DE69823808T2

DE69823808T2 - Abbildungs-spektrometer

Info

Publication number: DE69823808T2
Application number: DE69823808T
Authority: DE
Inventors: Daniel Richard Chislehurst LOBB
Original assignee: SIRA ELECTRO-OPTICS Ltd CHISLEHURST; Sira Electro Optics Ltd
Current assignee: SIRA ELECTRO-OPTICS Ltd CHISLEHURST; Sira Electro Optics Ltd
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1998-02-24
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2018-02-25
Also published as: CA2282472C; US6288781B1; CA2282472A1; EP0961920A1; GB9703770D0; WO1998037389A1; EP0961920B1; AU6303998A; DE69823808D1

Description

Die Erfindung betrifft die Bauweise und Konstruktion von Prismenspektrometern und insbesondere Bildgebungsspektrometern.
Spektrometer sind Instrumente, welche zum Messen des spektralen Inhalts von Licht oder anderer elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Die spektralen Daten werden dazu verwendet, Informationen über die Strahlungsquellen bereitzustellen. Es gibt eine Vielzahl von Typen von Spektrometern, welche unterschiedliche Methoden zum Unterscheiden der spektralen Bestandteile einer Strahlung verwenden. In dieser Erfindung beschäftigen wir uns insbesondere mit der klassischen Methode, in welcher die Strahlung durch ein brechendes Element, üblicherweise Prisma genannt, dispergiert wird.
Ein typisches Prismenspektrometer ist schematisch in 1 gezeigt. In dieser Grafik fällt Strahlung von der Quelle 100 auf einen Eintrittsschlitz 101. Die durch den Schlitz hindurchtretende Strahlung, welche durch die Linien 102 und 103 repräsentiert ist, wird dann durch einen Kollimator 104 kollimiert, durch ein Brechungsprisma 105 geführt und durch einen Zurück-Abbilder 106 auf ein Detektionssystem 107 zurück abgebildet. Der Kollimator 104 und der Zurück-Abbilder 106 können Linsen sein, wie schematisch in 1 gezeigt, oder können gekrümmte Spiegel umfassen. Das Prisma erzeugt im zu dem Schlitz orthogonalen Schnitt entsprechend der Wellenlänge verschiedene Beugungen der Strahlung. Der Schlitz wird somit als Spektrum zurück abgebildet.
Der spektrale Inhalt der Strahlung kann unter Verwendung eines Detektionssystems der Form einer Matrix von Detektorelementen 107 ausgelesen werden, wie in 1 gezeigt ist. Alternativ kann der spektrale Inhalt unter Verwendung eines einzelnen Detektorelements gemessen werden, wenn die Anordnung gewisse Möglichkeiten zur Abtastung umfasst, um das Bild des Spektrums bezüglich des Detektors zu bewegen. Wir werden jedoch Spektrometer beschreiben, in welchen ein festes optisches System mit einer festen Detektormatrix verwendet wird, um eine gleichzeitige Messung eines vollständigen Spektralbereichs bieten.
Ein Bildgebungsspektrometersystem ist schematisch in 2 gezeigt. In dieser Darstellung wird eine Strahlungsquelle 200 durch einen Quellenabbilder 201 auf einen Schlitz 202 abgebildet. Der Strahl wird wiederum durch einen Kollimator 203 kollimiert, durch ein Brechungsprisma 204 dispergiert und durch einen Zurück-Abbilder 205 auf ein Detektionssystem 206 zurück abgebildet. In diesem Fall wurde jedoch darauf geachtet, dass ein gut aufgelöstes Bild der Quelle auf dem Schlitz ausgebildet ist, und die Kollimatoroptik und die Zurück-Abbildungsoptik sind derart gestaltet, dass sie auf dem Detektionssystem in jeder Wellenlängenkomponente ein gut aufgelöstes Bild des Schlitzes erzeugen. Das Detektionssystem ist eine Flächenmatrix von Elementen 207, in welcher jeder Punkt in dem Quellenbild als ein Linienspektrum in eine Detektormatrixspalte 208 zurück abgebildet wird und jede Detektormatrixzeile 209 einem unterschiedlichen, aufgelösten Strahlungswellenband zugeordnet ist. Wenn die Detektormatrixsignale ausgelesen werden, so stellen sie Daten für den spektralen Inhalt aller ortsaufgelösten Quellenpunkte bereit, die auf den Schlitz abgebildet werden und auf die Detektormatrix zurück abgebildet werden. Das System stellt somit gleichzeitig spektrale Informationen auf einer Linie von ortsaufgelösten Punkten im Quellgebiet bereit. Typischerweise wird diese Linie dann durch eine relative Bewegung von Quelle und Spektrometer abgetastet, um eine detaillierte Datenbank über den spektralen Inhalt eines Gebiets der Quelle aufzubauen.
Bildgebungsspektrometer werden zum Aufnehmen des spektralen Inhalts von Quellgebieten verwendet, welche signifikante Ortsveränderungen der spektralen Luminanz zeigen. Beispielsweise kann ein Bildgebungsspektrometer dazu verwendet werden, eine detaillierte Aufnahme der Farben aller Punkte in einem Bild herzustellen. Eine wichtige Anwendung liegt zurzeit in der Erdbeobachtung. Bildgebungsspektrometer werden an Luftfahrzeugen montiert und fliegen mit Erdumlaufsatelliten, um den spektralen Inhalt ausgewählter Orte der Erdoberfläche zu messen. Diese Daten weisen einen weiten Bereich bestehender und möglicher Anwendungen auf, z. B. kann aus dem spektralen Inhalt des Bildes Vegetation identifiziert und ihre Gesundheit analysiert werden, Mineralien können für eine mögliche Bergbauausnutzung identifiziert werden und eine Wasserverschmutzung kann in offenen Ozeanen, Küstenzonen und Inlandwassergebieten eingeschätzt werden.
Prismenspektrometer ergeben eine relativ geringe spektrale Auflösung, wobei aufgelöste Wellenbänder typischerweise im Bereich von 1 nm bis einige 10 nm, im sichtbaren und im nahen Infrarot-Spektralbereich liegen. Diese spektrale Auflösung ist für viele wissenschaftliche Anwendungen nicht ausreichend, für welche verschiedene Typen von Spektrometern verwendet werden. Sie ist jedoch für viele Anwendungen, einschließlich allgemeiner Farbmessungen und für Erdbeobachtungen ausreichend. Prismenspektrometer werden oftmals in diesen Anwendungen bevorzugt, da Prismen es ermöglichen, breite Spektralbereiche effizient und einfach mit einem einzelnen Instrument abzudecken. Beispielsweise kann ein Prismenspektrometer so gestaltet sein, dass es den gesamten spektralen Bereich von 400 nm bis 2500 nm abdeckt. Dieser Bereich ist von besonderem Interesse für eine Erdbeobachtung von einem Luftfahrzeug und von Satelliten.
Bauweisen für Prismenspektrometer, in welchen Linsen sowohl für eine Kollimation als auch für eine Zurück-Abbildung verwendet werden, sind in 2 gezeigt. Komplett-Spiegel-Systeme können ebenfalls zur Kollimation und Zurück-Abbildung verwendet werden, wie beispielsweise in 3 gezeigt ist. In den 2 und 3 sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen benannt. Der Kollimator ist ein System aus zwei Spiegeln, 301 und 302. Der Zurück-Abbilder ist ein System aus zwei Spiegeln 303 und 304. Katadioptrik-Systeme (welche eine Kombination aus Spiegeln und Brechungselementen verwenden) sind ebenfalls bekannt. Die Leistung eines Bildgebungsspektrometers ist durch die durch die Kollimatoren und Zurück-Abbilder bereitgestellte Bildqualität begrenzt. Die Ortsauflösung ist durch die für jede Wellenlänge entlang des Schlitzbildes bereitgestellte Auflösung begrenzt und die spektrale Auflösung ist durch die Auflösung der Optik über das Schlitzbild für jede Wellenlänge begrenzt. Eine Interpretation der spektralen Daten kann auch durch eine Verzerrung der Schlitzbilder in jeder Wellenlänge erschwert werden, wenn die Verzerrung auf den geraden Reihen der Detektormatrix ungerade Bilder des Eintrittsschlitzes produziert.
