CN109844471B - 具有多个光谱测量波段的光谱光度测量设备 - Google Patents

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Abstract

一种光谱光度测量设备(100)，具有多个光谱测量波段，包含单个望远镜(10)和单个分光光度计(20)。通过将光孔分像棱镜(31‑34)置于望远镜的入射光孔(PE)处，并通过使用光谱波段选择过滤器获得多个光谱波段。这种设备重量轻、尺寸小且价格低。特别是，可整合到卫星中，特别是用于表征地球表面所产生的碳化合物流的任务。

Description

具有多个光谱测量波段的光谱光度测量设备
技术领域
本发明涉及一种具有多个光谱测量波段的光谱测量设备以及一种测量地球大气中化学组成成分的方法。
背景技术
为了更好地了解地球气候系统的演变，计划用空间任务来表征大气，海洋和陆地间发生的碳化合物的流动。为此，必须从围绕地球轨道的卫星进行光谱光度测量，在含有气态碳化合物吸收线的光谱波段中进行，特别是温室效应化合物，如二氧化碳(CO2))或浮质化合物。但是，为了在降低任务成本的同时获得最大量信息，使用的光谱光度测量设备必须在同时进行光谱光度测量的光谱波段数量以及光谱测量设备的重量、尺寸和价格方面达到最佳平衡。
在2014年推出的OCO2仪器中，使用三个高分辨率光谱分析仪对三个二氧化碳(CO2)吸收波段进行分析，其中所述光谱分析仪由共用望远镜提供。
对于MicroCarb仪器，提出了CNES(ICSO 2014“改进的Microcarb概念”PascalVéronique等人)使用高衍射级衍射光栅光谱分析仪覆盖多个的窄光谱波段，以便分析关键的大气成分。由于不同阶衍射在焦面图像中叠加，因此就有必要实施一个系统对其进行分离。为了获得更简单和更紧凑的仪器，且覆盖大量的光谱波段，CNES提出了通过使用插入光路中的交叉光栅来分离光谱波段的方法。该光栅能够在与由主阶梯光栅所定义的光谱色散方向相垂直的方向来发散波长。然后，将主光栅的各个色散阶投射到探测器阵列的柱上并在垂直方向上逐阶移动。因此，有可能捕获两个垂直方向上两个阵列探测器上的所有光谱波段。
这种概念使得有可能观察到多个光谱波段，并且还能自然地拒绝波段外的波长。但是，如任务所关注的光谱波段不相邻，光谱色散的总范围有可能超过探测器阵列的可用表面。为了至少部分地补偿这种影响，CNES还提出将交叉光栅用于多个阶，以便将更远的波长“移回”到探测器的阵列表面。但是，会再次发生衍射级的叠加以及重影的风险，这减小了交叉光栅的初始优势。
发明内容
为了进一步改进这类仪器的紧密型同时保持或提高测量的精度，本发明的第一方面提供了一种具有多个光谱测量波段的光谱测量设备，其中设备包括：
-望远镜，具有入射光孔和输出焦面，适于通过入射光孔进入望远镜的射线聚焦于输出焦面上，；
-分光光度计，具有叠加于望远镜输出焦面上的入射，且包括一个光谱发散元件和一个与分光光度计入射光学共轭的阵列探测器。
该探测器具有一个光敏表面，其中光敏表面在与光谱发散元件产生的光谱发散方向平行的第一探测方向上延伸，也在与第一探测方向垂直的第二探测方向上延伸。
根据本发明，光谱光度测量设备进一步包含：
-透光膜，设在望远镜入射光孔中并具有形成分别专用于光谱测量波段独立子光孔的多个开口；
-光孔分像棱镜，按透光膜的开口一对一设置，使得每个光孔分像棱镜能偏转一部分通过棱镜偏转方向中的相应子光孔的辐射，其中所述方向为所有光孔分像棱镜所共有，且棱镜偏转幅度与每个其它光孔分像棱镜所不同，且分光光度计相对光孔分像棱镜所定向，使得第二探测方向通过望远镜和分光光度计在光学上与棱镜偏转方向相对应；
-多个的狭缝，可能呈弯曲状，分布在分光光度计的入射处，使得每个狭缝的纵向方向在光学上对应于通过望远镜的棱镜偏转方向，且狭缝彼此相互偏离，使得各自均可通过透光膜的开口和光孔分镜中的一个来接收，和通过望远镜来接收源自望远镜指向方向的相应部分辐射；和，
