DE10102261C1 - Einrichtung zur Strahlführung von einer Szene über ein Interferometer zu einem Detektor für ein abbildendes und/oder nicht abbildendes Fourier-Transform Spektrometer sowie Verfahren zur Optimierung dieser Einrichtung - Google Patents

Abstract

Zum Anpassen eines Detektors an ein abbildendes und/oder nicht abbildendes Fourier-Transform(FT-)Spektrometer wird ein den paralllen Strahl im Fourier-Transform-Spektrometer begrenzendes Blendenelement oder Element (AP¶AC,A¶) scharf auf dem Detektor (D) abgebildet. Im Strahlenverlauf zwischen Spektrometer und Detektor (D) können Elemente für weitere scharfe Abbildungen des begrenzenden Elements (AP¶AC,A¶) vorgesehen werden. Auch kann ein begrenzendes Element (Feldblende) (AP¶AC,OMEGA¶) des Interferometers scharf auf eine in der Größe anpaßbare, gekühlte Blende am Eingang zum Detektor (D) abgebildet werden. Bei einem abbildenden Fourier-Transform-Spektrometer kann ein Objekt in die Ebene des den parallelen Strahl im T-Spektrometer begrenzenden Elements (AP¶AC,A¶) abgebildet werden. DOLLAR A Zum Optimieren werden zuerst zwei die Strahlung im FT-Spektrometer begrenzende Elemente (AP¶AC,OMEGA¶, AP¶AC,A¶) identifiziert. Danach wird der Strahlenverlauf im Spektrometer durch die Elemente (AP¶AC,OMEGA¶, AP¶AC,A¶) sowie abbildende Spiegel hinsichtlich Brennweiten, Winkel und Abständen definiert. Die optische Einrichtung wird dann so erstellt, daß ein scharfes Bild von dem begrenzenden Element (AP¶AC,A¶) auf dem Detektor (D) erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Strahlführung von einer Szene über ein Interferometer zu einem Detektor für ein abbildendes und/oder nicht abbildendes Fourier-Transform (FT) Spektrometer sowie Verfahren zur Optimierung einer solchen Einrichtung.

Stand der Technik Abbildende Spektrometer

Abbildende FT-Spektrometer sind kommerziell deutlich weniger verbreitet als nicht abbildende. Für die satellitengestützte Fernerkundung sollen abbildende FT-Spektrometer eingesetzt werden (siehe M. J. Persky, Rev. Sci. Instrum. 66, 4763-4797, 1995). Bei diesen FT-Spektrometern, welche dem auf Ste. 5 behandelten Fall 2 entsprechen, wird die Szene in das Ge­ sichtsfeld eines Interferometers abgebildet und dieses dann auf eine Matrix aus Detektorelementen, wodurch die abbildende Information räumlich erfaßt wird. Bei dieser Anordnung ist jedes Detektorelement eine Gesichtsfeldblende für das Inter­ ferometer.

Dies bewirkt, daß außen liegende Bildelemente eine deutlich breitere Linienprofilfunktion aufweisen, die obendrein einen unterschiedlichen Frequenzkalibrierungsfaktor haben, da ver­ schiedenen Orten in der Blende AP_{AC, Ω} verschiedene Divergenz­ winkel im Interferometer entsprechen. Die Breite des Anteils der Linienprofilfunktion eines Bildelementes, der von der di­ vergenten Strahlung im Interferometer herrührt, ändert sich mit dem Quadrat des Abstandes vom Mittelpunkt der Blende AP_{AC, Ω}.

Diese Anordnungen weisen folgende Nachteile auf:
Die instrumentelle Linienprofilfunktion wird durch den Ort der einzelnen Detektorelemente relativ zur optischen Achse und durch die Form der Detektorelemente bestimmt. Ferner ist aufgrund der erforderlichen kleinen Detektorelemente eine kurzbrennweitige Detektoroptik erforderlich, wodurch Abbil­ dungsfehler entstehen, die die Linienprofilfunktion des Spek­ trometers verschlechtern. Auch hat jedes Detektorelement eine unterschiedliche Wellenzahlkalibrierung. Der maximale opti­ sche Durchsatz wird durch die auftretende Wellenzahl aller Detektorkanäle bestimmt.