Bildgebungsspektrometer, welche, wie in 2 gezeigt, nur Brechungslinsen verwenden, sind in ihrer Leistungsfähigkeit insbesondere durch die axialen chromatischen Aberrationen der Linsen begrenzt. Eine axiale chromatische Aberration erzeugt Unterschiede im Brennpunkt als Funktion der Wellenlänge, was eine gute Auflösung bei allen Wellenlängen im Spektrometer-Messbereich verhindert, wenn nicht der Messbereich beschränkt ist. Es ist möglich, durch die Verwendung von zwei oder mehreren Brechungsmaterialien eine Korrektur für chromatische Aberration über vergrößerte Wellenlängenbereiche zu erzielen, so dass oftmals eine gute Auflösung erreichbar ist, beispielsweise über den ganzen sichtbaren Bereich. Eine Korrektur über wesentlich breitere spektrale Bereiche, welche oftmals in Bildgebungsspektrometern benötigt werden, wird jedoch ohne übermäßigen optischen Aufwand schwierig oder unmöglich.
Komplett-Spiegel-Systeme werden oftmals favorisiert für Spektrometer, welche sehr breite spektrale Bereiche abdecken, da diese keine chromatischen Aberrationen aufweisen. Sehr einfache Spiegelsysteme werden in Spektrometern mit Einzelpunkt- oder Linearmatrix-Detektionssystemen verwendet. Es werden jedoch aufwendigere Spiegelsysteme benötigt, um in Bildgebungsspektrometern, die Flächenmatrixdetektoren verwenden, eine adäquate Auflösung zu bieten. Es ist möglich, einen Kollimator zu konstruieren, welcher für alle optischen Aberrationen gute Korrektur aufweist, wobei, wie in 3 gezeigt, zwei Spiegel verwendet werden, von denen der dem Schlitz folgende Spiegel 301 konkav und der dem Prisma vorausgehende Spiegel 302 konvex ist. Wie in 3 gezeigt ist, kann eine ähnliche Zwei-Spiegel-Konstruktion für den Abbilder verwendet werden. In diesen Konstruktionsformen müssen jedoch alle gekrümmten Spiegel asphärische Oberflächen aufweisen, so dass die Bauteile tendenziell teuer und schwierig auszurichten sind. Das Zwei-Spiegel-System ist außerdem tendenziell groß, da die Trennung der zwei Spiegel ca. das Doppelte der Brennweite der Kombination beträgt.
Kompaktere Zwei-Spiegel-Systeme können nur für kleine Feldwinkel eine gute Korrektur aufweisen, weshalb sie für Bildgebungsspektrometer weniger geeignet sind, und im Allgemeinen benötigen sie ebenfalls wenigstens eine asphärische Komponente. Drei-Spiegel-Systeme können für die Verwendung in Bildgebungsspektrometern relativ kompakt und außerdem gut korrigiert sein, benötigen jedoch im Allgemeinen mindestens zwei asphärische Komponenten. Systeme mit vier oder mehreren Spiegeln kommen mit der Verwendung von lediglich sphärischen Spiegeln aus, sie sind jedoch tendenziell groß und die erhöhte Komplexität des Systems ist nicht wünschenswert.
Die US 5,127,728 , Warren, verwendet Brechungselemente mit „Aplanatischer"-Krümmung, um Aberrationen zu kontrollieren, jedoch erzeugt der aplanatische Zustand tendenziell relativ große Aberrationen höherer Ordnungen.
Die WO 88/00688 verwendet drei gekrümmte Reflexionsflächen und zwei dispergierende Elemente, welche flache parallele Flächen aufweisen.
Katatioptrik-Systeme werden oftmals für Bildgebungsspektrometer favorisiert, da sie im Allgemeinen kompakt sein können und lediglich sphärische optische Flächen verwenden. Ein typischer Katadioptrik-Kollimator oder -Abbilder wird jedoch zwei gekrümmte Spiegel und drei Brechungselemente umfassen, so dass das System relativ komplex ist.
Komplexität ist bei Bildgebungsspektrometern unerwünscht, teilweise aufgrund von Streuung an allen optischen Flächen und teilweise aufgrund von Streureflexionen an brechenden Flächen. Ein Teil der gestreuten und der streureflektierten Strahlung gelangt zu dem Detektor und führt zu Fehlern in den aufgenommenen Spektren. Die Streustrahlung wird normalerweise „Streulicht" genannt, obwohl sie jegliche Strahlung umfasst, für welche die Detektoren empfindlich sind. Um Streulicht zu begrenzen, ist es im Allgemeinen wünschenswert, die Gesamtanzahl von Flächen zu begrenzen, welche zu einer Streuung beitragen können. Brechungsflächen müssen vorsichtig reguliert werden, um direkte Streureflektionen zu dem Detektor zu vermeiden, und asphärische optische Flächen werden vorzugsweise vermieden, da es in der Herstellung schwierig ist, sowohl die asphärische Form als auch die die Streuung erzeugende feine Oberflächenstruktur zu kontrollieren.
Für ein Bildgebungsspektrometer ist es daher wünschenswert, gut aufgelöste Abbildungen über sich in zwei Dimensionen erstreckende Detektormatritzen zu erzeugen. Vorzugsweise sollten solche Spektrometer weniger optische Flächen aufweisen und keine asphärischen optischen Flächen enthalten. Ein breiter Spektralbereich ist ebenfalls nützlich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Bildgebungsspektrometer zum Erstellen eines spektral aufgelösten Bildes eines Objektspalts bereitgestellt, wobei das Spektrometer derart konfiguriert ist, dass Licht von dem Objektspalt entlang eines optischen Wegs zu dem Bild verlaufen kann, wobei das Spektrometer eine erste, eine zweite und eine dritte gekrümmte Reflexionsfläche umfasst. Das Spektrometer weist wenigstens zwei dispergierende Elemente auf, welche jeweils mindestens eine gekrümmte Fläche aufweisen, wobei das Spektrometer ferner derart konfiguriert ist, dass der optische Weg wie folgt verläuft: von dem Objektspalt durch die gekrümmte Fläche eines der dispergierenden Elemente zu der ersten gekrümmten Reflexionsfläche, von der ersten gekrümmten Reflexionsfläche zu der zweiten gekrümmten Reflexionsfläche, von der zweiten gekrümmten Reflexionsfläche zu der dritten gekrümmten Reflexionsfläche und von der dritten gekrümmten Reflexionsfläche durch die gekrümmte Fläche eines anderen der dispergierenden Elemente zu dem Bild.
Der Hauptteil der Dispersionsenergie des Spektrometers kann durch die dispergierenden Elemente in den optischen Wegen zwischen dem Objekt und der ersten der gekrümmten Reflexionsflächen sowie zwischen dem Bild und der dritten der gekrümmten Reflexionsflächen bereitgestellt sein. Die dispergierenden Elemente können Prismen sein und die gekrümmten Reflexionsflächen können eine konvexe und eine konkave Spiegelfläche umfassen; die erste und die dritte gekrümmte Reflexionsfläche können eine einzelne physikalische Spiegelfläche umfassen. Ferner können optische Elemente vorgesehen sein, um Bildaberrationen zu regulieren. Die gekrümmten Flächen der dispergierenden Elemente und/oder der gekrümmten Reflexionsflächen können im Wesentlichen sphärisch sein. Zwischen den Wellenlängen von 200 nm und 3500 nm können die dispergierenden Elemente derart vorgesehen sein, dass sie eine hauptsächlich in dieselbe Richtung verlaufende Dispersion aufweisen.
In einem Beispiel, welches außerhalb des Inhalts der Ansprüche liegt, wird ein Bildgebungsspektrometer zum Erstellen eines spektral aufgelösten Bildes eines Objektspalts bereitgestellt, wobei Licht von dem Objektspalt entlang eines optischen Wegs zu dem Bild verläuft und wobei das Spektrometer eine gekrümmte Reflexionsfläche und ein dispergierendes Element mit einer gekrümmten Fläche umfasst. Das Spektrometer umfasst ferner eine erste und eine zweite gekrümmte Brechungsfläche, wobei das Spektrometer derart konfiguriert ist, dass der optische Weg wie folgt verläuft: von dem Objektspalt durch die erste gekrümmte Brechungsfläche und durch die gekrümmte Fläche des dispergierenden Elements zu der gekrümmten Reflexionsfläche und von der gekrümmten Reflexionsfläche durch die gekrümmte Fläche des dispergierenden Elements und durch die zweite gekrümmte Brechungsfläche zu dem Bild.
