DE60021556T2

DE60021556T2 - Spektrometer mit doppeltem ausseraxialen Schmidt-Teleskop

Info

Publication number: DE60021556T2
Application number: DE60021556T
Authority: DE
Inventors: Riccardo 50142 Fraz. Mantignano Paolinetti; Silvano 50019 Sesto Fiorentino Pieri; Andrea Romoli
Original assignee: Galileo Avionica SpA
Current assignee: Selex Galileo SpA
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: ATE300729T1; US20020001079A1; DE60021556D1; US6549280B2; EP1178293A1; EP1178293B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer für die Spektralanalyse eines Strahls von Lichtstrahlung, das zum Beispiel auf in einer Umlaufbahn kreisenden Satelliten, in Flugzeugen oder für andere Anwendungen verwendet werden kann.
Genauer ausgedrückt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Spektrometer des katadioptrischen Typs, mit anderem Worten eines solchen Typs, der auf der Verwendung von reflektierenden und brechenden Elementen basiert.
Es existieren momentan Katadioptrik-Spektrometer, die eine Vielzahl von Konfigurationen aufweisen und durch die Verwendung von Spiegeln und Linsen in verschiedenen Konfigurationen gekennzeichnet sind. Ein Spektrometer umfasst allgemein einen Schlitz, durch den ein einfallender Lichtstrahl eintritt, einen Kollimator, ein Dispersionssystem und einen Detektor.
US-A-4984888 offenbart ein Spektrometer, bei dem eine einzelne Schmidt-Platte zwischen einem einzelnen sphärischen Spiegel und einem Dispersionsgitter angeordnet ist. Die Anordnung ist derart, dass derselbe Teil der Platte zweimal von dem Strahl gekreuzt wird. Fokussierer und Kollimator werden durch denselben sphärischen Spiegel und dieselbe Schmidt-Platte gebildet, welche zweimal in demselben Bereich von dem Strahl gekreuzt werden.
EP-A-316802 offenbart ein Spektrometer mit einer Schmidt-Platte, die zwischen dem Dispersionssystem und einem fokussierenden sphärischen Spiegel angeordnet ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Spektrometers des vorgenannten Typs, der eine besonders einfache Struktur aufweist.
Im Rahmen dieser allgemeinen Aufgabe besteht die Aufgabe einer besonderen Ausführungsform der Erfindung in der Schaffung eines Spektrometers, bei dem die Glaselemente auf ein Minimum reduziert werden können. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Spektrometers mit großer Öffnung.
Die Reduzierung der Glaselemente ist besonders wichtig in Spektrometern für Raumfahrtanwendungen, da Glas kosmischer Strahlung (Gammastrahlen, Protonen, Neutronen) nicht standhält. Diese Strahlung verursacht einen graduellen Verlust von Transparenz von bis zu 70% für praktisch jedes Glas, mit daraus folgendem Verlust an Wirkungsgrad des Spektrometers. Außerdem weist das auf dem Markt erhältliche "strahlungsgehärtete" Glas, mit Ausnahme von Quarz und Kronglas, niedrige Transparenz bei kurzen Wellenlängen (unter 500 nm) auf.
Die obigen Aufgaben werden mit einem Spektrometer gemäß Anspruch 1 erfüllt. Der Erfindung zufolge umfassen der Kollimator und das Fokussiermittel des Spektrometers jeweils einen konkaven sphärischen Spiegel und eine Schmidt-Platte. Schmidt-Platten, kombiniert mit sphärischen Spiegeln, sind bekannte Elemente bei der Konstruktion von sogenannten Schmidt-Teleskopen.
In einer praktischen Ausführungsform ist die Platte zwischen dem sphärischen Spiegel und dem Dispersionssystem angeordnet. Die Anordnung der Schmidt-Platte zwischen den das Dispersionssystem bildenden zwei Elementen ist jedoch nicht ausgeschlossen, insbesondere, wenn das Dispersionssystem zum Beispiel zwei Prismen aufweist.
In der am meisten geeigneten und zweckdienlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spektrometers sind mindestens die folgenden Elemente aufeinanderfolgend längs des Weges des Strahls von dem Eintrittspunkt, der von dem in einem Spiegel ausgebildeten Schlitz gebildet wird, angeordnet:

– der erste sphärische Spiegel,
– die erste Schmidt-Platte,
– das Dispersionssystem,
– eine zweite Schmidt-Platte,
– ein zweiter sphärischer Spiegel,
– der Detektor.

