-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Weitwinkel-Teleskop, insbesondere ein Weitwinkel-Teleskop für ein abbildendes Spektrometer für die Erdbeobachtungen aus der Luft oder dem All.
-
Teleskope sind ursprünglich für die Beobachtung des Himmels entwickelt worden. Insbesondere war es ein Ziel der Entwicklungen, einen bestimmten Himmelsbereich mit einer möglichst großen Auflösung zu betrachten. Der betrachtete Himmelsbereich ist dabei relativ klein. Spätestens seit Einsetzen der Luft- und Raumfahrt werden Teleskope jedoch auch für terrestrische Beobachtungen aus einer Vogelperspektive verwendet. Die hierfür verwendeten Teleskope sind in aller Regel ebenso ausgebildet wie die Teleskope, die für die Himmelsbeobachtung vorgesehen sind. Das heißt, sie sind daran angepasst, einen geringen Bildausschnitt mit einer hohen Auflösung abzubilden.
-
Häufig verwendete Teleskope sind katadioptrische Teleskope. Diese bestehen in der Regel aus einer komplizierten Aneinanderreihung von optischen Komponenten. Die Herstellung dieser Teleskope ist daher kostspielig und aufwendig. Des Weiteren eignen sich diese Teleskope aufgrund ihres Gewichts durch die oft vielen Komponenten nicht ideal für die Verwendung beispielsweise in Satelliten.
-
US 4 342 503 A beschreibt ein katadioptrisches Teleskop. Dieses weist ein erstes Element auf, das von dem Licht durchlaufen wird, bevor ein zweites, rückseitig verspiegeltes Element das Licht auf einen in dem ersten Element befindlichen reflektierenden Teil reflektiert, wonach das Licht durch eine zentrale Öffnung in dem zweiten Element aus dem Teleskop heraus tritt.
-
DE 31 210 44 A1 beschreibt ein lichtstarkes katadioptrisches Objektiv, das in Richtung der Lichtbewegung gesehen aus einer sammelnden Frontlinse, einem Mangin-Spiegel und einer sammelnden Feldlinse besteht, die durch Luftabstände getrennt sind. Dir Frontlinse ist dabei bikonvex und ihrem zentralen Teil rückseitig verspiegelt. Die Optiken bestehen hier alle aus derselben Glasart.
-
-
Aus dem Stand der Technik ist auch ein Schmidt-Teleskop bekannt. Ein Schmidt-Teleskop besteht aus einer Korrekturplatte, die in der Lichteintrittsöffnung des Teleskops angeordnet ist. Das Licht trifft nach dem Durchgang durch die Korrektorplatte auf einen ersten Spiegel und wird von diesem ersten Spiegel in der Bildebene fokussiert. Die Bildebene ist dabei gekrümmt. Ein feld-geglättetes (engl.: „field-flattened”) Schmidt Teleskop weist zudem einen zweiten Spiegel auf. Dieser zweite Spiegel ist ein Korrekturspiegel, der das Bild dann auf einem ebenen Detektor abbildet.
-
Solche Schmidt-Teleskope sind jedoch, nicht zuletzt aufgrund der vorgeschalteten Korrektorplatte, in der Regel nicht für einen Einfallswinkel von mehr als ca. 30°, also für ein Gesichtsfeld von ca. 60°, geeignet. Bei größeren Einfallswinkeln wird die Abbildungsqualität beeinträchtigt. Außerdem nimmt bei großen Einfallswinkeln die Polarisationsempfindlichkeit stark zu.
-
In der atmosphärischen Forschung ist es jedoch wünschenswert, ein möglichst großes Gesichtsfeld, also eine möglichst große Betrachtungsfläche, zur Verfügung zu haben. Dies trifft neben atmosphärischen auch auf andere Beobachtungsbereiche zu, wie beispielsweise landwirtschaftliche Nutzflächen, Meeresoberflächen und Ähnliches. Bei der Beobachtung dieser großflächigen Areale ist es in der Regel wichtiger, ein großes Gesichtsfeld zu haben, als ein großes Auflösungsvermögen.
