Fallstudie: Wie Mikrolinsen-Arrays helfen, die Farbe der Ozeane zu messen

Aachen, Januar 2019. Im PACE-Projekt der NASA wird ein Spektrometer aus dem Orbit die „Farbe der Ozeane“ – die Intensitätsverteilung des Lichtes in mehreren, eng beieinanderliegenden Wellenlängenbereichen – mit bisher nicht gekannter spektraler Auflösung messen. Eine wichtige Komponente ist ein Mikrolinsen-Array von INGENERIC, das das empfangene Licht im kurzwelligen Infrarot mit hoher Effizienz in ein Glasfaserbündel einkoppelt. Mit der PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem) Mission plant die NASA, die „Farbe der Ozeane“ von einem Satelliten aus zu messen, der im Jahr 2022 starten soll. Die Mission wird Wissenschaftlern dabei helfen, mikroskopisch kleine Organismen in den Weltmeeren zu untersuchen, die eine wichtige Rolle in der marinen Nahrungskette sowie bei der Entstehung von Aerosolen und Wolken spielen. Dabei soll auch ermittelt werden, welche Bedeutung all diese Komponenten für das Gesamtsystem der Erde haben.

OCI – Ocean Color Instrument

Das zentrale Instrument des PACE-Satelliten ist ein hochmodernes optisches Spektrometer mit dem Namen Ocean Color Instrument (OCI), das die Eigenschaften des von der Oberfläche der Ozeane empfangenen Lichts über das elektromagnetische Spektrum vom Ultraviolett bis zum kurzwelligen Infrarot (SWIR) misst. Der geplante Aufbau und das Funktionsprinzip des OCI sind in den Abbildungen 1 (i) und 1 (ii) dargestellt. Der Vorteil gegenüber vorherigen NASA-Satellitensensoren liegt in der Fähigkeit des OCI, „hyperspektral“ – also im Wellenlängenbereich zwischen 350 und 885 nm – mit einer verbesserten Auflösung von 5 nm sowie einem großen Signal-Rausch-Verhältnis zu messen. Um die exakten optischen Eigenschaften des Ozeans zu ermitteln, kann das OCI außerdem unerwünschte, aus der Atmosphäre (z. B. von Aerosolen) oder von der Meeresoberfläche stammende Reflexionen ausfiltern. Diese atmosphärische Korrektur erfolgt vor allem in der Nähe von Küsten oder über trübem Wasser im SWIR-Bereich, in dem die Wasserabsorption mehrere Größenordnungen größer ist als im nahen Infrarot. So wird der Einfluss der Reflexion auf nahezu Null reduziert. Das PACE Team am Goddard Space Flight Center entwickelt das System zurzeit den Leistungsanforderungen der Wissenschaftler entsprechend, die die Atmosphäre, die Ozeane und die Landoberfläche untersuchen. Der geplante Satellit wird die Erde von Pol zu Pol in einer Höhe von 675 km umkreisen. Sein mit 360 Umdrehungen pro Minute rotierendes Teleskop erfasst ein Sichtfeld von ± 56,5°. Bei jeder Aufnahme nimmt es eine Fläche von 1 x 16 Pixel auf, die die NASA als „Science Pixel“ bezeichnet. Sie entsprechen einer Fläche von jeweils 1 x 1 km auf der Erdoberfläche. Um ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, erfasst das Teleskop jedes Science Pixel auf der Erdoberfläche bei seiner Rotation 16 Mal und integriert die Signale. Dieses auf 16 Raumpixeln basierende, breitbandige Signal der Meeresoberfläche wird von einem Parabolspiegel reflektiert, depolarisiert und auf einen rechteckigen Spalt projiziert. Danach wird es gebündelt und von dichroitischen Strahlteilern in blaue und rote Hyperspektralkanäle aufgetrennt. Dabei separieren Beugungsgitter die einzelnen Wellenlängen voneinander und bilden sie auf Time Delay Integration-CCD-Sensoren (TDI-CCD-Sensoren) ab. Das kurzwellige Infrarotlicht (SWIR) wird mit einem Multibandfilter-Spektrografen analysiert, der ein getrennt von der Empfangsoptik angeordnetes, gekühltes 1 x 16 Detektor-Array enthält. Für das Einkoppeln des Lichtes in das Array wird ein Multimode-Faserbündel (MMF) mit 16 Fasern, einem Kerndurchmesser von jeweils 600 µm und einer numerischen Apertur von 0,22 verwendet. Dieser Ansatz ist dem herkömmlichen System überlegen, bei dem 16 Einzellinsen das vom Teleskop einfallende Licht in das Detektor-Array einkoppeln und bei dem die exakte mechanische Ausrichtung schwer zu gewährleisten und sehr fehleranfällig ist. Um das kollimierte Licht effizient in die Fasern einzukoppeln, hatte die NASA entschieden, asphärische Mikrolinsen-Arrays (MLA) zu verwenden. Sowohl die MMFs als auch die MLAs benötigen für den Wellenlängenbereich zwischen 0,9 bis 2,3 µm eine breitbandige Antireflexionsbeschichtung, um polarisationsabhängige Verluste zu minimieren.

