DE60017031T2

DE60017031T2 - Hochauflösendes Instrument für Infrarotspektroskopie

Info

Publication number: DE60017031T2
Application number: DE60017031T
Authority: DE
Inventors: Thierry Viard
Original assignee: Alcatel SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 2000-08-21
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2020-08-22
Also published as: DE60017031D1; ATE286242T1; EP1079215B1; FR2797949A1; FR2797949B1; EP1079215A1

Description

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Instrument für Infrarotspektroskopie und insbesondere ein Spektroskopieinstrument, das so kompakt wie möglich ausgeführt ist, um in einen Satelliten eingebaut werden zu können.
Wie bekannt ist, werden derartige Spektroskopieinstrumente insbesondere für die Zwecke von Spektraluntersuchungen in der Wetterforschung eingesetzt. Sie müssen daher eine große Eintrittspupille haben, damit sie in der Lage sind, die starke Spektralauflösung der gemessenen Energie auszugleichen und um einen auswertbaren Signal-Rausch-Abstand zu erhalten.
Es gibt erhebliche Sachzwänge in Bezug auf Platzbedarf und Masse, da diese Instrumente für den Einbau in Satelliten bestimmt sind, und die Spezifikationen für Instrumente dieser Art sind daher sehr streng.
So muss ein in einen Satelliten eingebautes Spektroskopieinstrument zum Beispiel ein Brennweite/Durchmesser-Verhältnis haben, das möglichst nahe an 1 ist, und in der Länge einen Platzbedarf in der Größenordnung der Brennweite, wobei es gleichzeitig leistungsfähig sein muss und folglich nur eine geringe Aberration aufweisen darf. Außerdem sollte es vorzugsweise nur wenige optische Elemente umfassen, wobei diese vorzugsweise robust und einfach sein sollen.
Nun sind aber die bekannten hochauflösenden Instrumente für Infrarotspektroskopie im Allgemeinen ziemlich voluminöse Instrumente, die eine relativ hohe Zahl von Elementen umfassen, und zwar sowohl im Bereich des Lichtstromkollektors, der üblicherweise aus einem Cassegrain-Axialteleskop besteht, als auch im Bereich des Spektrometers, das im Allgemeinen aus einer sehr viel Platz benötigenden Litthrow-Vorrichtung besteht.
Die Erfindung hat daher ein hochauflösendes und eine hohe Leistung aufweisendes Instrument für Infrarotspektroskopie zum Gegenstand, das so gestaltet ist, dass es einfach, kompakt und von geringer Masse ist, insbesondere um seinen Einbau an Bord eines Satelliten zu erleichtern.
Das Instrument umfasst einen parabolischen Sammelspiegel, welcher den bei ihm durch eine Eintrittspupille ankommenden Lichtstrom zu einem Eintrittsspalt eines Spektrometers überträgt, wo dieser Lichtstrom zu einem Infrarotdetektor gesendet wird, und zwar über einen zweiten Parabolspiegel, der den einfallenden Lichtstrom bündelt, und ein Beugungsgitter, das auf der reflektierenden Oberfläche eines Fokussierspiegels hergestellt ist.
Nach einem Wesensmerkmal der Erfindung umfasst das Instrument ein dioptrisches Korrektursystem, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Detektor angeordnet ist und das optisch in einer an sich bekannten Weise so festgelegt ist, dass es eine Fokussierungsergänzung und eine Fernzentrierung des vom Beugungsgitter an den Detektor übertragenen Lichtstroms durchführt.
Nach einem Wesensmerkmal, das sich auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Instruments gemäß der Erfindung bezieht, ist das Beugungsgitter vorzugsweise um etwa 45° in Richtung der Dispersion des Spektrums geneigt, um eine anamorphische Vergrößerung der Brennweite sowie der Größe der Detektoren in der Beugungsachse zu erzielen, welches die Achse ist, die viele Pixel enthält. Diese bevorzugte Vorrichtung ermöglicht daher, die Größe der Fokalebene in ihrer großen Ausdehnung sowie in einem Verhältnis von 1/cos (Neigungswinkel des Gitters) zu verringern.