Nicht abbildende FT-Spektrometer

Im Infrarotbereich werden in Fourier-Transform-(FT-)Spektro­ metern zwischen 500 und 2000 cm^-1 (4 bis 20 µm) photoleitende Halbleiterdetektoren und oberhalb 2000 cm^-1 photovoltaische Halbleiterdetektoren eingesetzt; hierbei werden die Detekto­ ren üblicherweise unter 5000 cm^-1 gekühlt. Im langwelligen Bereich kommen neben intrinsischen Photoleitern (MCT, Mercu­ ry-Cadmium-Telluride) auch extrinsische Detektoren mit gerin­ gerem Absorptionskoeffizienten zum Einsatz. Die Empfindlich­ keit der Detektoren wird häufig durch Photonenrauschen und Eigenrauschen begrenzt. Eigenrauschen durch thermische Anre­ gung spielt besonders bei langwelligen Detektoren eine Rolle.

Im langwelligen Bereich kann auch die unmodulierte Wär­ mestrahlung, die auf den Detektor fällt, ein signifikantes Photonenrauschen bewirken, wobei deren optischer Durchsatz durch zwei gekühlte Blenden AP_{AC, Ω} und AP_DC,A begrenzt werden kann; hierbei wird die Blende AP_DC,A häufig durch den Detek­ tor selbst gebildet. Hierbei ist mit dem Index DC das durch die Wärmestrahlung bedingte Gleichspannungssignal bezeichnet. Mit A ist die Aperturblende des Interferometers und mit Ω ist die Gesichtsfeldblende bezeichnet. Ein Optimum an Emp­ findlichkeit wird erreicht, wenn die modulierte Strahlung (AC) vom Spektrometer vollständig von dessen Detektor erfaßt wird, aber gleichzeitig die unmodulierte Wärmestrahlung mini­ miert wird.

In einem herkömmlichen FT-Spektrometer wird ein "paralleler" Strahl aus dem Interferometer durch ein optisches Element ge­ bündelt, wobei sich im Fokus oder in dessen Abbild der Detek­ tor befindet. Im Fokus kann die Gesichtsfeldblende des Inter­ ferometers (AP_{AC, Ω}) vorgesehen sein, wodurch der maximale Di­ vergenzwinkel und damit der Raumwinkel Ω_int der modulierten Strahlung (AC) im Interferometer und somit die Auflösung be­ stimmt ist. Bei der einfachsten Ausführung kann der Detektor selbst als Gesichtsfeldblende fungieren. Die Größe des Strah­ lenbündels im Interferometer wird durch einen Strahlteiler oder Interferometerspiegel begrenzt, wobei die so gebildete Aperturblende des Interferometers als AP_AC,A bezeichnet wird.

Bei üblichen kommerziellen Geräten ist die Größe der Ge­ sichtsfeldblende variabel, um das Gerät an die gewünschten Bedingungen hinsichtlich Frequenzbereich und Auflösung anzu­ passen. Ein entscheidender Nachteil ist jedoch dann, daß die Ausleuchtung des Detektors mit dieser Blende variiert, die Leistungsdichte auf dem Detektor jedoch immer maximal ist. Dies hat gerade bei photoleitenden Detektoren maximale Nicht­ linearitäten zur Folge. Üblicherweise ist bei kommerziellen Geräten der optische Durchsatz für unmodulierte Hintergrund­ strahlung konstant und deutlich größer als für die modulierte Strahlung, so daß das Rauschen u. U. durch die thermische un­ modulierte Strahlung limitiert wird.

Im allgemeinen sind für die Abbildung der Gesichtsfeldblende auf den Detektor drei Fälle zu unterscheiden:
Ein "paralleler" Strahl aus dem Interferometer wird direkt oder über Zwischenabbildung(en)

• 1. ohne gekühlte Detektoroptik auf den Detektor fokussiert
• 2. auf eine kalte Blende fokussiert und dann mit einer ge­ kühlten Detektoroptik auf den Detektor abgebildet oder
• 3. auf die Öffnung eines Konus fokussiert (üblicherweise ein Winston Cone, an dessen Ende sich der Detektor befindet. (Siehe D. A. Harper, R. H. Hildebrand, R. Stiening, R. Win­ ston, Appl. Opt. 15, 53-59, (1976).)

