DE69904558T2

DE69904558T2 - Multi-spalt bilderzeugender spektrometer

Info

Publication number: DE69904558T2
Application number: DE69904558T
Authority: DE
Inventors: A. Ansley; G. Cook
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: US6122051A; DE69904558D1; WO1999063311A1; EP1002220B1; EP1002220A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER EFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Spektrometrie, und, genauergesagt, ein Mehrfachschlitz-Spektrometer in Kombination mit einer zweidimensionalen Detektor-Gruppenanordnung zum Ermöglichen einer gleichzeitigen Spektralanalyse verschiedener Objekte.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Ein Spektrometer dient zur Zerlegung eines Lichtstrahls in seine Farbkomponenten. Fig. 1 zeigt ein einfaches Prismenspektrometer. Licht von einer Lichtquelle I gelangt durch einen Schlitz 5 und wird durch die Linse C kollimiert, bevor es auf das Prisma P trifft. Der Brechungsindex des Prismas P variiert in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Dies wird Dispersion genannt. Der Brechungsindex ist für kürzere Wellenlängen größer. Aus diesem Grunde beugt das Prisma entsprechend dem Snell'schen Gesetz violettes Licht um einen größeren Winkel als rotes Licht. Die Linse L&sub1; fokussiert das Licht und bildet ein reelles Bild des Schlitzes 5 in der Abbildungsebene A ab. Das reelle Bild wird als das Spektrum der Lichtquelle I bezeichnet. Die Breite W des reellen Bildes ist eine Funktion des Maximum-Minimum- Wellenlängenbereiches der Lichtquelle I, der Dispersion des Prismas P und der Brennweite der Linse L&sub1;.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist die seitliche Lage des Bildes des Schlitzes S in der Abbildungsebene A eine Funktion der Wellenlänge. Ist das Licht von der Lichtquelle I monochromatisch, d. h., von einer einzigen Wellenlänge (Farbe), dann wird nur ein einziges Bild des Schlitzes gebildet. Die Farbe des Bildes des Schlitzes ist die Farbe des monochromatischen Lichtes. Ist das Licht polychromatisch, d. h., weiß, dann wird ein Kontinuum von Schlitzabbildungen gebildet, die jeweils an etwas verschiedenen Orten gelegen sind, und jedes Bild hat eine etwas verschiedene Farbe. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel repräsentieren die durchgezogenen Strahlen etwa rotes Licht und die gestrichelten Strahlen repräsentieren violettes Licht.
Es ist bekannt, daß ein dünner gerader Schlitz vorzuziehen ist, um ein Überlappen der Bilder zu vermeiden. Wenn der Schlitz breiter gemacht wird, dann wird die Reinheit der Schlitzabbildungen herabgesetzt. Mit anderen Worten, an irgendeinem Punkt in der Abbildungsebene A wird das Bild eine Mischung von leicht unterschiedlichen Wellenlängen von der linken Seite, der Mitte und der rechten Seite des Schlitzes. Diese Mischung entspricht der mathematischen Funktion, welche als Faltung bezeichnet wird.
Ein Anwendungsfall, bei welchem Spektrometer verwendet werden, ist die Gewinnung von Abbildungen für die Flächenerkundung, wobei das Spektrometer auf einem Flugzeug angeordnet ist und eine Detektor-Gruppenanordnung sich in der Abbildungsebene befindet. Die multispektrale Abbildungserzeugung geschieht mit sehr niedriger Intensität, da das Spektrometer das von den Objekten am Boden empfangene Licht über viele Detektorelemente verteilt. Beispiele von Spektrometern mit einer Maske oder mit einer Mehrfachschlitz-Struktur können in der US 5,627,639 A und der EP 0642005 A gefunden werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist auf, ein Mehrfachschlitz-Spektrometer gerichtet, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