Die zwei gekrümmten Reflexionsflächen können eine einzelne physikalische Fläche umfassen und die gekrümmte Reflexionsfläche und die gekrümmten Brechungsflächen können im Wesentlichen sphärisch sein. Die einzelne physikalische Fläche kann die Fläche eines Brechungselements sein, dessen andere Fläche eben ist und das Objekt aufweist, welches darauf angeordnet ist.
Das Spektrometer der Erfindung kann ferner einen elektronischen Detektor mit einer Mehrzahl von Detektionselementen umfassen, welche Ausgabesignale bereitstellen, wobei der Detektor an der Bildposition angeordnet ist, um das Bild zu detektieren, sowie Summiermittel umfassen, um die Ausgabesignale von wenigstens zwei in einem Gebiet relativ hoher spektraler Auflösung befindlichen Detektionselementen zu summieren. Eine solche Anordnung kann ein Kompensieren ungleichmäßiger spektraler Auflösung unterstützen, welche die dispergierenden Elemente zeigen können.
Um ein vollständigeres Verständnis der oben genannten Aspekte und andere Aspekte der Erfindung zu fördern, werden einige Ausführungsformen oder außerhalb des Inhalts der Ansprüche liegende Beispiele, lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, beschrieben, wobei:
1 ein typisches Prismenspektrometer zeigt;
2 ein Bildgebungsspektrometer zeigt;
3 ein Bildgebungsspektrometer mit Spiegelkollimatoren zeigt;
4A und 4B jeweils ein Dyson-Relay und ein Offner-Relay zeigen;
5A und 5B jeweils gekrümmte Brechungskeile und einen Flächenmatrixdetektor zeigen;
6 korrigierte Dyson- und Offner-Relay-Systeme zeigen;
7 ein optisches System mit zwei Prismen entgegengesetzter Ablenkungen zeigen;
8 ein Bildgebungsspektrometer zeigt, welches ein Dyson-Relay enthält;
9 ein Bildgebungsspektrometer zeigt, welches ein Dyson-Relay und einen dichroitischen Strahlenteiler enthält;
10 ein Bildgebungsspektrometer zeigt, welches ein Offner-Relay enthält;
11 ein Bildgebungsspektrometer für einen Erdumlaufsatelliten zeigt;
12 ein anderes Bildgebungsspektrometer für einen Erdumlaufsatelliten zeigt;
13 ein Bildgebungsspektrometer für Erdbeobachtung von einem Luftfahrzeug zeigt.
1 bis 9 zeigen Beispiele, welche zum Verständnis der Erfindung nützlich sind (welche jedoch nicht von den Ansprüchen abgedeckt sind). 10 bis 13 sind Ausführungsformen der Erfindung.
Es gibt eine Klasse einfacher Relay-Bildgebungssysteme, welche bei einer Einheitsvergrößerung eine sehr gute Korrektur bereitstellt. Diese Systeme werden konzentrisch genannt, da alle gekrümmten Flächen Krümmungszentren an ungefähr oder genau demselben Punkt aufweisen. Es gibt einige verschiedene Arten konzentrischer Relay-Systeme. Zwei Beispiele sind in 4A und 4B gezeigt.
4A zeigt ein Relaysystem, welches ursprünglich von Dyson entworfen wurde, welches einen konkaven sphärischen Spiegel 401 und ein dickes Linsenelement 402 umfasst. Das Linsenelement weist eine flache Fläche 403 und eine sphärische Fläche 404 auf. Die Krümmungszentren der Brechungsfläche 404 und der Spiegelfläche liegen nominell in einem gemeinsamen Punkt 405 an der flachen Fläche 403. Der Spiegel 401 befindet sich ungefähr in der Brennebene des Brechungselements 402. Die Objektfläche und die Bildfläche liegen beide in der flachen Fläche 403. Es sind Strahlen 406, 407 gezeigt, welche von einem Punkt 408 in der Fläche 403 ausgehen, durch die sphärische Fläche 404 der Linse gebrochen werden, von dem Spiegel 401 reflektiert werden, erneut durch die sphärische Fläche 404 der Linse gebrochen werden und im Punkt 409 in der Fläche 403 fokussieren.
4B zeigt ein Relaysystem, welches ursprünglich von Offner entworfen wurde, welches einen konkaven sphärischen Spiegel 421 und einen konvexen sphärischen Spiegel 422 umfasst. Die zwei Spiegel weisen Krümmungszentren auf, welche nominell im selben Punkt 423 liegen. Der Krümmungsradius des konvexen Spiegels 422 beträgt ca. die Hälfte des Krümmungsradius des konkaven Spiegels 421. Die Objekt- und Bildebenen für dieses System können irgendeine Ebene 424 sein, die den Punkt 423 enthält. Es sind Strahlen 425 und 426 gezeigt, welche ausgehend von einem Objektpunkt 427 in der Ebene 424 divergieren, von dem konkaven Spiegel 421, dann von dem konvexen Spiegel 422 und wiederum von dem konkaven Spiegel 421 reflektiert werden und schließlich konvergieren, um im Punkt 428 in der Ebene 424 zu fokussieren.
Die konzentrischen optischen Relay-Aufbauten, welche durch Beispiele in 4A und 4B illustriert sind, weisen einige grundlegende Merkmale auf, welche in Bildgebungsspektrometern sehr wünschenswert sind. Sie geben die Strahlung von einer Quellebene, in welcher sich ein Schlitz befinden kann, weiter in eine Bildebene, in welcher sich eine Detektormatrix befinden kann, sie enthalten keine Flächen, welche nicht nominell sphärisch oder flach sind, und sie weisen eine minimale Anzahl von optischen Flächen auf. Sie können in den in 4A und 4B gezeigten einfachen Formen extrem gut korrigiert werden. Die Korrektur kann durch Hinzufügen weiterer nahezu konzentrischer Elemente, wie in 6 gezeigt, weiter verbessert werden. Diese Grafik zeigt sowohl das Dyson- als auch das Offner-System, wobei Bauteile wie in 4A und 4B beziffert sind. Das Dyson-Relay wird verbessert, indem zu dem Brechungselement 402 ein nahezu konzentrisches Meniskuselement 601 mit hohem Brechungsindex hinzugefügt wird. Das Offner-Relay wird verbessert, indem ein brechendes, nahezu konzentrisches Meniskuselement 602 hinzugefügt wird.
Konzentrische Relay-Systeme der in den 4A, 4B und 6 gezeigten Arten wurden jedoch nicht in Spektrometern verwendet, da sie in keinem Teilabschnitt des Strahlwegs kollimiertes Licht erzeugen und stattdessen in allen Abschnitten des Lichtwegs die Strahlen von einem einzelnen Objektpunkt aus entweder divergieren oder konvergieren. Wenn konvergierende oder divergierende Strahlung durch eine flache brechende Fläche bei einem mittleren Einfallswinkel hindurch treten, der ungleich Null ist, so erzeugt der Durchtritt 3 optische Hauptaberrationen: sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus. Diese Aberrationen erzeugen im Allgemeinen eine Unschärfe im Endbild, welche die spektrale Auflösung von Spektrometern und Ortsauflösung von Bildgebungsspektrometern herabsetzt. Prismen werden daher normalerweise in kollimierten (weder konvergierenden, noch divergierenden) Strahlungswegen angeordnet, wie dies in 1, 2 und 3 gezeigt ist. Anordnungen dieser Art wurden bevorzugt, da flache Flächen in kollimierter Strahlung keine optischen Aberrationen erzeugen (mit Ausnahme von einer Separation des Bildes in Wellenlängenkomponenten, was eine grundlegende Funktion eines Spektrometers ist).
Es ist möglich, einige der Aberrationen, die durch ein Hindurchtreten von nicht kollimiertem Licht durch flache Prismenflächen erzeugt werden, zu korrigieren, indem die mittleren Einfallswinkel auf nacheinander folgende Flächen ausgewählt werden. Durch Verwendung von nur einem Prisma ist es möglich, eine Hauptkorrektur für Astigmatismus zu erzeugen. Sphärische Aberration ist im Normalfall weniger bedeutsam und kann toleriert werden, prinzipiell kann es jedoch durch eine Modifizierung der zur Kollimation und Zurück-Abbildung verwendeten gekrümmten optischen Einrichtungen ebenfalls korrigiert werden.
