DD287098A5

DD287098A5 - Mehrkanal-fourier-spektrometeranordnung

Info

Publication number: DD287098A5
Application number: DD33116689A
Authority: DD
Inventors: Wladimir Arsamaszew; Klaus Koerner; Dieter Oertel
Original assignee: Adw Ddr Inst Kosmosforschung
Priority date: 1989-07-26
Filing date: 1989-07-26
Publication date: 1991-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kompakte mehrkanalige Fourierspektrometeranordnung, welche an Bord von Satelliten oder Flugzeugen z. B. zur Untersuchung von Planetenatmosphaeren oder von Schadstoffen in der Erdatmosphaere eingesetzt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung bekannter Spektrometeranordnungen, wobei die Moeglichkeit zu schaffen ist, spektrale Messungen in einem breiten Spektralbereich in einem Abtastzyklus durchzufuehren. Hierbei sollen die Vorteile des Drehreflektorprinzips genutzt werden. Gemaesz Figur ist die Spektrometeranordnung derart aufgebaut, dasz zusaetzlich n1 Strahlteiler (3; 10), 2(n1) Reflektoren und 2n Umlenkspiegel (1; 2; 4; 5; 11; 12) vorhanden sind, wobei sich alle verwendeten Strahlteiler (3; 10) in einer Ebene befinden, alle Reflektoren untereinander und mit dem Antrieb verbunden als Winkelspiegel (7; 8; 14; 15) mit parallelen Kanten und einer symmetrisch zur Strahlteilerebene bezueglichen Lage, paarweise nach entgegengesetzten Seiten gerichtet sowie um den Mittelpunkt drehbar ausgefuehrt sind und eine Winkelspiegelanordnung (19) bilden, die Umlenkspiegel (1; 2; 4; 5; 11; 12) symmetrisch bezueglich der Strahlteilerebene angeordnet und optisch mit den entsprechenden Strahlteilern (3; 10) und Winkelspiegelpaaren in Bezug stehen und die Kanten aller Winkelspiegel (7; 8; 14; 15) in einer Ebene liegen, deren Schnittlinie mit der Strahlteilerebene die Rotationsachse der Winkelspiegelanordnung (19) bildet. Figur{Spektrometer; Fourierspektrometrie, mehrkanalig; Drehreflektor; Winkelspiegelanordnung, drehbar; IR-Bereich; Strahlteiler; Bordgeraet; Satellit; Umlenkspiegel}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine kompakte mehrkanalige Fourierspektrometeranordnung, welche an Bord von Satelliten oder Flugzeugen z. B. zur Untersuchung von Planetenatmosphären oder von Schadstoffen in der Erdatmosphäre eingesetzt werden kann.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt ist ein analoges Fourier-Spektrometer FIR-30 der Firma Polytec GmbH/BRD. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt eine Infrarot-Strahlungsquelle, einen Modulator, ein Michelson-Interferometer, einen Mechanismus zum Wechsel der Strahlteller, Umlenkspiegel, ein Filtermagazin sowie einen Infrarotempfänger und gestattet, bedingt durch die Anordnung der Folienstrahlteiler aus Lawsan und Polypropylen auf einer rotierenden Scheibe, einen einfachen Wechsel derselben. Ebenso ist ein schneller Wechsel der Filter mittels des Filtermagazins, das sich vor dem Empfänger befindet, möglich. Mit diesen Anordnungsmerkmalen wird der Arbeitsspektralbereich des Gerätes erweitert, wobei die Modula'.ionsfrequenz der zu messenden Strahlung unveränderlich ist.

Der vorhandene Satz der Folienstrahlteiler erlaubt allerdings nicht, einen ausreichend großen Spektralbereich zu überdecken. Eine weitere Beschränkung ergibt sich durch den verwendeten Empfänger sowie durch die feste und relativ geringe Abtastfrequenz. Außerdem können mit dem Spektrometer keine spektralen Messungen in einem breiten Wellenbereich in ein und demselben Zeitabschnitt (in einem Abtastzyklus) durchgeführt werden.

Ebenfalls bekannt ist das Fourier-Spektrometer FTS-14 der Firma Diglab. Diese Vorrichtung beinhaltet ein Michelson-Interferometer mit Referönzkanal und Vergleichskanal, Umlenkspiegel, zwei Empfänger für zwei Spektralbereiche und einen speziellen Strahlteiler. In dieser Vorrichtung müssen die Empfänger nicht so oft gewechselt werden, wie in einem Gerät mit einem Strahlteiler herkömmlicher Konstruktion. Die Umlenkspiegel dienen hierbei der Umschaltung zwischen Referenz- und Vergleichsstrahlbündel.