Es wird also ein Mehrfachschlitz-Spektrometer beschrieben, welches eine Mehrfachschlitz-Struktur mit einer Mehrzahl von dünnen Schlitzen enthält, sowie eine erste Linse zum Hinlenken von Objektlicht auf die Mehrfachschlitz-Struktur. Eine zweite Linse kollimiert das Licht und lenkt das Licht, das durch die Schlitze der Mehrfachschlitz-Struktur gelangt ist, auf ein lichtdispergierendes Element, beispielsweise ein dispergierendes Prisma oder ein Beugungsgitter. Eine dritte Linse fokussiert das Licht, welches durch das lichtdispergierende Element gelangt ist, auf die zweidimensionale Detektor-Gruppenanordnung in einer Abbildungsebene. Ein Spiegel, welcher sich mit einer Winkelgeschwindigkeit dreht, die zu der Geschwindigkeit der Flugzeugplattform in Beziehung steht, richtet in einem am Flugzeug mitgeführten Sensor das Objektlicht auf die erste Linse und friert das Bild von einem Objekt oder mehreren Objekten auf der Mehrfachschlitz-Struktur für eine Integrationszeit ein.
Das Mehrfachschlitz-Spektrometer enthält eine zweidimensionale Detektor- Gruppenanordnung, beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine Infrarot-Brennebenen- Gruppenanordnung zum Ermöglichen einer gleichzeitigen Spektralanalyse verschiedener Objekte. Für Anwendungsfälle wie die Flächenerkundung oder Flächenaufklärung resultiert dieses Mehrschlitz-Merkmal in längeren Integrationszeiten und daher in höheren Signal-/Rauschverhältnissen. Die Detektor-Gruppenanordnung enthält vorzugsweise eine Mehrzahl von Detektorelementen mit einer Breitendimension in einer Richtung quer zu einer Richtung, in welcher sich die Schlitze erstrecken. Die Schlitze sind durch einen Abstand gleich einem Vielfachen der Breitendimension getrennt, wobei das Vielfache gleich dem N-fachen der Anzahl der Schlitze, plus oder minus Eins ist und N eine ganze Zahl ist.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, in welchen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines herkömmlichen Einschlitz-Spektrometers ist;
Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Mehrschlitz- Spektrometers ist;
Fig. 3 ein Spektrometersystem gemäß der Erfindung ähnlich dem System von Fig. 2 mit der Ausnahme zeigt, daß eine Linse und ein Spiegel hinzugefügt sind, um ein leuchtendes oder bestrahltes Objekt auf dem Boden abzubilden;
Fig. 4A in vereinfachter Form ein Beispiel einer Detektor-Gruppenanordnung zeigt, welche zur Verwendung in dem Spektrometer von Fig. 2 geeignet ist;
Fig. 4B eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Teiles der aktiven Fläche der Detektor-Gruppenanordnung von Fig. 4A wiedergibt, wobei verschiedene der einzelnen Elemente dargestellt sind;
Fig. 5 ein Beispiel einer Mehrschlitz-Struktur zeigt, welche für das Spektrometer von Fig. 2 geeignet ist;
Fig. 6 eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Spektrometers mit acht Schlitzen gemäß einem Aspekt der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ein Mehrfachschlitz-Spektrometersystem für sichtbare Strahlung und nahe Infrarotstrahlung (VNIR) gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 8 ein Mehrfachschlitz-Spektrometersystem gemäß der Erfindung zeigt, welches zur Verwendung sowohl für VNIR-Strahlung als auch kurzwellige Infrarotstrahlung (SWIR) ausgebildet ist; und
Fig. 9 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Steuersystems für ein Mehrfachschlitz-Spektrometer zeigt, das auf einem Fluggerät montiert ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN

