DE69310940T2

DE69310940T2 - Abbildender Spektralapparat mit hoher örtlicher Auflösung

Info

Publication number: DE69310940T2
Application number: DE69310940T
Authority: DE
Inventors: Georges G Bret
Original assignee: Chromex Inc
Current assignee: New Chromex Inc (ndgesd Staates Kalifornien)
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2013-01-08
Also published as: CA2086864C; EP0551241A1; US5305082A; EP0551241B1; DE69310940D1; CA2086864A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Mehrkanalspektrograph und, mehr insbesondere, auf einen Spektrograph, der so optimiert ist, daß er die größtmögliche Anzahl von unabhängigen räumlichen Kanälen in der Vertikalebene und eine bescheidenere Spektralauflösung in der Horizontalebene bereitstellt.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Spektrographen, und in jüngerer Zeit abtastende Monochromatoren, sind seit einiger Zeit in einer zunehmend großen Zahl von Fällen in Gebrauch. Bis ganz vor kurzem waren diese Geräte aber auf das Sammeln und Verarbeiten von Information durch einen Kanal beschränkt. Licht gelangte aus einer einzelnen Quelle in das Gerät, und das Gerät trennte das Licht physikalisch gemäß seinen Wellenlängen auf und präsentierte als Ausgangssignal ein einzelnes Spektrum, meistens in der Horizontalebene zerstreut.
Theoretisch hätte die Entwerfer der frühen Geräte, die um ein Prisma als einem zerstreuenden Element herum aufgebaut sind, nichts daran gehindert, ein Mehrkanalgerät zu schaffen, da sie aufgrund ihrer dioptrischen Eingangs- und Ausgangsoptiksysteme, die auf der Achse arbeiten, gute Abbildungseigenschaften hatten. Für jede Wellenlänge wurde derselbe Punkt des Eingangsschlitzes als ein unterschiedlicher Punkt in dem Bildfeld abgebildet. Das bot die Gelegenheit, mehrere räumlich getrennte Lichtquellen an dem Eingang zu benutzen, um mehrere unterscheidbare Spektren in der Bildebene eines einzelnen Gerätes zu erzielen. In der Praxis zwangen aber die bescheidene Empfindlichkeit der frühen Detektoren sowie die kleinen Blenden (f/16 oder weniger) dieser frühen Geräte die Entwerfer, den Durchsatz auf Kosten der räumlichen Auflösung durch Einführen des Prinzips des rechtwinkelig zu der Zerstreuungsachse plazierten Eingangsschlitzes zu verbessern.
Später, als die Reflexionsgitter eingeführt wurden, die das einfache Ausdehnen in die UV und IR-Teile des optischen Spektrums gestatteten, wurden dioptrische Qptiken durch Spiegel ersetzt, die mit Breitbandreflexionsvermögen leicht hergestellt werden können. Während dioptrische Optiken naturgemäß auf der Achse arbeiten, sind Spiegel leichter unter einem Winkel zu verwenden, was zu sehr großer astigmatischer Deformation des Bildes führt, ein Effekt der bei sehr schnellen Geräten sehr wichtig wird, die breite, offene Strahlenbündel und dicht gepackte Elemente verlangen.
Eine elegante Möglichkeit zum Lösen des Problems der astigmatischen Deformation des Bildes bestand darin, sie zu ignorieren, indem die Ebene des tangentialen Brennpunkts als Bildebene be- nutzt wurde. In dieser Konfiguration wird ein Punkt der Objektebene in eine vertikale Linie und ein vertikaler Schlitz in ein etwas längeres vertikales Bild transformiert, was die spektrale Auflösung bewahrt. Infolgedessen behälß das Gerät eine gute spektrale Auflösung auf Kosten der räumlichen Auflösung. In Fällen, in denen es lediglich darum geht, die spektralen Eigenschaften einer einzelnen Probe zu messen, hat das keine Folgen. Es gibt aber eine ständig wachsende Reihe von Verwendungszwecken, bei denen sowohl spektrale als auch räumliche Information vorteilhaft wären.
Mit dem Aufkommen der zweidimensionalen Matrizen von Detektoren mit hoher Quanteneffizienz wie z.B. modernen zweidimensionalen ladungsgekoppelten (CCD) und Ladungsinjektions (CID)-Detektoren und Lichtleitfasern zum Transport des Lichts ist es erwünscht geworden, Spektrographen als zerstreuende Mehrkanalsysteme zu benutzen, die in der Lage sind, unabhängige Spektren von unterschiedlichen Quellen zu erzeugen. Mehrspektrensysteme erfordern aber einen Spektrograph, der in der Lage ist, Licht längs einer Achse spektral zu zerstreuen und dabei die räumliche Integrität des Eingangsbildes vertikal aufrechtzuerhalten. Mit anderen Worten, das in einer Höhe in der Brennpunktsebene des Spektrographen erzeugte Spektrum sollte von einem Punkt in der entsprechenden Höhe an dem Eingangsschlitz stammen.