Nach einem anderen Wesensmerkmal, das sich auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Instruments gemäß der Erfindung bezieht, ist das Korrektursystem aus einem im Infrarot- und im sichtbaren Bereich transparenten Werkstoff hergestellt, zum Beispiel aus ZnSe.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Spektroskopieinstrument einen parabolischen und dezentrischen Primärspiegel, der einen Lichtstrom fokussiert, welcher bei ihm durch die Eintrittspupille des Instruments auf dem Eintrittsspalt des Spektrometers ankommt; einen parabolischen, dezentrischen Sekundärspiegel, der konfokal mit dem Primärspiegel ist, welcher ihm durch den Eintrittsspalt den bei ihm angekommenen Lichtstrom sendet; ein Beugungsgitter, das auf einem asphärischen Tertiärspiegel eingeritzt ist, der den vom Sekundärspiegel in Form eines parallelen Bündels reflektierten Lichtstrom empfängt und der für eine Fokussierung der vom Gitter gebeugten Strahlungen und für ihre Übertragung an einen Infrarotdetektor sorgt; und ein dioptrisches Korrektursystem, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Detektor angeordnet ist und optisch in einer an sich bekannten Weise so festgelegt ist, dass es den wesentlichen Teil der Fokussierung gemeinsam mit dem Tertiärspiegel übernimmt sowie eine Fernzentrierung des Bündels, das vom Beugungsgitter an den Detektor übertragen wird.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung besteht das Korrektursystem aus einer asphärischen asymmetrischen Linse, die gegenüber dem Beugungsgitter exzentrisch ist.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht das Korrektursystem aus mindestens zwei asphärischen Linsen, die gegenüber dem Beugungsgitter leicht exzentrisch sind.
Die Erfindung, ihre Wesensmerkmale und Vorteile werden in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den unten aufgeführten Abbildungen genauer erläutert.
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten Variante des Instruments für Infrarotspektroskopie gemäß der Erfindung.
2 stellt ein Detail dar, das sich auf eine Ausführungsvariante des Instruments für Infrarotspektroskopie gemäß der Erfindung bezieht.
Das Diagramm des Instruments für Infrarotspektroskopie auf 1 ist insbesondere eine Darstellung eines Instruments, für das eine hohe Spektralauflösung und eine große Kompaktheit angestrebt werden. Ein solches Instrument ist zum Beispiel dafür vorgesehen, an Bord eines Satelliten und insbesondere eines Wettersatelliten eingebaut zu werden, was dazu führt, dass es so einfach und zuverlässig wie möglich ausgeführt sein muss, um mögliche Fehlfunktionen so weit wie möglich auszuschließen und seine Masse zu begrenzen, wie dies bei satellitengestützten Geräten üblich ist.
Das Instruments für Infrarotspektroskopie gemäß der Erfindung besteht im Wesentlichen aus einem Infrarotdetektor 1, der ein zu analysierendes Bündel über ein Beugungsgitter 2 empfängt, das auf einem Fokussierspiegel hergestellt ist, der seinerseits über ein afokales Teleskop beleuchtet wird. Vom Infrarotdetektor wird angenommen, dass es sich um einen klassischen Detektor handelt, dessen Aufbau hier insofern nicht beschrieben wird, als er nicht den Gegenstand der Erfindung bildet. Ein solcher Detektor 1 deckt zum Beispiel einen Spektralbereich von 4333 bis 5490 nm ab.
In einem Ausführungsbeispiel ohne einschränkende Wirkung hat das Teleskop eine Brennweite von 210 mm und eine Eintrittspupille in der Größenordnung von 180 mm.
Ein parabolischer Primärspiegel 4 ist so angeordnet, dass er den von der Eintrittspupille 3 des Teleskops übertragenen Lichtstrom empfängt, um ihn zu einem Spektrometer 5 hin zu reflektieren.
Zu diesem Zweck ist er gegenüber der Brennachse XX' der Pupille dezentriert, wie auf 1 dargestellt, und er fokussiert den Lichtstrom, den er empfängt, in Richtung eines Eintrittsspalts 6, den das Spektrometer 5 aufweist, wobei von diesem Spalt hier angenommen wird, dass er senkrecht zur Ebene des Blatts steht, das die 1 enthält.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Lichtstrom, welcher den Eintrittsspalt 6 durchquert, auf einem parabolischen Sekundärspiegel 7 empfangen, der im Innern eines Gehäuses installiert ist, in dem das Spektrometer untergebracht ist. Dieser Sekundärspiegel ist konfokal mit dem Primärspiegel so montiert, dass in der Mitte des Feldes keine Aberration erzeugt wird, und er ist dezentriert, um den über den Eintrittsspalt 6 empfangenen Lichtstrom zu einem asphärischen Tertiärspiegel 8 zurücksenden zu können, auf dem das Beugungsgitter 2 eingeritzt ist. Das Beugungsgitter trennt in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Wellenlängen die Komponenten des Bündels, das es von dem Sekundärspiegel empfängt, was schematisch durch drei Strahlen dargestellt ist, die man für drei unterschiedliche Wellenlängen für jeden der drei Punkte A, B, C erhält, die jeweils an den beiden Enden des Gitters und in der Mitte dieses Gitters in einer Mittelebene des Instruments gewählt wurden. Von dieser Ebene wird hier angenommen, dass sie mit der Ebene des Blatts zusammenfällt, das die Zeichnungen enthält. Die gegebene Krümmung des Tertiärspiegels 8 neigt dazu, die verschiedenen vom Beugungsgitter 2 gebeugten Strahlen zu fokussieren, wie auf 1 schematisch dargestellt.