AUSFÜHRUNGSFORM

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung des Signal- /Rauschverhältnisses bei der multispektralen Bilderzeugung für die Flächenaufklärung. Die multispektrale Abbildungstechnik arbeitet mit sehr niedriger Intensität, da das Spektrometer das von den Objekten auf dem Boden empfangene Licht auf ein Spektrum der Länge W der Bildebene A gemäß Fig. 1 aufweitet. Die Größe eines Detektorelementes ist D. Das Verhältnis von Spektrumslänge zu Detektorelementgröße, nämlich W/D, ist die Anzahl von Spektralbändern, welche durch das Spektrometer detektiert werden können. Da die Energie in dem Spektrum über viele Detektorelemente ausgebreitet wird, wird die Energie, welche auf jedes einzelne Detektorelement fällt, stark reduziert. Wenn beispielsweise die Anzahl der Spektralbänder 49 ist, dann ist die Intensität des auf das Detektorelement treffende Licht 1/49 des Pegels im Vergleich zu einer panchromatischen Bilderzeugung.
Fig. 2 zeigt ein Mehrfachschlitz-Spektrometer 50. Das Mehrfachschlitz- Spektrometer ist ähnlich dem Einfachschlitz-Spektrometer von Fig. 1, jedoch mit der Ausnahme, daß eine zweite Lichtquelle I' und ein zweiter Schlitz S' parallel zu dem ersten Schlitz zusammen mit einem Bandpassfilter F hinzugefügt sind. Die Sehlitze S und S' werden auf die Detektorebene A abgebildet und zwar mit einer Vergrößerung gleich FLL1/FLC, worin FLL1 und FLC die Brennweiten der jeweiligen Linsen L&sub1; und C sind. Man beachte, daß das Spektrum der Lichtquelle I und der Lichtquelle I' in der Abbildungsebene A und A' räumlich getrennt sind. Durch Hinzufügen eines zweiten Schlitzes kann also das Prismen-Spektroskop 50 zum gleichzeitigen Analysieren der Spektren von zwei Lichtquellen verwendet werden. Die Funktion des Bandpassfilters F ist es, den Maximum-Minimum-Wellenlängenbereich der Lichtquellen auf den Wellenlängenbereich von Interesse zu begrenzen. Anderenfalls könnten sich die Spektren von den zwei Strahlungsquellen in der Abbildungsebene A überlappen. Typischerweise wird in der Abbildungsebene eine Detektor-Gruppenanordnung positioniert. Die Länge jedes Schlitzbildes sollte mindestens gleich der Länge der Detektor-Gruppenanordnung sein, und die Schlitzbreite, d. h. die Schlitzabmessung quer zu der Längsachse des Schlitzes, wird so gewählt, daß das Bild der Schlitzöffnung an Orte der Detektor-Gruppenanordnung annähernd gleich der Breite des Detektorelementes ist.
Fig. 3 zeigt ein Spektrometersystem 100 gemäß der Erfindung, welches ähnlich demjenigen von Fig. 2 ist, jedoch mit der Ausnahme, daß eine Linse L und ein drehbarer Spiegel M hinzugefügt sind, um ein strahlendes oder bestrahltes Objekt, beispielsweise einen Pfeil O am Boden, abzubilden. Die Spitze des Pfeiles wird an dem Schlitz S' abgebildet. Der Fuß des Pfeiles wird an dem Schlitz S abgebildet. Für dieses Beispiel wird angenommen, daß das Prismenspektrometer 100 auf einem unbemannten Flugkörper UAV 120 installiert ist, der mit einer Geschwindigkeit V in einer Höhe H über Grund fliegt, und die Schlitze erstrecken sich in einer Richtung quer zu der Bewegungsrichtung des unbemannten Flugkörpers UAV. Der Spiegel M rotiert mit einer Winkelgeschwindigkeit Va, um das Bild des Pfeiles O auf den Schlitzen S und S' für eine Zeitdauer gleich der Integrationszeit der Detektor-Gruppenanordnung stillstehend zu halten. So kann das Prismenspektrometer 100 die Spektren der Spitze und des Fußes des Pfeiles gleichzeitig analysieren.