-第一组过滤器，每个过滤器确定其中一个光谱测量波段，第一组过滤器设在探测器光敏表面的正面，第一组中的每个过滤器均在探测孔口内有效，其中所述探测孔口在沿其中之一狭缝的图像的第二探测方向叠加，由分光光度计形成，其中一部分辐射通过透光膜的其中一个开口进入望远镜，每个过滤器的探测孔口沿着第一探测方向延伸。
因此，在根据本发明的光谱光度测量设备中，每个光谱测量波段由置于望远镜入射光孔中的透光膜开口之一、与透光膜孔口相关联的光孔分像棱镜和狭缝以及置于阵列探测器正面的过滤器之一所确定。因此，光谱光度测量设备包含共用于所有光谱测量波段的单个望远镜、单个分光光度计和单个探测器。因此，相对于可以同时进行光谱光度测量的多个光谱波段，光谱光度测量设备的重量、尺寸和价格都有减少。
在光孔分像棱镜的下游，仿佛每个波段都与不同查看方向相关联。不同波段的注册都在光孔分像棱镜处完成。
因此，阵列探测器光敏表面的单独部分一对一地分配给由过滤器所定义的光谱波段，其中所述过滤器本身位于阵列探测器光敏表面部分的正面。这就极大地简化了过滤且让过滤更高效，并具有补充设在光谱发散元件上游的特定过滤器的能力。
因此，本发明的设备允许对在探测器阵列上光谱波段定位有选择自由、容易适应更大数量的波段、良好的波段间抑制和优秀的杂散光抑制性能。也可以针对每个波段独立调整光孔尺寸，尤其是为实现衍射均匀性。最后，望远镜的场曲率有可能补偿分光光度计的场曲率。
因此，在属于单独光谱波段的辐射部分之间，光谱光度测量的结果不会发生混合或累积。
当前，所述本发明设备的改进是可选的且可以彼此独立地或组合地实现。
为了进一步减少仍然在光谱波段之一和专用于不同光谱波段探测器部分之间发生的辐射传播，例如由于设备内辐射的杂散反射，设备可以进一步包含至少第二组过滤器，其中所述过滤器与光谱测量波段一一对应。第二组过滤器可以设在光孔分像棱镜处，或在入射和光谱发散元件之间的分光光度计内部。然后，与相同光谱波段对应的第一组过滤器和各第二组过滤器，由通过只有一个透光膜开口进入望远镜的相同辐射部分传播。
再次，为了减少可能在光谱波段之一和专用于不同光谱波段的探测器部分间发生的辐射传播，该设备还可以包括至少一个靠近望远镜输出焦面或望远镜中间像平面所设置的光场掩模。每个光场掩模都有与狭缝对应或有图像在狭缝上叠加的开口，这些图像由包括在光场掩模和望远镜输出焦面之间的望远镜一部分组成，辐射通过透光膜开口进入望远镜。
为了减小光谱发散元件大小，设备可进一步包括一组附加棱镜，称为光孔对准棱镜，根据狭缝而设置。随后，调整光孔对准棱镜，以彼此相互叠加，在光谱发散元件上，来自所有狭缝的所有辐射部分均通过透光膜开口之一进入望远镜。
在本发明的优选实施例中，光谱发散元件可以是衍射光栅。可以设置分光光度计，使得通过透光膜开口进入望远镜的辐射由衍射光栅所反射。更优选地，特别是为了进一步减小分光光度计的占用空间，后者可以有称为近Littrow的配置。在这样的配置中，从所述光栅出射的辐射和衍射光栅上的入射辐射具有接近光路至少一部分的光路。特别是，相同衍射光栅出射辐射和衍射光栅上的入射辐射，由分光光度计的相同镜所反射，该相同镜具有用于入射辐射的准直功能和用于出射辐射的聚焦功能。
有利地，设备可以进一步包括设置在相对于望远镜中辐射传播方向的望远镜入射光孔上游的偏振扰偏器。这种偏振扰偏器混合在通过透光膜开口之一的各部分辐射中的不同偏振。
在通常情况下，根据本发明的设备可以包括每组过滤器中的透光膜的N个开口、N个光孔分像棱镜、N个狭缝、N个过滤器以及N个光孔对准棱镜(如合适)，使之能够在N光谱波段中进行同步光谱光度测量，其中N是2到12之间的整数，或者等于2或12，优选地在4到8之间，或者等于4或8。
望远镜可以是三镜型。
