Abbildende Spektrometer

Ich will heute mal über eine Instrumentenklasse schreiben die ich sehr interessant finde. Ich glaube auch ich habe das schon mal getan, doch nach Suche hab ich nix gefunden. Grund genug es nochmals zu tun: Es geht um abbildende Spektrometer. Zuerst mal die Erklärung was ein Spektrometer genau tut, besser gesagt eines das im sichtbaren  und infraroten Spektralbereich arbeitet (es gibt auch Instrumente für Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und Radiowellen).

Wir haben zuerst einmal eine klassische Optik, also ein Fernrohr. Da Glas sowohl UV wie auch IR Strahlungen nicht gut durchlässt, ist es meist ein Spiegelfernrohr. Dann kommt danach ein Spalt, der das Gesichtsfeld beschränkt. Zum Nutzen dessen später. Dem schließt sich eine Vorrichtung an um das Licht in seine Bestandteile, sein Spektrum aufzuspalten. Klassisch geht das mit einem Prisma, wie mancher es ja auch von der Schule kennt. Verbreiteter ist die Aufspaltung durch Gitter: Kleine Vertiefungen führen zum Aufspalten des Lichts in sein Spektrum. Das kennt jeder: Sie müssen nur eine CD schräg ins Licht halten und an den Vertiefungen auf der Oberfläche wird das Licht gebrochen und ein farbiges Spektrum erscheint. Dieses Streuungsprinzip ist auch Grundlage für den Regenbogen.

Danach kommt nun der Detektor. Das Spektrum des Spaltes ist nun zweidimensional aufgezogen: In der Y Richtung das Licht des Spalts und in der X Richtung das Spektrum. Nun wird auch die Funktion des Spalts klar: Würde man nicht die Breite der Optik beschränken, so würden sich viele Spektren überlagern. So erhält man jeweils nur das Spektrum eines Punktes, bzw. über die Spaltbreite einer Spalte von Punkten.

Wie das Spektrum aufgenommen wird, dafür gibt es verschiedene Methoden. Man kann eine Detektorzeile nehmen, die pro Element einen Meßpunkt liefert oder man kann durch einen Spiegel das Spektrum über einen Detektor bewegen oder den Detektor mit einem Motor über das Spektrum bewegen.

TreibhausgaseDiese klassischen Spektrometer machen eine Punktmessung, oder maximal eine Messung einiger Punkte. Man bekommt Informationen über das Spektrum an diesem Punkt. Was sagt uns dies? Nun charakteristisch für jede chemische Verbindung ist es Licht aufzunehmen, zu absorbieren. Aus dem Sonnenspektrum fehlen dann Teile. Wie genau dies geschieht, das hängt von der Verbindung ab. Es kann bei bestimmten Wellenlängen vorkommen, oder bei einem breiten Bereich, es kann sehr stark oder sehr schwach absorbieren. Auch ist es (abgesehen von einfachen Molekülen) nicht nur ein Einschnitt, sondern pro chemische Gruppe mehrere. Ein Teil der Ausbildung als Chemiker ist es z.B. solche Infrarotspektren zu verstehen und aufgrund der Eigenschaften des Spektrums die Molekülgruppen zu identifizieren und dann daraus das Molekül zu bestimmen.  Das ganze ist nicht trivial und läuft oft auf den Vergleich mit Referenzspektren hinaus. Zudem können optische Dicke, Temperatur und andere Einflüsse das Spektrum beeinflussen. Bei einer Mischung mehrerer Substanzen wird es noch schwieriger.

Das Bild hier zeigt z.B. das Absorptionsspektrum der Erdatmosphäre und einige Kernkomponenten die für den Treibhauseffekt verantwortlich ist. Übertrage wird ein einzelnes Spektrum als eine Summe von Meßwerten: Man stelle sich in der X-Achse eine Detektorzeile an und die Höhe des Spektrums an dieser Stelle wird gemessen.

