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Filtri ottici variabili per spettrometria multispettrale ANGELA PIEGARI ENEA - GRUPPO COMPONENTI OTTICI Via Anguillarese 301 – 00060 Roma, Tel. 06 30483713, Fax 06 30486364 piegari@casaccia.enea.it MICHELE DAMI GALILEO AVIONICA Via Einstein 35 – 50013 Campi Bisenzio (FI), Tel. 055 8950840, Fax 055 8950611 michele.dami@galileoavionica.it 1. Introduzione La tecnica della spettrometria ottica si sta sempre più diffondendo dal campo prettamente scientifico alle applicazioni tecnologiche. Ci sono infatti esempi nel settore dell’agricoltura, dell’alimentazione, della sicurezza, dell’ambiente. In molte applicazioni, anche di tipo scientifico, c’è la necessità di portare gli strumenti sul luogo di misura e, a tal fine, il poter disporre di uno strumento compatto e maneggevole offrirebbe notevoli vantaggi applicativi. Nelle missioni di “remote sensing” spaziali, ad esempio, strumenti di massa ridotta e senza parti in movimento risultano essenziali. Lo scopo del presente contributo è quello di mostrare come l’utilizzo in spettrometri ad immagini di particolari filtri in trasmissione, le cui prestazioni variano linearmente e con continuità lungo una dimensione del filtro stesso, consenta di ottenere strumenti di piccole dimensioni. I filtri attualmente in fase di progetto e realizzazione sono dedicati alle applicazioni spaziali dove le richieste sulle loro prestazioni sono molto stringenti. Saranno quindi riportati i risultati finora ottenuti in questo settore. L’applicazione nel campo della colorimetria non viene qui analizzata in dettaglio ma si può ipotizzare un opportuno spettrometro con un filtro progettato appositamente per tale tipo di misure. 2. Spettrometri multispettrali compatti La maggior parte dei fotometri, con un filtro o un set di filtri, sono dedicati ad applicazioni in cui la banda spettrale esaminata o le lunghezze d’onda di interesse sono limitate, hanno quindi un uso ridotto; d’altra parte gli spettrofotometri tradizionali da banco ottico sono strumenti di dimensioni relativamente grandi e non possono essere utilizzati in applicazioni in cui il target non è facilmente accessibile. Un filtro con una stretta banda di trasmissione il cui picco si sposta spazialmente e con continuità lungo una direzione del filtro stesso (Figura 1a), consente di costruire un piccolo spettrometro multispettrale senza parti in 139
movimento. Se infatti il filtro stesso viene accoppiato a un rivelatore CCD (o array detector) come mostrato in Figura 1b, ogni linea di un rivelatore bidimensionale corredato di tale filtro, rivelerà la radiazione in una banda diversa di lunghezze d’onda. Il dispositivo diventa quindi un sensore spettrale di dimensioni molto piccole che può essere incorporato in vari tipi di strumenti a seconda dell’applicazione o semplicemente può far parte di un dispositivo portatile per normali misure di riflessione o trasmissione [1]. 140 a b cover window filter coating detector chip detector case Fig. 1 – a) filtro ottico con picco di trasmissione variabile lungo una direzione, b) filtro variabile accoppiato a un rivelatore CCD Tali filtri possono essere realizzati mediante la deposizione di materiali a film sottile su un substrato di base che potrebbe essere il detector stesso o una apposita finestra di chiusura realizzata in vetro o quarzo, che sarà poi posizionata e allineata sul detector. I filtri variabili esistono in commercio in due configurazioni [2]: quelli la cui risposta varia lungo una geometria circolare (CVF), e quelli le cui caratteristiche variano linearmente in una direzione (LVF) mentre nella direzione ortogonale le prestazioni rimangono costanti. I filtri variabili più richiesti sono quelli di taglio (long-wave pass) e quelli a banda stretta (narrow band). A seconda delle caratteristiche volute, la costruzione del filtro è più o meno complessa e se le richieste sono particolarmente stingenti diventa difficile trovarli sul mercato. 2.1 Osservazioni della Terra dallo spazio Una caratteristica chiave degli spettrometri è il range di lunghezze d’onda in cui il dispositivo deve operare. Se questo range è molto ampio aumentano i problemi di realizzazione del filtro ottico. In particolare per i filtri in trasmissione a banda stretta, il rapporto tra massima e minima lunghezza d’onda di funzionamento è minore di 2:1, almeno nei filtri commerciali; per estendere il range spettrale bisogna unire più filtri con inevitabili zone cieche intermedie. Nel caso della spettrometria d’immagine dallo spazio nel range visibile e vicino infrarosso (VIS - NIR), il range di lunghezze d’onda d’interesse è tipicamente 400- 1000 nm quindi un rapporto 2.5:1 notevolmente maggiore di quello usuale. Una seconda fondamentale caratteristica degli spettrometri a immagine è la dispersione spettrale definita come rapporto fra variazione spettrale e spaziale, nella direzione
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SOCIETÀ ITALIANA DI OTTICA E FOTON
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