Zu Fall 1.: Der optische Durchsatz eines FT-Spektrometers wird hierbei durch die Größe des "parallelen" Strahls im In­ terferometer (AP_AC,A), die Größe einer Blende AP_{AC, Ω} in einer der möglichen Zwischenfoki und die effektive Fokallänge des zugehörigen Kollimators bestimmt, wobei diese Blende auch der Detektor selbst sein kann. Der optische Durchsatz der unmodu­ lierten Wärmestrahlung wird durch den Öffnungswinkel der De­ tektoreinheit und die Größe des Detektors AP_{AC, Ω} (Apertur­ blende) bestimmt. Üblicherweise ist der Öffnungswinkel durch eine gekühlte Blende AP_{AC, Ω} (Feldblende) vorgesehen, die sich in einem gewissen Abstand vom Detektor befindet.

Eine optimale Anpassung der Hintergrundstrahlung ist meistens nicht möglich, da üblicherweise am Ort der kalten Blende kein scharfes Bild der durchsatzbegrenzenden Blenden der modulier­ ten Strahlung gegeben ist. Im Falle einer variablen Blende AP_{AC, Ω} in einer der Zwischenfoki muß die Größe des Detektors auf die maximale Blendengröße ausgelegt sein. Aus diesem Grund ist der optische Durchsatz der thermischen unmodulier­ ten Strahlung gegenüber der modulierten bei det Verwendung kleinerer Blenden um ein Vielfaches höher. Der Fall 1. ist für kommerzielle FT-Spektrometer typisch.

Zu Fall 2.: Im Gegensatz zu Fall 1. kann der Durchsatz der modulierten Strahlung auch durch eine kalte Blende AP_{AC, Ω} li­ mitiert werden, die auch als Blende AP_AC,A für die unmodulier­ te Strahlung dient. Der optische Durchsatz der unmodulierten Wärmestrahlung wird durch die Größe der kalten Blende und einer weiteren kalten Blende AP_{AC, Ω} vor dem Detektor begrenzt. Befindet sich die zweite Blende im scharfen Bild von AP_AC,A, so läßt sich eine optimale Anpassung von modulierter und un­ modulierter Strahlung erzielen. Fall 2. wird bei kommerziel­ len Geräten nur selten realisiert.

Zu Fall 3.: Hierbei wird der Raumwinkel der unmodulierten Strahlung durch einen speziellen Hohlspiegel (wobei die Ober­ fläche durch Rotation eines nach innen geneigten Parabelastes entsteht) begrenzt. Der Spiegel hat ausgangsseitig ein klei­ nes Loch, hinter dem sich der Detektor in einem verspiegelten Raum befindet. Die Anpassung an den Durchsatz der modulierten Strahlung ist meist nicht zufriedenstellend. Noch unbefriedi­ gender ist die Ausleuchtung des Detektors. Bei stark absor­ bierenden Detektormaterialien ist die resultierende Empfind­ lichkeit gegenüber dem physikalischen Limit schlecht. Bei schwach absorbierenden Detektormaterialien (meist extrinsi­ sche Photoleiter, z. B. Ga-dotiertes Ge) ist jedoch Fall 3. die beste Lösung.

Ausgehend von dem vorstehend angeführten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Strahlführung vom Interferometer zu einem Detektor zu schaf­ fen, mit welcher die Aperturblende auf dem Detektor oder ei­ ner Detektormatrix abgebildet wird, wobei bei geringem Auf­ wand eine optimale optische Anpassung erreichbar ist, sowie ein Verfahren zur Optimierung dieser Einrichtung zu schaffen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegen­ stand von Unteransprüchen 2 bis 7.

Der wesentliche Unterschied der Einrichtung zur Strahlführung vom Interferometer zum Detektor gemäß der Erfindung zum Stand der Technik ist darin zu sehen, daß ein den parallelen Strahl im FT-Spektrometer begrenzendes Blendenelement (AP_{AC, Ω}) scharf auf einen Detektor bzw. ein Detektorarray abgebildet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Strahlen­ gangs zur Abbildung einer Szene auf eine Aperturblende.

