Spectrometer demonstrator with dynamic diffraction gratings for space applications
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Faculty of Electronics, Communications and Automation |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2008
Major/Subject
Space Engineering
Avaruustekniikka
Avaruustekniikka
Mcode
S-92
Degree programme
Elektroniikan ja sähkötekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
xv, 94, [5]
Series
Abstract
Tässä työssä tutkitaan nykyisten kaupallisesti saatavilla olevien ohjelmoitavien mikrohilojen toimivuutta optisessa datan käsittelyssä tai valon moduloinnissa pienissä avaruusinstrumenteissa käytettävissä spektrometreissä. Päämääränä oli selvittää hilakomponentin suorituskyky sekä tuottaa yksinkertainen laboratorioinstrumentti sen ominaisuuksien ja käyttömahdollisuuksien esittelemiseen. Perinteisiin infrapuna-alueella käytettävissä oleviin spektrometreihin verrattuna tämä laite on hyvin yksinkertainen toteutukseltaan eikä sisällä yhtään liikkuvia osia. Hankitun komponentin suorituskyvyn määritys paljasti, ettei kyseistä komponenttia voi istuttaa kaikkiin instrumentteihin sen vaatimien korkeiden f-lukujen takia. Käytettävissä oleva spatiaalisuunta ei myöskään sovi kuvaaville instrumenteille. Käytettävissä oleva spektrialue on puolesta välistä näkyvää valoa noin 1600 nanometriin. Suorityskyvyn mukaan suunniteltu testilaite voi mitata spektrin sekä viivaskannauksella että Hadamard-muunnoksella ja kykenee myös optiseen korrelointiin hyperspektraalisen datan käsittelyssä käytettävän menetelmän approksimaatiolla. Testilaitteen, jolla on yksinkertainen optinen rakenne ja yksi ilmaisinelementti, ominaisuudet määritettiin 600-1060 nm alueella. Testeihin kuului aallonpituustarkkuus, spektrierottelukyky, vakaus, kokonaisvalotehon läpäisy sekä joitakin korrelointimittauksia. Alhainen kokonaisvalotehon läpäisy (<0.1%) on tämän rakenteen suurin heikkous. Työn tuloksista voidaan päätellä, että ohjelmoitavilla mikrohiloilla voi olla käyttöä tulevissa instrumenteissa, mutta teknologia ei ole ihan vielä sillä tasolla. Tilaajan tarpeiden mukaan suunniteltujen komponenttien tarjonta paranee varmasti tulevaisuudessa tekniikan kehittyessä ja tuotantokustannuksien muuttuessa halvemmiksi.This thesis describes the feasibility of Programmable Micro Diffraction Gratings (PMDG), as they are commercially available today, to be used in optical data processing or as a spatial light modulator in spectrometers for miniature space instruments. The main goal was to characterise the component performance and restrictions and to develop a simple laboratory instrument to demonstrate its use and abilities. Compared to the traditional spectrometers in the infrared region, this instrument has no moving parts and has a very simple overall design. The procured component was characterised and found to have restrictions to the instrument design with its very high f-number requirements. Available spatial direction was also limited to support only few spatial pixels in imaging systems. The usable spectral range is from mid visible to about 1600 nm. The instrument demonstrator was designed based on the performance of the component. It can use both a spectral line scan and a Hadamard transform for spectrum recovery as well as optical correlation with approximated spectral angle mapper method used in hyperspectral data processing. The instrument demonstrator with very simple optical design and a single detector element was characterised in the wavelength range of 600-1060 nm with a series of tests including wavelength accuracy, spectral resolution, stability, throughput and some correlation measurements. The low throughput (<0.1%) is the main weakness of the system design. The results indicate that the PMDG devices are promising candidates for future space instruments but the technology is not quite there yet. As the technology matures and the production costs get lower, custom designed components will be more readily available.Description
Supervisor
Hallikainen, Martti; Prof.Thesis advisor
Viherkanto, Kai; DIKeywords
diffraction, spatial light modulation, PMDG, spectral imaging, spectrometry, valon modulointi, PMDG, spektraalinen kuvantaminen, spektrometria