-
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Teleskop, insbesondere für ein abbildendes Spektrometer, zur Verfügung zu stellen, das eine einfache Bauweise aufweist und große Bildausschnitte verarbeiten kann, und das auch für den Einsatz in Satelliten geeignet ist.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Teleskop gemäß Patentanspruch 1 bzw. ein Spektrometer mit einem Teleskop gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein Teleskop zur Verfügung gestellt wird, dass einen großen Lichteinfallswinkel besitzt. Somit können große Bereiche abgebildet werden.
-
Durch die kompakte Ausbildung und die wenigen optischen Komponenten ist die Herstellung des Teleskops technisch einfach, und das Gewicht der Vorrichtung ist verhältnismäßig gering.
-
Es ist zudem ein Vorteil der Erfindung, dass die optischen Komponenten klein gehalten werden, was weiterhin zu einer Reduzierung der Größe und des Gewichts führt.
-
Ein weiterer Vorteil ist es, dass trotz der Gewicht und Platz sparenden Ausbildung des Teleskops Abbildungsfehler reduziert werden können. Zudem kann das Teleskop aufgrund der wenigen Bauteile einfach justiert werden.
-
Es ist auch ein Vorteil, dass eine autarke Kalibrierung des Teleskops möglich ist.
-
Einzelheiten, Vorteile und Weiterentwicklungen der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Teleskops in einer Draufsicht;
-
2 das Teleskop aus 1 in einer Seitenansicht; und
-
3 ein erfindungsgemäßes Teleskop mit einem Kalibriermittel.
-
1 und 2 zeigen schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Teleskops. Das Teleskop weist eine Eintrittsöffnung 1 auf. Für die beschriebene Ausführungsform des Teleskops für Weitwinkel-Beobachtungen wird die Eintrittsöffnung 1 derart angeordnet, dass sie mit der Eintrittspupille des nachgeschalteten Optiksystems zusammenfällt. Die Eintrittsöffnung 1 ist dabei so ausgebildet, dass sie einen großen Einfallswinkel erlaubt.
-
In der beschriebenen Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung 1 ohne eine optische Komponente als eine kreisförmige Öffnung ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann diese Öffnung auch beispielsweise elliptisch sein.
-
Dem Strahlenverlauf folgend ist eine Linse 2 angeordnet. Die der Eintrittspupille 1 zugewandte Einfallsfläche 2a der Linse 2, sowie die der Eintrittspupille 1 abgewandte Rückfläche 2b der Linse 2 sind konkav gekrümmt. Die Rückfläche 2b ist verspiegelt, so dass das Licht, das durch die Einfallsfläche 2a einfällt und die Linse 2 durchläuft, an der Rückfläche 2b zurück in Richtung der Einfallsfläche 2a reflektiert wird.
-
Die Linse 2 ist in der Ausführungsform eine sphärische Streifenlinse. Die sphärische Linse zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Einfallsfläche 2a und die Rückfläche 2b eine jeweils konstante Krümmung haben.
-
Die Streifenlinse stellt dabei ein Segment der Linse dar, das durch Zerteilen der Linse in einzelne Streifen, erzeugt wird. Da das Zerteilen erst nach dem Herstellen der Linse vorgenommen wird, weist die Streifenlinse somit dieselben Krümmungen auf, wie die ursprüngliche Linse.
-
Der Linse 2 ist ein Spiegel 3 nachgeschaltet. Der Spiegel 3 ist konvex ausgebildet und weist eine reflektierende Oberfläche 3a auf. In einer Ausführungsform ist der Spiegel 3 als ein sphärischer Streifenspiegel ausgebildet. Die Herstellung eines Streifenspiegels wird, analog der Herstellung einer Streifenlinse, wie oben beschrieben durchgeführt.