Ein derartiges Spektrometer hat jedoch einen begrenzten Spektralbereich, da ein spezieller Strahlteiler mit bestimmten materialbedingten Eigenschaften verwendet wird. Um spektrale Messungen in einem bestimmten spektralen Arbeitsbereich, der in der Regel über die Grenzen des Arbeitsbereiches eines Strahlteilers hinausgeht, durchführen zu können, muß der Strahlteiler ausgetauscht und anschließend das Gerät neu geeicht werden. Diese Maßnahmen sind sehr zeitaufwendig und gestalten den Prozeß der Untersuchungen uneffektiv. Der erwähnte Nachteil gestattet es nicht, spektrale Messungen in einem breiten Wellenbereich in ein und demselben Zeitabschnitt, d. h. in einem Abtastzyklus durchzuführen und begrenzt die funktionellen Möglichkeiten solcher Vorrichtungen bei ihrer Verwendung, z. B. in Fourier-Spektrometern zur Untersuchung der Planetenatmosphäre von Satelliten aus oder bei anderen Messungen, die mit der Untersuchung von zeitabhängigen Prozessen zusammenhangen.

Außerdem ist im Gerät FTS-14 als Führung für die Verschiebung des beweglichen Abtastreflektors des Interferometers ein Luftlager komplizierter Konstruktion erforderlich, das während des Betriebes eines ständigen Gaspolsters bedarf, d. h. es ist eine aufwendige Druckgasversorgung notwendig, wodurch der Einsatz des Spektrometer unter Feldbedingungen erschwert ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Spektrometeranordnung zur Durchführung von spektralen Messungen in einem breiten Wellenlängenb6reich ohne einen mechanischen Austausch von funktionsbestimmenden Baugruppen vornehmen zu müssen. Damit wird eine Erhöhung der Meßeffektivität und eine Erweiterung der funktionellen Möglichkeiten derartiger Spektrometer angestrebt.

-2- 287 098 Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung bekannter Spektrometeranordnungen, wobei die Möglichkeit zu schaffen ist, spektrale Messungen in einem breiten Spektralbereich in einem Abtastzyklus durchzuführen. Hierbei sollen die Vorteile des Drehroflektorprinzips genutzt werden.

Erfindungsgemäß wird eine bekannte Spektrometeranordnung, welche ein Mehrkanal-Fourier-Spektrometer mit Strahlteiler, Reflektoren, Antrieb und η Photoempfängern, wobei η die Zahl der Kanäle repräsentiert, darstellt, durch zusätzliche n-1 Strahlteiler, 2(n-1) Reflektoren und 2 η Umlenkspiegel erweitert, wobei sich alle Strahlteiler in einer Ebene befinden, alle Reflektoren untereinander und mit einem Antrieb verbunden als Winkelspiegel mit parallelen Kanten und einer symmetrisch zur Strahlteilerebene bezüglichen Lage, paarweise nach entgegengesetzten Seiten gerichtet sowie um den Mittelpunkt drehbar ausgeführt sind und eine Winkelspiegelanordnung bilden, die Umlenkspiegel symmetrisch bezüglich der Strahlteilerebene angeordnet und optisch mit den entsprechenden Strahlteilern und Winkelspiegelpaaren in Bezug stehen. Weiterhin liegen die Kanten aller Winkelspiegel in einer Ebene, deren Schnittlinie mit der Strahlteilerebene die Rotationsachse der Winkelspiegelanordnung bildet.