Der Aufbau eines solchen Spektrographen stellt für Entwerfer eine Herausf6rderung dar. Herkömmliche Entwürfe leiden an Vignettierung, Astigmatismus, Koma und anderen Nebensprechquellen, die die räumliche Reinheit des resultierenden Bildes in der Brennpunktsebene zerstören. In den letzten Jahren haben Hersteller mit der Einführung von Hochleistungsspektrographen begonnen, die eine Astigmatismuskorrektur gestatten und das Feld der Mehrkanalspektroskopie öffnen. Im Jahre 1989 hat CHRO- MEX Inc., Albuquerque, New Mexico, die FF-250/FF-500-Familie von schnellen (f/4) Spektrographen eingeführt, bei denen ringförmige Spiegel statt sphärischen Spiegeln benutzt werden, um den Astigmatismus des Geräts zu korrigieren. Dieser Fortschritt gestattet, aus den Geräten Mehrkanalgeräte zu machen, die insbesondere für Mehrkanalzwecke brauchbar sind, wobei sie in der Lage bleiben, spektrale Messsungen mit derselben Auflösung wie ihre konventionelleren Gegenstücke auszuführen.
Diese verbesserten Geräte bleiben Spektrographen, die hauptsächlich für eine hohe spektrale Auflösung in der horizontalen Richtung optimiert sind. Die Astigmatismuskorrektur, die durch die ringförmigen Spiegel erfolgt, erlaubt eine begrenzte Anzahl von unabhängigen räumlichen Kanälen, wahrscheinlich mehr als genug für die meisten Verwendungszwecke, sie kann aber nicht für eine hohe räumliche Auflösung sorgen, die mit einer guten Abbildung kompatibel ist. Das ist deshalb so, weil die heutigen schnellen Geräte naturgemäß einen hohen Grad an Astigmatismus haben, der nur in einem schmalen Bereich von Winkeln korrigiert werden kann. Darüber hinaus hat das Bildfeld dieser Geräte ent- wurfsbedingt einen hohen Grad an Krümmung, wodurch die räumliche Auflösung weiter begrenzt wird.
Für eine zunehmende Zahl von neuen überwachungsaufgaben, bei denen eine hohe spektrale Auflösung üblicherweise nicht benötigt wird, ist es erwünscht, einen Mehrkanalspektrographen zur Verfügung zu haben, der für die höchste mögliche räumliche Auflösung in der Vertikalebene und eine bescheidenere spektrale Auflösung optimiert ist. Besonders wichtige Einsatzzwecke für ein solches Gerät sind die Fernerfassung von Erdressourcen mit hoher Auflösung, die Infrarotabbildung und die Mikroskopie.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen schnell abbildenden Spektrographen mit hoher Auflösung zu schaffen, der speziell dafür ausgelegt ist, eine stark verbesserte räumliche Auflösung bereitzustellen, dabei aber eine ausreichende spektrale Auflösung für eine Vielfalt yon Verwendungszwecken aufrechtzuerhalten. Insbesondere wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein abbildender Spektrograph mit hoher räumlicher Auflösung geschaffen, der eine stark verbesserte räumliche Auflösung zur Land- und Meeresfernerfassung bereitstellen wird.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumliche Auflösung zu schaffen, der zu einer kontinuierlichen Hochgeschwindigkeitsmessung der Spektralverteilungsinformation in Hunderten von Punkten einer Probe gleichzeitig in der Lage ist.
Es ist ferner Ziel der vorliegenden Erfindung, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung zu schaffen, der leicht und kompakt ist, keinen Strombedarf hat und keine Betriebssteuerungen oder -justierungen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung zu schaffen, der ein Fernlichtsammeln mit Hilfe eines Lichtleitfaserkabels oder -bandes oder mittels eines herkömmlichen optischen Systems gestattet.
Diese Ziele werden durch die abbildenden Spektrographen erreicht, die in den unabhängigen Ansprüchen beansprucht sind. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Andere Ziele, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Betriebsverfahren und die Funktionen der zugehörigen Elemente des Aufbaus und die Kombination von Teilen sowie die Einsparungen bei der Herstellung werden bei Betrachtung der folgenden Beschreibung und der beigefügten Patentansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die alle Teil dieser Schrift sind, deutlicher werden, wobei in den verschiedenen Figuren entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen tragen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN -

