DE102011051590A1

DE102011051590A1 - Optical instrument e.g. radiometer, for use in e.g. satellite, has beam forming element producing homogenous beam intensity and made of micro optic array, which is integrated in form of microlens array in path between source and aperture

Info

Publication number: DE102011051590A1
Application number: DE102011051590A
Authority: DE
Inventors: Matthias Merschdorf
Original assignee: Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik GmbH
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-10

Abstract

The instrument (1) has a beam forming element (11) producing homogenous beam intensity and made of a micro optic array (10). The micro optic array is integrated in a form of a microlens array in an optical path (7) between a radiation source (8) and an aperture at a transmitter end. The microlens array is reflectively integrated in the form of a micromirror array in the optical path of the instrument and is made of uniform lenses. A converging lens is used between the beam forming element and the aperture and images radiation distribution of the beam forming element. An independent claim is also included for a method for calibrating an optical instrument.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Instrument in extraterrestrischer Umgebung mit einem aus einer Strahlungsquelle eine homogene Strahlungsintensität erzeugenden Strahlformungselement.The invention relates to an optical instrument in an extraterrestrial environment with a beam shaping element generating a homogeneous radiation intensity from a radiation source.

Derartige extraterrestrische, optische Instrumente wie beispielsweise Radiometer, Spektrometer und dergleichen erfassen Strahlungsintensitäten von Strahlungsquellen wie bestrahlten oder strahlenden Körpern, beispielsweise der Erde, dem Mond oder der Sonne von einem extraterrestrischen Standpunkt aus. Hierzu wird eine Apertur mit einer im Strahlengang nachfolgenden lichtsensitiven Fläche mit Licht der Strahlungsquelle beleuchtet. Dabei kann sich die Instrumentencharakteristik („instrument response function“) abhängig von Betriebsparametern, beispielsweise der Betriebsdauer ändern, so dass derartige optische Instrumente kalibriert werden müssen, beispielsweise deren Empfindlichkeit, spektrale Charakteristik und dergleichen.Such extraterrestrial optical instruments such as radiometers, spectrometers and the like detect radiation intensities from radiation sources such as irradiated or radiating bodies, for example the earth, the moon or the sun from an extraterrestrial point of view. For this purpose, an aperture is illuminated with a light-sensitive surface following in the beam path with light from the radiation source. In this case, the instrument characteristic function ("instrument response function") depending on operating parameters, such as the operating time change, so that such optical instruments must be calibrated, such as their sensitivity, spectral characteristics and the like.

Hierzu werden Kalibrationseinrichtungen vorgesehen, bei der die Strahlung einer Strahlungsquelle über das mitgeführte Strahlformungselement, das die auf diesen eintreffende Strahlung nach Möglichkeit gleichmäßig streut, geführt wird. Dabei soll die Strahlung der Strahlenquelle homogenisiert werden, das heißt, mit gleichmäßiger Strahlungsintensität im Orts- oder Winkelraum der Apertur versehen werden. Hierbei nutzen die Kalibrationseinrichtungen eine oder mehrere mitgeführte Lichtquellen wie Lampen, LED, Laser, thermische Strahler, Schwarzkörperstrahler und dergleichen oder externe Lichtquellen wie die Sonne, die Erde oder den Mond. Die Strahlformungselemente beispielsweise in Form von Diffusoren sind in der Regel als Lambertsche Volumen- beziehungsweise Oberflächenstreuer beispielsweise aus der WO 00/11498 A1 bekannt. Hierbei wird die gestreute Strahlung der Strahlungsquelle im Wesentlichen gleichmäßig über die strahlungssensitive Fläche verteilt, so dass die gesamte strahlungssensitive Fläche auf dieselbe Strahlungsintensität kalibriert werden kann. Derartige Diffusoren können unerwünschte Degradationseffekte zeigen und die Effizienz der Streuwirkung in den Strahlengang des Radiometers ist gering. For this purpose, calibration devices are provided in which the radiation of a radiation source is guided via the entrained beam-shaping element which, if possible, uniformly scatters the radiation incident on it. In this case, the radiation of the radiation source is to be homogenized, that is to be provided with uniform radiation intensity in the spatial or angular space of the aperture. Here, the calibration devices use one or more entrained light sources such as lamps, LED, laser, thermal radiator, black body radiator and the like or external light sources such as the sun, the earth or the moon. The beam-shaping elements, for example in the form of diffusers are usually as Lambertian volume or surface spreader, for example from the WO 00/11498 A1 known. Here, the scattered radiation of the radiation source is distributed substantially uniformly over the radiation-sensitive surface, so that the entire radiation-sensitive surface can be calibrated to the same radiation intensity. Such diffusers can exhibit undesirable degradation effects and the efficiency of the scattering effect in the beam path of the radiometer is low.