Wie bekannt ist, ist die Erzielung einer starken Fokussierung in materieller Hinsicht mit einem Spiegel nicht leicht zu erreichen, und sie neigt dazu, die Aberrationen und die Empfindlichkeit gegenüber Falschausrichtung zu erhöhen. Dies führt folglich dazu, dass angestrebt wird, die Fokussierung auf einen gemäßigten Wert zu begrenzten, wobei diese Fokussierung durch den Tertiärspiegel 8 erfolgt, auf dem das Beugungsgitter 2 hergestellt ist.
Zu diesem Zweck ist daher vorgesehen, ein Korrektursystem 9 zwischen den Detektor 1 und das vom Tertiärspiegel 8 getragene Beugungsgitter 2 einzufügen. Dieses Korrektursystem 9 hat die Aufgabe, die Fokussierung zu erhöhen, eine Fernzentrierung des vom Beugungsgitter an den Detektor übertragenen Lichtstroms durchzuführen und die Restaberrationen zu korrigieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die durch die Gruppe aus Tertiärspiegel/Korrektursystem durchgeführte Fokussierung mehrheitlich vom Korrektursystem 9 übernommen, was den Vorteil hat, die Herstellung des Beugungsgitters 2 auf dem Tertiärspiegel 8 sowie das Erzielen guter Leistungen zu erleichtern.
Die Fernzentrierung wird durch die Wirkung des dioptrischen Korrektursystems erreicht, welches die Aufgabe hat, für alle gebeugten Strahlen für einen identischen Einfall am Infrarotdetektor 1 oder eventuell an einem Zwischenfilter in einem beliebigen Punkt des Beugungsgitters zu sorgen, unabhängig von den Wellenlängen dieser Strahlen in dem von dem Gerät berücksichtigten Spektrum. Dies ist schematisch durch die Parallelität der drei mal drei Strahlen dargestellt, die auf 1 zwischen dem Korrektursystem 9 und dem Detektor 1 verlaufen.
In dem auf 1 in Betracht gezogenen Beispiel ist das Korrektursystem 9 in Form einer asphärischen asymmetrischen Linse ausgeführt, deren Profilverlauf dargestellt ist. Diese Linse erhält man durch einen außerhalb der Achse ausgeführten Schnitt durch eine sphärische Linse, und sie wird im Verhältnis zum Beugungsgitter 2 exzentrisch montiert.
In dem schematisch auf 2 dargestellten Beispiel ist ein Korrektursystem 9' mit Hilfe von zwei asphärischen Linsen 9'A, 9'B aufgebaut, deren jeweilige Profile ebenfalls dargestellt sind. Diese Linsen können im Verhältnis zum Beugungsgitter leicht exzentrisch montiert sein.
Dieses Korrektursystem 9' ist mit einer Gruppe von Elementen verbunden, wie einem Sekundärspiegel 7', einem Tertiärspiegel 8', der ein Beugungsgitter 2' trägt, und einem Detektor 1', die funktionell den auf 1 schematisch dargestellten Elementen 7, 8, 2 und 1 entsprechen. Auf 2 ist außerdem ein Zwischenfilter 10' zwischen dem Korrektursystem 9' und dem Detektor 1' schematisch dargestellt.
Wie bekannt ist, erhält man die Punkt-für-Punkt-Bestimmung von Linsen wie den Linsen 9, 9'A und 9'B derzeit durch die Anwendung von darauf spezialisierten und bekannten Computerprogrammen für numerische Steuerung, welche die Möglichkeit bieten, eine Linse Punkt für Punkt ausgehend von den verschiedenen möglichen optischen Wegen zu bestimmen, das heißt also im vorliegenden Fall den verschiedenen Wegen, die zwischen dem Beugungsgitter 2 oder 2' und dem Detektor 1 oder 1' für die verschiedenen Wellenlängen des berücksichtigten Spektrums zurückgelegt werden können. Derartige Programme ermöglichen, als Folge davon die Einfallswinkel zu bestimmen, die beachtet werden müssen, sowie die Materialdicke an einer Linse, wobei Letztere dann direkt von einer Spezialmaschine hergestellt werden kann.
In dem oben in Betracht gezogenen Ausführungsbeispiel müssen die Linsen selbstverständlich aus einem Werkstoff hergestellt sein, der für die innerhalb des Mess-Spektrums enthaltenen Infrarotstrahlungen transparent ist; die Linse kann zum Beispiel aus einem Werkstoff wie Germanium oder Silizium hergestellt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Linsen aus einem im genannten Infrarotbereich und im sichtbaren Bereich transparenten Werkstoff hergestellt, zum Beispiel aus ZnSe. Dies ermöglicht, eine visuelle Ausrichtung der Komponenten des Instruments sicherzustellen, indem bei der Montage dieses Instruments ein Lichtbündel verwendet wird, was die Ausrichtung viel einfacher und leichter macht.