-
Wie aus 1 ersichtlich ist, liegen die Krümmungsmittelpunkte der Einfalls- und Rückfläche 2a bzw. 2b der Linse 2 und des Spiegels 3 auf einer Linie. Wie aus 2 zu sehen ist, ist die Eintrittsöffnung gegenüber dieser Linie versetzt, so dass die optischen Komponenten von dem einfallenden Licht nicht zentral, also nicht auf der optischen Achse, sondern ebenfalls zu der optischen Achse versetzt getroffen werden. Daher wird dieses Teleskop auch als Off-Axis Teleskop bezeichnet.
-
Wie weiter aus 2 zu erkennen ist, werden nur die Segmente der Linse 2 bzw. des Spiegels 3 erhalten, die bei einem nicht zentralen Lichteinfall von dem Licht getroffen werden. Die unnötigen Komponenten werden weg geschnitten. Somit bleiben in der vorliegenden Erfindung ein streifenförmiges Linsensegment und ein streifenförmiges Spiegelsegment erhalten. Die Linse 2 wird dabei nicht durch den Spiegel 3 vor dem einfallenden Licht abgeschattet.
-
Die Linse 2 und der Spiegel 3 sind zudem derart angeordnet, dass die vordere Brennebene des Systems Linse/Spiegel mit der Eintrittsöffnung 1 zusammenfällt. Die Brennweite des Systems Linse/Spiegel ist in 1 mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichnet. Durch die symmetrische Anordnung der Komponenten zeichnet sich das Teleskop zudem durch eine geringe Verzeichnung sowohl in als auch quer zu einer Flug- bzw. Bewegungsrichtung des Teleskops aus.
-
Das Licht tritt hier durch die Eintrittsöffnung 1 ein. Bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Verwendung besitzt das Teleskop beispielsweise eine effektive Öffnungszahl von 8. Das Gesichtsfeld bei dieser Öffnungszahl liegt bei über 100°. Ein maximaler Einfallswinkel in die Eintrittsöffnung 1 ist also größer als 50°. In anderen Ausführungsformen kann die Eintrittsöffnung mit einem optischen aktiven Bauteil ausgebildet sein.
-
Das Licht durchläuft das Teleskop und trifft auf die Linse 2, die bevorzugterweise eine sphärische Streifenlinse ist. An der Vorderseite der Linse 2 wird das Licht gebrochen und durchläuft die Linse 2. Nach dem Durchlaufen der Linse 2 trifft das Licht auf die reflektierende Rückseite 2b der Linse 2. Die Linse 2 ist dabei derart angeordnet, dass das Licht um einen vorbestimmten Winkel aus dem Raumbereich des einfallenden Lichts ausgelenkt wird (vgl. 2). Das Licht durchläuft daraufhin die Linse ein weiteres Mal und wird erneut, aufgrund der Reflexion an der Rückseite diesmal jedoch unter einem anderen Einfallswinkel, bei dem Durchgang durch die Vorderseite 2a der Linse 2 gebrochen.
-
Dem Strahlenverlauf folgend trifft das Licht auf den Spiegel 3, der bevorzugterweise ein sphärischer Streifenspiegel ist. Wie in 2 zu erkennen ist, sind in der beschriebenen Ausführungsform die Eintrittsöffnung 1, die Linse 2 und der Spiegel 3 nicht linear hintereinander angeordnet. Durch den nicht zentralen Lichteinfall (off-axis) reflektiert die Linse 2 mit der reflektierenden Rückseite 2b das einfallende Licht um einen bestimmten Winkel. Dieser Winkel ist so gewählt, dass das Licht auf den Spiegel 3 trifft, der Spiegel 3 die Linse 2 aber nicht von dem Licht abschattet, das durch die Eintrittsöffnung 1 einfällt.
-
Die Linse 2 und/oder der Spiegel 3 sind in der beschriebenen Ausführungsform als sphärische Komponenten ausgebildet.
-
Der Spiegel 3 ist dabei so ausgebildet, dass das Licht auf der Bildseite telezentrisch ist, das heißt, dass die Hauptstrahlen verschiedener Feldpunkte nach der Reflexion am Spiegel 3 einen im Wesentlichen parallelen Strahlenverlauf aufweisen. Die Bildebene ist somit ungekrümmt, was eine anschließende Verwendung beispielsweise in einem Spektrometer vereinfacht.
