• Home page > Technology > Der Strahlfächer
  • Der Strahlfächer

    Florence LAURENT, Lutz WISOTZKI



    Beschreibung des Strahlfächers

    Integralfeldspektrographen, die auf der Grundlage eines Strahlfächers funktionieren, erlauben eine hohe Dichte der spektral abgetasteten Punkte im Detektor. Die ersten Strahlfächer wurden in den 1930er Jahren entwickelt, doch erst gegen Ende des vergangenen Jahrhunderts begann ihre Anwendung in der 3D-Spektroskopie. Sie sind meist aus ebenen oder sphärischen Spiegeln zusammengesetzt, die entsprechend der spezifischen Anforderungen des Projekts gefertigt sind. Seit 2002 hat die Anzahl geplanter Strahlfächer für künftige Instrumente derart zugenommen, dass es weltweit zu einem regelrechten Forschungswettlauf auf diesem Gebiet kam. Dieser Artikel beschreibt das Funktionsprinzip des Strahlfächers und beschreibt die Schwierigkeiten, die durch die erforderliche enorme Kompaktheit des Systems auftreten.


    1. Funktionsprinzip

    Ein Strahlfächer ist eine Anordnung optischer Elemente, die zwei optische Transformationen bewirken: Eine an der Pupille und eine auf der Brennebene des Teleskops. Er besteht im wesentlichen aus zwei bzw. drei optischen Elementen:

    - Dem Bildteiler, der aus in Schichten angeordneten schmalen Spiegelbändern besteht;
    - Pupillen-Elemente (Spiegel oder Linsen);
    - Spalt-Elemente (Spiegel oder Linsen).

    Bei Strahlfächern, die nur aus zwei Elementen bestehen, übernimmt ein System von Sekundärspiegeln die Funktion der Pupillen- und Spalt-Elemente.


    Die Abbildung der Pupille läuft wie folgt ab (linke Abbildung):

    - Jedes Spiegelsegment des Bildteilers bildet die Pupille des Teleskops auf sein zugehöriges Pupillen-Element ab. Die einzelnen Spiegel haben unterschiedliche optische Eigenschaften (Neigung, Krümmungsradius) je nach Ausrichtung. Die Bildstreifen werden auf die sogenannte “Zwischen-Pupillen-Ebene” abgebildet, deren Position die Neigungswinkel und Krümmungsradien der reflektierenden Streifen des Bildteilers vorgibt.
    - Die Spalt-Elemente bilden die “Zwischen-Pupillen” auf die Eintrittsöffnung des Spektrographen ab. Sie sind so ausgelegt, dass sie jede “Zwischen-Pupille” wieder auf eine einzige Öffnung - die Eintrittsöffnung des Spektrographen - lenken, jedoch unter verschiedenen Winkel und fokussiert auf “unendlich”. Die Ebene der Eintrittsöffnung wird auch als “Ebene der Austritts-Pupille” bezeichnet. Die geometrischen Eigenschaften der Austritts-Pupille erlauben es, die durch Bildteiler und Spalt-Elemente verursachten Bildstörungen zu erfassen.


    Die Zerlegung des Bildes erfolgt in zwei Schritten (rechte Abbildung):

    - Eine Eintrittsoptik bildet die Brennebene des Teleskops auf den Bildteiler ab. Die Abbildung ist anamorphisch, damit bei der Abtastung der Spektren im Detektor das Shannon-Kriterium erfüllt wird.
    - Die Pupillen-Element bilden rechteckige Streifen des Gesamtbildes auf die Spalt-Elemente ab. Die Spalt-Elemente bestehen aus eine Reihe winziger Spalte, die nebeneinander angeordnet sind und so einen Pseudo-Spalt bilden, der den Eintrittsspalt des Spektrographen darstellt. Die Ebene, auf der die Bildstreifen abgebildet werden, wird auch „Pseudo-Spalt-Ebene“ genannt. Die geometrischen Eigenschaften dieser Ebene erlauben es, die Eigenschaften der Pupillen-Elemente zu überprüfen. Außerdem kann auf dieser Ebene die sogenannte Punktbildfunktion untersucht werden.


    Es gelten folgende Konventionen: - Die X-Achse verläuft parallel zu den Bildstreifen bzw. der streifenförmigen Spiegelsegmente des Bildteilers. - Die Y-Achse liegt in der Ebene der Bildstreifen, jedoch senkrecht zu deren Längsseite
    - Die Z-Achse bildet die optische Hauptachse. Sie steht senkrecht auf der Bildebene und zeigt in die Ausbreitungsrichtung des Lichts.
    - Der Begriff Strahlfächer bezeichnet das optische Gesamtsystem (Bildteiler-Spiegel, Pupillen- und Spalt-Elemente)
    - Der Bildteiler setzt sich aus dünnen Scheiben von Spiegeln zusammen, die in Schichten zusammengefügt sind.
    - Jede Scheibe hat auf ihrer Schmalseite eine reflektierende Oberfläche.
    - Die Pupillen- und Spaltelemente bestehen aus Spiegeln oder Linsen.