Eine zweidimensionale Detektor-Gruppenanordnung D ist in der Abbildungsebene A-A' angeordnet. Die Detektor-Gruppenanordnung D kann beispielsweise eine CCD-Kamera für sichtbare Strahlung und nahe Infrarotstrahlung (VNIR) oder eine Fokalebenen-Gruppenanordnung (FPA) für Infrarotstrahlung sein. Fig. 4A zeigt in vereinfachter Form ein Beispiel einer Detektor-Gruppenanordnung D mit einer aktiven Fläche 12. Die aktive Fläche der Gruppenanordnung enthält kleine Detektorelemente, welche in Zeilen und Spalten geordnet sind, wobei sich die Zeilen oder Reihen in einer Richtung parallel zu den Schlitzen erstrecken. Die Detektorelemente sind die einzelnen diskreten Sensoren in der Detektor- Gruppenanordnung. Jedes Element ist von seinen Nachbarn unabhängig (isoliert) und gibt elektrischen Strom in Proportionalität zu der Anzahl von Photonen ab, die auf seine Oberfläche treffen. Nur als Beispiel sei angegeben, daß eine für die vorliegende Funktion geeignete Detektor-Gruppenanordnung eine aktive Fläche der Detektor- Gruppenanordnung aufweist, welche 7,84 mm mal 12,8 mm beträgt, und jedes Detektorelement hat eine Abmessung von 20 um mal 20 um. Fig. 4B zeigt vergrößert einen kleinen Teil der aktiven Fläche 12 und gibt verschiedene einzelne Elemente 14 wieder. Die Breite der Detektoren innerhalb der CCD-Kamera oder der Fokalebenengruppe FPA ist im Idealfall dieselbe wie die Breite des Bildes der Schlitze. Die Anzahl von Detektoren, auf welche das Spektrum trifft, ist die Anzahl der Bänder. Wenn beispielsweise die Anzahl der Detektoren in der Richtung der Spektrumsaufweitung 392 beträgt und die Anzahl der Schlitze 8 ist, dann ist die Anzahl der Bänder 392/8 oder 49 Bänder. Die Wellenlängenänderung über einen Detektor ist die spektrale Bandbreite jedes Spektrumsbandes. Für ein typisches Prismenspektrometer reicht das Spektrum von 1000-2500 nm. Somit ist die spektrale Breite jedes Bandes im vorliegenden Beispiel (2500 - 1000)/49 = 30,612 nm. Die körperliche Breite des Spektrums in der Abbildungsebene A-A' ist bei dieser beispielsweisen Ausführungsform 980 um. Die Anzahl von Detektoren beträgt 49 und die Größe der Detektoren beträgt 20 um.
Ein Spektrometer vermindert die Energie auf dem Detektor um einen Faktor von 1/(Anzahl der Bänder). Im obigen Beispiel ist die Anzahl der Bänder 49. Somit ist die Energie auf einem Detektor 1/49 der Energiemenge, welche an dem Schlitz empfangen wird (wobei von keinen Verlusten in der Optik ausgegangen wird). Dies resultiert in einem niedrigeren Signal-/Rauschverhältnis, das durch längere Detektor- Integrationszeiten kompensiert werden könnte. Die Integrationszeit ist begrenzt, da sich der unbemannte Flugkörper UAV mit einer Geschwindigkeit V bewegt. Für eine kontinuierliche Spektralanalyse des Geländes bei einer Grundauflösung R ist die maximale Integrationszeit unter Verwendung eines einzigen Schlitzes R/V. Für eine typische Mission beträgt V = 56 Meter je Sekunde und R = 0,665 Meter. Aus diesem Grunde ist die maximale Integrationszeit bei Verwendung eines einzigen Schlitzes 0,665/56 = 11,88 Millisekunden. Nach 11,88 Millisekunden muß der nächste Bodenstreifen von 0,665 Metern Breite auf den Schlitz S abgebildet werden. Anderenfalls ergeben sich Zwischenräume in den Geländemessungen.
Die Lösung ist die Verwendung von vielfachen parallelen Schlitzen und einer zweidimensionalen Detektor-Gruppenanordnung zur Vergrößerung der Integrationszeit. Es sei beispielsweise angenommen, daß das Spektrometer eine Schlitzstruktur mit acht parallelen Schlitzen enthält. Fig. 5 zeigt als Beispiel eine Schlitzstruktur 20. Diese Struktur 20 hat eine Höhenabmessung zur Längenabmessung von 11 mm mal 17 mm. In der Struktur 20 sind acht parallele Schlitze 22A-22H definiert, von denen jeder eine Breite von 0,02 mm und eine Länge von 12,8 mm hat. Die Schlitze sind durch Abstände von 0,98 mm getrennt.
