DE3614639A1

DE3614639A1 - Abbildendes spektrometer

Info

Publication number: DE3614639A1
Application number: DE19863614639
Authority: DE
Inventors: Fritz Blechinger
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-04-30
Filing date: 1986-04-30
Publication date: 1987-11-05
Also published as: DE3614639C2; FR2598224B1; FR2598224A1; JPH0810160B2; JPS62277526A; US4773756A

Description

Die Erfindung betrifft ein abbildendes Spektrometer mit einem Objektiv, einem Spalt, einem Kollimator, einem Gitter und einem Imager.

Derartige Spektrometer sind bekannt. Mit ihnen wird der zu analysierende Lichtstrahl mit dem Objektiv auf einen Spalt fokussiert, mit einem Kollimator wieder parallel und auf ein Gitter gerichtet, dort gebeugt und schließlich vom Imager wieder als Spektrum in eine Bildebene fokussiert. Die bekannten Anordnungen sind relativ schwer und voluminös.

Insbesondere zur Verwendung in Satelliten und Flugkörpern ist es erforderlich, ein solches Spektrometer möglichst klein, leicht und robust auszubilden. Zudem soll es für weite Spektralbereiche auch außerhalb des sichtbaren Lichtes geeignet sein.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß Objektiv, Kollimator und Imager von asphärischen Spiegeln gebildet werden.

Dabei werden vorteilhaft Kollimator und Imager von derselben Spiegelanordnung gebildet und reflektieren den Strahl je zweimal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Objektiv aus einem ersten, konvexen Spiegel und einem zweiten, konkaven Spiegel. Der zu analysierende Strahl wird unter einem Winkel schräg zur optischen Achse am konkaven Spiegel vorbei auf den konvexen Spiegel und von diesem auf den konkaven Spiegel geführt und von letzterem am konvexen Spiegel vorbei in der Bildebene in Form eines gekrümmten Bildstreifens in den Spalt fokussiert. Der Kollimator besteht aus einem konkaven und einem konvexen Spiegel, die das vom Spalt ausgehende Licht parallel und auf das Gitter richten. Das vom Gitter reflektierte, gebeugte Licht wird über dieselben nunmehr als Imager dienenden Spiegel in die Blendenebene als gebeugtes Bild des Spaltes zurückfokussiert.

Zweckmäßig sind die optischen Achsen von Objektiv und Kollimator/Imager parallel gegeneinander versetzt.

Zur Kompensation der Krümmung des gebeugten Bilds des Spaltes weisen Objektiv und Kollimator ein Brennweitenverhältnis von etwa 1 : 1 bis 1 : 10 auf.

Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Platz- und Gewichtsersparnis ohne mechanisch bewegte Teile und ohne kostspielige Bauelemente.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, worin sie anhand der Zeichnung ausgiebig erläutert wird. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip des abbildenden Spektrometers,

Fig. 2a, 2b schematische Schnitte y/z und x/z durch ein Zweispiegelobjektiv,

Fig. 2c schematisch den optischen Aufbau des Kollimator/Imager-Systems,

Fig. 3 das Gesamtsystem,

Fig. 4 eine Darstellung der Krümmungen einer geraden Objektzeile durch das Gesamtsystem bzw. das Gitter sowie die daraus resultierende Krümmung,

Fig. 5 im Detail die geometrischen Bedingungen am ebenen Beugungsgitter.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines abbildenden Spektrometers, wie es seit langem gebräuchlich ist. Der zu analysierende Lichtstrahl L mit dem Objektiv O auf einen Spalt S fokussiert, mit einem Kollimator K wieder parallel und auf ein Gitter G gerichtet, dort gebeugt und schließlich vom Imager I wieder als Spektrum in eine Bildebene B fokussiert.

Die Einzeloptiken Objektiv, Kollimator und Imager werden gemäß der Erfindung durch vier Spiegel realisiert, die alle asphärisch sind und beispielsweise die Form eines Rotationsellipsoides haben können. Das vollständige abbildende Spektrometer besitzt zwei parallele versetzte optische Achsen. In den folgenden Abschnitten wird die Realisierung der Einzeloptiken beschrieben.

Das Objektiv besteht aus einer Zweispiegelanordnung gemäß den Fig. 2a und 2b. Das Licht L eines (unendlich entfernten) Objektpunktes tritt schief zur optischen Achse OA 1 in das Spiegelsystem ein. Das zeilenförmige Bild B eines Objektstreifens entsteht in Fig. 2a senkrecht zur Zeichenebene. Eine gerade Objektstruktur wird dabei in der Bildebene gekrümmt abgebildet.

Der optische Aufbau des Kollimators/Imagers ist in Fig. 2c gezeigt. Der Eintrittsspalt B ist senkrecht zur Zeichenebene. Das Licht durchläuft zuerst den Kollimator als zweimalige Reflexion an den Spiegeln S 3 und S 4 und trifft kollimiert auf das plane Reflexionsgitter G. Das reflektierte und gebeugte Licht wird nun rückwärts wieder an den Spiegeln S 4 und S 3 reflektiert. Das gebeugte Bild des Spaltes B entsteht in B′ und kann dort mit geeigneten Detektoren analysiert werden.

Kollimator- und Imager-System werden also durch eine einzige optische Anordnung (= Zweispiegel-System mit den Spiegeln S 3 und S 4) realisiert. Das Licht durchläuft die Optik zweimal. Das Kollimator-Imager-System ist telezentrisch. Die Spiegel S 3 S 4 sind Rotationsellipsoide. Die reelle Blende des Systems ist BL.

In der dargestellten Anordnung befindet sich das Gitter nicht in der Blendenposition, was für eine optimale telezentrische Abbildung wünschenswert wäre.