Eine Korrektur für eine Koma schafft jedoch bedeutendere Probleme. Für jedes Prismenmaterial gibt es an jeder optischen Fläche eine Beziehung erster Ordnung zwischen Koma und Ablenkung der Strahlung. Eine Korrektur für Koma benötigt daher mindestens zwei Prismen, welche die Strahlung in entgegengesetzte Richtungen ablenken, wie in 7 gezeigt. In 7 ist ein Offner-Relay gezeigt, welches Komponenten aufweist, die durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet sind wie die in 5. die zwei Prismen sind durch Bezugszeichen 701 und 702 bezeichnet. Da die zwei Prismen Licht in entgegengesetzte Richtungen ablenken, müssen sie eine spektrale Dispersion in entgegengesetzte Richtungen erzeugen, wodurch die durch das System bereitgestellte spektrale Gesamtauflösung reduziert wird. Eine spektrale Nettoauflösung kann nur durch Verwendung zweier verschiedener Materialien für die zwei Prismen erzeugt werden, wobei die zwei Materialien in ihrer Dispersionsenergie einen wesentlichen Unterschied aufweisen.
Für den sichtbaren Bereich sind geeignete Paare von Materialien verfügbar. beispielsweise können die Prismen 701 und 702 jeweils aus optischem Fluorit- und Flintglas hergestellt sein. Es ist jedoch schwierig, Materialien zu finden, welche über einen sehr breiten spektralen Bereich einen verwendbaren Dispersionsunterschied aufweisen. So weisen beispielsweise optische Fluorit- und Flintgläser im sichtbaren Bereich einen großen Dispersionsunterschied auf, besitzen jedoch im kurzwelligen Infrarot-Spektralbereich zwischen Wellenlängen von 1 μm und 2,5 μm ähnliche Dispersionen. Die spektrale Auflösung kann mit den Nachteilen eines erhöhten Aufwands unter Verwendung mehrerer Prismen verbessert werden, der praktische Spektralbereich der Konstruktion ist jedoch tendenziell auf Wellenlängen unterhalb etwa 1 μm begrenzt.
Selbst mit diesem Aufwand ist es jedoch nicht möglich, eine ideale Korrektur für Aberrationen bereitzustellen. Da die durch jedes Prisma erzeugte Koma im Zusammenhang steht mit der Ablenkung der Prismen, ist eine exakte Korrektur der Koma nur für eine, durch beide Prismen erzeugte Gesamtablenkung möglich. Für die Funktion des Spektrometers werden unterschiedliche Ablenkungen für unterschiedliche Wellenlängen benötigt, so dass die Koma nur für eine Wellenlänge korrigiert werden kann, wobei die Aberration im Endbild für Wellenlängen gemäß deren linearem Abstand von der nominell korrigierten Wellenlänge zunimmt. Im Ergebnis setzt die Koma-Korrektur eine Grenze für den spektralen Umfang des Bildes, was entweder die spektrale Auflösung oder den spektralen Bereich oder beides begrenzt. Die Bedeutung dieser Begrenzung hängt ab von der relativen Apertur der Relayoptik, da sich die primäre Koma-Aberration mit dem Quadrat der relativen Apertur verändert.
In einem Spektrometer, welches Brechungsdispersion verwendet, lenken die Brechungselemente die durchgelassene Strahlung zur Separation von Wellenlängen im Endbild ab und die Strahlung kann daher so eingerichtet werden, dass sie auf wenigstens eine Brechungsfläche in einem im Wesentlichen mittleren Einfallswinkel fällt. Da die Brechungsflächen nicht flach sein müssen, können gekrümmte Keile als Alternative zu herkömmlichen Prismen in Betracht gezogen werden. Als hinreichende Bedingung für die Korrektur zweier Hauptaberrationen, sphärischer Aberration und Koma, an irgendeiner optischen Fläche gilt, dass alle Strahlen in der Gruppe von jedem Objektpunkt gleiche Einfallswinkel auf die Fläche aufweisen. Es kann daher unnötig sein, Materialien verschiedener Dispersionseigenschaften zu verwenden, welche die Strahlung in entgegengesetzte Richtungen ablenken, um Koma zu korrigieren. Werden zwei oder mehrere Keile verwendet, so können sie aus dem gleichen Material gebildet sein und alle oder die meisten Flächen der Keile können komplementäre Dispersionen erzeugen. Das bedeutet, dass Einfallswinkel auf Prismenflächen allgemein kleiner sein können, da die Ablenkungsanforderungen geteilt werden. Die Flächen der gekrümmten Brechungskeile können daher nützlich derart gekrümmt sein, dass die Einfallswinkel über die Fläche nahezu konstant sind, obwohl im Allgemeinen ein optimiertes optisches System diese Eigenschaft nicht aufweisen wird.
Der durch die Eintrittsfläche erzeugte Astigmatismus eines gekrümmten Keils ist stets von entgegengesetztem Vorzeichen zum durch die Austrittsfläche desselben Keils erzeugten Astigmatismus, so dass die Beiträge der Flächen so vorgesehen werden können, dass sie sich kompensieren. In der Praxis wird es oftmals wünschenswert sein, in einem Aufbau mehr als einen gekrümmten Keil oder einen Doppeldurchtritt des Strahls durch einen oder mehrere Keile einzusetzen, um die durch das System erreichbare gesamte Dispersion zu erhöhen und eine bessere Korrektur der optischen Aberrationen zuzulassen.
Die hier beschriebene Konfiguration ermöglicht es, dass, falls gewünscht, alle gekrümmten Brechungskeile aus einem einheitlichen Material hergestellt sind. Unter Verwendung eines einzigen Brechungsmaterials ist es möglich, ein Spektrometer zu konstruieren, welches einen sehr breiten Spektralbereich abdeckt, da der Brechungsindex irgendeines Materials sich über seinen Durchlassbereich monoton mit der Wellenlänge verändert. Beispielsweise könnte Quartzglas prinzipiell über seinen gesamten Transmissionsbereich verwendet werden, so dass der Wellenlängenbereich von 200 nm bis 3,5 μm abgedeckt wird. Da die die Hauptablenkungen bereitstellenden Brechungskomponenten komplementäre Dispersion erzeugen, können auf einzelnen Flächen relativ geringe Einfallswinkel verwendet werden. Dies ermöglicht eine bessere Regulierung von optischen Aberrationen höherer Ordnung und begrenzt außerdem die durch Schrägeinfall erzeugte Polarisation. In der Praxis können diese Vorteile dazu verwendet werden, die Konstruktion kompakterer Spektrometer zu ermöglichen. Kompaktheit bei relativer Einfachheit ist insbesondere für an Raumfahrzeugen verwendeten optischen Einrichtungen ein wichtiges Attribut.
Die durch Brechungsmaterialien erzeugte Dispersion variiert typischerweise mit der Strahlungswellenlänge. So ist beispielsweise die Dispersion von Quartzglas im violetten Bereich des sichtbaren Spektrums etwa 20 Mal größer als im nahen Infrarotbereich. Das bedeutet, dass dann, wenn nur ein Material für eine Brechungsdispersion in einem Spektrometer verwendet wird oder wenn die dispergierenden Elemente Dispersion hauptsächlich oder vollständig in derselben Richtung erzeugen, so wird im Allgemeinen die spektrale Auflösung in einigen spektralen Bereichen wesentlich größer sein als in anderen. Dies kann in einigen Instrumenten ein bedeutsamer Nachteil sein, da in Spektralbereichen, in welchen eine übermäßige spektrale Auflösung vorliegt, geringe Signalpegel erzeugt werden, da in diesen Gebieten auf einzelne Detektorelemente weniger Strahlung fällt. Gemildert werden kann dies durch elektronische Verarbeitung („binning" = Klasseneinteilung) der Signale von den Detektorelementen. Eine ungleichmäßige spektrale Auflösung kann reduziert werden durch elektronisches Summieren von Signalen von Detektorelementen, welche Strahlung von einer Stelle empfangen, an der die Dispersion relativ hoch ist.