Fig. 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Einrichtung zum Anpassen eines Detektors an FT-Spektro­ meter, und

Fig. 3 eine weitere schematische Darstellung einer Einrichtung zum Anpassen eines Detektors an FT-Spektrometer.

Da das Wesentliche bei der Erfindung in der Abbildung der Aperturblende des Interferometers auf den Detektor besteht, erfordert dies im Falle von abbildenden Spektrometern die Ab­ bildung der Szene auf die Aperturblende des Interferometers.

Abbildende Spektrometer

Die Abbildung einer Szene auf die Aperturblende wird im fol­ genden dargestellt. Zur Erläuterung ist der optische Strah­ lengang in Fig. 1 dargestellt. Die Szenestrahlung wird mit ei­ nem Teleskop 1 erfaßt und fokussiert. Bei atmosphärischen An­ wendungen liegt die Szene sehr weit entfernt, weshalb die Fo­ kussierung mit Hilfe von Parabolspiegeln oder Linsen durchge­ führt wird und der Fokus in der Brennebene dieses optischen Elements liegt.

Am Ort des Fokus kann eine Blende angebracht werden, die das Gesichtsfeld des Teleskopes beschränkt. Außerdem befindet sich am Ort des Fokus ein abbildendes Element 2, das eine stark verkleinerte Abbildung des Teleskops erzeugt. Diese Abbildung bildet dann die Feldblende des Interferometers AP_{AC, Ω}. Hier befindet sich Element 3, welches Element 2 auf die Aper­ turblende des Interferometers AP_AC,A abbildet. Als letztes Element vor dem Interferometer befindet sich der Kollimator 4 des Interferometers. Im weiteren Verlauf der Optik befinden sich hinter dem Interferometer eine oder mehrere gekühlte nicht näher dargestellte Feldblenden für das Interferometer AP_{AC, Ω}.

Gegenüber den im Stand der Technik beschriebenen, bekannten abbildenden FT-Spektrometern ergeben sich folgende Vorteile. Die instrumentelle Linienprofilfunktion ist für alle Detek­ torelemente gleich und unabhängig vom Ort oder der Form der einzelnen Elemente. Aufgrund der erforderlichen kleinen De­ tektorelemente ist eine kurzbrennweitige Detektoroptik erfor­ derlich, wodurch Abbildungsfehler entstehen, die aber die Li­ nienprofilfunktion des Spektrometers nicht beeinträchtigen. Jedes Detektorelement hat die gleiche Wellenzahlkalibrierung. Der maximale optische Durchsatz kann für verschiedene Detek­ torkanäle durch unterschiedlich große, gekühlte Interferome­ ter-Feldblenden AP_{AC, Ω} hinter dem Interferometer realisiert werden.

Abbildung auf den Detektor für abbildende und nicht abbilden­ de FT-Spektrometer

In Fig. 2 wird Strahlung aus einem nicht näher dargestellten Interferometer mit Hilfe eines optischen Elements 10 bei­ spielsweise in Form einer Linse, eines Spiegels oder eines anderen geeigneten Elements auf eine gekühlte Blende AP_DC,A fokussiert. Durch weitere optische Elemente 11 wird ein scharfes Bild der Blende AP_{AC, Ω} auf einem Detektorelement bzw. einer Detektormatrix D erzeugt.

Als Sonderfall sind, wie in Fig. 2 dargestellt, die Blenden AP_{AC, Ω} und AP_DC,A identisch. In der Praxis ist dies jedoch oft nicht ratsam, und zwar aus folgenden Gründen: Die Blende AP_{AC, Ω} hat eine entscheidende Funktion im Bezug auf die in­ strumentelle Linienprofilfunktion, weshalb sie im Fokus eines Kollimators liegen sollte, der sich direkt vor oder nach dem Interferometer befindet. Bei vielen Spektrometern gelangt die Strahlung jedoch (z. B. wegen Probenkammern)erst nach mehreren Zwischenabbildungen des Fokus auf den Detektor, was im Falle der in der in Fig. 1 schraffiert wiedergegebenen Detektorein­ heit angebrachten gekühlten Blende zu kumulierten Abbildungs­ fehlern im "parallelen" Strahl des Interferometers und damit zu Verfälschungen der Linienprofilfunktion führt.