Optische Komponenten können auch in geeigneten Positionen angeordnet werden, um die Feldkrümmung und/oder die Bildkrümmung des Schlitzes (als die Schlitzkrümmung bezeichnet) zu beseitigen, wie im Folgenden detaillierter ausgeführt ist.
Beim Fehlen von Korrektoren der Krümmung wird der in die Vorrichtung durch den Schlitz eintretende Strahl von dem ersten sphärischen Spiegel in Richtung auf die erste Schmidt-Platte reflektiert und tritt aus dieser aus, um durch das Dispersionssystem hindurchzugehen. Der dispergierte Strahl, der aus dem Dispersionssystem durch eine zweite Schmidt-Platte austritt, wird von dem zweiten sphärischen Spiegel reflektiert und erreicht schließlich den Detektor.
Charakteristisch, und in einer anderen Weise als in konventionellen Anwendungen, wird die Schmidt-Platte, obwohl ihre Drehachse durch die Mitte des sphärischen Spiegel hindurch verläuft, von dem Strahl achsversetzt getroffen.
Das Dispersionssystem, das verwendet wird, kann ein jegliches zu diesem Zweck geeignetes System sein, zum Beispiel ein System, das durch ein oder mehrere Dispersionsprismen, ein oder mehrere Dispersionsgitter, als "Grismen" bekannte Einrichtungen, oder Kombinationen dieser Elemente gebildet wird.
Die Schmidt-Platte kann vorteilhaft aus Quarz oder strahlungsresistentem Glas vom Krontyp bestehen, wie auch das Dispersionssystem. Daher sind alle aus Flintglas bestehenden Komponenten von dem Spektrometer eliminiert, was den Vorteil liefert, Komponenten zu beseitigen, die einem Transparenzverlust infolge kosmischer Strahlung unterliegen.
Der eintretende Strahl, der den Schlitz durchquert, stammt ursprünglich von einem Teleskop, das typischerweise ein gekrümmtes Bild (Feldkrümmung) erzeugt, mit anderen Worten ein solches, das nicht auf einer ebenen Oberfläche liegt. Diese Krümmung kann entgegengesetztes Vorzeichen zu der haben, die durch die optischen Komponenten des Spektrometers eingebracht wird. Wenn die zwei Krümmungen identisch und von entgegengesetzten Vorzeichen sind, gleichen sie sich aus, und es müssen keine weiteren korrigierenden Einrichtungen vorgesehen werden.
Umgekehrt ist es möglicht, dass die zwei Feldkrümmungen (die durch das Spektrometer eingebrachte und die durch das Teleskop eingebrachte, welches den in das Spektrometer eintretenden Strahl liefert) unterschiedliche Größen haben und sich nicht gegenseitig ausgleichen werden. In einigen Fällen kann das Teleskop ein ebenes Bild liefern. Abhängig von den Umständen ist es erforderlich, korrigierende optische Komponenten an geeigneten Positionen längs des optischen Wegs des Spektrometers vorzusehen. Diese können einen Krümmungsschlitz, korrigierende optische Faserkomponenten, korrigierende Elemente der Dioptrik- (Linse), Katoptrik- (Spiegel) oder Katadioptrik- (kombinierte) Typen aufweisen. Diese Feldkrümmungsausgleichselemente können dem Strahleintrittsschlitz, dem Detektor oder beiden zugeordnet sein.
Systeme zum Korrigieren dessen, was als Schlitzkrümmung bezeichnet wird, können auch vorgesehen sein.
Weitere vorteilhafte Charakteristiken des erfindungsgemäßen Spektrometers sind in den anliegenden Patentansprüchen angeführt.
Die Erfindung wird deutlicher von der Beschreibung und der anliegenden Zeichnung verstanden werden, die eine praktische und nicht beschränkende Ausführungsform der Erfindung zeigt. In der Zeichnung zeigt
1 eine schematische Ansicht von oben des erfindungemäßen Spektrometers, begrenzt auf seine Grundkomponenten;
2 eine Ansicht ähnlich der Ansicht von 1, mit der Anzeige möglicher Elemente zum Ausgleichen der Feld- und Schlitzkrümmung;
3 und 4 zeigen eine Einrichtung zum Korrigieren der Schlitzkrümmung und zum Korrigieren der Feldkrümmung;
5A und 5B zeigen schematisch zwei Konfigurationen eines Systems zum Korrigiren der Feldkrümmung des Bilds, das von dem dem Spektrometer zugeordeten Teleskop stammt, unter Verwendung optischer Fasern.
Unter Bezugnahme zuerst auf 1, umfasst das Spektrometer einen Eintrittsschlitz 1, dessen Abmessungen gemäß dem optischen System bestimmt werden, das das eintretende Bild erzeugt. Insbesondere, und als Beispiel, kann der Schlitz 1 die Abmessungen von 12 × 0,040 mm haben. Der Schlitz 1 ist einem konkaven sphärischen Spiegel 3 zugeordnet, dessen optische Achse mit A bezeichnet ist.
Die Einrichtung umfasst ferner eine erste Schmidt-Platte 5, eine zweite Schmidt-Platte 7 und ein Dispersionssystem 9, das zwischen den zwei Schmidt-Platten 5 und 7 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Dispersionssystem 9 zwei Prismen 9A und 9B auf.
