro di imaging che è molto più leggero e più piccolo degli strumenti all'avanguardia pur mantenendo lo stesso elevato livello di prestazioni. A causa delle sue dimensioni ridotte e del design modulare, il nuovo strumento è pronto a portare questa tecnica analitica avanzata su veicoli aerei e persino missioni di esplorazione planetaria.

Gli spettrometri di imaging registrano una serie di immagini monocromatiche che vengono utilizzate per l'analisi spaziale e spettrale di un'area. Questo approccio analitico è ampiamente applicato in campi come la scienza dell'atmosfera, ecologia, geologia, agricoltura e silvicoltura. Però, le grandi dimensioni degli strumenti ne hanno impedito l'utilizzo in alcune applicazioni.

Nella rivista della Optical Society (OSA) Ottica applicata , i ricercatori guidati da Ronald B. Lockwood del MIT Lincoln Laboratory descrivono il loro nuovo spettrometro di imaging compatto VNIR/SWIR (CCVIS) Chrisp. Ha un volume circa 10 o più volte inferiore rispetto alla maggior parte dei dispositivi odierni. Una versione del CCVIS ha un diametro di 8,3 cm e una lunghezza di 7 cm, delle dimensioni di una lattina di soda.

Lo spettrometro è progettato per registrare immagini spettrali su lunghezze d'onda comprese tra 400 e 2500 nm. Ciò include le porzioni dello spettro del visibile e del vicino infrarosso (VNIR) e dell'onda corta del vicino infrarosso (SWIR).

"Il nostro strumento compatto facilita l'applicazione della spettroscopia di imaging per una varietà di problemi scientifici e commerciali, come il dispiegamento su piccoli satelliti per l'esplorazione planetaria o l'utilizzo di sistemi aerei senza equipaggio per scopi agricoli, " ha detto Lockwood. "Riteniamo che il nostro nuovo spettrometro potrebbe essere utilizzato anche per studiare i cambiamenti climatici, una delle applicazioni più entusiasmanti di uno spettrometro per immagini."

Fare uno spettrometro più piccolo

La maggior parte degli spettrometri di imaging odierni utilizza una configurazione ottica Offner-Chrisp perché offre un eccellente controllo degli errori ottici chiamati aberrazioni. Però, questo progetto richiede una configurazione ottica relativamente grande. Il nuovo CCVIS sviluppato dai ricercatori si comporta in modo molto simile alla configurazione Offner-Chrisp ma con nuovi componenti ottici che creano un design più compatto.

Per realizzare il nuovo CCVIS, i ricercatori hanno utilizzato una lente catadiotrica che combina elementi riflettenti e rifrangenti in un unico componente. Questo ha creato uno strumento più compatto pur controllando le aberrazioni ottiche. I ricercatori hanno anche utilizzato uno speciale reticolo di riflessione piatto immerso in un mezzo rifrangente anziché nell'aria. Questo reticolo occupa meno spazio di un reticolo tradizionale pur mantenendo la stessa risoluzione.

Facilità di produzione

"Il CCVIS utilizza un reticolo piatto piuttosto che un reticolo concavo o convesso che richiede la fabbricazione con litografia a fascio di elettroni complessa o tecniche di lavorazione del diamante, " ha affermato Lockwood. "Abbiamo sviluppato un approccio di microfabbricazione fotolitografica in scala di grigi che utilizza un'esposizione una tantum per realizzare il reticolo e non richiede un'elaborazione a fascio di elettroni ad alta intensità di manodopera".

Per testare il loro nuovo design, i ricercatori hanno dimostrato lo spettrometro utilizzando una configurazione di laboratorio. I loro esperimenti hanno verificato che il CCVIS aveva le prestazioni previste sull'intero campo visivo.

"Le dimensioni compatte del CCVIS significa che può essere trasformato in moduli che possono essere impilati per aumentare il campo visivo, " ha detto Lockwood. "Rende anche relativamente facile mantenerlo stabile senza variazioni di temperatura in modo che l'allineamento ottico, e quindi prestazioni spettrali, Rimane invariato."

Come passo verso l'obiettivo finale di una dimostrazione spaziale, i ricercatori stanno cercando finanziamenti per sviluppare un prototipo completo che potrebbe essere testato a fondo da un veicolo aereo.