Auch führt in der vereinfachten Darstellung der Fig. 2 ein in dieser Figur nicht dargestelltes Fenster, das benötigt wird, um die gekühlte, evakuierte Detektoreinheit von der Umgebung zu trennen, zu ähnlichen Verfälschungen. Daher wird vorteil­ hafterweise eine warme Blende AP_{AC, Ω} interferometernah einge­ setzt und dafür gesorgt, daß ihr Bild etwas kleiner ist als die kalte Blende AP_DC,A.

Die schematische Darstellung in Fig. 2 weist noch eine weitere Vereinfachung auf: Die Blende AP_{AC, Ω} ist durch das Detektor­ element gebildet. Wenn sich im gekühlten Bereich eine weitere Abbildung der Blende AP_AC,A befindet, kann die Blende AP_{AC, Ω} dort positioniert werden. Dies gilt jedoch nicht für abbil­ dende Spektrometer, bei denen die Detektormatrix die entspre­ chenden Blende bilden muß. Die zusätzliche Blende beim nicht abbildenden Spektrometer hat den Vorteil, daß die Form und Größe des Detektor für die Hintergrundstrahlung nicht mehr maßgeblich ist. Es hat sich gezeigt, daß aufgrund der gerin­ gen Detektorgröße und der damit verbundenen schnellen Optik (wegen einer kleinen Blenden-Zahl) die Abbildungen für Astig­ matismus anfällig sind. Deshalb muß der Detektor etwas größer gewählt werden, was ohne eine zusätzlich Blende AP_{AC, Ω} zu mehr Hintergrundstrahlung führt. Auch diese Variante ist in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Durch die in Fig. 2 dargestellte Einrichtung wird eine optima­ le Anpassung von modulierter und unmodulierter Strahlung er­ zielt, wobei sich der optische Durchsatz der unmodulierten Strahlung A_{Ω ,DC} aus der Fläche des Detektors A_DET, der Fläche A_DC,A der kalten Blende AP_DC,A und dem Verkleinerungsfaktor V des Bildes von AP_AC,A auf dem Detektor ergibt. Für das Ver­ hältnis der Durchsätze (Durchsatz der modulierten Strahlung: AΩ_AC gilt :

AΩ_AC/AΩ_DC = A_AC,A/(VA_Det)

Der "parallele" Strahl aus dem Interferometer gelangt auf den Kollimator und wird auf eine gekühlte Blende fokussiert. Der schraffierte Bereich ist gekühlt und stellt die Detektorein­ heit dar. Die scharfe Abbildung der Blende AP_AC,A auf dem De­ tektorelement ist in der Ausführungsform der Fig. 1 durch zwei Linsen (oder Spiegel) erreicht. Wie vorstehend ausgeführt, ist ein abbildendes Element nicht ausreichend, weswegen in der schematischen Darstellung der Fig. 2 zwei Linsen 2 vorge­ sehen sind.

Falls eine hohe Genauigkeit der instrumentellen Linienprofil­ funktion gefordert ist, ist es vorteilhaft, die begrenzende Blende für die modulierte Strahlung mit einem Kollimator mit großer Blenden-Zahl (F < 5) zu realisieren, die sich direkt vor oder hinter dem Interferometer befindet. Selbstverständlich ist die warme Blende dann etwas kleiner als die kalte. Außer­ dem stimmen die Form des Detektors und des Bildes von Blende AP_AC,A meist nicht überein, weshalb es auch hier zu einer ge­ ringen Fehlanpassung kommt. Diese Fehlanpassung läßt sich je­ doch vermeiden, indem eine weitere kalte Blende am Ort eines scharfen Bildes von Blende AP_AC,A unter Berücksichtigung der Form des Detektors angebracht wird.