Claims

Hochauflösendes Instrument für Infrarotspektroskopie, umfassend ein afokales Teleskop, welches den bei ihm durch eine Eintrittspupille (3) ankommenden Lichtstrom zu einem Eintrittsspalt eines Spektrometers (5) überträgt, wo dieser Lichtstrom zu einem Infrarotdetektor (1) gesendet wird, und zwar über ein Beugungsgitter (2), das auf der reflektierenden Oberfläche eines Fokussierspiegels (8) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es ein dioptrisches Korrektursystem (9) umfasst, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Detektor angeordnet ist und das optisch so festgelegt ist, dass es eine Fokussierungsergänzung, eine Fernzentrierung des vom Beugungsgitter an den Detektor übertragenen Bündels und eine Korrektur der Restaberration durchführt.
Instrument nach Anspruch 1, bei dem das Beugungsgitter vorzugsweise um etwa 45° in Richtung der Dispersion des Spektrums geneigt ist, um eine anamorphische Vergrößerung der Brennweite zu erzielen.
Instrument nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Korrektursystem (9) aus einem im Infrarot- und im sichtbaren Bereich transparenten Werkstoff hergestellt ist. 4. Instrument nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Korrektursystem aus ZnSe hergestellt ist.
Instrument nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: einen parabolischen und dezentrischen Primärspiegel (4), der einen Lichtstrom fokussiert, welcher bei ihm durch die Eintrittspupille (3) des Instruments auf dem Eintrittsspalt (6) des Spektrometers (5) ankommt; einen parabolischen, dezentrischen Sekundärspiegel (7), der konfokal mit dem Primärspiegel ist, welcher ihm durch den Eintrittsspalt den bei ihm angekommenen Lichtstrom sendet, wobei das Beugungsgitter (2) auf einem asphärischen Tertiärspiegel (8) eingeritzt ist, der den vom Sekundärspiegel in Form eines parallelen Bündels reflektierten Lichtstrom empfängt und der für eine Fokussierung der vom Gitter gebeugten Strahlungen und für ihre Übertragung an einen Infrarotdetektor (1) sorgt; und das dioptrische Korrektursystem (9), bestehend aus einer asphärischen asymmetrischen Linse, die gegenüber dem Beugungsgitter (2) exzentrisch ist und die zwischen diesem Beugungsgitter und dem Detektor angeordnet ist und optisch so festgelegt ist, dass sie den wesentlichen Teil der Fokussierung übernimmt, die gemeinsam mit dem Tertiärspiegel durchgeführt wird, sowie eine Fernzentrierung des Bündels, das vom Beu gungsgitter an den Detektor übertragen wird, und eine Korrektur der Restaberrationen.
Instrument nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: einen parabolischen und dezentrischen Primärspiegel (4), der einen Lichtstrom fokussiert, welcher bei ihm durch die Eintrittspupille (3) des Instruments auf dem Eintrittsspalt (6) des Spektrometers (5) ankommt; einen parabolischen, dezentrischen Sekundärspiegel (7), der konfokal mit dem Primärspiegel ist, welcher ihm durch den Eintrittsspalt den bei ihm angekommenen Lichtstrom sendet, wobei das Beugungsgitter (2) auf einem asphärischen Tertiärspiegel (8) eingeritzt ist, der den vom Sekundärspiegel in Form eines parallelen Bündels reflektierten Lichtstrom empfängt und der für eine Fokussierung der vom Gitter gebeugten Strahlungen und für ihre Übertragung an einen Infrarotdetektor (1) sorgt; und das dioptrische Korrektursystem (9), bestehend aus mindestens zwei asphärischen Linsen, die zwischen diesem Beugungsgitter und dem Detektor angeordnet sowie leicht exzentrisch sind, wobei das Korrektursystem optisch so festgelegt ist, dass es den wesentlichen Teil der Fokussierung übernimmt, die gemeinsam mit dem Tertiärspiegel durchgeführt wird, sowie eine Fernzentrierung des Bündels, das vom Beugungsgitter an den Detektor übertragen wird, und eine Korrektur der Restaberrationen.