成像光譜儀（imaging spectrometer）是一種用于高光譜成像和成像光譜學的儀器。它能夠記錄一系列單色圖像，用于獲取物體或某一區域的空間和光譜分析，并實現數據的三維表示。

收集的光譜數據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、生態學、地質學、農林學等領域都有著廣泛的應用。例如，將成像光譜儀裝配到軌道衛星上，聚焦于地球表面的特定部分以實現植被識別，物理條件分析，用于潛在采礦目的的礦物識別以及海洋河流等污染程度的評估。

圖1 Offner-Chrisp光學配置簡略示意圖

當今大多數成像光譜儀都使用Offner-Chrisp光學配置，因為它可以出色地控制稱為像差（aberrations）的光學誤差。然而，這些儀器通常都是大尺寸的（狹縫到主鏡32cm，主鏡頂到三鏡底20cm），因此限制了它們在某些場景中的應用。

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院林肯實驗室的研究人員開發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計，有望將這種先進的分析技術應用于航空系統，甚至用于行星探測任務。相關工作以“Development of a compact imaging spectrometer form for the solar reflective spectral region”為題發表在Applied Optics上。 論文地址：https://doi.org/10.1364/AO.405303。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

這種新型成像光譜儀的表現和常規Offner-Chrisp光學配置非常類似，但是體積卻比現在大多數設備要小10倍甚至更多。其中一個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組件，在創造了一個更緊湊的儀器的同時仍然能夠達到控制光學像差的目的。

傳統的凹凸光柵需要復雜的電子束光刻或金剛石加工技術來制造，作為替代技術，研究人員開發了一種灰度光刻微加工方法，在不需要強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而不是空氣中，在保持相同分辨率的前提下，該光柵比傳統光柵占用了更少的空間。

圖3 CCVIS的一個原型，包括一個折反射透鏡和一個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，從而實現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定，不會產生溫度變化，因此光學對準和光譜性能保持不變。

來自林肯實驗室的Lockwood說：“我們的緊湊型儀器有助于將成像光譜學應用于各種科學和商業問題，例如部署在小型衛星上進行行星探測或整合到無人航空系統中用于農業目的。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用之一。”