Neben der optimalen Anpassung des Durchsatzes von modulierter und unmodulierter Strahlung ist gewährleistet, daß bei vari­ abler Blende AP_{AC, Ω} die Ausleuchtung des Detektors gleich bleibt. Dies erleichtert die Korrektur der Nichtlinearität und die photometrische Charakterisierung des Detektors. Im Falle eines abbildenden Spektrometers ergibt sich gemäß der Erfindung ein entscheidender Vorteil dadurch, daß den einzel­ nen Bildelementen verschiedene Orte in der Blende AP_AC,A also im parallelen Strahl, zugeordnet werden. Dadurch ist die in­ strumentelle Linienprofilfunktion für alle Bildelemente gleich. Dies reduziert den Charakterisierungsaufwand, verein­ facht die Auswertung und erhöht die photometrische Genauig­ keit.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei der Emissionsspektrosko­ pie, bei der eine radiometrische Kalibrierung mit Hilfe von definierten Schwarzkörpern erfolgt. Im Falle von nicht abbil­ denden Spektrometern ist somit gegenüber dem Stand der Tech­ nik eine homogene Ausleuchtung des Detektors gewährleistet, auch wenn die Szene inhomogen ist. Dies setzt voraus, daß die Szene nicht auf die Blende AP_AC,A abgebildet wird. Hiermit werden Kalibrierfehler durch die sonst inhomogene Ausleuch­ tung vermieden.

Als Beispiel für die Optimierung der Detektoroptik und zur Beschreibung des hierbei verwendeten Verfahrens wird ein MCT- Detektor, der im Bereich von 600 bis 2000 cm^-1 arbeitet, op­ timal an ein kommerzielles Spektrometer IFS 120 HR angepaßt. Es wird ein handelsübliches 1 × 1 mm² Detektorelement verwen­ det, das für die meisten kommerziellen Anwendungen in einem mit flüssigem Stickstoff gekühlte, kleinen Dewar eingebaut ist und Raumtemperaturstrahlung mit einem Öffnungswinkel von 60° empfängt. Dieser Detektordewar in Verbindung mit den kommerziellen FT-Spektrometer ist eine gängige kommerzielle Lö­ sung und entspricht Fall 1 des Standes der Technik. Der Öff­ nungswinkel der vom Spektrometer stammenden Strahlung ist von der Blende AP_{AC, Ω} abhängig und liegt zwischen 25° und 50°, wo­ bei bei großen Blenden keine scharfe Begrenzung des Strahls erfolgt. Der optische Durchsatz der Hintergrundstrahlung, die in ein solches Dewar gelangt, beträgt 8,6 × 10^-3 cm²sr, während der optische Durchsatz des Spektrometers je nach Anwendung bei Werten von 1,4 × 10^-4 bis 2,2 × 10^-3 cm²sr liegt; d. h. es er­ gibt sich eine 60- bis 4fache Fehlanpassung. Bei durch Hin­ tergrundphotonen limitiertem Rauschen ergibt das einen Emp­ findlichkeitsverlust mit einem Faktor 8 bis 2.

Um die Detektoranpassung entsprechend zu verbessern, wird wie folgt vorgegangen:
Das Spektrometer IFS 120 HR der Firma Bruker besitzt einen Detektorausgang, der es erlaubt, bei einem solchen Detektor externe Optiken zu verwenden. An dem Detektorausgang liegt ein um den Faktor 1,25 verkleinertes Bild der variablen Blen­ de AP_{AC, Ω} an, deren Durchmesser zwischen 0,5 bis 12 mm in 16 Schritten variiert werden kann. Die Blende AP_AC,A ist durch Retroreflektoren des Interferometers gebildet. Die neue Op­ tik, die aus der gekühlten variablen Blende AP_{AC, Ω}, einem sphärischen Spiegel, einem Planspiegel, einem off-axis Para­ bolspiegel und dem Detektor besteht, wird in einen Standard­ dewar eingebaut, der an das Gerät angeflanscht wird. Dieser Aufbau ist in Fig. 3 dargestellt.

Der Strahlenverlauf in dem Spektrometer der Fa. Bruker kann durch begrenzende Blenden AP_{AC, Ω} und AP_AC,A sowie abbildende Spiegel einschließlich Brennweiten, Winkel und Abständen de­ finiert werden. Im Inneren des Dewars ist eine variable Blen­ de im scharfen Bild der Blende AP_{AC, Ω} angebracht, wodurch ein scharfes Bild von der Blende AP_AC,A auf dem Detektorelement erzeugt wird.