Fig. 1 ist eine bildliche Darstellung des Bildfeldes, gebildet durch Kanäle von hoher spektraler, aber begrenzter räumlicher Information, angewandt in einem abbildenden Spektrographen hoher Auflösung der jüngsten Generation, wie zum Beispiel der CHROMEX Geräte;
Fig. 2 ist eine bildliche Darstellung des Bildfeldes, gebildet durch Kanäle von hoher räumlicher, aber begrenzter spektraler Information, wie es sich in einem mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung findet;
Fig. 3 ist eine Ansicht des optischen Strahlenganges quer zur Achse bei einer bevorzugten Ausführungsform eines mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Ansicht des optischen Strahlenganges quer zur Achse bei einer alternativen bevorzugten Ausführungsform eines mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist eine bildliche Darstellung eines bedeutsamen kommerziellen Anwendungsfalles des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfin- dung, die ein erdwissenschaftliches Fernabbildungssystem zeigt, das einen abbildenden Spektrographen mit hoher räumlicher Auflösung und ein mit dem Spektrographen mittels eines Lichtleitfaserbandes verbundenes Teleskop aufweist;
Fig. 6 ist eine Vorderansicht eines Kollimationsspiegels, die die Plazierung einer optischen Maske vor dem Spiegel zeigt; und
Fig. 7 ist eine aufgebrochene Schnittansicht des Spiegels nach Fig. 6, die weiter die Plazierung einer Maske vor dem Spiegel zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 sind moderne Mehrkanalspektrographen mit hoher Auflösung dafür ausgelegt, die größte mögliche Anzahl von unabhängigen spektralen Kanälen in der horizontalen Richtung und nur eine begrenzte räumliche Auflösung in der Vertikalen bereitzustellen. Es ist bei solchen Spektrographen unmöglich, eine hohe räumliche Auflösung bereitzustellen, weil die modernen schnellen Geräte einen hohen Gräd an Astigmatismus haben, der nur in einem schmalen Bereich von Winkeln ausreichend korrigiert werden kann. Darüber hinaus hat das Bildfeld dieser Geräte entwurf sbedingt einen hohen Grad an Krümmung, wodurch ihre räumliche Auflösung weiter begrenzt wird. Üblicherweise können bei solchen Geräten 500 Spektralkanäle in der Ausgangsbrennpunktsebene des Spektrographen erzielt werden. Jeder derartige Spektralkanal wird in maximal 40 räumliche Kanäle über einem Wellenlängebereich aufgelöst, der durch das benutzte Gitter festgelegt ist.
Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sorgt ein abbildender Spektrograph mit hoher räumlicher Auflösung nach der vorliegenden Erfindung für die höchste mögliche räumliche Auflösung in der Vertikalebene auf Kosten einer bescheideneren spektralen Auflösung. Bei einem Gerät nach der vorliegenden Erfindung können 400 bis 1000 räumliche Kanäle in der Ausgangsbrennpunktsebene des Spektrographen erzielt werden. Jeder derartige räumliche Kanal wird in 10.0 spektrale Kanäle über einem Wellenlängebereich von beispielsweise 400-800 nm aufgelöst.
Die situation läßt sich ungefähr so ausdrücken, daß ein optisches System, das auf einem bestimmten Satz von Bauteilen basiert und einen bestimmten Durchsatz liefert, nicht mehr als eine bestimmte Zahl von Informationskanälen übertragen kann. Diese Zahl ist wegen unterschiedlicher Aberrationen kleiner als das, was die Beugung letztlich gestatten würde. Die Informationskanäle können so angeördnet sein, daß entweder die horizontale oder spektrale Richtung privilegiert wird (wie es bei modernen und herkömmlichen Spektrographen der Fall ist) oder die vertikale oder räumliche Richtung (wie es bei einem Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung der Fall ist).
Ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph, wie er gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, ist in Fig. 3 dargestellt. Gezeigt ist eine schemätische Darstellung des Strahlenganges eines f/4-Geräts, das in der Lage ist, 400 räumliche Kanäle und 100 spektrale Kanäle über einem Wellenlängebereich von 400 bis 800 nm zu liefern.
Ein kollimierender Spiegel 10 und ein fokussierender Spiegel 12 sind dargestellt, die jeweils an dem Unterteil des Spektrographen dauerhaft befestigt sind. Die Spiegel sind herkömmliche sphärische Spiegel mit einem Durchmesser von 110 mm und einer Brennweite von 250 mm, die einem ebenen Beugungsgitter 14 zugewandt sind. Das Gitter ist an dem Unterteil des Spektrographen ebenfalls dauerhaft befestigt und unter einem spitzen Winkel θ gegen die Senkrechte zu der optischen Achse geneigt ist. Der Winkel θ ist etwas von dem Gitter abhängig, das so ausgewählt wird, daß nicht zu weit entfernt von der Littrow-Konfiguration gearbeitet wird, die den maximalen Durchsatz gestattet. Üblicherweise wird θ in dem Bereich von 5 bis 35 Grad liegen, je nach der Rillendichte des Gitters. Das Gitter 14 hat eine Größe von etwa 60 x 60 mm. Ein langgestreckter Schlitz 16 mit einer Größe von 4 x 20 mm ist ungefähr in dem Zentrum des Gitters 14 eingeschnitten, was der Lichtquelle 18 gestattet, Licht durch den Schlitz 16 und auf den Kollimationsspiegel 10 gelangen zu lassen. Die Lichtquelle 18 ist in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 10 und in einem Punkt plaziert, wo Strahlung den Kollimationsspiegel beleuchten kann.
Ein Umlenkspiegel 20 ist ein ebener Spiegel mit einer Größe von 10 x 20 mm, der ebenfalls an dem Unterteil des Spektrographen befestigt ist und so positioniert ist, daß er Licht von dem Brennpunkt des fokussierenden Spiegels 12 auf einen Kameraspiegel 22 reflektiert. Der Umlenkspiegel ist so nahe wie möglich bei dem langgestreckten Schlitz 16 positioniert, so daß er ein Bild empfängt, das so nahe wie möglich bei dem Objekt ist. Diese Plazierung des Umlenkspiegels gestattet den sphärischen Spiegeln, "fast auf der Achse" in einem Winkelbereich zu arbeiten, wo winkelabhängige Aberrationen, insbesondere Astigmatismus, vernachlässigbar sind.
Der Kameraspiegel 22 ist ein herkömmlicher sphärischer Spiegel mit einem Durchmesser von 110 mm und einer Brennweite von 150 mm, der ein endgültiges Bild 25 mm außerhalb des Gerätegehäuses auf einen Detektor 24 fokussiert. Wie die anderen Gerätebauteile ist auch der Kameraspiegel auf dem Unterteil des Spektrographen befestigt und arbeitet "fast auf der Achse".
Die Lichtquelle für das Gerät wird vorzugsweise durch ein Lichtleitfaserband mit einzelnen Faserdurchmessern, die üblicherweise in einem Bereich von 7-250 µm liegen, gebildet. Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von 50 µm sorgen für eine gute räumliche Auflösung und für allgemein akzeptable Lichtwerte. Lichtleitfasern großen Durchmessers liefern mehr Licht, aber auf Kosten von geringerer Auflösung Fasern kleinen Durchmessers begrenzen die Anzahl der Photonen, die sich durch die Faser bewegen, obgleich mehrere Schichten von Fasern kleineren Durchmessers (7-20 µm) ebenfalls akzeptabel sind. 400 Fasern können jeweils Licht durch den langgestreckten Schlitz 16 in dem Gitter 14 übertragen, was gestattet, 400 Datenkanäle durch das Gerät abzubilden.
Der Detektor 24 wird üblicherweise eine zweidimensionale CCD- oder CID-Detektormatrix sein, die gewöhnlich die Fähigkeit hat&sub1; 1028 x 516 Pixel aufzulösen. Diese Vorrichtungen gestatten die gleichzeitige Messung der spektralen Verteilung eines räumlichen Profils. Das Ausgangssignal des Detektors wird üblicherweise über einen RS-232-Busverbinder zu einem Detektorregler und dann weiter zu einem Computer zur Datenspeicherung und - analyse übertragen. Moderne Detektoren bieten volle Programmierbarkeit in zwei Dimensionen, geringes Rauschen, hohe Quanteneffizienz, hohen Dynamikbereich und annehmbare Lesegeschwindigkeiten. Außerdem kann die Konfiguration der Detektoren durch Software geändert werden, was bei einem Mehrkanalspektrographen eine wichtige Forderung ist. Das ist insbesondere bei CID-Detektoren der Fall, wo einzelne Pixels adressierbar sind.