Solche Spektrometer sind auch heute noch wichtig: Sie können zum einen mit verschiedenen Detektorelementen einen sehr breiten Bereich abdecken (Cassinis CIRS z.B. bis 240 m Wellenlänge, das ist an der Grenze zu Radiowellen). Und die spektrale Auflösung (also die Breite eines Meßpunkts kann sehr gering sein. Für ein Spektrum können so leicht 10.000 Meßpunkte zusammen kommen.

Ein Abbildendes Spektrometer ist eine Abwandlung des Prinzips. Anstatt einem Detektor oder einer Spalte von Elementen positioniert man einen CCD Chip. In der X-Achse verläuft nun das Spektrum und in der Y-Achse der Spalt. So erhält man das Spektrum einer Spalte. Die Anzahl der Bildpunkte in der Spalte und der Meßpunkte pro Spektrum wird nun festgelegt von den Abmessungen des Detektors.

Bewegt man nun das Instrument zeilenweise über ein Objekt (entweder durch einen Schrittmotor oder bei Geräten an Bord eines Orbiters einfach durch dessen Bahn über die Oberfläche) so bekommt man Zeile für Zeile ein Spektrum.

Was kann man damit machen? Nun man hat wie bei einem klassischen Spektrometer pro Oberflächenpunkt ein Spektrum, also die chemische Zusammensetzung dieses Oberflächenpunkts. Da die CCD Elemente meist recht klein ist, erfasst man so einen kleineren Teil der Oberfläche als mit klassischen Spektrometern. Man kann aber sich auch eine Wellenlänge nehmen und hier alle Helligkeitswerte über die Zeilen und Spalten zu einem neuen Bild zusammenfassen. Das kann z.B. die Absorption von Methan in einer Atmosphäre zeigen. Mit mehreren solcher Kanäle kann man Falschfarbenaufnahmen zeigen, bei denen Cassini z.B. die Verteilung von organischen Materialen, Ammoniak und Kohlenmonoxid in den Eismonden den Farben Rot Grün und Blau zugeordnet hat.

Derartige Instrumente sind also sehr vielseitig und sie liefern viel aussagekräftigere Daten als reine Kameras. Doch sie haben auch ein paar Nachteile:

CCD Sensoren für das Infrarot sind selten. Die meisten fallen ab relativ kurzen Wellenlängen in der Empfindlichkeit ab. HgCdTe Sensoren z.B. ab etwa 5 m Wellenlänge – ausreichend für Mineralien, aber zu niedrig für gasförmige Bestandteile in der Atmosphäre.

Obwohl es mittlerweile CCD Sensoren mit 1024 x 1024 Pixeln gibt resultiert hier eine geringe spektrale Auflösung – moderne diskrete Spektrometer haben 10.000-50.000 Meßpunkte pro Spektrum.

Trotzdem fällt eine große Datenmenge an. Das ist aus dem Prinzip klar: Ein 256 x 256 Pixel Chip liefert nur 256 Meßpunkte, ein 1024 x 1024 Pixel Chip 1024 Meßpunkte. Nicht umsonst redet man von Meßkuben: Die Datenmenge für ein Gebiet ist bei einer Kamera proportional zu n der Bildpunkte, aber bei einem abbildenden Spektrometer proportional n.

Daraus resultiert, dass die Datenmenge rapide ansteigt. Denn mit höherer Pixelzahl in der dritten Potenz an. Ein 256 x 256 Pixel Chip liefert so viele Daten von einem Gebiet, das 256 x 256 Pixel abdeckt wie eine 16 MPixel Kamera. Ein 1024 x 1024 Pixel Chip dagegen so viel wie 1024 MPixel. Bei einer 4 mal höheren Auflösung steigt die Datenmenge um 4 = das 64 fache. Bei einer Kamera nur um 2 = das 16 fache.

Das wird gemildert durch die Tatsache, dass jedes Pixelelement nur einen Teil des Spektrums empfängt, die Belichtungszeit also erheblich länger ist. Um dies abzumildern sind die Pixelgrößen von IR Sensoren auch größer: 18-40 m pro Pixel anstatt 5-10 m bei normalen CCD. Moderne Instrumente dieser Art sind:

VIRTIS

Moon Mineralogy Mapper

CRiSM

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