Da 49 Spektralbänder vorhanden sind, sollte die zweidimensionale Detektor- Gruppenanordnung in Entsprechung zu der Schlitzstruktur 20 hier 49 · 8 = 392 Detektorelementreihen haben. Die Energie, welche durch den Schlitz 22A tritt, wird über die Detektorreihen oder -zeilen 1-49 verteilt, die Energie, welche durch den Schlitz 22B tritt, wird über die Zeilen 50-98 veteilt, u. s. w., wobei die Energie, welche durch den Schlitz 22H tritt über die Zeilen 344-392 verteilt wird. Da das Prismenspektrometer gleichzeitig acht Streifen auf dem Boden betrachtet, ist die Integrationszeit achtfach länger (8 · 11,88 ms = 95 ms). Der Beleuchtungspegel, welcher für das Spektrometer mit acht Schlitzen benötigt wird, ist daher nur 1/8 so hell wie derjenige, der für das Einschlitz-Prismenspektrometer benötigt wird. Dies ist wichtig für das Fliegen von Missionen in der Dunkelheit oder an bewölkten Tagen spät am Nachmittag oder früh am Morgen unter Zwielichtbedingungen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Beispiels eines Achtschlitz- Spektrometers 851 gemäß einem Aspekt der Erfindung. Das System verwendet eine achtschlitzige Struktur 20, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, mit den Schlitzen 22A bis 22H. Die Numerierung der Bodenpixel, welche auf jeden Schlitz abgebildet werden, ist am unteren Ende der Zeichnung für die Zeitperioden 1 bis 4 angegeben. Der drehbare Rückenabtastspiegel M friert das Bild des Bodens auf den Schlitzen während der Detektor-Integrationszeit ein. Am Ende der Integrationszeit wird der Rückenabtastspiegel rasch auf seinen ursprünglichen Winkel zurückgestellt und startet die nächste Rückenabtastung zu der Zeit 2 (Zeit 1 + 95 ms). Man beachte, daß das Bild des Bodens auf den Schlitzen sich um genau 8 Bodenpixel verschoben hat, da der unbemannte Flugkörper UAV 8 Bodenpixel in 95 ms (56 m/s · 95 ms = 5,32 Meter/8 Bodenpixel = 0,665 Meter je Bodenpixel) zurücklegt. Diese Verschiebung von 8 Bodenpixeln wiederholt sich für jede darauffolgende Zeitperiode.
Es ergeben sich keine Zwischenräume in der Aufklärung des Geländes, wenn der Abstand der Schlitze (in Einheiten von Detektorelementbreiten) um eins mehr (oder um eins weniger) als die Modulozahl der Schlitze ist. Der Abstand der Schlitze ist somit gleich dem N-fachen der Zahl der Schlitze plus 1, mal der Detektorelementbreite, worin N irgendeine ganze Zahl 1, 2, ..., N sein kann. Für das in Fig. 6 gezeigte Beispiel ist die Modulozahl = 6. Modulozahl · Zahl der Schlitze = 6 · 8 + 1 = 49. Der Schlitzabstand für eine Detektorbreite von 20 um ist 980 um.
Die Tabelle A zeigt die Füllung in sämtlichen Bodenpixeln in 49 Zeitperioden. Beispielsweise wird das Pixel 392 durch den Schlitz A während der Zeitperiode 7 abgebildet, das Bodenpixel 391 wird durch den Schlitz B zu der Zeitperiode 13 abgebildet u.s.w. Tabelle A
Viele andere Kombinationen von Modulozahlen und Schlitzzahlen sind möglich. Die oben angegebene Regel muß jedoch befolgt werden, um auszuschließen, daß Spalträume bei der Geländeaufklärung entstehen. Wenn man die Regel nicht befolgt, dann sind die Abtastwinkel des Abtastspiegels nicht gleich. Der Abtastspiegel muß periodisch eine große Abtastung durchführen, um die Bildung von Zwischenräumen zu vermeiden. Auch erhöht sich die Auszeit der Detektor-Gruppenanordnung.
Fig. 7 zeigt ein Vielfachschlitz-Spektrometersystem 20() für sichtbare Strahlung und nahe Infrarotstrahlung (VNIR) im Bereich von 0,4 um bis 1 um, welches auch gleichzeitig als ein SWIR-Bilderzeugungssystem arbeitet. Die reflektierende zwischengeschaltete Bilderzeugungseinrichtung 202 ist im allgemeinen die endgültige optische Anordnung für den nominal blickenden Sensor. Das System 200 verwendet einen drehbaren Spiegel 203 zum Einfrieren des Bildes des Bodens für die Integrationsdauer. Das Abbildungssystem 202 enthält im vorliegenden Beispiel Reflektoren 204, 206, 208 und 210 und bildet die