Der mit hoher räumlicher Auflösung abbildende Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung verlangt keine Stromzufuhr, hat, keine bewegten Teile und ist vollkommen passiv, denn er hat keine Einrichtungen zur Betriebssteuerung oder -justierung. Die verschiedenen Bauteile können in einen Gerätgehäuse vereinigt werden, das eine Grundfläche von 0,1 m² (1,1 Quadratfuß) und ein Volumen von weniger als 0,0198 m³ (0,7 Kubikfuß) hat. Das Gesamtgewicht des Systems beträgt ungefähr 10 Pfund. In Fällen, in denen zusätzliche Kanäle an räumlicher Auflösung verlangt werden, ist das Gerät, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, nach oben und nach unten auf die gewünschte Größe skalierbar.
Im Gebrauch wird dann ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph nach der vorliegenden Erfindung so ausgewählt, daß er mit der in dem betreffenden Fall verlangten räumlichen Auflösung kompatibel ist. Licht von dem (den) zu analysierenden Objekt (Objekten) wird zu dem Gerät über ein Lichtleitfaserband übertragen, das in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels 10 plaziert ist. Licht aus den einzelnen Fasern geht durch den langgestreckten Schlitz 16 in dem Gitter 14 hindurch und fällt auf den Kollimationsspiegel 10, der das Licht in pärallelen Bündeln auf das Gitter 14 reflektiert. Licht, welches durch das Gitter gebeugt wird, wird durch den fokussierenden Spiegel 12 gesammelt, der das Licht so nahe wie möglich bei dem ankommenden Licht aus dem Objekt und auf den Umlenkspiegel 20 fokussiert. Das Licht gelangt dann auf den Kameraspiegel 22, der das Bild anschließend in der Ebene eines Detektors 24 fokussiert.
Bei diesem Entwurf ist der Winkel zwischen ankommenden und abgehenden Strahlen auf dem Kollimationsspiegel 10 und dem Fokussierspiegel 12 durch die Größe des Umlenkspiegels 20 begrenzt. Die Größe des Umlenkspiegels wiederum wird durch die verlangte spektrale Auflösung festgelegt. Je kleiner die Querabmessung des Umlenkspiegels ist, umso kleiner ist die Zahl der verfügbaren unabhängigen Kanäle von spektraler Information und umso kleiner ist auch der Astigmatismus, der durch sphärische Spiegel hervorgerufen wird, die etwas achsenversetzt arbeiten, und daher umso höher die räumliche Auflösung des Geräts.
Gemäß Fig. 4, auf die nun Bezug genommen wird, kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph mit einem Kombinationsspiegel 26 versehen werden, der sowohl als ein Kollimationsspiegel als auch als ein Fokussierspiegel dient. Dieser Spiegel und die anderen Bauteile des Geräts gleichen den oben in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen, obgleich in dieser Ausführungsform das Gitter sehr nahe bei der Littrow-Konfiguration arbeitet. Ein mit hoher räumlicher Auflösung abbildender Spektrograph ist, wie weiter oben erläutert, in der spektralen Auflösung oder im Durchsatz begrenzt, und dieser Entwurf optimiert den Durchsatz. Infolgedessen kann das Gerät unter Verwendung eines ebenen Beugungsgitters mit geringer Zerstreuung, beispielsweise eines 50-g/mm-Gitters, zufriedenstellend arbeiten. Bei Verwendung eines solchen Gitters mit geringer Zerstreuung werden die aufeinanderfolgenden Ordnungen des Gitters nahe bei normal sein, was gestattet, die Funktionen, die durch den Kollimier- und den Fokussierspiegel erfüllt werden, in einem Kombinationsspiegel 26 zu vereinigen. Die Verwendung eines Kombinationsspiegels gestattet, das Gitter 14 fast rechtwinkelig zu der optischen Achse des Geräts zu positionieren, was eine günstige Konfiguration für das Hindurchleiten von Licht durch das Gitter ist. Der Strahlengang für ein Kombinationsspiegelsystem ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Kombinationsspiegelentwurf für einen mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen ist speziell für Verwendungszwecke geeignet, wo der Bedarf an spektraler Auflösung gering ist.