Der Strahlenverlauf wird durch ein Raytracing-Programm model­ liert Das Programm berechnet Randstrahlen, die vom Rand der Blende AP_{AC, Ω} ausgehen und den Rand von Blende AP_AC,A durchsto­ ßen, d. h. von jedem Randpunkt der Blende AP_{AC, Ω} laufen mehrere Strahlen zu gleichmäßig verteilten Randpunkten der Blende AP_AC,A. Die Randpunkte der Blende AP_{AC, Ω} sind ebenfalls gleich­ mäßig verteilt. Das Programm berechnet den Verlauf dieser Strahlen für eine benutzerspezifizierte Spiegeloptik, wobei die Position der Spiegel durch ein kartesisches Koordinaten­ system definiert ist und für plane, sphärische, torische, pa­ rabolische und elliptische Spiegel die Reflexionen analytisch berechnet werden. Die Durchstoßpunkte der weiterverfolgten Strahlen lassen sich für beliebige Schnitte senkrecht zur op­ tischen Achse darstellen.

Aufgrund der geringeren Verluste und Reflexionsprobleme sind Spiegel vorzusehen, wobei die maximale Größe der Spiegel durch die Abmessungen des Dewars vorgegeben ist. Mit Hilfe des Raytracing-Programms wird festgestellt, daß zwei abbil­ dende Spiegel benötigt werden. Hierbei ist der grundsätzliche Aufbau: Kalte Blende - sphärischer Spiegel - Off-axis Para­ bolspiegel - Detektorelement.

Zur Optimierung der Abbildungsqualität wird mit Hilfe eines Computerprogramms, basierend auf der Linsengleichung (1/Brennweite = 1/Gegenstandsweite + 1/Bildweite), Größe und Ort von Bildern der Blende AP_AC,A errechnet und die Größe des Strahls am Ort der Spiegel abschätzt. Ferner wird das Öff­ nungsverhältnis am Detektorelement berechnet, da dieses mög­ lichst groß sein sollte, um auch für einen großen optischen Durchsatz eine möglichst scharfe, verzerrungsfreie Abbildung auf dem Detektorelement zu erhalten.

Bei der Optimierung werden folgende Parameter innerhalb sinn­ voller Grenzen variiert: Abstand Blende - sphärischer Spie­ gel, Abstand sphärischer Spiegel - off-axis Parabolspiegel, Brennweiten beider Spiegel unter der Randbedingung eines festgelegten Verkleinerungsverhältnisses des Bildes von Blen­ de AP_AC,A, daß durch die Größe des Detektorelementes gegeben wird. Als weitere Randbedingung wird die maximale Größe der Spiegel berücksichtigt.

Für Parameter mit großen Öffnungsverhältnissen wird mit dem vorstehend erwähnten Programm Raytracing durchgeführt und die Abbildung auf dem Detektorelement betrachtet. Der off-axis Winkel des Parabolspiegels wird optimiert. Hierbei ist die Randbedingung die Größe der Aufhängung des Detektorelements. Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern muß der off-axis Winkel so klein wie möglich sein. Die Detektoreinheit wird dann ent­ sprechend den ermittelten Parametern aufgebaut und die abbil­ denden Spiegel werden mit justierbaren Dreipunkthalterungen ausgeführt.

Die Anordnung der Spiegeln, Blenden und des Detektorelements entspricht derjenigen der schematischen Darstellung in Fig. 3.

Gegenüber einer von der Firma Bruker gelieferten Detektorein­ heit ergab sich für Emissionsmessungen (Strahlungsquelle ca. 300 K) im Bereich 650-2000 cm_-1 für die kleinste Blende eine Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von ca. 10, was einem Meßzeitgewinn von einem Faktor 100 entspricht. Bei Absorptionsmessungen wurde durch Einsatz eines gekühlten Filters (Tiefpass 1000 cm_-1) eine Verbesserung um einen Fak­ tor 8 erreicht.