根据本发明的另一个可选改进，透光膜可以包括附加孔口，且设备可以进一步包括成像系统和设在望远镜出射光孔中的光束分离元件。调整光束分离元件，使得通过透光膜附加孔口进入望远镜的附加部分的辐射能传播到成像系统，而通过透光膜开口进入望远镜的辐射部分(此时也称这种方式)以狭缝方向传播。因此，设备的望远镜可由分光光度计和可选成像路径共享。
此外，本发明的第二方面提供了一种用于测量地球大气测量区中存在的化学成分的方法，所述方法包括以下步骤：
/1/根据本发明的第一方面，在卫星载板上安装具有多个光谱测量波段的光谱光度测量设备；
/2/将卫星置于围绕地球的轨道中，以便卫星飞过测量区；
/3/将望远镜的指向方向指向测量区；和，
/4/在将望远镜指向方向保持朝向测量区的同时，激活分光光度计的探测器，并捕获探测器像素的读出信号，这些读出信号分别在探测器光敏表面的几何波段内提供源自光谱测量波段之一的测量区的辐射光谱强度分布，其中所述探测器通过分光光度计与狭缝一对一地光学相关。
优选地，可以对卫星进行定位，使之在第/4/步中望远镜的指向方向与卫星最低点方向相叠加。因此，测量可以精确地涉及卫星与陆地或海洋表面之间的大气气柱。
同样，优选地，可以对卫星进行定位，使之棱镜偏转方向与第/4/步中输出焦面中望远镜所形成的测量区图像的前进方向相垂直。通过这种定向，可以捕获与视线在最低点对准情况下与路径垂直相邻的多个测量点，同时限制由于推进所导致的图像模糊的影响。
最后，特别针对于旨在表征地球表面发生的碳化合物流动的空间任务，设备的至少一个光谱测量波段可以包括至少一种气态碳化合物的吸收线，例如：二氧化碳或浮质化合物。
附图说明
根据如下一些非限制性示例性实施例说明，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，参考附图，其中：
-图1是根据本发明提供多个光谱测量波段的光谱光度测量设备的透视示意图；
-图2示出了根据本发明可用于光谱测量设备中的透光膜的可能配置，其与光孔分像棱镜相关联；
-图3是根据本发明可用于光谱光度测量的望远镜输出焦面的视图；
-图4说明了根据本发明可用于光谱光度测量设备中的阵列探测器光敏表面的使用。
-图5是与图3相对的透视图，示出了光孔对准棱镜的实施方式；以及，
-图6示出了根据本发明光谱光度测量设备在卫星载板上的使用。
为便于澄清，图中所示元件的尺寸与实际尺寸或实际尺寸比不相对应。此外，不同图中的相同参考标记表示相同元件或具有相同功能的元件。
具体实施方式
根据图1，根据本发明的光谱光度测量设备通常由附图标记100表示，包括望远镜10和分光光度计20。由A表示的定向连续线指示设备100的光轴，它遵循辐射传播方向的导向。
望远镜10可以是本领域技术人员已知的模型之一，例如，所示三镜型。特别是，它可能是Korsch望远镜。字符E表示进入望远镜10的辐射入射，DP表示望远镜10的指向方向，PF表示望远镜10的输出焦面，其他参考具有以下含义：
11、12、13 分别是望远镜10的主镜、副镜和三镜
15 可选偏振扰偏器
16 可选偏转镜
PE 望远镜10的入射光孔
PS 望远镜10的出射光孔
17 设在入射光孔PE中的透光膜
18 可选光场掩模
19 可选光束分离元件，设在出射光孔PS出口处
通过已知方式，望远镜10可以在与指向方向DP中入射E相距很远位置处形成场景的中间图像。随后，该中间图像位于望远镜10的中间焦面PI中，在所示望远镜类型的主镜11和副镜12之间。
偏振扰偏器15和偏转镜16可选，且设在望远镜10的入射E处。有可能在设备100中仅使用两个光学元件中的一个。其实施方式对于熟练的技术人员来说都是已知的，所以没有必要再次描述。
在所示本发明的示例性实施例中，入射光孔PE位于通过入射E进入望远镜10的辐射传播的方向相对的主镜11的上游。出射光孔PS是三个反射镜11、12和13连续后入射光孔PE的图像。