Die vorgeschlagene Vorrichtung erlaubt bei ihrer Verwendung als Radiometer große Gesichtswinkel bezogen auf den umgebenden Raum, ohne daß spezielle, den Raum abtastende, Vorrichtungen erforderlich sind. Da in der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Ermittlung der optischen Gangdifferenz in den Interferometerflügeln eine Drehbewegung verwendet wird, entfällt die Notwendigkeit der Verwendung von Luftlagern mit einem Gasversorgungssystem. Außerdem ist die optische Gangdifferenz bei gleicher Größe der Linearverschiebung der scannierenden Winkelspiegelanordpung in dem vorgeschlagenen Spektrometer doppelt so groß, d. h. die spektrale Auflösung erhöht sich. Das vorgeschlagene optisch-konstruktive Prinzip gestattet den Aufbau ausreichend kompakter Fourier-Spektrometer, die an Bord von Flugapparaten (Satelliten, Flugzeuge) eingesetzt, in einem Kryostat untergebracht und für ökologische Untersuchungen von Schadstoffen in der Atmosphäre unter Feldbedingungen verwendet werden können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand einer Figur und eines Beispiels näher erläutert werden. Mittels der Figur ist das optische Prinzip des Mehrkanal-Fourier-Spektrometers dargestellt. Die Spektrometeranordnung umfaßt die Umlenkspiegel 1 und 2, den Strahlteiler 3, die Umlenkspiegel 4 und 5, die Kompensationsplatte 6, die Winkelspiegel 7 und 8, den off-axis-Parabolspiegel 9, den Strahlteiler 10, die Umlenkspiegel 11 und 12, die Kompensationsplatte 13, die Winkelspiegel 14 und 15, den off-axis-Parabolspiegel 16, die Strahlungsempfänger 17 und 18, die Winkelspiegelanordnung 19 sowie das Filter 20.

Das in der Figur dargestellte Priaiip gilt ebenfalls für eine Mehrkanaleinrichtung, welche durch gestrichelte Linien angedeutet sind. Die Aniahl der maximal möglichen Kanäle wird im vorliegenden Falle durch die Notwendigkeit der Überdeckung von Spektralbereichen, durch die Forderungen bezüglich der Masse und durch die realen Abmessungen der Vorrichtung begrenzt. Das kollimierte Strahlbündel der zu untersuchenden Strahlung wird mit Hilfe der Umlenkspiegel 1 und 2 in das Interferometer gelenkt. Vom Umlenkspiegel 1 fällt das Bündel auf den Strahlteiler 3, er teilt dieses Bündel in zwei Bündel, d. h. in ein durchlaufendes und ein reflektiertes Bündel, von denen eines auf den Umlenkspiegel 4, das andere auf den Umlenkspiegel 5 gelangt, wobei das durchlaufende Bündel noch die Kompensationsplatte 6 passiert. Die Umlenkspiegel sind so angeordnet, daß die durch den Strahlteiler erzeugton Bündel anschließend parallel zueinander verlaufen. Jedes der Bündel wird dann von einem Winkelspiegel 7 bzw. 8 reflektiert und fällt, nachdem es von den Umlenkspiegel zurückgeworfen wurde, über den gleichen Weg auf den Strahlteiler 3. Nach dem Strahlteiler 3 wird ein Teil der Bündel in Richtung des Eingangsumlenkspiegels 1 abgelenkt, ein anderer Teil wird auf den off-axis-Parabolspiegel 9 gerichtet. Analog dazu fällt das kollimierte Bündel vom Eingangsumlenkspiegel 2 auf den Strahlteiler 10, dieser teilt das Bündel ebenfalls in ein durchlaufendes und ein reflektiertes Bündel, welche auf die Umlenkspiegel 11 bzw. 12 fallen, wobei das durchlaufende Bündel die Kompensationsplatte 13 passiert. Die Umlenkspiegel sind so angeordnet, daß beide durch den Strahlteiler erzeugten Bündel anschließend parallel zueinander verlaufen. Diese Bündel werden dann von den Winkelspiegeln 14 bzw. 15 reflektiert und fallen, nachdem sie von den Umlenkspiegeln zurückgeworfen wurden, über den gleichen Weg auf den Strahlteile 10. Vom Strahlteiler 10 wird ein Teil der Bündel auf den Eingangsumlenkspiegel 2 gelenkt, ein Teil wird auf den off-axis-Parabolspiegel 16 gerichtet. Die Kompensationsplatten 6 und 13 werden zur Kompensation der optischen Gangdifferenz, die durch das Material des Strahlteilers verursacht wird, verwendet, d. h. zur Gewährleistung eines gleichen optischen Weges in beiden Interferometerflügeln unter Einbeziehung der Stärke der Strahlleiter in beiden Meßkanälen des Spektrometers. Die auf diese Art und Weise vermischten interferierenden Bündel werden auf die Empfänger 17 und 18 gegeben.

Bei der Drehung der Winkelspiegelanordnung 19 um die „ΝυΙΓ-Achse werden zwei Winkelspiegelpaare auf entsprechenden Bahnen um diese Rotationsachse verschoben. Die Werte delta S1 und delta S 2 des Spiegelganges als Summe der Verschiebung jedes dieser zwei Winkelspiegelpaare in jedem der Kanäle beträgt bei einer Drehung um den Arbeitswinkel alpha:

delta SI = h1 sinrlpha delta S 2 = h2 sin alpha

Der Wert der optischen Gangdifferenz zwischen den interferierenden Bündeln beträgt für die einzelnen Kanäle

L1=2deltaS1 $

L2 = 2delatS2

und kann durch die Gleichungen L1 = 2h 1 sin alpha L2 =-- 2h2 sin alpha

ausgedrückt werden.