Kälteabschirmung, welche für den Betrieb einer tieftemperturgekühlten Infrarotdetektor-Fokalebenen-Gruppenanordnung (FPA) 212 erforderlich ist. Selbstverständlich erkennt man, daß der optische Weg zu der FPA-Anordnung nicht ein Spektrometer sondern vielmehr ein herkömmliches Abbildungssystem ist. Ein dichroischer Strahlaufspalter 214 ist in den optischen Strahlengang der Abbildungseinrichtung 202 unmittelbar vor dem Kryo-Vakuum- Dewarfenster 216 eingesetzt. Strahlung mit Wellenlängen, welche kürzer sind als diejenigen, welche von der Infrarot-Fokalebenen-Gruppenanordnung FPA 212 aufgenommen werden, werden von dem optischen Weg durch den Strahlaufspalter 214 abgespalten und werden zu der Mehrfachschlitz-Struktur 218 im Brennpunkt der Abbildungseinrichtung 202 geschickt und dann zu dem reflektierenden Dreielemente- Kollimator 220 gesandt. Der Kollimator 220 enthält im vorliegenden Beispiel die Reflektoren 222, 224 und 226. Der Kollimator 220 empfängt Strahlung von dem Bild, das durch die Abbildungseinrichtung 202 erzeugt worden ist und kollimiert die Strahlung vor der spektralen. Zerlegung durch das Prismenelement 228. Nach dem Prisma wird die Strahlung durch die Abbildungseinrichtung 232 auf eine zweidimensionale Detektor-Gruppenanordnung 230 abgebildet, beispielsweise eine von der Rückseite bestrahlte ladungsgekoppelte Einrichtung (BCCD), wobei die Abbildungseinrichtung 232 ein identisches Duplikat der Optik sein kann, welche in dem Kollimator 220 verwendet wird, wenn die Detektor-Gruppenanordnung 230, welche verwendet wird, keine Kühlung erfordert.
Es sei bemerkt, daß die spezielle Anzahl von Schlitzen in der Mehrfachschlitz- Struktur von den Anforderungen spezieller Anwendungen abhängig ist, weshalb eine achtschlitzige Struktur lediglich als Beispiel dient. Im allgemeinen kann für Anwendungen, welche eine hohe spektrale Auflösung erfordern, eine Mehrfachschlitz- Struktur mit weniger als 8 Schlitzen und einem größeren Abstand zwischen den Schlitzen und ein hochbrechendes Prisma verwendet werden. Für Anwendungen, bei denen eine niedrigere spektrale Auflösung benötigt wird, kann eine Schlitzstruktur mit mehr als 8 Schlitzen (bei geringerem Abstand) verwendet werden, und es wird ein weniger stark brechendes Prisma verwendet, so daß das gewünschte Spektrum für jeden Schlitz nur über einen Teil der Detektor-Gruppenanordnung ausgebreitet wird. In dieser Weise sind die Bilder eines Schlitzes, welche durch die kürzeste bis zur längsten Wellenlänge erzeugt werden, auf der Detektor-Gruppenanordnung - unmittelbar benachbart zu den Bildern des nächsten Schlitzes. Es sei angemerkt, daß in dem System 200 in Fig. 7 Strahlung größerer Wellenlänge immer noch durch den dichroischen Strahlaufspalter 214 in das Kryo-Vakuum-Dewargefäß für die Detektierung durch eine gekühlte Infrarot-FPA-Einrichtung gelangen kann.
Fig. 8 zeigt ein Vielfachschlitz-Spektrometersystem 251 J, das für die Verwendung sowohl im VNIR-Bereich (0,4-1 um) als auch im SWIR-Bereich (1-2,5 gm) ausgebildet ist. In dem System 250 von Fig. 8 wird in der Abbildungseinrichtung 202 kein Strahlaufspalter verwendet und die gekühlte Infrarotdetektor-Gruppenanordnung 212 ist aus dem Brennpunkt der Abbildungseinrichtung 202 fortgenommen. Sämtliche Strahlung gelangt durch eine Schlitzstruktur 252, welche am Brennpunkt der Bilderzeugungseinrichtung 202 gelegen ist, und wird durch den reflektierenden Dreielement-Kollimator 220 kollimiert.