In Fig. 5, auf die nun Bezug genommen wird, ist ein bedeutsamer kommerzieller Verwendungszweck des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen nach der vorliegenden Erfindung in Form eines erdwissenschaftlichen Fernabbildungssystems dargestellt. Ein reflektierendes Teleskop 28 herkömmlichen Entwurfes ist gezeigt, wobei ein Lichtleitfaserband 30 in dem primären Brennpunkt 32 eines primären Spiegels 34 von 20,32 cm (8 Zoll) vertikal befestigt ist. Das Lichtleitfaserband 30 besteht z.B. aus 400 Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von 50 µm, die aneinander befestigt sind, um ein vertikales Band zu bilden, das in das Gehäuse 36 des mit hoher räumlicher Auflösung abbildenden Spektrographen eingeführt und in dem Brennpunkt des Kollimationsspiegels plaziert wird. Die Verwendung eines Lichtleitfaserbandes gestattet das mechanische Entkoppeln der beiden Geräte, was den Entwurf und die Verwendung des Systems flexibel macht.
Die kompakte Größe und das geringe Gewicht des erdwissenschaftlichen Fernabbildungssystems gestattet dessen Verwendung in Satelliten oder Flugzeugen für terrestrische und ozeanographische Fernabbildungsforschung. Weiter ergibt die Verwendung eines flexiblen Lichtleitfaserbandes zwischen dem Spektrographen und dem Teleskop ein weiches Verbindungsglied zwischen den Geräten, was ihre Plazierung in dem engen Raum innerhalb eines Flugzeuges oder eines Satelliten erleichtert.
Im Gebrauch bildet dann ein im Flugzeug oder im, Satelliten untergebrachtes System einen langgestreckten Bereich der Erde oder des Meeres längs der vertikalen Richtung des Gerätes ab, um eine Analyse von Merkmalen an der Oberfläche mit hoher Auflösung zu erreichen. Spektraldaten werden dann für jeden unabhängigen räumlichen Kanal in einer Zeit gesammelt, die kurz genug ist, um die natürliche Bewegung des Trägers in der Richtung rechtwinkelig zu dem Bereich als eine Abtastvorrichtung auszunutzen.
Schließlich zeigen die Fig. 6 und 7, auf die nun Bezug genommen wird, eine Einrichtung zum Verhindern von Streulicht innerhalb eines mit hoher räumlicher Äuflösung abbildenden Spektrographen. Eine optische Maske 38 ist vor einem Kollimationsspiegel 10. öder einem Kombinationsspiegel 26 in der allgemeinen Form des Umlenkspiegels 20 positioniert gezeigt. Die Maske wird vor dem Spiegel sorgfältig positioniert, um Licht zu unterdrücken, das bei dem ersten Gang des Lichts von dem Kollimationsspiegel oder dem Kombinationsspiegel zu dem Gitter auf den Umlenkspiegel fallen würde. Die Maske ist mit einem nichtreflektierenden Überzug versehen, um Licht zu reduzieren, das auf den Umlenkspiegel fällt. Statt des Hinzufügens einer Maske, wie es dargestellt ist, kann derselbe Effekt erzielt werden, indem ein Bereich des Kollimationsspiegels oder des Kombinationsspiegels mit einem nichtreflektierenden Überzug versehen wird oder indem die Oberfläche des Spiegels geätzt wird.
Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit dem beschrieben worden, was gegenwartig als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen angesehen wird, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen, sondern soll, im Gegenteil, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb des Schutzbereiches der beigefügten Ansprüche einschließen.