-
Durch die sphärische Ausbildung der beiden optischen Bauteile, insbesondere der Linse 2, wird die Telezentrie korrigiert. Dadurch kann auf zusätzliche Korrektorplatten oder Ähnliches verzichtet werden. Asphärische optische Bauteile sind dabei nicht nötig. Eie Herstellung und eine Justierung der optischen Komponenten wird somit ebenfalls vereinfacht.
-
Aufgrund der Symmetrie der Komponenten kommt es dabei trotz des großen Gesichtsfelds nur zu einer geringen Verzeichnung des Bildes.
-
In der beschriebenen Ausführungsform sind zwischen der Eintrittsöffnung 1 und der Linse 2, beziehungsweise zwischen der Linse 2 und dem Spiegel 3 keine weiteren optischen Bauteile angeordnet. Es ist jedoch in anderen Ausführungsformen denkbar, dass hier beispielsweise Filter, Blenden oder weitere Komponenten angeordnet sein können.
-
In des beschriebenen Ausführungsform sind die optischen Komponenten insbesondere für einen Wellenlängenbereich im nahen Infrarotbereich (NIR-Bereich) optimiert.
-
In anderen Ausführungsformen können die optischen Komponenten so ausgebildet sein, dass sie auch für andere Wellenlängenbereiche, beispielsweise den sichtbaren Bereich oder den Ultraviolettbereich, wie auch den fernen Infrarotbereich, geeignet sind. Zudem kann in einer Ausführungsform sowohl die Linse als auch der Spiegel asphärisch ausgebildet sein. Es ist zudem denkbar, dass die Streifenlinse bzw. der Streifenspiegel eine andere Randausformung aufweisen.
-
Im weiteren Strahlenverlauf ist nach dem Spiegel 3 eine Austrittsöffnung 4 vorgesehen. In der beschriebenen Ausführungsform sind die Linse 2 und der Spiegel 3 so ausgebildet, dass die Bildebene des Teleskops mit der Austrittsöffnung 4 zusammenfällt. So kann das von dem Teleskop gesammelte Licht direkt in einer nachgeschalteten Anordnung, beispielsweise in einem abbildenden Spektrometer, verwendet werden. Die Austrittsöffnung 4 ist in der beschriebenen Ausführungsform als ein gerader Spalt ausgebildet. In anderen Ausführungsformen kann die Austrittsöffnung 4 auch beispielsweise als ein gekrümmter Spalt ausgebildet sein.
-
Durch die oben beschriebene Ausbildung des Teleskops kann die Größe und das Gewicht des Teleskops stark reduziert werden. Dies ist insbesondere für Beobachtungen aus dem All, in Satelliten oder Raumfähren, von großer Bedeutung. Aber auch für Beobachtungen aus der Luft ist es wünschenswert, dass eine kompakte, leichte Bauweise möglich ist.
-
Wenn das Teleskop in einem Satelliten eingesetzt wird, sind die optischen Komponenten vorzugsweise aus strahlungshartem Glas gebildet.
-
Insbesondere wird durch die sphärische Ausbildung des Spiegels 3 auch ein flaches, also nicht gekrümmtes, Bildfeld ermöglicht. Die Bildebene fällt in der bevorzugten Ausführungsform mit des Austrittsöffnung 4 zusammen (vgl. 2). Durch das bildseitig telezentrische, flache Bildfeld kann im Bereich der Austrittsöffnung 4 beispielsweise ein Spektrometer (nicht gezeigt) angeschlossen werden.
-
Mit der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, bei einer Auflösung von ca. 0,1°, ein Gesichtsfeld von 110° zu erreichen. Die Brennweite 5 für einen großen Abbildungsbereich ist beispielsweise ca. 25–30 mm. Das komplette Teleskop besäße in diesem Fall eine Größe von ca. 60 mm.