Ein gerader Entrittsspalt B wird in der Bildebene B′ in eine gekrümmte Linie abgebildet. Die Ursachen bzw. Einflußgrößen für diesen Effekt im Kollimator-Imager- System sind:

a) das Gitter ist nicht in der Blendenposition;
b) ein schiefer Verlauf des Lichtes durch das System (bezogen auf die optische Achse) und
c) die Krümmung einer geraden Linie durch das Gitter.

Die Einflüsse a) und b) sind wellenlängenunabhängig, während c) von der Wellenlänge abhängt.

Es gilt ebenfalls, daß ein gekrümmter Spalt B in eine gerade Linie in der Bildebene B′ abgebildet wird.

Das Gesamtsystem ist in Fig. 3 gezeigt. Wie beschrieben, erzeugen das Objektiv O und das Kollimator-Imager- System K/I gekrümmte Bildstreifen. Durch geeignete Kombination der beiden Systeme läßt sich eine Kompensation dieser Krümmungen erzielen. Bei dem in Fig. 3 gezeigten System gelingt ein Ausgleich bei einem Brennweitenverhältnis

Ohne Berücksichtigung der Gitterbeugung, d. h. unter der Annahme, daß das Gitter wie ein planer Spiegel wirkt, wird ein gerader Objektstreifen (auf der Erdoberfläche) wieder in einen geraden Bildstreifen B′ abgebildet.

Lediglich das Zwischenbild in der Spaltebene B ist gekrümmt. Der Einfluß der Spaltkrümmung des Gitters G bleibt jedoch erhalten.

Die Spaltkrümmung KG des Gitters ist wellenlängenabhängig und nimmt mit zunehmender Wellenlänge zu. Indem der Krümmungsausgleich zwischen Objektiv und Kollimator- Imager nicht vollständig gemacht wird, kann die Spaltkrümmung KG des Gitters für eine Wellenlänge kompensiert werden. Die verbleibenden Krümmungen für andere Wellenlängen sind daher gering.

Fig. 4 zeigt in der Bildebene B′ die verschiedenen Krümmungseinflüsse und die resultierende Restkrümmung, für ein Gesamtsystem in Fig. 3. Mit KG ist dabei die Krümmung eines geraden Spaltes in der Bildebene durch das Gitter bezeichnet. Hierbei ist auch die Abhängigkeit von der Wellenlänge ersichtlich. KO ist die Spaltkrümmung des Gesamtsystems Objektiv/Kollimator/Imager in der Bildebene. R ist die aus KG und KO resultierende Spaltkrümmung. F′Koll ist die Brennweite des Kollimators/Imagers und beträgt im speziellen Fall 90 mm.

In Fig. 5 sind die geometrischen Bedingungen am Beugungsgitter dargestellt. Dabei gilt

sin i′ _ϕ = sin i₀ (cos ϕ-1) + cos ϕ sin i′₀ (2)

mit

m = Beugungsordnung λ = Wellenlänge a = Strichabstand

Gemäß den Gleichungen (1) und (2) ist die Spaltkrümmung des Gitters von folgenden Parametern abhängig:

a) Beugungsordnung m
b) Gitterkonstante 1/a = N
c) Wellenlänge λ

Abhängig von der jeweils gewählten spektralen Auflösung sind unterschiedliche Gitterkonstanten N notwendig, die wiederum verschiedene Spaltkrümmungen bewirken. Der Ausgleich erfolgt durch Anpassung der Brennweite von Objektiv und Kollimator/Imager.

Je nach Anwendung kann dieses Brennweitenverhältnis variieren:

Ausführungsbeispiel

Im folgenden sind beispielhaft die Daten des Systems nach Fig. 3a aufgeführt. Diese Werte sind variabel und werden im wesentlichen durch die Gitterkonstante N bestimmt. Sie können dem Bereich der dadurch erforderlichen Brennweitenverhältnisse angepaßt werden.
Brennweite: -31.50619 [mm]

Sonderparameter

Claims

1. Abbildendes Spektrometer mit einem Objektiv, einem Spalt, einem Kollimator, einem Gitter und einem Imager, dadurch gekennzeichnet, daß Objektiv, Kollimator und Imager von asphärischen Spiegeln gebildet werden.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kollimator und Imager von derselben Spiegelanordnung gebildet werden und den Strahl je zweimal reflektieren.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv aus einem ersten, konvexen Spiegel (S 1) und einem zweiten, konkaven Spiegel (S 2) besteht und daß der zu analysierende Strahl unter einem Winkel (w) schräg zur optischen Achse (OA 1) am konkaven Spiegel (S 2) vorbei auf den konvexen Spiegel (S 1) und von diesem auf den konkaven Spiegel (S 2) geführt und von letzterem am konvexen Spiegel (S 1) vorbei in der Bildebene (B) in Form eines gekrümmten Bildstreifens in den Spalt fokussiert wird und daß der Kollimator aus einem konkaven (S 3) und einem konvexen (S 4) Spiegel besteht, die das vom Spalt (B) ausgehende Licht parallel und auf das Gitter (G) richten und daß das vom Gitter reflektierte, gebeugte Licht über dieselben nunmehr als Imager dienenden Spiegel (S 4, S 3) in die Blendenebene als gebeugtes Bild (B′) des Spaltes zurückfokussiert wird.

4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen (OA 1, OA 2) von Objektiv und Kollimator/Imager parallel gegeneinander versetzt sind.

5. Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Objektiv und Kollimator ein Brennweitenverhältnis von etwa 1 : 1 bis 1 : 10 aufweisen.

6. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Eintrittsspalt (B) und das gebeugte Bild (B′) in einer Ebene liegen.