In dem kollimierten oder parallel gerichteten Bereich, der auf den Kollimator 220 folgt, wird ein dichroischer Strahlaufspalter 254 dazu verwendet, die Strahlung in zwei Teile aufzuteilen. Die kürzeren Wellenlängen werden durch den Strahlaufspalter 254 reflektiert und gelangen durch ein dispergierendes Prisma 256 zur Abbildung auf eine bei Raumtemperatur arbeitende Gruppenanordnung (BCCD) der Abbildungseinrichtung 232. Wie in dem System 200 von Fig. 5 kann die Abbildungseinrichtung 232 ein identisches Duplikat der Optiken sein, welche in dem Kollimator 220 verwendet werden. Die größeren Wellenlängen werden durch den Strahlaufspalter 254 durchgelassen und gelangen durch ein weiteres dispergierendes Prisma 258 zur Abbildung auf eine tieftemperaturgekühlte Detektor-Gruppenanordnung 212 in der Abbildungseinrichtung 260.
Die Abbildungseinrichtung 260 enthält Reflektoren 262, 264, 266 und 268, und kann ein identisches Duplikat der Abbildungseinrichtung 202 sein, da sie die erforderliche zwischengeschaltete optische Gestalt hat, um eine Kälteabschirmung zu ermöglichen.
Die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Systeme sind zur Verwendung in Anwendungen in Fluggeräten ausgebildet. Andere Ausführungsformen der Erfindung können für den mittleren Infrarotbereich (MWIR) und den langwelligen Infrarotbereich (LWIR) in entsprechenden Anwendungsfällen verwendet werden. Das Mehrfachschlitz- Spektrometer eignet sich für Verwendungen bei Wellenlängen zwischen 0,4 um bis 12 um.
Fig. 9 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild des Steuersystems für ein Mehrfachschlitz-Spektrometer, das für die Verwendung auf einem Fluggerät, beispielsweise einem unbemannten Flugkörper, ausgebildet ist. Das System enthält eine Steuerung 300, welche eine zentrale Prozessoreinheit auf Mikroprozessorbasis sein kann, welche mit geeigneten Befehlen programmiert ist, um Daten bezüglich der Geschwindigkeit und der Höhe des unbemannten Flugkörpers, welche durch UAV- Sensoren 302 geliefert werden, in Spiegelbetätigungsbefehle und Steuersignale für die Detektor-Gruppenanordnungen umzusetzen. Das System enthält außerdem einen Spiegelantrieb 304 zur Bewegung des Spiegels M über einen Bewegungsbereich, um das Bild des Bodens während einer Integrationszeit stationär zu halten.
Die Steuerung 300 kann ein Programm enthalten, um die Integrationszeit auf der Basis der Geschwindigkeit und der Höhe zu errechnen und um die Detektor- Gruppenanordnung D durch einen Integrationszeitbefehl zu steuern, so daß diese Integrationszeit angewendet wird.
Die Erfindung ist auf Systeme anwendbar, welche im Abtastmodus arbeiten, sowie auf Systeme, welche mit starrer Blickrichtung arbeiten. Ein herkömmlicher Abtastmodus für ein übliches Spektrometer liegt vor, wenn das Bild des Bodens auf einen Schlitz S abgebildet ist und kein Rückabtastspiegel vorgesehen ist (oder dieser abgeschaltet ist). Die Erfindung kann also im Abtastmodus eingesetzt werden, indem die Position des Spiegels festgesetzt wird oder der Spiegel entfernt wird. Wenn der Spiegel festgesetzt wird, wird das Bild des Bodens selbstverständlich über die Schlitzbreite gezogen, was die Auflösung vermindert, und die Integrationszeit ist nicht länger als die bei Verwendung eines einzigen Schlitzes vorgesehene Integrationszeit. Bei feststehendem Spiegel muß der Detektor für die meiste Zeit abgeschaltet werden, d. h., der Abschaltbruchteil ist (Anzahl der Schlitze - 1)/(Anzahl der Schlitze).
Es versteht sich, daß die oben beschriebenen Ausführungsformen lediglich zur Erläuterung möglicher spezifischer Ausführungsformen dienen, welche die Grundsätze der vorliegenden Erfindung repräsentieren. Beispielsweise wurde die Erfindung oben im Zusammenhang mit der Verwendung eines dispergierenden Prismas erläutert, doch kann anstelle des dispergierenden Prismas auch ein Beugungsgitter verwendet werden. Der Fachmann kann leicht andere Anordnungen entsprechend den Grundsätzen der Erfindung ohne Abweichung von diesen konstruieren, wie sie in den Ansprüchen definiert sind.