In dor Figur ist das optische Schema eines Fourier-Spektrometers dargestellt, das als Radiometer verwendbar ist, d. h. zur spektralen Messung der in das Gerät vom zu untersuchenden Objekt einfallenden Strahlung.

Das gezeigte Pinzip kann durch oin elektronisches Signalverarbeitungssystem, eine oder mehrere Meßstrahlungsquellen mit Kollimator sowie durch eine (oder mehrere) Küvettenkammer(n) zur Untersuchung von Proben in den nach dem Strahlteiler gemeinsam weggeführten (verschobenen) Bündeln ergänzt werden (energetische Fourier-Spektroskopie). Die Probe kann in den Strahlengang eines der Interferometerflügel jedes der Meßkanalpaare eingebracht werden (Amplituden-Fourier-Spektroskopie). Zweckmäßig ist die Anordnung eines Filters 20, welches den nichtverwendeten Kurzwollenanteil dos Spektralbereiches der Kanäle abschneidet.

Auf der Zeichnung sind die Hilfskanäle des Fourier-Spektrometers, d. h. der Referenzkanal (monochromatisch) und der Weißlichtkanal nicht dargestellt. Diese Kanäle können mit den Meßkanälen zusammengelegt werden oder als selbständige Kanäle - analog den Meßkanälen - ausgeführt werden.

Wenn die Kanten der Winkelspiegel in der Ebene liegen, die durch die Rotationsachse verläuft, verringert sich die Querverschiebung der interferierten Bündel, entsprechend vergrößert sich die Modulationstiefe und es erhöht sich die Empfindlichkeit des Gerätes.

Das vorgeschlagene Mehrkanalspektrometer ermöglicht Untersuchungen in einem breiteren Spektralbereich im Verlaufe eines Abtastzyklus ohne Austausch der Strahlteiler und Empfänger dank der Verwendung von wenigstens zwei verschiedenen Strahlteilern und Empfängern, was, z. B. für die Untersuchung der Planetenatmosphäre von Satelliten aus oder für andere Messungen, die mit der Untersuchung von sich in der Zeit ändernden Prozessen verbunden sind, von großer Bedeutung ist.

Außerdom ist die gleichzeitige Aufzeichnung des zu untersuchenden und des normierton Spektrums, z. B. des „Schwarzkörpers", zur Bestimmung des Spektrenverhältnisses oder auch die gleichzeitige Aufzeichnung des Spektrums, das zur Messung der Strahlungsquelle benutzt wurde, mit dem zu untersuchenden Spektrum der Probe um z. B. den Einfluß der Instabilität der Quelle auf das Meßergebnis zu verringern bzw. auszuschließen, möglich.

Claims

Mehrkanal-Fourier-Spektrometeranordnung, welcher Strahlteiler, Reflektoren, Spiegel, Antrieb und η Photoempfängor, wobei η die Zahl der Kanäle darstellt, enthält, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich n-1 Strahlteiler (3; 10), 2(n-1) Reflektoren und 2 η Umlenkspiegel (1; 2; 4; 5; 11; 12) vorhanden sind, wobei sich alle verwendeten Strahlteiler (3; 10) in einer Ebene befinden, alle Reflektoren untereinander und mit dem Antrieb verbunden als Winkelspiegel (7; 8; 14; 15) mit parallelen Kanten und einer symmetrisch zur Strahlteilerebene bezüglichen Lage, paarweise nach entgegengesetzten Seiten gerichtet sowie um den Mittelpunkt drehbar ausgeführt sind und eine Winkelspiegelanordnung (19) bilden, die Umlenkspiegel (1; 2; 4; 5; 11; 12) symmetrisch bezüglich der Strahlteilerebene angeordnet und optisch mit den entsprechenden Strahlteilern (3; 10) und Winkelspiegelpaaren in Bezug stehen und die Kanten aller Winkelspiegel (7; 8; 14; 15) in einer Ebene liegen, deren Schnittlinie mit der Strahlteilerebene die Rotationsachse der Winkelspiegelanordnung (19) bildet.

Hierzu 1 Seite Zeichnung