Ein zweiter konkaver sphärischer Spiegel 11 ist auf der von dem Spiegel 3 abgewandten Seite des Dispersionssystems 9 angeordnet, und ist einem Detektor 13 zugeordnet.
Wie schematisch in 1 gezeigt ist, trifft der aus dem Schlitz 1 eintretende und durch die Linien F1 dargestellte Strahl auf den Spiegel 3 und wird in Richtung auf die Schmidt-Platte 5 reflektiert (Strahl F2). Der Strahl F2 ist ein kollimierter Strahl, wäh rend die Schmidt-Platte 5 die sphärische Aberration korrigiert. Der von der Schmidt-Platte 5 austretende kollimierte Strahl tritt in das Dispersionssystem 9 ein und tritt in Form seiner chromatischen Komponenten aus, die geeignet durch die Ausgangsfläche des Prismas 9B zerstreut werden (Strahl F3), um durch die Platte 7 hindurchzugehen und die reflektierende Oberfläche des zweiten sphärischen Spiegels 11 zu erreichen. Von hier wird der Strahl reflektiert und auf den Detektor 13 fokussiert (Strahl F4).
In dem Diagramm in 1 sind die Komponenten für die Korrektw der Feld- und Schlitzkrümmung weggelassen worden.
Das in den 1–4 beschriebene System ist symmetrisch in dem Sinne, dass es zwei sphärische Spiegel 3 und 11, zwei Schmidt-Platten 5 und 7 und das Dispersionssystem 9 in einer Zwischenposition zwischen den beiden Platten aufweist. Die Schmidt-Platten 5 und 7 sind außerhalb der den beiden sphärischen Spiegeln 3 und 11 gemeinsamen optischen Achse A positioniert. Dies ist jedoch nicht die einzige mögliche Konfiguration des erfindungsgemäßen Spektrometers. Dies liegt darin begründet, dass in dem beschriebenen Fall das Sichtfeld (mit anderen Worten der lange Teil des Schlitzes 1) in der orthogonalen Richtung in Bezug zu 1 ist, aber das Instrument auch arbeiten kann, wenn das Sichtfeld in der Ebene von 1 liegt.
In dem Diagramm in 1 sind die Komponenten zum Korrigieren oder Ausgleichen der Feldkrümmung, die durch das Teleskop und durch die Komponenten des Spektrometers eingebracht werden, und die Schlitzkrümmung weggelassen worden.
Diese Krümmungen können auf verschiedene Weisen korrigiert werden. Wenn es um die Korrektur der Feldkrümmung geht, liegt eine erste Möglichkeit, wie bereits erwähnt, in der Verwendung eines Teleskops, das ein gekrümmtes Bild mit einer Feldkrümmung liefert, die gleich und von entgegengesetztem Vorzeichnen zu derjenigen ist, die durch das Spektrometer eingebracht wird. In diesem Fall gleichen sich die beiden Krümmungen aus und der Schlitz 1 ist mit dem gleichen Krümmungsradius wie das durch das Teleskop hergestellte Bild gekrümmt.
Die 2, 3 und 4 zeigen eine andere Lösung für den Ausgleich der Feldkrümmung und der Schlitzkrümmung. 2 zeigt ein Diagramm ähnlich dem von 1, mit der Angabe der Positionen (Pfeile III und IV) der Feld- und Schlitzkrümmungsausgleichselemente, die in einem größeren Maßstab in den 3 und 4 gezeigt sind.
Genauer ausgedrückt, zeigt 3 ein System zum Korrigieren der Schlitzkrümmung, das einen flachen Spiegel 21 aufweist, in dem ein Schlitz 1 vorgesehen ist, durch den der Strahl F von dem Teleskop hindurchgeht. Der Schlitz 1 erstreckt sich orthogonal zu der Ebene der Figur. Der Strahl F wird von einem gekrümmten Spiegel 23 reflektiert, dessen konvexe Seite zum Schlitz 1 gerichtet ist. Der Krümmungsradius des Spiegels 23 ist sehr groß und ist in dem Diagramm in 3 absichtlich gegenüber der echten Größe verkleinert worden, um die Krümmung des Spiegels sichtbar zu machen. Der von dem Spiegel 23 reflektierte Strahl wird in Richtung auf die innere reflektierende Oberfläche 21A des ebenen Spiegels 21 und von hier (Strahl F1) in Richtung auf den sphärischen Spiegel 3 gerichtet.
4 zeigt eine Vergrößerung einer Komponente zum Korrigieren der Feldkrümmung, die mit dem Detektor 13 verknüpft ist. Sie umfasst eine keilförmige zylindrische Linse (optischer Keil) 25, die sehr schematisch und mit dem Keilwinkel übertrieben in Bezug zum echten Winkel gezeigt ist, um die graphische Darstellung zu vereinfachen. Der Detektor 13 ist auf einer geneigten Ebene hinter dem optischen Keil 25 positioniert.
Umgekehrt ist es möglich, den Schlitz 1 und/oder den Detektor 13 mit einem System optischer Fasern zu verknüpfen, die den Schlitz an die Krümmung des Spektrometers anpassen. Diese Lösung ist schematisch in den 5A und 5B gezeigt, wo die optischen Fasern mit 27 bezeichnet sind. Sie weisen eine Grenzfläche mit dem Schlitz 1 oder mit dem Detektor 13 auf, je nach dem, wo die Korrigiereinrichtung positioniert ist. Dies ist schematisch in den 5A und 5B durch die doppelte Nummerierung 1; 13 angezeigt, die der mit den optischen Fasern 27 in gekoppelten Komponente zugeordnet ist. Die zwei Lösungen in den 5A und 5B entsprechen den Situationen mit Feldkrümmungen von entgegengesetztem Vorzeichen.