Das Problem kann prinzipiell optisch gelöst werden, indem zwei oder mehrere Brechungsprismen oder gekrümmte Keile unterschiedlicher Materialien verwendet werden, welche, wie in 5A gezeigt, Dispersion in entgegengesetzte Richtungen bereitstellen. Beispielsweise kann im sichtbaren spektralen Bereich die nutzbare Dispersionskomponente durch einen gekrümmten Keil aus einem eine relativ geringe Dispersionsenergie aufweisenden Kronglasmaterial 501 erzeugt werden. Dieses Element ergibt höhere Dispersion im blauen Spektralbereich als im roten Spektralbereich, wie durch die übertriebenen Spreizungen der roten Strahlen 502 und 503 und der blauen Strahlen 504 und 505 angezeigt ist. Das Kronglaselement kann daher in Kombination mit einem Flintglaselement 506 verwendet werden. Das Flintglas weist für einen gegebenen Keilwinkel eine höhere Dispersionsenergie in allen sichtbaren Spektralbereichen auf, jedoch wird ein kleinerer Keilwinkel verwendet als für das Kronglas. Das Flintglas weist ein höheres Dispersionsverhältnis im blauen Spektralbereich als im roten Spektralbereich auf, wie durch die übertriebenen Spreizungen der roten Strahlen 507 und 508 und der blauen Strahlen 509 und 510 gezeigt ist. Werden die zwei Prismen zusammen verwendet, so dass sie die Strahlung in entgegengesetzte Richtungen ablenken, so veringert das Flintglaselement 506 die durch das Kronglas bereitgestellten Dispersion, reduziert die Gesamtdispersion jedoch im blauen Spektralbereich mehr als im roten Spektralbereich, wie durch die roten Strahlen 511 und 512 und die blauen Strahlen 513 und 514 gezeigt.
Ein Nachteil dieses Schemas ist, dass die für diese Prismen benötigten Keilwinkel wesentlich größer sind als die, die benötigt wären, wenn nur ein Keil verwendet werden würde, um bei irgendeiner gewählten Wellenlänge die benötigte Dispersion bereitzustellen. Für Bildgebungsspektrometer führt dies tendenziell zu einer Erhöhung von Aberrationen und kann es erforderlich machen, dass die Kombination von Prismen verklebt wird, um eine Totalreflexion der Strahlung im Inneren zu vermeiden oder um eine bei extremen Winkeln erzeugte Polarisation zu reduzieren. Verkleben ist für eine Reihe optischer Gläser leicht verwirklichbar. Es gibt jedoch eine begrenzte Gruppe von Materialien, welche für breite Spektralbereiche, die beispielsweise entweder den ultravioletten oder den kurzwelligen Infrarotbereich mit dem sichtbaren Bereich enthalten, verwendet werden können. Es ist schwierig, geeignete Kombinationen von Materialien zu finden, welche nahezu gleiche thermische Expansionskoeffizienten aufweisen, so dass geklebte Kombinationen nicht ohne ein Risiko des Bruchs aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung über breite Temperaturbereiche verwendet werden können.
Für das oben herausgestellte Problem ungleichmäßiger spektraler Dispersion kann eine Verbesserung erzielt werden, indem unter Verwendung eines Detektionssystems erzeugte Signale verarbeitet werden, wie in 5B gezeigt. Das Spektrum entsteht typischerweise an einer Detektormatrix 520. Ein Flächenmatrixdetektor, wie er in einem Bildgebungsspektrometer verwendet werden würde, ist in 5B gezeigt und weist Reihen 521 von Elementen, die einzelne Wellenlängen empfangen, und Spalten 522 von Elementen, die Spektren von einzelnen ortsaufgelösten Objektpunkten empfangen, auf. Blaue Wellenlängen werden über eine Gruppe von Zeilen 523 abgebildet und rote Wellenlängen, welche nominell eine gleiche Wellenbandbreite aufweisen, werden über eine wesentlich schmalere Gruppe von Zeilen 524 abgebildet.
Prinzipiell kann die gesamte Detektormatrix ausgelesen werden und die Signale von jedem Detektorelement aufgenommen werden. Den Reihen 523, welche blauen Wellenlängen entsprechen, werden niedrige Signalpegel zugeordnet sein. Da jedoch für blaue Wellenlängen eine übermäßige spektrale Auflösung erzeugt wird, ist es vernünftig, die Signale insbesondere für den blauen Bereich in Gruppen von Zeilen aufzusummieren. Dies stellt für den blauen Spektralbereich höhere Signalpegel bereit verbunden mit einer spektralen Auflösung, welche näher angeglichen ist an die, welche (ohne die Summierung von Zeilen) in dem roten Spektralbereich erreicht wird.
Spektrometer, welche für die spektralen Bereiche vom nahen Ultraviolett bis zum nahen Infrarot verwendet werden, können Detektoren mit ladungsgekoppelten Bauteilen (CCD) verwenden. In diesen Detektoren werden an den einzelnen Elementen Signalladungen erzeugt. Die Signalladungen werden dann durch Ansteuerungssignalspannungen, welche an parallel zu Zeilen angeordneten Elektroden angelegt werden, schnell abwärts der Spalten verschoben, so dass die jeder Detektorreihe zugeordneten Signale nacheinander an einer Ausgaberegisterreihe 525 ankommen. Signalladungen im Ausgaberegister 525 werden dann entlang der Registerreihe durch angelegte Ansteuerungssignalspannungen, die an die Registerelemente angelegt sind, verschoben, so dass sie nacheinander an einem Ausgabeanschluss 526 ankommen, von welchem aus die Signale ausgelesen werden. Im Normalbetrieb wird jede Zeile von Ladungen einzeln ausgelesen, um eine Aufnahme des Signals von jedem Element in der Matrix bereitzustellen. Es ist jedoch möglich, die Abfolge von an die CCD-Zeilen und eines Ausgaberegisters 527 angelegten Ansteuerungssignale derart zu verändern, dass zwischen Auslesevorgängen von dem Ausgaberegister zwei oder mehrere Zeilen von Signalladungen in das Ausgaberegister verschoben werden. Wenn dies getan wird, so werden die Signale, die ausgewählten Gruppen von Reihen zugeordnet sind, in dem Ausgaberegister summiert, bevor die Ladungen ausgelesen werden.
Diese Verwendung von CCDs zum Summieren von Signalen vor dem Auslesen weist gegenüber dem Summieren von Signalen nach dem Auflösen wesentliche Vorteile auf, da der Vorgang des Summierens im CCD nahezu frei von elektronischem Rauschen ist.
Zwei Keile oder ein doppeltes Hindurchlaufen durch einen einzelnen Keil kann grundsätzlich nützlich dafür eingesetzt werden, Astigmatismus über einem Objekt oder Bildfeld, das sich in der Richtung orthogonal zur Dispersionsrichtung erstreckt, zu korrigieren. Diese Korrektur ist für Bildgebungsspektrometer bedeutsam, da sie teilweise von der nutzbaren Länge des Eintrittsschlitzes des Spektrometers abhängt.
Der beim Durchgang divergierender Strahlen durch einen gekrümmten Keil erzeugte restliche Astigmatismus kann durch den restlichen Astigmatismus kompensiert werden, welcher beim Durchgang konvergierende Strahlen durch einen gekrümmten Keil (entweder denselben Keil oder einen separaten) erzeugt wird, vorausgesetzt, dass die Strahlen bei den zwei Durchgängen der Strahlen durch das Material des brechenden Keils im selben Sinn dispergiert werden. Dies ermöglicht, dass zwei Keile komplementäre Wirkungen erzeugen, so dass ein gemeinsames Material verwendet werden kann. Alternativ erzeugt ein einzelner Keil komplementäre Wirkungen auf zwei Durchgänge der Strahlung.
Das Relay-Bildgebungssystem kann anfänglich als konzentrisches System konstruiert sein, entweder als Dyson-Relay oder als Offner-Relay. Ein Vorteil ist, dass konzentrische Systeme eine gute Korrektur bei sehr einfacher Konstruktion ermöglichen.
Das Relay-Bildgebungssystem kann einen konkaven sphärischen Spiegel und ein Brechungselement mit einer konvexen sphärischen Fläche umfassen, so dass der Abstand zwischen der sphärischen brechenden Fläche und der konkaven Spiegelfläche ungefähr gleich ist dem Unterschied der Krümmungsradien dieser zwei Flächen. In diesem Fall können ein oder mehrere gekrümmte Brechungskeile zwischen dem Brechungselement und dem Spiegel angeordnet werden.
