DE3614639C2

DE3614639C2 -

Info

Publication number: DE3614639C2
Application number: DE3614639A
Authority: DE
Inventors: Fritz 8000 Muenchen De 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: 1990-10-04
Also published as: JPH0810160B2; JPS62277526A; DE3614639A1; FR2598224B1; US4773756A; FR2598224A1

Description

Die Erfindung betrifft ein abbildendes Spektrometer mit einem Objektiv, einem Spalt, einem Kollimator, einem Gitter und einem Imager, wobei der Imager die übliche Funktion einer Feldlinse übernimmt.

Derartige Spektrometer sind beispielsweise aus der DE-OS 33 04 110 bekannt. Mit ihnen wird der 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. Das in der genannten Druckschrift offenbarte Ausführungsbeispiel weist hierzu ein gemischtes Linsen/Spiegelsystem auf, wobei die Spiegel vom Strahlengang jedoch nur einmal durchsetzt werden.

Durch die Druckschrift von Brügel: "Einführung in die Ultrarotspektroskopie", 3. Aufl., Dr. Dietrich Steinkopff Verlag, Darmstadt 1962, wird vorgeschlagen, daß in einem Monochromator statt Linsen auch Spiegel elliptischer oder parabolischer Hohlspiegelform verwendbar sind, wobei diese Spiegel einer zweimaligen Benutzung unterliegen, wie dies beispielsweise auch aus der DE-OS 29 40 325 entnehmbar ist.

Aus der Entgegenhaltung DE-OS 27 58 141 ist es bekannt, Austritts- und Eintrittsspalt in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen, um Plätze zu sparen.

Alle vom Stand der Technik vorgeschlagenen Ausführungsformen sind jedoch für die Verwendung in Satelliten und Raumflugkörpern zu aufwendig bezüglich Raumbedarf und Gewicht, aber auch aufwendig in Fertigung, Montage und Justage der einzelnen Bauelemente und daher leicht störanfällig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein abbildendes Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, das frei von den vorbeschriebenen Nachteilen des Standes der Technik ist und außerdem die von Objektiv und Kollimator-Imager-System erzeugten gekrümmten Bildstreifen eines Objektes wieder in einen geraden Bildstreifen umwandelt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip eines abbildenden Spektrometers nach dem Stand der Technik,

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

Fig. 2c den optischen Aufbau eines Kollimator/Imager-Systems gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine Schemaskizze durch das Gesamtsystem des beschriebenen Ausführungsbeispiels,

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 und 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 g

Abhängig von der jeweils gewählten spektralen Auflösung sind unterschiedliche Gitterkonstanten N notwendig, die wiederum verschiedene Spaltkrümmungen bewirken. Der Ausgleich erfolgt durch Anpassung der Brennweiten 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/Imager von ein und derselben Anordnung aus asphärischen Spiegeln gebildet werden, die vom Strahlengang zweimal durchlaufen wird,
wobei das Objektiv (O) aus einem ersten konvexen Spiegel (S 1) und einem zweiten, konkaven Spiegel (S 2) besteht und 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 der Kollimator (K) aus einem konkaven (S 3) und einem konvexen (S 4) Spiegel besteht, die das vom Spalt (B) ausgehende Licht parallel auf das Gitter (G) richten
und wobei das vom Gitter reflektierte, gebeugte Licht über dieselben nunmehr als Imager (I) dienenden Spiegel (S 4, S 3) in die Blendenebene als gebeugtes Bild (B′) des Spaltes zurückfokussiert wird, so daß der Spalt (B) und sein Bild (B′) in einer Ebene liegen.

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

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Objektiv (O) und Kollimator (K) ein Brennweitenverhältnis von etwa 1 : 1 bis 1 : 10 aufweisen.