Weiterhin sind aus einer Vielzahl von in einem Mikrolinsenarray zusammengefasste Linsen beispielsweise aus der US 6 239 913 B1 zur Strahlformung bekannt. Furthermore, from a plurality of combined in a microlens array lenses, for example, from US Pat. No. 6,239,913 B1 known for beam shaping.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines extraterrestrischen optischen Instruments mit einer vorteilhaft verbesserten Kalibrationseinrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Kalibration eines derartigen optischen Instruments.The object of the invention is the development of an extraterrestrial optical instrument with an advantageously improved calibration device and a method for improving the calibration of such an optical instrument.

Die Aufgabe wird durch ein optisches Instrument in extraterrestrischer Umgebung mit einem aus einer Strahlungsquelle eine homogene Strahlungsintensität erzeugenden Strahlformungselement gelöst, wobei das Strahlformungselement aus zumindest einem Mikrooptikarray gebildet ist.The object is achieved by an optical instrument in an extraterrestrial environment with a beam-shaping element generating a homogeneous radiation intensity from a radiation source, wherein the beam-shaping element is formed from at least one micro-optical array.

Das vorgeschlagene optische Instrument, beispielsweise ein Radiometer, Spektrometer oder dergleichen kann in einem Raumfahrzeug wie beispielsweise einem Satelliten, einer Raumfähre, einer Raumstation aber auch an einem in großen Höhen schwebenden Ballon oder dergleichen vorgesehen sein. Entsprechende Mittel zum Ausrichten des Radiometers in dem Raumfahrzeug oder des Raumfahrzeugs in die Beobachtungsrichtung oder die Strahlungsquelle sind vorgesehen. Als Strahlungsquelle kann eine mitgeführte Strahlungsquelle oder aber bevorzugt die Sonne oder der Mond dienen. Das optische Instrument kann für einen Wellenlängenbereich der zu erfassenden Strahlungsintensität vom Ultraviolett-Bereich bis in den Infrarotbereich und für definierte Bereiche dieses Spektrums ausgelegt sein. In den Strahlengang einer gegebenenfalls aufwendigen Optik des optischen Instruments können unterschiedliche strahlungssensitive Flächen wie CCD-Chips oder Sensorarrays unterschiedlicher Wellenlängenempfindlichkeit eingebracht werden und entsprechend durch die vorgeschlagene Kalibrationseinrichtung kalibriert werden. The proposed optical instrument, such as a radiometer, spectrometer or the like may be provided in a spacecraft such as a satellite, a space shuttle, a space station, but also at a high-altitude floating balloon or the like. Corresponding means for aligning the radiometer in the spacecraft or the spacecraft in the direction of observation or the radiation source are provided. The radiation source may be an entrained radiation source or, preferably, the sun or the moon. The optical instrument can be designed for a wavelength range of the radiation intensity to be detected from the ultraviolet range to the infrared range and for defined ranges of this spectrum. Different radiation-sensitive surfaces such as CCD chips or sensor arrays of different wavelength sensitivity can be introduced into the beam path of a potentially complex optical system of the optical instrument and calibrated accordingly by the proposed calibration device.