Die Möglichkeit, variable kalte Blenden einzusetzen, eröffnet auch einen Weg der Detektorcharakterisierung. Hierzu fällt thermische Hintergrundstrahlung auf den Detektor und es wird am ersten Vorverstärker das Gleichspannungssignal abgegriffen und bei einer definierten elektrischen Bandbreite das Rau­ schen ermittelt. Aufgrund der Kenntnis der einfallenden Strahlungsleistung und des Detektor-Cut-Off läßt sich die mittlere Detektorempfindlichkeit und die mittlere Quantenaus­ beute bestimmen. Ferner läßt sich aufgrund der Änderung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses mit der eingestrahlten Lei­ stung auch thermisches Anregungsrauschen von Hintergrundpho­ tonenrauschen quantitativ separieren. Ferner kann auch die Nichtlinearität des Detektors charakterisiert werden.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Anpassen eines Detektors an ein abbilden­ des und/oder nicht abbildendes Fourier-Transform-(FT-)Spek­ trometer mit einem den parallelen Strahl im Fourier-Trans­ form-Spektrometer begrenzenden Blendenelement oder Element, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzende Blendenelement oder Element (AP_AC,A) scharf auf dem Detektor (D) abgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlenverlauf zwischen Spektrometer und Detektor (D) Elemente für weitere scharfe Abbildungen des begrenzenden Elements (AP_AC,A) vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzende Element als Feldblende (AP_{AC, Ω}) des Interfero­ meters scharf auf eine in der Größe anpaßbare, gekühlte Blen­ de am Eingang zum Detektor (D) abgebildet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldblende (AP_{AC, Ω}) des Interferometers durch eine gekühl­ te Blende am Eingang zum Detektor gebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in einer Zwischenabbildung des begrenzenden Elements (AP_AC,A) eine gekühlte Blende vorgesehen ist.

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einem abbildenden Fou­ rier-Transform-Spektrometer ein Objekt in die Ebene des den parallelen Strahl im FT-Spektrometer begrenzenden Elements (AP_AC,A) abgebildet wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch
ein Teleskop (1), mit welchem die Szenestrahlung erfaßt und fokussiert wird,
ein abbildendes erstes Element (2) am Ort des Fokus, das eine stark verkleinerte Abbildung des Teleskops erzeugt, welche die Feldblende (AP_{AC, Ω}) des Interferometers bildet,
ein zweites abbildendes Element (3) am Ort dieser Abbildung, welches das erste Element (2) auf die Aperturblende (AP_AC,A) des Interferometers abbildet, und
einen Kollimator (4) des Interferometers im weiteren Verlauf des Strahlengangs.

8. Verfahren zur Optimierung einer optischen Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) zwei die Strahlung im FT-Spektrometer begrenzende Elemente als erstes Element (AP_{AC, Ω}) und als zweites Element (AP_AC,A) identifiziert werden;
• b) der Strahlenverlauf im Spektrometer durch die Elemente (AP_{AC, Ω}, AP_AC,A) sowie abbildende Spiegel hinsichtlich Brenn­ weiten, Winkel und Abständen definiert wird, und
• c) die optische Einrichtung so erstellt wird, daß ein scharfes Bild von dem begrenzenden zweiten Element (AP_AC,A) auf dem Detektor (D) erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
der Strahlenverlauf mit Hilfe eines Raytracing-Programms si­ muliert wird, mittels welchem die Randstrahlen durch die bei­ den begrenzenden Elemente (AP_{AC, Ω}, AP_AC,A) durch die gesamte op­ tische Einrichtung verfolgt und ihre Durchstoßpunkte durch Ebenen senkrecht zur optischen Achse berechnet werden;
daß die minimale Anzahl und Art von abbildenden optischen Elementen aufgrund von Randbedingungen unter Verwendung des Raytracing-Programms ermittelt wird;
daß die Abbildungsqualität mittels eines Computerprogramms optimiert wird, indem basierend auf der Linsengleichung
Größe und Ort von Bildern des begrenzenden zweiten Ele­ ments (AP_AC,A) berechnet,
die Größe des Strahls am Ort dieses abbildenden Elements abgeschätzt,
das Öffnungsverhältnis an Detektorelement oder Detektor­ matrix (D) berechnet wird und,
basierend auf Randbedingungen, Spezifikationen für opti­ sche Elemente für ein maximales Öffnungsverhältnis am De­ tektorelement oder der Detektormatrix (D) berechnet wer­ den, und
daß diese Lösung durch das Raytracing-Programm verifiziert und iteriert wird.