Das Relay-Bildgebungssystem kann einen konkaven sphärischen Spiegel umfassen, von welchem die Strahlung zweifach reflektiert wird, und einen konvexen sphärischen Spiegel umfassen, der die Strahlung einfach reflektiert, so dass der Abstand des konvexen Spiegels von dem konkaven Spiegel ungefähr gleich ist der Differenz der Radien der Krümmung der zwei Spiegel. In diesem Fall können gekrümmte Brechungskeile zwischen der Quelle und der ersten konkaven Spiegelreflexionsfläche sowie zwischen der letzten konkaven Spiegelreflexionsfläche und der Bildebene angeordnet werden.
Konzentrische Systeme arbeiten jedoch stets bei einfacher Vergrößerung, es sei denn, in den Räumen nach der Quelle und vor der Bildebene liegen unterschiedliche Medien (beispielsweise Glas und Luft) vor. Eine einfache Vergrößerung ist nicht immer zweckmäßig, so dass unterschiedliche optische Relay-Systeme manchmal auch in Betracht gezogen werden.
In der Praxis werden optische Systeme durch einen herkömmlichen Prozess entwickelt, bei welchem eine Anfangsanordnung auf Grundlage einer einfachen Konstruktionstheorie wie oben dargelegt bereitgestellt wird, gefolgt von einer Computeroptimierung unter Verwendung von Software wie beispielsweise CODE V^TM. Eine solche Optimierung behält die Grundstruktur und die Bauteile der Konstruktion bei, kann jedoch die relativen Positionen der Bauteile und die Krümmung deren optische Flächen verändern. Was also beispielsweise als ein konzentrisches optisches System beginnen kann, ist möglicherweise nach der Optimierung kein solches mehr.
In einer Computeroptimierung werden ausgewählten Konstruktionsvariablen durch kleine Schritte automatisch verändert, die Auswirkungen jeder Änderung wird berechnet, eine optimale Kombination von kleinen Änderungen wird dann berechnet, um das Bild gemäß definierten Kriterien zu verbessern, und der Prozess wird automatisch wiederholt, bis eine zufrieden stellende Konstruktion erzielt ist. In diesem Prozess werden die zur Veränderung zugelassenen Konstruktionsparameter im Allgemeinen die Neigungen, Krümmungen und Abstände aller oder der meisten Keilflächen einschließen. Im Falle einer Ausgangskonstruktion auf Grundlage eines Dyson-Relay, werden die Neigung, die Krümmung und der Abstand des Spiegels in der Optimierung im Allgemeinen für eine Veränderung zugelassen. Krümmung, Neigung und Dicke des Brechungselements können ebenfalls variiert werden und andere Elemente, beispielsweise einschließlich einem Detektorfenster, können auch für eine Änderung zugelassen sein. Im Fall einer Offner-Relay-Startkonstruktion können die Krümmungen, Neigungen und Abstände der Spiegel für eine Änderung zugelassen sein und der einzelne konkave Spiegel kann in zwei Spiegel aufgeteilt werden (welche den zwei aufeinander folgenden Reflexionen an konkaven Flächen zugeordnet sind) und diese zwei Spiegel können für eine unabhängige Veränderung zugelassen werden.
8 zeigt ein optisches System, in welchem ein Dyson-Relay abgeändert ist, um ein Bildgebungsspektrometer bereitzustellen, in dem ein einzelner gekrümmter Brechungskeil hinzugefügt wurde, der nahe dem Spiegel angeordnet ist. 9 zeigt eine weiter verfeinerte Konstruktion der in 8 gezeigten Art. 10 zeigt ein optisches System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in welchem ein Offner-Relay abgeändert wurde, um ein Bildgebungsspektrometer zu bilden, in dem drei gekrümmte Brechungskeile hinzugefügt wurden.
Unter Bezugnahme auf 8 ist der Eintrittsschlitz des Spektrometers 801 an der Fläche 802 des Brechungselements 803 angeordnet. Die Fläche 802 ist flach und liegt in einer flachen Ebene 804. Strahlen, die von einem Punkt im Eintrittsschlitz aus divergieren, sind durch Linien 805 und 806 angedeutet. Die Strahlen treten durch das Brechungselement und treten durch die Brechungsfläche 807 aus, welche sphärisch ist und ein Krümmungszentrum am Punkt 809 in der Ebene 804 aufweist. Die Strahlen treten als nächstes durch den gekrümmten Brechungskeil 810. Die Flächen 811 und 812 des Brechungskeils 810 sind beide sphärisch und weisen Krümmungszentren an Punkten 813 und 814 in der Ebene 804 auf. Nach dem Hindurchtreten durch den Brechungskeil 810 werden die Strahlen von dem konkaven sphärischen Spiegel 815 reflektiert, welche ein Krümmungszentrum am Punkt 816 in der Ebene 804 hat. Nach einer Reflexion am Spiegel 815 werden die Strahlen erneut durch den Brechungskeil 810, durch die sphärischen Flächen 812 und 811 und durch die sphärische Fläche 807 in das Brechungselement 803 hinein übertragen. Die Strahlen fokussieren in der flachen Fläche 802 des Elements 803 am Punkt 817.
Der so beschriebene Aufbau weist Rotationssymmetrie um die Linie auf, welche den Objektpunkt 801, den Bildpunkt 817 und die Krümmungsmittelpunkte 809, 813, 814 und 816 aller sphärischen Flächen verbindet. Das bedeutet, dass alle Strahlen, welche einen Punkt der Linie verlassen, durch das System durch dieselbe Linie abgebildet werden. In dem in der Ebene 804 ausgebildeten Bild gibt es daher keine sphärische Aberration oder Koma. Astigmatismus wird durch Einstellung der relativen Positionen der Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen entlang der Linie korrigiert. In der endgültigen Optimierung der optischen Konstruktion können die Krümmungsradien und Abstände der optischen Flächen ebenfalls für eine Veränderung zugelassen werden, um eine Korrektur für Aberrationen höherer Ordnung zu optimieren, so dass die Krümmungsmittelpunkte möglicherweise nicht mehr auf einer gemeinsamen Linie durch die Objekt- und Bildpunkte liegen.
9 zeigt eine Verfeinerung der in 8 gezeigten Konstruktion, in welcher zwei separate Detektormatrizen und Detektorfenster enthalten sind. In 8 und 9 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale, einschließlich dem Eintrittsschlitz 801, dem Brechungselement 803 mit flacher Fläche 802 und sphärischer Fläche 807, dem gekrümmten Brechungskeil 810 mit sphärischen Flächen 811 und 812 und dem konkaven sphärischen Spiegel 815. Von dem Eintrittsschlitz 801 divergierende Strahlen sind wiederum durch Linien 805 und 806 angedeutet. In der in 9 gezeigten Konstruktion verlaufen wie zuvor die Strahlen 805 und 806 aus dem Brechungselement 803 hinaus, durch Fläche 807 und durch den gekrümmten Brechungskeil 810. Diese werden wie zuvor von dem sphärischen Spiegel 815 reflektiert und kehren durch den Brechungskeil 810 zurück und durch die sphärische Fläche 807 hinein in das Brechungselement 803.
In 9 ist das Brechungselement 803 jedoch so abgeändert, dass es eine innere Reflexionsfläche 901 und einen dichroitischen geklebten Übergang 902 umfasst. Der Weg der Strahlen zwischen dem Eintrittsschlitz 801 und dem ersten Durchgang durch die sphärische Brechungsfläche 807 ist zweckmäßigerweise an der flachen Reflexionsfläche 901 umgelenkt. Der durch das Brechungselement zurückkehrende und durch die Strahlen 805 und 806 repräsentierte Strahl wird an dem dichroitischen geklebten Übergang 902 in zwei Komponenten aufgespaltet. Die zwei Strahlkomponenten sind durch die Linien 903 und 904 im transmittierten und durch die Linien 905 und 906 im reflektierten Strahl dargestellt. In 9 sind zweckmäßige Positionen für zwei Detektoren 907 und 908 im Abstand von Brechungselement 803 gezeigt. Die zwei Strahlen verlassen das Brechungselement 803 an flachen Flächen 910 und 911.