根据望远镜10中光学共轭的原理，源自指向方向DP中远程光源且通过入射E进入望远镜的辐射光束，聚集于输出焦面PF中。
透光膜17设在入射光孔PE中，并具有数个于入射光孔PE内分布的独立开口。入射光孔PE中开口的位置和尺寸，在设备100的不同实施例之间变化，特别是基于辐射的辐射和光谱标准，以及尺寸限制并允许光束通畅通过望远镜10。如图2所示，O1-O4表示透光膜17的四个开口，用于具有四个光谱光度测量波段设备100，在本说明书中用于说明。如下所述，透光膜17的开口O1-O4一对一地专用于光谱光度测量的光谱波段。图2所示的附加孔口O5可选且没有光孔分像棱镜，不与光谱光度测量的光谱波段对应，其有用性将在下文描述。于是，透光膜17的每个开口在入射光孔PE内形成单独的子光孔。
光孔分像棱镜与透光膜17的各个开口O1-O4一对一设置，采用图2所示标记31-34表示，作为四个光谱测量波段示例。光孔分像棱镜31-34中的各个棱镜完全覆盖透光膜的相应孔径，使得棱镜根据棱镜顶角和方向完全偏转穿过该孔口的辐射光束。光孔分像棱镜31-34的偏转出射光束，由图1和图2中的虚线表示，偏转光束由F1-F4表示。由光孔分像棱镜31-34产生的偏转，至少在图2中用X表示的一个方向上彼此相互不同。穿过透光膜17开口O1-O4之一的所有射线F1-F4的光束，聚合在输出焦面PF的不同相应位置处，这些位置由光孔分像棱镜31-34产生的光束偏转所确定。输出焦面PF中的会聚位置，与通过镜子11、12和13上的反射的方向X对应的方向x平行偏移。因此，方向的X和x可表示为棱镜偏转方向。
根据设备100的改进，第一光场掩模18可设在中间焦面P1中。第一光场掩模18具有开口，其通过镜12和13的光学共轭，与设在在输出焦面PF中的狭缝对应，如下所述。这种第一光场掩模18限制了设备100围绕指向方向DP的角度范围，具有外围边缘，以避免阻挡与透光膜17的开口O1-O4的辐射光束的有用部分，包括附加孔口O5(如合适)。
可选元件19设在出口光孔PS中，可以是用于弯曲辐射F1-F4光束的简单镜子。但当透光膜17具有附加孔口O5时，可以将元件19调整以引导额外孔口O5的辐射束，如图2中的F5所示，朝向辅助成像系统60，与开口O1-O4的其它光束F1-F4相分离。因此，在本说明书的概述部分中，元件19被称为光束分离元件。成像系统60也可选，可以捕获指向方向DP中场景望远镜10所形成的图像。例如，光束分离元件19可以是具有孔口O'的平面镜，其位于附加孔口O5图像位置处的出射光孔PS中，其中所述附加孔口O5由镜子11、12和13形成。
在图1所示本发明的特定实施例中，在光束分离元件19和成像系统60之间使用辅助弯曲镜61。可以回想，由透光膜17的附加孔口O5、光束分离元件19和具有辅助弯曲镜61(如适用)成像系统60组成的成像路径，对于本发明来说不是必不可少，与其原理也不关联。当提供成像路径时，消除附加孔口O5中偏振扰动器15的影响是有利的，例如通过在辐射F5光束通过区的偏振扰偏器15中设置孔，其中辐射F5光束通过附加孔口O5进入望远镜10。
狭缝掩模40设在望远镜10输出焦面PF中。因此，图3是掩模40的平面图。对于狭缝外辐射不透明且可能包括许多狭缝，因为有设备100的光谱波段。由标记41-44表示的狭缝，设在光孔分像棱镜31-34偏转后由于汇聚分别来自透光膜17的开口O1-O4辐射束的汇聚区。因此，狭缝41-44沿着棱镜偏转方向x彼此相互偏移，且在该方向上基本纵向地定向。因此，与x方向平行的狭缝41-44之间的偏移，由光孔分像棱镜31-34的顶角来确定。所有狭缝41-44优选地具有相同的长度，但是，沿方向x的两个连续狭缝有可能连在一起形成连续的狭缝。
狭缝41-44有可能略微弯曲，这样可以遵循由分光光度计20所引起的场曲率。在这种情况下，分光光度计20的场曲率可由望远镜10所产生的相同场曲率偏移。