Gemäß dem erfinderischen Gedanken kann das Mikrooptikarray als Mikrospiegelarray entsprechend einem bisher verwendeten Diffusor reflexiv verwendet werden, wobei die Oberflächen der einzelnen vorzugsweise gewölbten Mikrospiegel einen Streueffekt bewirken. Hierbei ist das Mikrospiegelarray auf die Strahlungsquelle ausgerichtet und streut die auftreffende Strahlung homogen auf die Apertur beziehungsweise der lichtsensitiven Fläche des optischen Instruments. Zur Verhinderung von Strahlungsverlusten können die einzelnen Spiegeloberflächen in dieser Variante beschichtet sein. Im Weiteren können für eine reflexive Anwendung eines Mikrospiegelarrays beispielsweise extrem hochbrechende Materialien wie Silizium oder Germanium verwendetet werden. According to the inventive idea, the micro-optic array can be used reflexively as a micromirror array according to a previously used diffuser, the surfaces of the individual, preferably curved micromirrors causing a scattering effect. Here, the micromirror array is aligned with the radiation source and scatters the incident radiation homogeneously to the aperture or the light-sensitive surface of the optical instrument. To prevent radiation losses, the individual mirror surfaces can be coated in this variant. Furthermore, for a reflexive application of a micromirror array, for example, extremely high-index materials such as silicon or germanium can be used.

Als besonders vorteilhafte Ausführungsform hat sich allerdings eine transmittierende Anordnung erwiesen, bei der während der Kalibration zumindest ein als Mikrolinsenarray ausgebildetes Mikrooptikarray transmittierend in den Strahlengang zwischen Strahlungsquelle und Apertur eingebracht wird, indem beispielsweise der Satellit mit dem optischen Instrument entsprechend auf eine externe Strahlungsquelle ausgerichtet wird oder mittels einer Spiegeleinrichtung eine externe oder interne Strahlungsquelle in den Strahlengang eingespiegelt wird. Beispielsweise kann das zumindest eine Mikrolinsenarray auf einem Träger aufgenommen und mittels einer Verschwenkeinrichtung wie beispielsweise einem Elektromotor zu Kalibrationszwecken in den Strahlengang zwischen der im Beobachtungsfeld des Radiometers anvisierten Strahlungsquelle und des strahlungssensitiven Feldes eingeschwenkt werden, so dass keine weiteren Manipulationen des optischen Instruments, einer vorgeschalteten Optik und dergleichen nötig sind und die geometrischen Bedingungen des optischen Instruments im Beobachtungsmodus und im Kalibrationsmodus im Gegensatz zu einer reflexiven Einbindung eines Diffusors im Wesentlichen gleich bleiben. As a particularly advantageous embodiment, however, a transmitting arrangement has been found, in which at least one microlens array formed as a micro-optical array is introduced during the calibration transmissive in the beam path between the radiation source and aperture by, for example, the satellite is aligned with the optical instrument according to an external radiation source or By means of a mirror device, an external or internal radiation source is reflected in the beam path. For example, the at least one microlens array can taken a support and pivoted by means of a pivoting device such as an electric motor for calibration purposes in the beam path between the targeted in the field of observation of the radiometer radiation source and the radiation-sensitive field, so that no further manipulations of the optical instrument, an upstream optics and the like are necessary and the geometric Conditions of the optical instrument in the observation mode and in the calibration mode, in contrast to a reflexive involvement of a diffuser remain substantially the same.

Die Mikrolinsenarrays für die transmittierende Verwendung können in besonders einfacher Weise auch ohne zusätzliche Beschichtung vorgesehen werden. Zur Erzielung einer Kalibration über einen großen Wellenlängenbereich kann das zumindest eine Mikrolinsenarray aus strahlungsstabilen Materialien, bevorzugt aus für UV-Strahlung durchlässigem, nicht kristallinem Quarz (Fused Silica), Calciumfluorid, Silizium, Germanium oder anderen Spezialgläsern hergestellt sein. Infolge der Abwesenheit oder geringen Präsenz von Sauerstoff kann eine stabilisierende Beschichtung gegen Oxidation eingespart werden. Weiterhin können aus diesen oder vergleichbaren Materialzusammensetzungen Streuungen erzielt werden, die nicht oder nur in geringem Maße wellenlängenabhängig sind. Weiterhin weisen diese Materialien einen sehr weiten Transmissionsbereich auf.The microlens arrays for the transmissive use can be provided in a particularly simple manner without additional coating. To achieve calibration over a wide range of wavelengths, the at least one microlens array may be made of radiation stable materials, preferably non-crystalline quartz (fused silica) permeable to UV radiation, calcium fluoride, silicon, germanium, or other specialty glasses. Due to the absence or low presence of oxygen, a stabilizing coating against oxidation can be saved. Furthermore, from these or similar material compositions scattering can be achieved, which are not or only slightly dependent on wavelength. Furthermore, these materials have a very wide transmission range.