In einem ein breites spektrales Wellenlängenband abdeckenden Spektrometer ist es oftmals notwendig, zwei Detektoren zu verwenden, wie beispielsweise in 9 gezeigt ist. In diesem Beispiel könnte der Detektor 907 eine Siliziumdetektormatrix sein, welche den spektralen Bereich vom nahen Ultraviolett bis zu einer Wellenlänge von 1 μm abdeckt und der Detektor 908 könnte eine Kadmium-Quecksilber-Tellur-Detektormatrix sein, welche das spektrale Wellenlängenband von 1 μm bis 2,5 μm abdeckt. In diesem Fall wird die geklebte dichroitische Beschichtung 902 so gestaltet sein, dass sie Wellenlängen oberhalb 1 μm reflektiert und Wellenlängen kürzer als 1 μm transmittiert. Ein Problem in der Konstruktion von Bildgebungsspektrometern ist die Kontrolle über Streulicht aufgrund von Mehrfachreflexionen zwischen der Detektorfläche und nahe liegenden optischen Flächen. Die flachen Flächen 910 und 911, an welchen die Strahlen das Brechungselement 803 verlassen, sind daher bezüglich der hindurch gelassenen Strahlen mit schiefen Winkeln gezeigt. Neigungen der Flächen können reguliert werden, um zu verhindern, dass Streureflexionen die Detektoren erreichen.
Bei einer Optimierung des in 9 gezeigten Aufbaus werden die Neigungen der flachen Flächen 910 und 911, die Neigungen der sphärischen Flächen 807, 811 und 812, die Neigung des Spiegels 815 und die Neigungen der Detektoren 907 und 908 für eine Veränderung mit den Krümmungen der sphärischen Flächen und den Abständen der Flächen zugelassen. In der Praxis ermöglicht dies, die durch Neigung der flachen Flächen (im Wesentlichen zur Kontrolle von Streulicht) eingebrachten Aberrationen durch Aberrationen des Rests des optischen Systems zu kompensieren. Die Detektoren sind mit Fenstern versehen, wobei die Fensterflächen ebenfalls geneigt werden können, um Streulicht zu kontrollieren.
10 zeigt ein weiteres Bildgebungsspektrometer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Durch Linien 1005 und 1006 angedeutete Strahlen divergieren von dem Eintrittsschlitz 1001. Die Strahlen treten durch einen gekrümmten Brechungskeil 1007, welcher sphärische Flächen 1008, 1009 aufweist. Die Strahlen werden dann von einem konkaven sphärischen Spiegel 1010, danach von einem konvexen sphärischen Spiegel 1011 und dann wiederum von dem konkaven sphärischen Spiegel 1010 reflektiert. Die Strahlen verlaufen dann durch zwei gekrümmte Brechungskeile 1012 und 1013, welche sphärische Flächen 1014, 1015, 1016 und 1017 aufweisen. Schließlich fokussieren die Strahlen auf einem Detektor 1002 beispielsweise ähnlich der Detektormatrix 520, die in 5 illustriert wurde.
In der in 10 gezeigten Konstruktion stellen zwei der gekrümmten Keile, Elemente 1007 und 1012, Ablenkung und Dispersion des Strahls in derselben Richtung bereit. Der dritte gekrümmte Brechungskeil 1013 stellt eine Ablenkung des Strahls in die entgegengesetzte Richtung bereit und hat daher die Wirkung, die durch das Keilsystem erzeugte Gesamtdispersion zu reduzieren. Er ist jedoch nützlich zur Ermöglichung zusätzlicher Regulierung von Aberrationen des Systems bei der endgültigen Optimierung, da er aufgrund seiner Nähe zum Detektor 1002 einen relativ großen Effekt auf eine Verzerrung des Endbilds hat. Dies ermöglicht es, den Keil zur Korrektur der Geradheit von Bildern zu verwenden, welche bei gegebenem geraden Eintrittsschlitz bei jeder Wellenlänge in der Detektorebene erzeugt werden. Eine solche Korrektur ist oftmals zweckmäßig, jedoch ist sie nicht immer von wesentlicher Bedeutung, da die Krümmung des Schlitzbildes auch durch Krümmung des Eintrittsschlitzes oder durch Verarbeitung der aus der Detektormatrix ausgelesenen Daten kontrolliert werden kann.
10 zeigt eine optimierte Konstruktion, in welcher Krümmungen und Neigungen aller optischen Flächen sowie Abstände von Flächen für eine Veränderung zugelassen wurden, um ein gut aufgelöstes Bild mit minimaler Verzerrung zu erzeugen. In einer Ausgangskonstruktion vor der Optimierung können alle Krümmungsmittelpunkte von sphärischen Flächen vernünftigerweise auf einer gemeinsamen Linie angeordnet werden, welche den Eintrittsschlitzmittelpunkt 1001 und den Detektor 1002 miteinander verbindet. In der Endkonstruktion sind die Krümmungsmittelpunkte der sphärischen Flächen breiter verteilt.
11, 12 und 13 zeigen detaillierte optische Konstruktionen für vollständige Bildgebungsspektrometer, wobei in jeder dieser Konstruktionen die Bildgebungsoptik enthalten ist, welche ein Bild des interessierenden Orts auf dem Eingangsschlitz des Spektrometers erzeugt.
Daten der optischen Konstruktion für die in den 11, 12 und 13 gezeigten Systeme sind in Tabellen 1, 2 bzw. 3 gegeben. Die Tabellen enthalten Flächenkrümmungsradien, Flächenabstände und Materialien von Linsen und Prismen. Abstände von Flächen sind stets in der Richtung des am Eintrittsschlitz des Spektrometers ankommenden Strahls gemessen. Die Zentrierungen von Flächen sind ebenfalls in den Tabellen angegeben und gelten in jedem der Fälle in der Zeichenebene rechtwinklig zur Achse des einfallenden Strahls. In jeder Tabelle angegebene Neigungen von Flächen sind Drehungen um Achsen orthogonal zur Ebene der dazugehörigen Zeichnung. Anmerkungen in den Tabellen geben Oberflächentypen an. Dort, wo keine Anmerkung angegeben ist, ist die Fläche einfach brechend. Alle Flächen sind entweder flach (eben) oder sphärisch, Bezugszeichen von relevanten optischen Elementen sind in Klammern angegeben. Tabelle 3 enthält eine „Neuachsenfläche", was bedeutet, dass die Abstände, Dezentrierungen und Neigungen der folgenden Flächen bezüglich der Achse durch den definierten Mittelpunkt dieser Fläche gelten.
11 zeigt das optische System für ein Bildgebungsspektrometer, welches dafür konstruiert ist, an einem Erdumlaufsatelliten montiert zu werden. Es umfasst ein Bildgebungssystem großer Brennweite, welches dafür konstruiert ist, die Erde mit einer Ortsauflösung von 25 Metern in einer Schwadbreite von 19 km aus einer Satellitenhöhe von ungefähr 800 km abzubilden. Das Bildgebungssystem umfasst Linsenelemente 1101, 1104 und 1105 und Spiegel 1102 und 1103, und formt ein Bild des entfernten Orts auf dem Eintrittsschlitz. Der Eintrittsschlitz ist an der ersten Fläche eines Brechungskeils 1106 angeordnet. Die Breite des Eintrittsschlitzes und die Größe des Detektorelements sind nominell 22,5 μm. Das Spektrometer bietet eine spektrale Auflösung, welche über den Wellenlängenbereich 400 nm bis 1050 nm besser ist als 12 nm. Der von dem Eintrittsschlitz divergierende Strahl wird durch ein System von drei Spiegeln 1108, 1109 und 1110 auf den Flächenmatrixdetektor 1112 zurückfokussiert. In den Wegen zwischen dem Eintrittsschlitz und dem ersten Spektrometerspiegel 1108 wird der Strahl durch das gekrümmte Prisma 1107 dispergiert und außerdem wird der Strahl durch das gekrümmte Prisma 1111 im Weg zwischen dem dritten Spektrometerspiegel und der Bildebene dispergiert. Das optische System arbeitet bei einer geringen relativen Apertur, ungefähr f/6, so dass unter Verwendung von nur zwei Prismen, wie gezeigt, eine gute Auflösung und eine gute Regulierung von Bildverzerrungen erzielt werden können.
