A high-speed anamorphic pupil-conjugate slit spectrograph for rapid, self-luminous sources

当科学家研究那些燃烧、爆炸或在瞬间闪现的事物时，他们面临着一个令人沮丧的悖论。为了理解快速变化的事件（如在表面上疾驰的火焰前沿或在真空中爆炸的导线）中的化学反应，他们需要将其发出的光分解成彩虹般的色彩。这个过程被称为光谱学，它能揭示究竟存在哪些化学元素。然而，用于这项工作的传统工具都是基于一个简单的假设：光源保持静止。如果光源在仪器观察期间发生哪怕极其微小的移动，产生的彩虹图像就会变得模糊并发生偏移，导致数据无法读取或产生误导。对于那些快到无法停下来重新校准，或者只能发生一次的爆炸事件，这种运动会造成一种混乱的模糊，使得真实的化学信号淹没在噪声之中。

新泽西州视觉研究中心（Vision Research）的一个研究小组构建了一种新型摄像系统，通过改变光进入机器的方式解决了这个问题。他们并没有将仪器的焦点锁定在物体的物理位置上，而是设计了一种让光源的位置变得无关紧要的设备。通过将特定的内部光阑和特殊的柱面镜进行精确排列，他们确保了入射光的角度而非其位置决定了颜色落在传感器上的位置。这意味着，即使燃烧的材料在剧烈跳动、旋转或膨胀，它产生的化学指纹在摄像机的屏幕上依然能保持完美稳定。其结果是，该工具能够捕捉混乱的一次性事件的真实化学成分，而不会让数据发生漂移。

这项创新的核心在于改变了仪器处理空间与颜色之间关系的方式。在标准的谱仪中，狭缝（即允许光进入的窄缝）是光源的图像。如果光源移动，狭缝的图像也会移动，从而导致颜色在探测器上发生偏移。研究人员意识到，如果他们能让狭缝成为“瞳孔”（即控制光线角度的孔径）的图像，那么光源的位置就变得无关紧要了。他们利用标准的现成相机镜头和高速相机构建了一个系统，使光线通过一个 4f 中继系统（这是一个描述特定透镜排列的术语，旨在保持光线角度恒定）。在这个中继系统中，他们放置了一个起主要作用的内孔径，随后添加了一个仅在单一方向上聚焦光的柱面镜，从而将狭缝精确地放置在编码光线角度而非位置的地方。

为了证明这一概念可行，团队首先使用一个简单的光源（手电筒）在视野范围内来回移动进行了测试。当使用前置透镜作为光阑的传统设置时，随着光源的移动，光谱图像发生了显著漂移，在传感器上移动了超过一毫米。这本会让追踪快速变化的化学变化变得不可能。然而，当他们切换到这种新设计，即使用内部光阑作为光阑时，光谱图像始终锁定在原位。即使光源横扫了整个可用视野，颜色的偏移也小于一千分之一毫米。无论使用哪种相机镜头来观察光源，这种稳定性都保持不变，证明了该仪器对前置光学系统的选择具有真正的不可知性（agnostic）。

在确认了稳定性后，研究人员开始评估这一新工具的精度。他们使用氦气放电灯来绘制出传感器上每一列对应的波长。通过对已知的氦线进行平滑曲线拟合，他们实现了仅为 0.12 纳米的残差误差校准精度。他们通过测试霓虹灯且不改变校准参数验证了这一点，发现霓虹灯谱线与预测值的误差仅为 0.13 纳米。他们还测量了仪器的视觉清晰度，即光谱分辨率。通过仔细调整狭缝宽度，他们找到了最佳设置，使仪器能够区分两个间隔 0.92 纳米的颜色，这一细节水平足以分离许多重要的化学特征。

真正的考验出现在他们将谱仪应用于一个真实的混沌事件时：硝化纤维素的燃烧。他们将一条材料置于三米外并点燃。随着火焰前沿在条带上疾驰，呈现出不可预测的扩张和移动，摄像机以每秒 10,000 帧的速度捕捉光线，每帧的传感器曝光时间仅为 99 微秒。由于该仪器对运动具有免疫力，光谱线保持稳定。团队得以识别出火灾中的五种不同化学物质：钠、钾、钙、铷以及一种名为氢氧化钙的分子。他们全程追踪了钠谱线，尽管火焰运动剧烈，但该谱线在传感器上的位置平均仅偏移了 0.06 纳米。发生的微小变化并非源于仪器无法追踪运动，而是源于火焰本身的物理特性，即较冷的外层气体吸收并重新发射光线的方式，轻微改变了谱线的表观中心。

这项工作表明，构建一个不需要光源保持静止的高速谱仪是可能的。通过将光谱登记与相机的指向解耦，研究人员创造出一种可以观察快速自发光光源的工具，而无需进行实时校准或复杂的纤维光学散射。该设备由标准目录光学元件和高速相机组成，即使在光源移动时也能保持固定的光谱位置，消除了通常困扰此类测量的非物理性偏移。虽然该设计牺牲了一些观察颜色扩散方向上的精细空间细节的能力，但它获得了观察移动事件真实化学成分的能力。研究人员认为，这种方法非常适合未来研究爆炸导线和脉冲等离子体，在这些研究中，光源会迅速膨胀，且对每秒数十万甚至数百万帧的帧率有着关键需求。目前，该仪器作为一个证明：只要拥有正确的光学排列，移动火焰的混沌也可以被驯服为清晰、稳定的化学成分记录。