另一个光场掩模(未示出)可位于相对于辐射传播方向的狭缝掩模40的上游，在狭缝掩模40正面几毫米。另一个光场掩模具有与狭缝41-44对应的开口，提供围绕指向方向DP周围设备100角度场的附加限制。
分光光度计20可以是本领域熟练技术人员已知类型之一，但近Littrow配置是特别有利，以便减小分光光度计的尺寸。例如，如图1所示，分光光度计20可以包括三个用于准直辐射F1-F4出射狭缝41-44光束的反射镜21、22和23，通过反射操作的闪耀衍射光栅24和阵列图像探测器26。闪耀衍射光栅24形成本说明书概述部分中所提及的光谱发散元件。在近Littrow配置中，狭缝41-44出射光束F1-F4由衍射光栅24朝着连续镜子21-23反射，沿接近到达狭缝41-44衍射光栅24光路进行传播，但具有与辐射传播的相反方向。然后通过光谱分析仪20在探测器26的光敏表面上对狭缝41-44进行成像。光栅24产生辐射F1-F4出射狭缝41-44光束的衍射，导致探测器26上的各个狭缝41-44光束图像的发散，与称为光谱发散方向的公共方向相平行。分光光度计20相对于光孔分像棱镜31-34定向，使得光谱发散方向与棱镜偏转方向x的图像相垂直，其中所述图像由分光光度计20形成在探测器26上。图4示出了探测器26光敏表面上出现的图像内容。它由四个几何波段B1-B4所组成，每个波段均通过分光光度计20，源自狭缝41-44之一的图像。因此，每个几何波段均基于相应狭缝的图像且平行于光谱发散方向而延伸。根据由光孔分像棱镜31-34所产生的棱镜偏转，几何波段B1-B4垂直于光谱发散方向相对彼此相互偏移。在本说明书概述部分，光谱发散方向称为第一探测方向，且在图4中由D1表示。垂直于D1的方向，表示为D2且称为第二探测方向，与棱镜偏转方向x光学相共轭。
将探测器26光敏表面上形成的几何波段B1-B4分配至光谱光度测量的光谱波段，通过一组过滤器27来实现，称为第一组过滤器。该组27过滤器直接保持在探测器26光敏表面的正面，每个过滤器覆盖整个相应的几何波段。因此，几何波段B1-B4之一中的探测器26检测到的辐射限于该组27过滤器的光谱波段宽，其中所述过滤器覆盖该几何波段。从探测器26光敏表面的一个像素到探测方向D1中的下一个像素的过渡，对应像素位于其下方的过滤器的光谱波段内的波长变化。因此，读出与几何波段B1-B4中的任一波段内探测方向D1相平行的探测器26相同立柱中的像素，提供了与几何波段相对应光谱波段内辐射的光谱强度分布的评价。同时，从光谱光度测量的一个光谱波段至另一个光谱波段的转换，与沿探测方向D2的移动相对应，以便变更几何波段。在探测器26处，围绕指向方向DP的设备100的角度场受到狭缝41-44长度的限制，但也可以通过沿探测方向D2的选择，以补充方式进行限制，在其中所述方向，在各个几何波段B1-B4内实际读取像素。可能地，来自在探测方向D2中对齐选定像素，但属于几何波段B1-B4的相同光谱波段的读出信号，可添加在一起，以增加信噪比。优选地，可以定义各组相邻像素，其提供空间信息，所以也提供大气相邻立柱上的测量。因此，如果每个频带有p个像素，且需要大气中q立柱的测量，足以定义每个p/q相邻像素的q组(例如：p＝300和q＝3组100个相邻像素，每个提供三个大气立柱测量)。
可能地，具有与第一组27过滤器光谱特性相同的附加过滤器组，可设在望远镜10的入射光孔PE处和狭缝41-44处，或该两个位置中的一处。附加过滤器设在入射光孔PE处时，与透光膜17各个开口O1-O4一对一地分配。例如，可由光孔分像镜像31-34所携带。当然，分配给每个开口O1-O4的附加过滤器，必须与第一组27过滤器相同或相兼容，以符合从该孔口出射且从设备100至探测器26传送的辐射F1-F4光束中的一个。相同条件适用于设在狭缝41-44处或附近的附加过滤器。