Claims

1. Mehrfachschlitz-Spektrometer mit einer Mehrfachschlitz-Struktur, welche eine Mehrzahl von parallelen dünnen Schlitzen (S, S') definiert;

mit einer ersten optischen Struktur (L) zum Hinlenken von Objektlicht auf die genannte Mehrfachschlitz-Struktur;

mit einem lichtdispergierenden Element (P);

mit einer optischen Kollimationseinrichtung (C) zum Kollimieren und Ausrichten des Lichtes, das durch die genannten Schlitze der Mehrfachschlitz-Struktur getreten ist, auf das lichtdispergierende Element; und

mit einer optischen Fokussierungs-Struktur (L&sub1;) zum Fokussieren des Lichtes, das durch das genannte lichtdispergierende Element getreten ist, auf eine zweidimensionale Detektor-Gruppenanordnung (D), die an einer Abbildungsebene (A, A') angeordnet ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Spektrometer auf einer sich bewegenden Plattform montiert ist und einen Spiegel (M) enthält, um Objektlicht von einem Objekt oder mehreren Objekten auf die erste optische Struktur (L) zu lenken, wobei sich der Spiegel mit einer solchen Winkelgeschwindigkeit dreht, daß das Bild des einen Objektes oder der mehreren Objekte für eine Integrationszeit an der Mehrfachschlitz-Struktur stationär gehalten wird.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor- Gruppenanordnung (D) eine Mehrzahl von Detektorelementen mit einer breiten Abmessung in einer Richtung quer zu der Richtung, in welcher sich die Schlitze erstrecken, enthält, wobei die Schlitze (S, S') durch einen Abstand gleich einem ganzzahligen Vielfachen der genannten Breitenabmessung getrennt sind und wobei das genannte ganzzahlige Vielfache gleich dem N-fachen der Anzahl von Schlitzen plus oder minus Eins ist, worin N eine ganze Zahl ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das genannte lichtdispergierende Element (P) ein Prisma enthält.

4. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das genannte lichtdispergierende Element (P) ein Beugungsgitter enthält.

5. Spektrometer nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, gekennzeichnet durch ein Filter (F) zum Durchlassen von Licht nur in einem interessierenden Wellenlängenband, wobei das Filter im optischen Weg vor der Abbildungsebene positioniert ist.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch einen Spiegelantrieb (304) zur Bewegung des Spiegels in Abhängigkeit von Spiegelbetätigungsbefehlen, und durch eine Steuereinrichtung (300), welche auf Daten anspricht, welche die Geschwindigkeit und die Höhe der beweglichen Plattform anzeigen, um die genannten Spiegelbetätigungsbefehle zu erzeugen, so daß der Spiegel mit der genannten Winkelgeschwindigkeit gedreht wird.

7. Spektrometer nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer in einem System (200) zum Analysieren von Eingangsenergie in einem ersten und einen zweiten, davon verschiedenen Spektralband verwendet wird, wobei das System eine erste optische Struktur (202) zum Hinlenken der Eingangsenergie auf einen Strahlaufspalter (214) enthält, welcher Komponenten des ersten Spektralbandes der Eingangsenergie über einen ersten optischen Weg zu einer ersten Sensor-Gruppenanordnung (212) führt, und Komponenten des zweiten Spektralbandes der Eingangsenergie auf einen zweiten optischen Weg führt, wobei das Spektrometer in dem zweiten optischen Weg angeordnet ist, um die Komponenten des zweiten Spektralbandes zu analysieren.

8. Spektrometer nach Anspruch 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spektralband nahe dem Infrarotbereich liegt und daß die erste Sensor-Gruppenanordnung (212) eine tieftemperaturgekühlte Gruppenanordnung ist.

9. Spektrometer nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrometer in einem System (250) zum Analysieren von Eingangsenergie in einem ersten und einem zweiten davon verschiedenen Spektralband verwendet wird, wobei das System eine erste optische Struktur (202) zum Hinlenken der Eingangsenergie auf die genannte Mehrfachschlitz-Struktur (252), einen Kollimator (220) zum Kollimieren von Licht, das durch die Mehrfachschlitz-Struktur getreten ist, einen Strahlaufspalter (254) zum Hinlenken von Komponenten der Eingangsenergie im ersten Energieband auf einen ersten optischen Weg und zum Hinlenken von Komponenten der Eingangsenergie in einem zweiten Spektralband auf einen zweiten optischen Weg, ein erstes lichtdispergierendes Element (258), das im ersten optischen Weg gelegen ist, eine zweite optische Struktur (260) zum Abbilden von Licht, das durch das erste lichtdispergierende Element getreten ist, auf eine erste Abbildungsebene, ein zweites lichtdispergierendes Element (256), das in dem zweiten optischen Weg angeordnet ist, sowie eine dritte optische Struktur (232) enthält, um Energie, welche durch das zweite lichtdispergierende Element getreten ist, auf eine zweite Abbildungsebene abzubilden.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spektralband sichtbare und infrarotnahe Spektralkomponenten enthält, und daß das zweite Spektralband kurzwellige Infrarotkomponenten enthält.