Zur Bereitstellung einer guten Homogenisierung des Mikrolinsenarrays ist dieses aus einer Vielzahl identischer Linsen mit überlappenden Lichtverteilungen, beispielsweise Lichtkegeln für runde Aperturen oder quadratischen oder rechteckigen Lichtquerschnitten für entsprechend quadratisch oder rechteckig ausgebildete Aperturen, Zylinderlinsen mit lediglich in einer Raumrichtung diffusiv wirkenden Eigenschaften und dergleichen gebildet. Mittels der f-Zahl der Linsen kann dabei der Streuwinkel der Mikrolinsen angepasst werden. Dabei hat es sich zur Erzielung einer homogenen lateralen Strahlungsintensität auf der strahlungssensitiven Fläche bei Nutzung der Sonne als Strahlungsquelle vorteilhafterweise als ausreichend erwiesen, wenn ein durch die die f-Zahl (Brennweite/Durchmesser der Linsen) eingestellter Streuwinkelbereich der Linsen kleiner ±10°, bevorzugt ±5° beträgt. Weiterhin kann durch entsprechende Auswahl der f-Zahl die effiziente Nutzung der Lichtintensität gesteuert werden, indem beispielsweise die Instrumenten-Apertur vollständig passend abgedeckt oder lediglich ein Teilbereich der Instrumenten-Apertur mit einer homogenem Lichtverteilung bestrahlt wird. In order to provide a good homogenization of the microlens array, this is formed from a multiplicity of identical lenses with overlapping light distributions, for example light cones for round apertures or square or rectangular light cross sections for correspondingly square or rectangular apertures, cylindrical lenses with diffusively acting properties in only one spatial direction and the like. By means of the f-number of lenses, the scattering angle of the microlenses can be adjusted. It has been found to achieve a homogeneous lateral radiation intensity on the radiation-sensitive surface when using the sun as a radiation source advantageously sufficient if a by the f-number (focal length / diameter of the lenses) set the scattering angle range of the lenses less ± 10 °, preferably ± 5 °. Furthermore, by appropriate selection of the f-number, the efficient use of the light intensity can be controlled, for example by completely covering the instrument aperture or by irradiating only a portion of the instrument aperture with a homogeneous light distribution.

Gemäß dem erfinderischen Gedanken kann das optische Instrument zur Erhöhung der Homogenität und Uniformität der auf die Apertur auftreffenden Strahlung mit einer Kalibrationseinrichtung versehen sein, bei der zumindest zwei Mikrooptikarrays wie Mikrolinsenarrays im Strahlengang hintereinandergeschaltet sind, wobei jeweils eine Lichtverteilung eines Elements wie Linse des der der Strahlungsquelle näheren Mikrooptikarrays wie Mikrolinsenarrays eine Apertur eines Elements wie Linse des diesem Mikrolinsenarray im Strahlengang nachfolgenden Mikrooptikarrays wie Mikrolinsenarrays durchleuchtet. Hierbei ist die Anzahl der Elemente zweier benachbarter Mikrooptikarrays im Wesentlichen identisch. Weitere Anordnungen mehrerer Mikrooptikarrays können unterschiedliche Anzahlen von Elementen mit jeweils anderen Streuwinkeln aufweisen, so dass beispielsweise eine Strahlungsverteilung einer Linse auf die Aperturen mehrerer Elemente wie Linsen, beziehungsweise im umgekehrten Fall die Strahlenverteilungen mehrerer Elemente wie Linsen auf eine Apertur eines Elements wie Linse des benachbarten Mikrooptikarrays treffen.According to the inventive idea, the optical instrument for increasing the homogeneity and uniformity of the radiation impinging on the aperture can be provided with a calibration device in which at least two micro-optic arrays such as microlens arrays are connected in series in the beam path, wherein in each case a light distribution of an element such as lens of that of the radiation source nearer micro-optic arrays such as microlens arrays an aperture of an element such as lens of this microlens array in the beam path subsequent micro-optics array such as microlens arrays irradiated. Here, the number of elements of two adjacent micro-optic arrays is substantially identical. Further arrangements of several micro-optic arrays can have different numbers of elements with different scattering angles, so that, for example, a radiation distribution of a lens on the apertures of several elements such as lenses, or in the reverse case, the radiation distributions of several elements such as lenses on an aperture of an element such as lens of the adjacent micro-optics array to meet.