图1进一步示出了两个可选偏转镜25a和25b，其一方面用于使狭缝掩模40横向移动，另一方面用于相对于镜子21，以相反方向移动具有过滤器27组的探测装置26。因此，沿着朝向衍射光栅24的辐射F1-F4的光束路径，偏转镜25a位于狭缝掩模40和镜子21之间，沿着从衍射光栅24返回的辐射F1-F4的光束路径，偏转镜25b位于镜子21和过滤器27组之间。这种配置解决了阻碍问题，特别是当分光光度计20包含在保护免受二次热辐射的低温恒温器中时。低温恒温器的光学窗口，由通过离开望远镜10第三镜子13的辐射F1-F4光束穿过，可位于出射光孔PS和望远镜10的输出焦面PF之间。所述光学窗口由图1中标记30所标定。
由于望远镜10入射光孔PE中子光孔的偏移，在探测器26上形成几何波段B1-B4的辐射F1-F4的光束可在衍射光栅24上彼此横向之间相隔开。然后这些光束间的距离要求衍射光栅24具有可以占据不确定空间量的大尺寸，导致尺寸过大无法制造。为了解决该难题，附加棱镜51-54，图5所示光孔对准棱镜，按狭缝41-44一对一设置，优选地设在分光光度计20的一侧。因此，光孔对准棱镜51-54不改变探测器26光敏表面上的几何波段B1-B4的位置，但是，允许辐射F1-F4光束在衍射光栅24处相互叠加或至少紧密相连。由此，可缩小衍射光栅24的尺寸。
如合适，每个光孔对准棱镜51-54可具有上述附加过滤器，与光谱测量波段相关，其中所述光谱测量波段与设有光孔对准棱镜的狭缝相对应。可选地，每个光孔对准棱镜可略倾斜，以更精准地由望远镜10从透光膜17的开口O1-O4所形成的图像上，叠加分光光度计20的入射光孔，与望远镜的出射子光孔相对应。
将有开口28的掩模设在与辐射传播方向相对的光孔对准棱镜51-54的下游，在棱镜51-54几毫米之内，以抑制棱镜51-54表面意外反射所产生的杂散辐射成分。
设备100的光谱光度测量的光谱波段，由过滤器所确定，可位于近红外线中。这些光谱波段可以是，例如：波段B1为[757.8nm；767.5nm]，波段B2为[1593.8nm；1717.2nm]，波段B3为[2018.8nm；2048.5nm]，波段B4为[1782.4nm；1707.0nm]。这些光谱波段可根据空间任务进行调整，以表征地球表面所发生的碳化合物的气流。
对于设备100的光学元件，也可以采用以下数值，再次通过以下示例：
望远镜10的焦距：约122mm
望远镜10入射光孔的尺寸：约40x 26mm2
各狭缝41-44的尺寸：约0.05mm×1.30mm，针对沿探测方向D2的各几何波段B1-B4产生约100像素的宽度
衍射光栅24的尺寸：约80mm x 54mm
衍射光栅24的线密度：60.39线/毫米，产生以下衍射级数：B1波段为40，B2波段为19，B3波段为15，B4波段为18
衍射光栅24的闪耀角:67.30°
衍射光栅24上的辐射入射角：70.30°
近Littrow配置中分光光度计20的焦距：243mm
阵列探测器26的大小：1000x 1000像素
沿探测方向D1的几何波段B1-B4中各波段长度：约1000像素
光孔分像棱镜31-34的顶角：产生几何波段B1的棱镜31为20.41°，产生几何波段B2的棱镜32为6.82°，产生几何波段B3的棱镜33为6.66°，产生几何波段B3的棱镜34为18.63°，产生约150像素的间隔，沿探测方向D2，在两个相邻几何波段B1-B4之间。
在这些条件下，设备100所具有的质量可小于或约等于70kg以及尺寸小于或约等于900mm×620mm×450mm，包括用于容纳分光光度计的低温恒温器，但不包括围绕望远镜10入射E所设置的挡板。