Claims

Spektrometer, umfassend in Kombination: – einen Schlitz (1) für den Eintritt eines Lichtstrahls; – einen Kollimator mit mindestens einem ersten konkaven sphärischen Spiegel (3) und mindestens einer ersten Schmidt-Platte (5); – ein Dispersionssystem (9); – Fokussiermittel; – einen Detektor (13); dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiermittel einen zweiten konkaven sphärischen Spiegel (11) und mindestens eine zweite Schmidt-Platte (7) umfassen zum Fokussieren des dispergierten Strahls auf den Detektor (9).
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schmidt-Platte (5) und der erste sphärische Spiegel in einer achsversetzten Konfiguration angeordnet sind.
Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zum Korrigieren der Feldkrümmung aufweist.
Spektrometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Mittel zum Korrigieren der Schlitzkrümmung aufweist.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schmidt-Platte (5) zwischen dem ersten sphärischen Spiegel (3) und dem Dispersionssystem (9) angeordnet ist.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Elemente aufeinanderfolgend längs des Weges des vom Schlitz (1) eintretenden Strahls angeordnet sind: – der erste sphärische Spiegel (3); – die erste Schmidt-Platte (5); – das Dispersionssystem (9); – die zweite Schmidt-Platte (7); – der zweite sphärische Spiegel (11); – der Detektor (13).
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz (1) in einem ebenen Spiegel (21) ausgebildet ist und dass dem ebenen Spiegel (21) ein gekrümmter Spiegel (23) zugeordnet ist, der den aus dem Schlitz (1) austretenden Strahl (F) zu dem ebenen Spiegel (21) reflektiert, der den Strahl (F1) zu dem ersten sphärischen Spiegel (3) reflektiert, wobei der gekrümmte Spiegel (23) die Schlitzkrümmung korrigiert.
Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es eine keilförmige Zylinderlinse (25) aufweist, die dem Detektor (13) zugeordnet ist, zum Korrigieren der Feldkrümmung.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionssystem eines oder mehrere Dispersionsprismen aufweist.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionssystem mindestens ein Dispersionsgitter aufweist.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionssystem mindestens ein Grisma aufweist.
Spektrometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitz mit einem Krümmungsradius gekrümmt ist, der die Krümmung des Spektrometers kompensiert.
Spektrometer nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein System von optischen Fasern (27) aufweist zum Anpassen der Krümmung des von dem Schlitz (1) eintretenden Bildes.
Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System von optischen Fasern dem Schlitz (1) zugeordnet ist.
Spektrometer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System von optischen Fasern dem Detektor (13) zugeordnet ist.