Je nach Ausbildung des Querschnitts des zumindest einen Mikrooptikarrays kann dessen Strahlenverteilung beispielsweise mittels einer zwischen dieses und die Apertur eingebrachten Linse auf eine Fläche erweitert werden. Es versteht sich, dass von der Erfindung auch weitere, in die Kalibrationseinrichtung integrierte und mit dieser oder gegebenenfalls separat in den Strahlengang eingeschwenkte zusätzliche Streu- und/oder Sammellinsen umfasst sind. Depending on the design of the cross section of the at least one micro-optical array, its radiation distribution can be extended to a surface, for example by means of a lens introduced between it and the aperture. It is self-evident that the invention also encompasses additional scattering and / or converging lenses integrated in the calibration device and additionally or separately pivoted into the beam path.

Im Weiteren können in der Kalibrationseinrichtung Filter beispielsweise einzelne oder sich in ihrer Filterwirkung ergänzende Filtereinheiten vorgesehen sein, die eine Anpassung der Strahlungsintensität ermöglichen. So können eine oder mehrere Strahlungsintensitäten für einen idealen Kalibrationswert oder mehrere Kalibrationswerte vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können die Filter wellenlängendiskriminierend sein, so dass eine Kalibration für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche selektiv vorgenommen werden kann. Entsprechend der vorgeschlagenen Linsen können die Filter jeweils einzeln oder gemeinsam mit einem oder mehreren Mikrooptikarrays in den Strahlengang zumindest für die Dauer des Kalibrationsvorgangs einbringbar ausgebildet sein. Bei derartigen Filtern kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere spektralen Filter, Intensitäts-Filter wie Abschwächer und dergleichen, räumliche Filter, einen Polarisationsfilter, Phasenfilter wie Computer Generated Hologram, Diffraktives Optisches Element und dergleichen und Mischformen dieser handeln.Furthermore, in the calibration device, filters can be provided, for example, individual filter units or filters which supplement one another in their filtering action, which permit an adaptation of the radiation intensity. Thus, one or more radiation intensities may be provided for an ideal calibration value or multiple calibration values. Alternatively or additionally, the filters may be wavelength discriminating, so that calibration for different wavelengths or wavelength ranges can be made selectively. According to the proposed lenses, the filters may be formed individually or together with one or more micro-optical arrays in the beam path at least for the duration of the calibration process. Such filters may be, for example, one or more spectral filters, intensity filters such as attenuators and the like, spatial filters, a polarizing filter, phase filters such as computer generated holograms, diffractive optical elements, and the like, and hybrids thereof.

Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Kalibration eines vorgeschlagenen optischen Instruments im Sinne der Erfindung gelöst, wobei eine Apertur wie Eingangsapertur des optischen Instruments durch die Strahlungsquelle beleuchtet und in den Strahlengang zwischen der Strahlungsquelle und der Apertur das zumindest eine Mikrooptikarray und gegebenenfalls ein Filter und/oder eine Linse integriert wird. Durch das Einbringen des zumindest einen transmittierenden Mikrooptikarrays entfallen weitere Ausrichtbewegungen des optischen Instruments. In dem Kalibrationsmodus wird daher das optische Instrument in derselben Weise angesteuert wie im Beobachtungsmodus. Zu Kalibrationszwecken wird das optische Instrument beispielsweise auf die Sonne oder den Mond ausgerichtet und die Kalibrationseinrichtung mit dem zumindest einen Mikrooptikarray und gegebenenfalls Filtern und zusätzlichen Linsen in den Strahlengang eingebracht. Vorhaltewinkel des optischen Instruments und hierzu nötige Steuerprozeduren einer Steuereinrichtung beziehungsweise Umlenkspiegel zur Abbildung einer reflexiv gestreuten und homogenisierten Strahlung auf das strahlungssensitive Feld können vorteilhafterweise entfallen.The object is further achieved by a method for calibrating a proposed optical instrument in the context of the invention, wherein an aperture as input aperture of the optical instrument illuminated by the radiation source and in the beam path between the Radiation source and the aperture, the at least one micro-optical array and optionally a filter and / or a lens is integrated. The introduction of the at least one transmitting micro-optical array eliminates further alignment movements of the optical instrument. In the calibration mode, therefore, the optical instrument is driven in the same way as in the observation mode. For calibration purposes, the optical instrument is aligned, for example, with the sun or the moon, and the calibration device with the at least one microoptical array and optionally filters and additional lenses is introduced into the beam path. Retention angle of the optical instrument and necessary control procedures of a control device or deflecting mirror for imaging a reflexively scattered and homogenized radiation on the radiation-sensitive field can advantageously be omitted.

Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the in the 1 to 3 illustrated embodiments explained in more detail. Showing:

1 ein schematisch dargestelltes optisches Instrument mit einem reflexiv eingesetzten, als Mikrospiegelarray ausgebildeten Mikrooptikarray, 1 a schematically illustrated optical instrument with a reflexively inserted, designed as a micromirror array micro-optical array,

2 ein schematisch dargestelltes optisches Instrument mit zwei transmittierend eingesetzten Mikrolinsenarrays und 2 a schematically illustrated optical instrument with two transmitting microlens arrays and

3 eine Darstellung einer Strahlungsintensität über einen Querschnitt durch eine strahlungssensitive Fläche. 3 a representation of a radiation intensity over a cross section through a radiation-sensitive surface.

1 zeigt das schematisch dargestellte optische Instrument 1 mit dem Gehäuse 2 und dem darin aufgenommenen CCD-Chip 3 mit der Apertur 4. Die von dem CCD-Chip 3 erfassten Signalintensitäten werden von der Auswerteeinheit 5 ausgewertet und verarbeitet. Zur Kalibration des optischen Instruments 1 ist die Kalibrationseinrichtung 6 in den Strahlengang 7 eingeschaltet. Als Strahlungsquelle 8 dient die Sonne mit der Strahlung 9, die an dem Mikrooptikarray 10 in Form des reflexiv eingesetzten Mikrospiegelarrays 10a, das das Strahlformungselement 11 bildet, gestreut wird. Die Streuung der Strahlung 9 erfolgt jeweils an den einzelnen, als konvexe oder konkave Spiegel ausgebildeten und infolge deren geringen Ausmaßes in der gezeigten Darstellung nicht aufgelösten Elementen des Mikrooptikarrays 10. Durch diese Streuung wird die Strahlung 9 in qualitativ hochwertig homogenisierte Streustrahlung 12 gewandelt und auf den Spiegel 13 gestreut, der diese in den Strahlengang 7 des optischen Instruments 1 lenkt. An der Apertur 4 trifft daher die umgelenkte und homogene Streustrahlung 12 auf. 1 shows the schematically illustrated optical instrument 1 with the housing 2 and the CCD chip received therein 3 with the aperture 4 , The one from the CCD chip 3 detected signal intensities are from the evaluation unit 5 evaluated and processed. For calibration of the optical instrument 1 is the calibration device 6 in the beam path 7 switched on. As a radiation source 8th the sun serves with the radiation 9 attached to the micro-optic array 10 in the form of the reflexively used micromirror array 10a that is the beam-shaping element 11 forms, is scattered. The scattering of the radiation 9 takes place in each case on the individual elements of the microoptical array which are designed as convex or concave mirrors and, due to their small extent, are not resolved in the illustration shown 10 , By this scattering is the radiation 9 in high-quality homogenized scattered radiation 12 converted and onto the mirror 13 scattered this in the beam path 7 of the optical instrument 1 directs. At the aperture 4 therefore meets the deflected and homogeneous scattered radiation 12 on.