最后，图6示出刚描述设备100在人造卫星上的使用。卫星S围绕地球T运转。在设备100使用期间，优选定向卫星S，使得指向方向DP指向地球T的中心CT。因此，指向方向DP朝向最低点，如图所示。另外，卫星S优选地围绕相应定向指向方向DP旋转，使得棱镜偏转方向X垂直于卫星S沿地面的路径，采用TS表示。换句话说，地球表面的图像可由望远镜10形成于输出焦面PF中，并在垂直于x方向的方向上推进。通过这种方式，可在四个光谱波段中同时获得光谱光度测量，以表征沿指向方向DP的地球大气所包含的碳化合物。同步获得的测量值可理解为其同时受阵列探测器26像素读出约束唯一限制的平均测量值。
应当理解，本发明可通过修改相对于上述实施例的第二方面进行再现。特别是，可对其进行调整以获得具有任何数量光谱测量波段的光谱光度测量设备。最后，可以回想所有提供的数值均仅作为非限制性实例提供。

Claims (12)

1.具有多个光谱测量波段的光谱测量设备(100)，包括：
-望远镜(10)，其具有入射光孔(PE)和输出焦面(PF)，适于在所述输出焦面上聚焦通过所述入射光孔进入所述望远镜的射线；
-分光光度计(20)，其具有叠加在所述望远镜(10)的所述输出焦面(PF)上的入射，且包括光谱发散元件(24)和与所述分光光度计的入射光学共轭的阵列探测器(26)；所述探测器具有光敏表面，其中所述光敏表面在与所述光谱发散元件产生的光谱发散方向平行的第一探测方向上延伸(D1)，也在与所述第一探测方向垂直的第二探测方向(D2)上延伸；
其特征在于，所述设备(100)进一步包含：
-透光膜(17)，其设在所述望远镜(10)的所述入射光孔(PE)中并具有多个开口(O1-O4)，以形成分别专用于光谱测量波段的独立子光孔；
-光孔分像棱镜(31-34)，其按所述透光膜(17)的开口(O1-O4)一对一设置，这样每个光孔分像棱镜偏转一部分通过棱镜偏转方向(X)中相应子光孔的辐射，其中所述棱镜偏转方向(X)为所有光孔分像棱镜所共有，且棱镜偏转幅度与每个其它光孔分像棱镜所不同，且所述分光光度计(20)相对光孔分像棱镜定向，以便所述第二探测方向(D2)通过所述望远镜和所述分光光度计在光学上与棱镜偏转方向对应；
-多个的狭缝(41-44),其分布在所述分光光度计(20)的入射处，使得狭缝的纵向方向在光学上对应通过所述望远镜(10)的所述棱镜偏转方向(X)，且狭缝彼此相互偏离，以便每个均可通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)之一、所述光孔分像棱镜(31-34)之一，和通过所述望远镜接收源自所述望远镜的指向方向(DP)的相应部分辐射；以及，
-第一组过滤器(27)，每个过滤器确定其中一个光谱测量波段，第一组过滤器设在所述探测器(26)的所述光敏表面的正面，第一组中的每个过滤器均在探测孔口内有效，其中所述探测孔口在沿狭缝(41-44)中的仅一条的图像的第二探测方向(D2)叠加，由所述分光光度计(20)形成，其中一部分辐射通过所述透光膜(17)的其中一个开口(O1-O4)进入所述望远镜(10)，每个过滤器的探测孔口在所述第一探测方向(D1)中延伸。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包含至少第二组过滤器，其中所述第二组过滤器也与光谱测量波段一一对应，设在所述光孔分像棱镜(31-34)处,或在所述分光光度计入射和所述光谱发散元件(24)之间的分光光度计(20)内部，以便与相同光谱波段对应的第一组过滤器(27)和每个第二组过滤器由辐射的相同部分穿过，所述辐射通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)中的仅一个进入所述望远镜(10)。