-
Die Eintrittspupille 1 liegt in der beschriebenen Ausführungsform in der vorderen Brennebene der Vorrichtung um eine telezentrische Abbildung in der Bildebene zu ermöglichen. Abbildungsfehler werden in dem Teleskop durch die sphärische Einfallsfläche 2a der Linse 2 korrigiert. Der doppelte Durchgang durch die Linse 2 trägt dabei weiter dazu bei, die Telezentrie zu verbessern. Diese Wirkung der Linse 2 kann variiert werden, indem die Krümmung der Einfalls- bzw. Rückfläche 2a bzw. 2b der Linse 2 oder eine Dicke der Linse 2 verändert wird.
-
Durch die kompakte Bauweise und die geringe Zahl an optischen Komponenten ist das Teleskop sehr klein und leicht, und eignet sich gut für die Verwendung bei großflächigen Beobachtungen.
-
Bei der Verwendung mit einem abbildenden Spektrometer wird das Licht nach Durchgang durch das Teleskop auf die Austrittsöffnung 4 abgebildet. Die Austrittsöffnung 4 ist in diesem Fall die Eintrittsöffnung des Spektrometers. Das Spektrometer kann das Licht dann spektral aufspalten und bildet es beispielsweise auf einem CCD-Chip oder Ähnlichem ab.
-
Wie oben beschrieben ist die hier beschriebene Ausführungsform für einen Wellenlängenbereich von 2–2,5 μm vorgesehen. Es ist in anderen Ausführungsformen denkbar, dass durch Verwendung verschiedener Materialien ein breiter Spektralbereich für das Teleskop zugänglich wird. Insbesondere ist es denkbar, dass Kron- oder Flintglas bzw. eine Kombination daraus zur Herstellung der optischen Komponenten verwendet wird.
-
Wie in 3 gezeigt ist, ist zudem ein Kalibriermittel 6 in dem Teleskop vorgesehen. Das Kalibriermittel 6 ist beispielsweise eine Ulbrichtkugel. Die Ulbrichtkugel weist eine Lichtquelle 6a, einen Schattfinger 6b und eine zweite Austrittsöffnung 6c auf. Das Kalibriermittel 6 ist dabei so ausgebildet, dass homogenes Licht durch die zweite Austrittsöffnung 6c austritt.
-
Alternativ kann auch eine beispielsweise von der Sonne beleuchtete Streuscheibe als Kalibriermittel verwendet werden.
-
In der beschriebenen Ausführungsform des Kalibriermittels 6 als Ulbrichtkugel wird die Position der Ulbrichtkugel so gewählt, dass die Austrittsöffnung 6c der Ulbrichtkugel mit der Eintrittsöffnung 1 des Teleskops übereinstimmt.
-
Die Anordnung der Eintrittspupille vor dem Teleskop hat den Vorteil, dass die Austrittsöffnung 6c der Ulbrichtkugel, und damit auch der Radius der Kugel selbst, sehr klein gewählt werden kann.
-
Die Kalibrierung mit dem Kalibriermittel 6 wird durchgeführt, indem das Kalibriermittel 6 derart vor der Eintrittsöffnung 1 des Teleskops angeordnet wird, dass homogenes Licht aus dem Kalibriermittel 6 in das Teleskop eintritt (3). Dies kann so durchgeführt werden, dass die zweite Austrittsöffnung des Kalibriermittels 6 exakt vor die Eintrittsöffnung 1 des Teleskops gesetzt wird. Alternativ könnte das aus dem Kalibriermittel 6 austretende Licht über einen klappbaren Spiegel oder Ähnliches in die Eintrittsöffnung 1 des Teleskops geleitet werden. Durch Vorsehen eines wahlweise zuschaltbaren Kalibriermittels 6 ist es möglich, eine Kalibrierung der Vorrichtung vorzunehmen, ohne dass ein manueller Eingriff erfolgen muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Einsatz in einem Satelliten oder ein Langzeiteinsatz geplant ist, da hier die Erreichbarkeit des Teleskops gegebenenfalls eingeschränkt ist.
-
Das Kalibriermittel 6 dient dabei der Kalibrierung des Teleskops gemeinsam mit einem nachgeschalteten Spektrometer, das beispielsweise ein abbildendes Spektrometer sein kann.