2 zeigt in Abänderung zu dem optischen Instrument 1 der 1 das optische Instrument 101, von dem lediglich die Apertur 104 mit dem Durchmesser D beziehungsweise vorgegebenen Kantenlängen bei rechteckigem oder quadratischem Aufbau dargestellt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kalibrationseinrichtung 106 konzentrisch im Strahlengang 107 des optischen Instruments 101 angeordnet. Das Strahlenformungselement 111 wie Diffusor wird dabei transmittierend eingesetzt und ist aus zwei im Strahlengang zueinander im Abstand f₁ beabstandet angeordneten Mikrooptikarrays 110, 110a in Form der Mikrolinsenarrays 110b, 110c mit einer Vielzahl konvex ausgebildeter Linsen 114, 115 gebildet. Die Linsen 114, 115 sind gleich groß, das heißt mit gleicher Apertur p in gleicher Anzahl und im Strahlengang 107 hintereinander angeordnet. Durch die Wahl der f-Zahl der Linsen 115 werden die Aperturen p der Linsen 114 abgebildet, so dass eine weiter verbesserte Uniformität der Streustrahlung 112 erzielt wird. In einfachen Ausführungsbeispielen kann ein einziges Mikrooptikarray wie Mikrolinsenarray zur Erzielung einer entsprechenden homogenen und uniformen Streustrahlung ausreichend sein. Die aus den Linsen 115 austretenden Lichtverteilungen 117 überlappen sich im Fernfeld und bilden für sich betrachtet bereits Streustrahlung mit homogener Winkelverteilung. Zusätzlich kann in den Strahlengang 107 eine die Streustrahlung 117 abbildende Sammellinse 118 mit dem Abstand f₂ zur Apertur 104 vorgesehen sein, welche eine Streustrahlung 112 mit homogener Ortsverteilung an der Apertur 104 erzeugt. 2 shows in modification to the optical instrument 1 of the 1 the optical instrument 101 of which only the aperture 104 is shown with the diameter D or predetermined edge lengths in a rectangular or square structure. In the embodiment shown, the calibration device 106 concentric in the beam path 107 of the optical instrument 101 arranged. The beam-shaping element 111 The diffuser is used in a transmissive manner and is composed of two micro-optic arrays spaced from one another at a distance f ₁ from one another in the beam path 110 . 110a in the form of microlens arrays 110b . 110c with a multitude of convex lenses 114 . 115 educated. The lenses 114 . 115 are the same size, ie with the same aperture p in the same number and in the beam path 107 arranged one behind the other. By choosing the f-number of lenses 115 become the apertures p of the lenses 114 imaged, allowing a further improved uniformity of scattered radiation 112 is achieved. In simple embodiments, a single micro-optic array, such as a microlens array, may be sufficient to achieve a corresponding homogeneous and uniform scattered radiation. The from the lenses 115 emerging light distributions 117 overlap in the far field and already form scattered radiation with homogeneous angular distribution. In addition, in the beam path 107 one the scattered radiation 117 pictorial condensing lens 118 with the distance f ₂ to the aperture 104 be provided, which is a scattered radiation 112 with homogeneous spatial distribution at the aperture 104 generated.

Die Strahlungsquelle 108, beispielsweise eine Lampe, mit der Strahlung 109, die abhängig von dieser mittels der Linse 119 parallel gerichtet wird, kann mit dem gezeigten optischen Instrument 101 direkt in das Beobachtungsfeld des optischen Instruments 101 angefahren, das heißt die Strahlung 109 kann konzentrisch zum Strahlengang 107 angeordnet werden, indem das Radiometer direkt auf die Strahlungsquelle 108 ausgerichtet und die Kalibrationseinrichtung 106 in den Strahlengang 107 gebracht wird.The radiation source 108 For example, a lamp, with the radiation 109 dependent on this by means of the lens 119 is directed in parallel, can with the optical instrument shown 101 directly into the field of view of the optical instrument 101 approached, that is the radiation 109 can be concentric to the beam path 107 Be arranged by placing the radiometer directly on the radiation source 108 aligned and the calibration device 106 in the beam path 107 is brought.