Der Auswahlprozess

Für die erste Testphase erwarb die NASA marktübliche, lithografisch hergestellte MLAs aus Quarzglas mit einem Pitch – dem Abstand der einzelnen Linsenmitten – von 1,3 mm. Um deren Leistungsfähigkeit zu ermitteln, wurde das Oberflächenprofil der einzelnen Linsen gemessen und mit der gewünschten Kontur verglichen. Dabei wurden deutliche Abweichungen der Pfeilhöhe an den Kanten der Linsen festgestellt (Abb. 2 (i)). Bei optischen Simulationen mithilfe der kommerziellen Software Zemax zeigte sich, dass die an den Kanten gemessenen Konturfehler eine höhere sphärische Aberration verursachen, was in einer geringeren Kopplungseffizienz in die Fasern resultiert. Darüber hinaus können bei einem Array aus asphärischen Mikrolinsen Abweichungen in der Pfeilhöhe an den Linsenrändern außerdem zur Bildung von Totzonen zwischen den benachbarten Mikrolinsen führen (Abb. 2 (iii)). Deren Einfluss wurde von der NASA mit einem optischen System im Labor ermittelt (siehe Abb. 3 (i)). Dabei wurde weißes Licht, das durch einen rechteckigen Spalt in der Brennebene des Teleskops fiel, gebündelt und auf das MLA gelenkt. Dieses erzeugte 16 runde Bilder der Austrittspupille des Teleskops, die mittels eines telezentrischen Objektives auf eine für das kurzwellige Infrarot ausgelegte Kamera abgebildet war. Die daraus resultierenden Bilder zeigten Streulicht, das von den Übergangszonen zwischen den einzelnen Mikrolinsen ausging (siehe Teil (a) von Abb. 3 (ii)) und auf optische Aberrationen zurückzuführen ist. Dieser Effekt reduziert die Kopplungseffizienz in die optischen Fasern. Auf der Suche nach MLAs mit einer besseren Kopplungseffizienz entschied die NASA, MLAs zu testen, die nach dem Präzisions-Blankpressverfahren hergestellt wurden. In dieser zweiten Planungsphase testete die NASA asphärische MLAs von INGENERIC (Abb. 4) mit einem Pitch von 1,5 mm. In dieser Testphase erhöhte die NASA den Krümmungsradius der Linsen, um das System an den veränderten Pitch anzupassen. Um schon zu Beginn des Projektes sicherzustellen, dass die Qualität des Glases und der Beschichtung die Anforderungen erfüllen, hat INGENERIC dem Projektteam plane Glasproben mit einer speziellen Beschichtung zur Verfügung gestellt, die für das gesamte Spektrum von 0,9 bis 2,3 µm optimiert ist. Tests bestätigten, dass sie die Anforderungen an die Transmissivität erfüllt. Der nächste Schritt war, die Formgenauigkeit der MLAs und die Abbildungseigenschaften zu testen. Deshalb hat INGENERIC das Oberflächenprofil des für die NASA hergestellten MLAs mit einem Setup für die konfokale 3D-Messung (NanoFocus µsurf) geprüft und dieses dann mit den Anforderungen der NASA verglichen. Das Ergebnis (Abb. 2 (ii)) zeigte eine exzellente Übereinstimmung zwischen dem gewünschten und dem von INGENERIC hergestellten Linsenprofil. Die bei INGENERIC hergestellten MLAs weisen Übergangszonen auf, die fast eine Größenordnung kleiner sind als diejenigen der lithografisch hergestellten MLAs. Außerdem zeigte eine Pitch-Analyse der INGENERIC-MLAs eine Genauigkeit von besser als 1 µm. Weiterhin ermittelte die NASA mit dem oben erwähnten Laborsystem eine im Vergleich mit den vorher verwendeten MLAs deutlich geringere Streulichtintensität aus den Übergangszonen zwischen den einzelnen Linsen (Teil (b) von Abb. 3 (ii)), was wiederum auf eine höhere Leistungsfähigkeit der MLAs hinwies. Während die vorher verwendeten, geätzten MLAs anderer Hersteller die Anforderungen der NASA nicht erfüllten, übertrafen die MLAs von INGENERIC die ursprünglichen Erwartungen deutlich. Das gute Abschneiden der MLAs von INGENERIC führen beide Projektpartner auf den Herstellprozess zurück: Das Präzisions-Blankpressen asphärischer Mikrolinsen ermöglicht es, die Vorgaben für die Form der Linsen mit höchster Präzision einzuhalten. So erzielen die Linsen eine optimale Qualität der Abbildung. Beim Einkoppeln in Glasfasern gilt dies besonders für die Ränder benachbarter Mikrolinsen: Wenn sie nicht präzise gefertigt sind, wird Licht in die Übergangszonen zwischen den Fasern gestreut und kann nicht für das Einkoppeln genutzt werden. Auch hier punkten die MLAs von INGENRIC in überzeugender Weise.

Der aktuelle Projektstatus

Das OCI wird im Goddard Space Flight Center in Greenbelt im amerikanischen Bundesstaat Maryland gebaut. Zurzeit laufen Labortests auf Komponentenlevel, bei denen die mechanische Justierung der Faserbündel optimiert wird. Die nächsten Schritte werden die Anbindung an das Teleskop und die Untersuchung des gesamten optischen Weges vom Teleskop bis zum Einkoppeln in die Fasern sein. Die Integration in die Engineering Test Unit ist für den Sommer 2019 geplant. Voraussichtlich im Jahr 2022 wird der Satellit den Betrieb im Orbit aufnehmen.

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung des „Ocean Color Instruments“ (OCI) für das PACE-Projekt der NASA haben sich Mikrolinsen-Arrays von INGENERIC, die das Unternehmen nach dem Blankpress-Verfahren herstellt, geätzten Arrays als deutlich überlegen gezeigt: Sie übertrafen die ursprünglichen Anforderungen des Kunden und tragen so zu einer signifikant erhöhten Effizienz der Einkopplung des von der Erdoberfläche empfangenen Lichtes in die Glasfaser des optischen Systems eines Satelliten bei.