Claims

1. Abbildender Spektrograph mit:

einem ersten sphärischen Spiegel (10);

einem zweiten sphärischen Spiegel (12);

einem optischen Gitter (14) mit einer langgestreckten Schlitzöffnung (16) darin, das so angeordnet ist, daß es Strahlung von dem ersten sphärischen Spiegel empfängt und auf den zweiten sphärischen Spiegel richtet;

einem Lichtumlenkspiegel (20), der benachbart zu der Öffnung (16) und in dem Brennpunkt des zweiten sphärischen Spiegels (12) angeordnet ist, um Strahlung von dem zweiten sphärischen Spiegel zu empfangen;

einem dritten sphärischen Spiegel (22), der so angeordnet ist, daß er Strahlung von dem Lichtumlenkspiegel (20) empfängt; und einer Lichterfassungseinrichtung (24) zum Empfangen von Licht von dem dritten sphärischen Spiegel (22);

wodurch Strahlung, die von einem Objekt (18) kommt, das in dem Brennpunkt des ersten sphärischen Spiegels (10) angeordnet ist, durch die Öffnung hindurchgeht, um den ersten sphärischen Spiegel zu beleuchten und eine Spektralabbildung auf der Lichterfassungseinrichtung (24) zu bilden.

2. Abbildender Spektrograph mit:

einem ersten sphärischen Spiegel (26);

einem optischen Gitter (14) mit einer langgestreckten Schlitzöffnung (16) darin, das so angeordnet ist, daß es Strahlung von dem ersten sphärischen Spiegel (26) empfängt und richtet und die Strahlung zu dem ersten sphärischen Spiegel (26) zurückleitet;

einem Lichtumlenkspiegel (20), der in einem achsenversetzten Brennpunkt des ersten sphärischen Spiegels (26) angeordnet ist;

einem zweiten sphärischen Spiegel (22) zum Empfangen von Strahlung von dem Lichtumlenkspiegel (20); und

einer Lichterfassungseinrichtung (24) zum Empfangen von Licht von dem zweiten sphärischen Spiegel (22);

wodurch Strahlung, die von einem Objekt kommt, das in dem Brennpunkt des ersten sphärischen Spiegels (26) angeordnet ist, durch die Öffnung (16) hindurchgeht, um den ersten sphärischen Spiegel (26) zu beleuchten und eine Spektralabbildung auf der Lichterfassungseinrichtung (24) zu bilden.

3. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei die langgestreckte Schlitzöffnung (16) ungefähr in dem Zentrum des Gitters (14) angeordnet ist.

4. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 3, wobei das Gitter (14) ein ebenes Beugungsgitter ist.

5. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei, der Lichtumlenkspiegel ein ebener Spiegel ist, der benachbart zu dem Weg der ankommenden Strahlung angeordnet ist.

6. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichterfassungseinrichtung (24) aus einem zweidimensionalen CCD-Detektor besteht.

7. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichterfassungseinrichtung (24) aus einem zweidimensionalen CID-Detektor besteht.

8. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ende einer Lichtleitfaser in dem Brennpunkt des ersten sphärischen Spiegels (10) angeordnet ist, wodurch Licht aus einem entfernt angeordneten Objekt, das an dem entgegengesetzten Ende der Lichtleitfaser gesammelt wird, als die ankommende Strahlung dienen kann.

9. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 8, wobei eine Vielzahl von Lichtleitfasern vorgesehen ist, die ein Lichtleitfaserband (30) bilden, wodurch die ankommende Strahlung aus mehreren Kanälen vertikal dargestellter Strahlung besteht und räumlich separate, vertikal dargestellte Spektralabbildungen auf der Lichterfassungseinrichtung gebildet werden.

10. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 9, wobei ein Ende des Lichtleitfaserbandes (30) in dem Brennpunkt des ersten sphärischen Spiegels (10) angeordnet ist.

11. Abbildender Spektrograph nach Anspruch 1 oder 2, weiter mit einer optischen Maske, die so angeordnet ist, daß bei dem ersten Gang von Licht von dem ersten sphärischen Spiegel (10; 26) zu dem Gitter (14) auf den Lichtumlenkspiegel fallende Strahlung unterdrückt wird.