3.根据权利要求1所述的设备，进一步包括至少一个光场掩模，所述光场掩模靠近所述望远镜(10)的所述输出焦面(PF)或所述望远镜的中间像平面(PI)所设置，每个光场掩模都具有与狭缝(41-44)相对应的开口或有图像在狭缝上相叠加，所述图像由所述望远镜的一部分组成，包括在所述光场掩模和所述望远镜的所述输出焦面之间，辐射通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)进入所述望远镜。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括一组附加棱镜(51-54)，称为光孔对准棱镜，其与所述狭缝(41-44)一一对应设置并且适于在所述光谱发散元件上彼此叠加，来自所述狭缝的所有辐射部分均通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)之一进入所述望远镜。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光谱发散元件(24)是衍射光栅，并设置分光光度计，使得通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)进入所述望远镜的辐射由衍射光栅反射。
6.根据权利要求1所述的设备，进一步包括偏振扰偏器(15)，所述偏振扰偏器(15)设置在相对于所述望远镜中辐射传播方向的所述望远镜(10)的所述入射光孔(PE)上游，所述偏振扰偏器适于混合在通过所述透光膜(17)的开口(O1-O4)之一的各部分辐射中的不同偏振。
7.根据权利要求1所述的设备，包括所述透光膜(17)中的至少N个开口(O1-O4)、N个光孔分像棱镜(31-34)、N个狭缝(41-44)和第一组过滤器(27)中的N个过滤器，以便在N个光谱波段中同步光谱光度测量，其中N是2到12之间的整数，或者等于2或12。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述透光膜(17)包括附加孔口(O5)，且设备(100)进一步包括成像系统(60)和设在所述望远镜(10)的出射光孔(PS)中的光束分离元件(19)，调整所述光束分离元件，使得通过所述透光膜的所述附加孔口进入所述望远镜的附加部分辐射传播到所述成像系统，而通过所述透光膜(17)的所述开口(O1-O4)进入所述望远镜的辐射部分在所述狭缝(41-44)的方向上传播。
9.测量地球大气的测量区中存在的化学组成部分的方法，其包括以下步骤：
/1/在卫星(S)上安装根据权利要求1至8中任一项所述的具有多个光谱测量波段的光谱测量设备(100)；
/2/将所述卫星(S)置于围绕地球(T)的轨道中，以便所述卫星飞过所述测量区；
/3/将望远镜(10)的指向方向(DP)指向所述测量区；以及，
/4/在将所述望远镜(10)的指向方向(DP)保持朝向所述测量区的同时，激活分光光度计(20)的探测器(26)，并捕获来自所述探测器的像素的读出信号，所述读出信号分别在所述探测器光敏表面的几何波段(B1-B4)内提供辐射的光谱强度分布，所述辐射的光谱强度分布源自光谱测量波段之一的测量区，其中所述探测器通过分光光度计(20)与狭缝(41-44)一一光学相关。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述卫星(S)进行定位，以便在第/4/步中，所述望远镜(10)的所述指向方向(DP)在所述卫星的最低点方向上叠加。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对所述卫星(S)进行定位，以便在第/4/步中，棱镜偏转方向(X)与输出焦面(PF)中的所述望远镜(10)形成的测量区的图像的前进方向相垂直。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述设备(100)的至少一个光谱测量波段包括至少一种气态碳化合物的吸收线。
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