    2. Eigenschaften der einzelnen Elemente


    2.1 Der Bildteiler-Spiegel

    Die Spiegel des Bildteilers sind das Herzstück des Strahlfächers. Ihre Herstellung und ihr Zusammenbau sind eine technische Herausforderung erster Güte. Jede Schicht oder Scheibe des „Spiegel-Sandwichs“ hat auf ihrer Schmalseite ihre aktive, spiegelnde Oberfläche, deren Höhe um ca. einem Millimeter variiert. Diese schmalen Oberfläche wird sphärisch geschliffen, wobei der Mittelpunkt der Sphäre von Spiegel zu Spiegel in X- und Y-Richtung verschieden ist (siehe Abbildung). Jedes Spiegelsegment hat also ihren eigenen Neigungswinkel und Krümmungsradius, die nur in extrem geringen Maße von den Spezifikationen abweichen dürfen. In den nachfolgenden Kapiteln wird erläutert, wie die Fertigung und Überprüfung im Hinblick auf die Einhaltung dieser außergewöhnlichen Präzision optimiert werden kann. Die einzelnen Spiegel-Scheiben werden schließlich mit Hilfe verschiedenen Techniken in Schichten zusammengefügt und bilden den Bildteiler. Bei Glasspiegeln wird durch die molekulare Haftung eine unübertroffene Fertigungsgenauigkeit erreicht.


    2.2 Die Pupillen- und Spaltelemente

    Die Pupillenelemente sind rechteckig und nebeneinander angeordnet. Anders als beim Bildteiler, erlaubt der Aufbau Zwischenräume von einigen Millimetern zwischen den einzelnen Elementen. Das Zusammenfügen erfolgt mittels molekularer Haftung, mechanisch oder mit Klebstoffen. Die Pupillen-Elemente haben sphärische aktive Oberflächen, die individuell gegen die XY-Ebene geneigt und unterschiedlich stark gekrümmt sind. Die Spaltelemente sind den Pupillenelementen geometrisch und optisch sehr ähnlich. Den Anforderungen des Instruments entsprechend, bestehen die Pupillen- und Spaltelemente aus Spiegeln oder winzigen Linsen. Teilweise erfüllt auch ein einziges Raster von Sekundärspiegeln die Funktion sowohl der Pupillen- als auch der Spaltelemente.


    3. Optimierung eines Strahlfächers

    Bereits beim Entwurf eines Strahlfächers mittels optischer Computerprogramme (z.B. Zemax) müssen die hohen Anforderungen an die optische Leistungsfähigkeit im Detail spezifiziert werden. Danach wird versucht, den Entwurf zu vereinfachen, um die Fertigung, den Zusammenbau und die Tests zu erleichtern, natürlich weiterhin unter Einhaltung der Leistungsanforderungen. Beispiele für mögliche Optimierungen eines Strahlfächers sind:
    - Symmetrische Wahl der Neigungswinkel (bei gerade Zahl von Streifen). Dadurch lassen sich mehrere Elemente gleichzeitig schleifen.
    - Ausrichtung der Neigung an einer einzigen Richtung;
    - Verwendung identischer Krümmungsradien, allgemein oder in Gruppen;
    - Versetzung jedes Elements entlang der Z-Achse;
    - Aufteilung der Bauteile in identische Serien;
    - Austausch von Spiegeln durch Linsen oder umgekehrt;
    - Entwurf eines Bildteilers mit planen, geneigten Spiegeln und mit einem Dublett, das die Funktion des Bildteilers im Bezug auf das Verhältnis erfüllt. Die Optimierung alles Entwurfsparameter spielt eine Schlüsselrolle bei der Minimierung der Kosten und der Vereinfachung und Beschleunigung der Fertigung.


    4. Methodik der Tests

    Beim Test eines Strahlteilers werden zunächst alle Bauteile einzeln mithilfe verschiedener Messinstrumente wie Interferometern, Profilometern, Elektronennikroskopen oder Rugosimetern untersucht. Im Anschluss wird der Strahlfächer schrittweise zusammengebaut, wobei die logische Trennung Pupille-Bildfeld berücksichtigt wird. Mehrere Messreihen werden auf den folgenden Ebenen durchgeführt:
    - Ebene der „Zwischen-Pupillen“ (lediglich Bildteiler)
    - Ebene der „Pseudo-Spalte“ (Bildteiler und Pupillenelemente)
    - Ebene der Austrittspupille (alle Bauteile des Strahlfächers)

    Diese Methodik wird – mit geringen Abweichungen – bei allen Tests von Strahlfächern am CRAL verfolgt.