3 zeigt unter Bezugnahme auf die in der 2 gezeigten Anordnung beispielhaft die Strahlungsintensität I über die laterale Erstreckung x der sich über Werte zwischen x = 0 und x = D erstreckenden Apertur 104. Durch die Mikrolinsenarrays 110b, 110c wird die Strahlung 109 der Strahlungsquelle 108 homogenisiert und als Streustrahlung 112 mit der Strahlungsintensität I ist über den dargestellten Querschnitt der Apertur 104 konstant abgebildet. Dasselbe trifft für alle anderen Querschnitte durch die Apertur 4 zu. 3 shows with reference to the in the 2 The radiation intensity I over the lateral extent x of the aperture extending over values between x = 0 and x = D is shown by way of example 104 , Through the microlens arrays 110b . 110c becomes the radiation 109 the radiation source 108 homogenized and as scattered radiation 112 with the radiation intensity I is over the illustrated cross-section of the aperture 104 constantly displayed. The same applies to all other cross sections through the aperture 4 to.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Optisches Instrument Optical instrument
22: Gehäuse casing
33: CCD-Chip CCD chip
44: Apertur aperture
55: Auswerteeinheit evaluation
66: Kalibrationseinrichtung The calibration means
77: Strahlengang beam path
88th: Strahlungsquelle radiation source
99: Strahlung radiation
1010: Mikrooptikarray Micro-array
10a10a: Mikrospiegelarray Micromirror array
1111: Strahlformungselement Beam shaping element
1212: Streustrahlung scattered radiation
1313: Spiegel mirror
101101: Optisches Instrument Optical instrument
104104: Apertur aperture
106106: Kalibrationseinrichtung The calibration means
107107: Strahlengang beam path
108108: Strahlungsquelle radiation source
109109: Strahlung radiation
110110: Mikrooptikarray Micro-array
110a110a: Mikrooptikarray Micro-array
110b110b: Mikrolinsenarray Microlens array
110c110c: Mikrolinsenarray Microlens array
111111: Strahlformungselement Beam shaping element
112112: Streustrahlung scattered radiation
114114: Linse lens
115115: Linse lens
116116: Lichtverteilung light distribution
117117: Lichtverteilung light distribution
118118: Sammellinse converging lens
119119: Linse lens
DD: Durchmesser diameter
f₁ f ₁: Abstand distance
f₂ f ₂: Abstand distance
II: Strahlungsintensität radiation intensity
pp: Apertur aperture
xx: Erstreckung extension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 00/11498 A1 [0003]
US 6239913 B1 [0004]

Claims

Optical instrument ( 1 . 101 ) in an extraterrestrial environment with one from a radiation source ( 8th . 108 ) a beam-forming element generating homogeneous radiation intensity ( 11 . 111 ), characterized in that the beam-shaping element ( 11 . 111 ) from at least one micro-optical array ( 10 . 110 . 110a ) is formed.

Optical instrument ( 101 ) according to claim 1, characterized in that the at least one micro-optical array ( 110 . 110a ) in the form of a microlens array ( 110b . 110c ) transmissively into the beam path ( 107 ) between radiation source ( 108 ) and an aperture ( 104 ) is involved.

Optical instrument ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one micro-optical array ( 10 ) in the form of a micromirror array ( 10a ) Reflective in the beam path ( 7 ) of the optical instrument ( 1 ) is involved.

Optical instrument ( 1 . 101 ) according to claim 2, characterized in that the microlens array ( 110b . 110c ) of a plurality of uniform lenses ( 114 . 115 ) is formed.

Optical instrument ( 101 ) according to one of claims 1, 2 or 4, characterized in that at least two microlens arrays ( 110b . 110c ) in the beam path ( 107 ) are connected in series, wherein a light distribution ( 116 ) each one of the elements of the radiation source ( 108 ) closer microlens array ( 110b ) an aperture (p) on a lens ( 115 ) of this microlens array ( 110b ) in the beam path ( 107 ) subsequent microlens arrays ( 110c ).

Optical instrument ( 1 . 101 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that a scattering angle range of the lenses ( 114 . 115 ) is given by their f-number.

Optical instrument ( 101 ) according to one of claims 1, 2, 4 to 6, characterized in that between the beam-shaping element ( 111 ) and the aperture ( 104 ) a condenser lens ( 118 ), which determines the radiation distribution of the beam-shaping element ( 111 ) on the aperture ( 104 ) maps.

Optical instrument according to one of claims 1 to 7, characterized in that the introduction of a filter in the beam path is provided at least temporarily while a filter.

Optical instrument ( 1 . 101 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the radiation source ( 8th . 108 ) is the earth, the sun, the moon and / or at least one entrained radiation source.

Method for calibrating an optical instrument ( 101 ) according to claims 1 to 9, characterized in that an aperture of the optical instrument ( 101 ) or a part of this with light from the radiation source ( 108 ) is illuminated and in the beam path ( 107 ) between the radiation source ( 108 ) and the aperture ( 104 ) the at least one micro-optic array ( 110 . 110a ) and optionally a filter and / or a lens is integrated.