12 zeigt das optische System für ein anderes Bildgebungsspektrometer, welches zur Verwendung an einem Erdumlaufsatelliten zur Beobachtung der Erdoberfläche konstruiert ist. Das Bildgebungssystem ist in diesem Fall dazu konstruiert, aus einer Höhe im Bereich von 700 km, in einer Schwadbreite von 50 km eine Ortsauflösung von 50 m zu bieten. Das Bildgebungssystem ist ein modifiziertes Shaffer-Teleskop mit fünf sphärischen Spiegeln 1202, 1204, 1205, 1206 und 1207 und einem flachen Umlenkspiegel 1203. Die Eintrittspupille ist durch Bezugszeichen 1201 gezeigt. Das Teleskop erzeugt ein Bild des entfernten Orts auf dem Eintrittsschlitz des Spektrometers 1208. Die Breite des Eintrittsschlitzes und die Detektorelementgröße betragen nominell 24 μm. Das Spektrometer in dieser Konstruktion bietet über einen nominellen spektralen Bereich von 450 nm bis 2350 nm eine spektrale Auflösung, welche besser ist als 11 nm. Der von dem Eintrittsschlitz divergierende Strahl wird durch drei sphärische Spiegel 1211, 1212 und 1213 auf die Bildfläche 1215 zurückfokussiert. In dem Weg zwischen dem Eintrittsschlitz und dem ersten dieser Spiegel wird der Strahl durch die Prismen 1209 und 1210 dispergiert. Außerdem wird der Strahl durch das Prisma 1214 im Weg zwischen dem letzten Spiegel und der Bildfläche dispergiert.
In dieser Konstruktion wird bei der Optimierung der Weg zwischen dem letzten Prsma 1214 und der Bildfläche im Vergleich mit dem Weg zwischen dem Eintrittsschlitz und den ersten Prismen 1209 und 1210 vergrößert. Dieser lange Weg ist nützlich, um eine dichroitischen Strahlenteiler zwischen dem letzten Prisma und der Bildfläche unterzubringen, welcher den Strahl zwischen den zwei Flächenmatrixdetektoren aufspaltet. Der Lange Weg ist ebenfalls nützlich zum Unterbringen eines Kryostats, in welchem einer der zwei Detektoren montiert wird. Die graphische Darstellung zeigt jedoch die dichroitische Aufspaltung oder zwei separate Detektorebenen nicht. Der größte Teil der Dispersion wird durch die Prismen 1210 und 1214 bereitgestellt, das Prisma 1209 stellt etwas zusätzliche Dispersion bereit, ist jedoch hauptsächlich zur Verbesserung der Auflösung und zur Regulierung von Bildverzerrungen enthalten. Das System arbeitet bei einer relativen Apertur von f/3,5.
13 zeigt das optische System für ein Bildgebungsspektrometer, welches für einen Flug mit einem Luftfahrzeug, wiederum zur Erdbeobachtung, konstruiert ist. In diesem Fall wird das System typischerweise dafür verwendet, aus einer Höhe von 7,5 km in einer Schwadbreite von 3,75 km eine Ortsauflösung von 3,75 m bereitzustellen. Das Bildgebungssystem weist in diesem Fall eine Brennweite von 56 mm und einen Aperturdurchmesser von 20 mm auf. Dies wird unter Verwendung einer Schwarschild-Zweispiegel-Konstruktion erreicht. Der konvexe Primärspiegel 1301 und der konkave Sekundärspiegel 1302 sind beide abgeflachte Sphäroide. Die Konuskonstanten für diese Spiegel sind jeweils 5,8109 bzw. 0,18032. Das Zweispiegelsystem erzeugt ein Bild auf dem Eintrittsschlitz 1303 des Spektrometers. Der Eintrittsschlitz hat eine nominale Breite von 28 μm. In dieser Konstruktion bietet das Spektrometer eine spektrale Auflösung, welche besser ist als 12 nm über einem nominalen Spektralbereich von 450 nm bis 2500 nm.
Der Eintrittsschlitz 1303 in 13 wird durch die drei Spiegel 1306, 1307 und 1308 zurückfokussiert, um auf Flächenmatrixdetektoren 1315 und 1318 Bilder zu erzeugen. Der Strahl wird durch Prismen 1304 und 1305, welche in dem Weg zwischen dem Eintrittsschlitz und dem ersten Spektrometerspiegel angeordnet sind, dispergiert und wird außerdem durch das Prisma 1309, welches in dem dem letzten Spektrometerspiegel folgenden Weg angeordnet ist, dispergiert. Die Konstruktion arbeitet bei hoher relativer Apertur von f/2,8 am Eintrittsschlitz und an der Bildfläche 1318. Diese hohe relative Apertur benötigt drei gekrümmte Prismen, um eine gute Auflösung und eine gute Regulierung von Bildverzerrungen in einer kompakten Konstruktion zu erzielen. Der Strahl wird durch einen dichroitischen halbreflektierenden Spiegel 1310, welcher dem letzten dispergierenden Prisma 1309 nachfolgt, aufgespaltet, um auf zwei Detektoren 1315 und 1318 Bilder zu erzeugen. Die Detektorelementabmessungen betragen nominell 18,5 μm für Detektor 1315 und 28 μm für Detektor 1318. Der Detektor 1315 empfängt das spektrale Wellenband von 950 nm bis 2500 nm, während der Detektor 1318 das spektrale Wellenband von 450 nm bis 1000 nm empfängt. Der durch den Dichroiten 1310 transmittierte Strahl tritt durch eine Linse zu dem Detektor 1315. Die Linse, welche drei Elemente 1312, 1313 und 1314 umfasst, hat die Funktion, die Größe des auf dem Detektor 1315 erzeugten Bildes um einen Faktor 0,66 zu reduzieren. Der von dem Dichroiten 1310 reflektierte Strahl wird an einem Umlenkspiegel 1316 reflektiert und durchläuft eine Korrekturplatte 1317 zum Detektor 1318.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
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Claims

Bildgebungsspektrometer zum Erstellen eines spektral aufgelösten Bildes eines Objektspalts (1001), wobei das Spektrometer so konfiguriert ist, dass Licht von dem Objektspalt (1001) entlang eines optischen Wegs zu dem Bild verlaufen kann, wobei das Spektrometer umfasst: eine erste, eine zweite und eine dritte gekrümmte Reflexionsfläche (1010, 1011) und wenigsten zwei dispergierende Elemente (1007, 1012), welche jeweils mindestens eine gekrümmte Fläche (1008, 1009, 1014, 1015) aufweisen, wobei das Spektrometer ferner derart konfiguriert ist, dass der optische Weg verläuft: von dem Objektspalt durch die gekrümmte Fläche eines der dispergierenden Elemente (1007) zu der ersten gekrümmten Reflexionsfläche (1010), von der ersten gekrümmten Reflexionsfläche zu der zweiten gekrümmten Reflexionsfläche (1011), von der zweiten gekrümmten Reflexionsfläche zu der dritten gekrümmten Reflexionsfläche (1010) und von der dritten gekrümmten Reflexionsfläche durch die gekrümmte Fläche eines anderen der dispergierenden Elemente (1012) zu dem Bild.
Spektrometer nach Anspruch 1, bei welchem der Hauptanteil der Dispersionsenergie des Spektrometers durch die dispergierenden Elemente in den optischen Wegen zwischen dem Objekt und der ersten gekrümmten Reflexionsfläche sowie zwischen dem Bild und der dritten gekrümmten Reflexionsfläche bereitgestellt ist.
Spektrometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem die dispergierenden Elemente (1007, 1012) Prismen mit jeweils zwei gekrümmten Flächen im optischen Weg sind.
Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die gekrümmten Reflexionsflächen eine konvexe (1011) und eine konkave (1010) Spiegelfläche umfassen.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die erste und die dritte gekrümmte Reflexionsfläche eine einzelne physikalische Fläche (1010) umfassen.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, welches ferner ein optisches Element (1013) in dem optischen Weg zwischen dem Bild und der dritten gekrümmten Reflexionsfläche umfasst, um Bildabberationen zu regulieren.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend ein optisches Element (1209) im optischen Weg zwischen dem Objekt und der ersten gekrümmten Reflexionsfläche, um optische Abberationen zu regulieren.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die gekrümmten Flächen der dispergierenden Elemente (1007, 1012) im Wesentlichen spährisch sind.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die erste, zweite und dritte gekrümmte Reflexionsfläche (1010, 1011) im Wesentlichen spährisch sind.
Spektrometer nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die dispergierenden Elemente (1007, 1012) über den gesamten Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 3500 nm eine hauptsächlich in dieselbe Richtung verlaufende Dispersion aufweisen.