{"id":3058,"date":"2019-01-15T12:02:28","date_gmt":"2019-01-15T11:02:28","guid":{"rendered":"https:\/\/ingeneric.com\/?p=3058"},"modified":"2021-11-05T15:17:56","modified_gmt":"2021-11-05T14:17:56","slug":"fallstudie-nasa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/fallstudie-nasa\/","title":{"rendered":"Fallstudie: Wie Mikrolinsen-Arrays helfen, die Farbe der Ozeane zu messen"},"content":{"rendered":"

Aachen, Januar 2019. Im PACE-Projekt der NASA wird ein Spektrometer aus dem Orbit die \u201eFarbe der Ozeane\u201c \u2013 die Intensit\u00e4tsverteilung des Lichtes in mehreren, eng beieinanderliegenden Wellenl\u00e4ngenbereichen \u2013 mit bisher nicht gekannter spektraler Aufl\u00f6sung messen. Eine wichtige Komponente ist ein Mikrolinsen-Array von INGENERIC, das das empfangene Licht im kurzwelligen Infrarot mit hoher Effizienz in ein Glasfaserb\u00fcndel einkoppelt.<\/strong><\/p>\n

Mit der PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, ocean Ecosystem) Mission plant die NASA, die \u201eFarbe der Ozeane\u201c 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 f\u00fcr das Gesamtsystem der Erde haben.<\/p>\n

OCI \u2013 Ocean Color Instrument<\/h3>\n

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\nDas zentrale Instrument des PACE-Satelliten ist ein hochmodernes optisches Spektrometer mit dem Namen Ocean Color Instrument (OCI), das die Eigenschaften des von der Oberfl\u00e4che der Ozeane empfangenen Lichts \u00fcber 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.<\/p>\n

Der Vorteil gegen\u00fcber vorherigen NASA-Satellitensensoren liegt in der F\u00e4higkeit des OCI, \u201ehyperspektral\u201c \u2013 also im Wellenl\u00e4ngenbereich zwischen 350 und 885 nm \u2013 mit einer verbesserten Aufl\u00f6sung von 5 nm sowie einem gro\u00dfen Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis zu messen. Um die exakten optischen Eigenschaften des Ozeans zu ermitteln, kann das OCI au\u00dferdem unerw\u00fcnschte, aus der Atmosph\u00e4re (z. B. von Aerosolen) oder von der Meeresoberfl\u00e4che stammende Reflexionen ausfiltern. Diese atmosph\u00e4rische Korrektur erfolgt vor allem in der N\u00e4he von K\u00fcsten oder \u00fcber tr\u00fcbem Wasser im SWIR-Bereich, in dem die Wasserabsorption mehrere Gr\u00f6\u00dfenordnungen gr\u00f6\u00dfer ist als im nahen Infrarot. So wird der Einfluss der Reflexion auf nahezu Null reduziert.<\/p>\n

Das PACE Team am Goddard Space Flight Center entwickelt das System zurzeit den Leistungsanforderungen der Wissenschaftler entsprechend, die die Atmosph\u00e4re, die Ozeane und die Landoberfl\u00e4che untersuchen.<\/p>\n

Der geplante Satellit wird die Erde von Pol zu Pol in einer H\u00f6he von 675 km umkreisen. Sein mit 360 Umdrehungen pro Minute rotierendes Teleskop erfasst ein Sichtfeld von \u00b1 56,5\u00b0. Bei jeder Aufnahme nimmt es eine Fl\u00e4che von 1 x 16 Pixel auf, die die NASA als \u201eScience Pixel\u201c bezeichnet. Sie entsprechen einer Fl\u00e4che von jeweils 1 x 1 km auf der Erdoberfl\u00e4che. Um ein hohes Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis zu erzielen, erfasst das Teleskop jedes Science Pixel auf der Erdoberfl\u00e4che bei seiner Rotation 16 Mal und integriert die Signale.<\/p>\n

Dieses auf 16 Raumpixeln basierende, breitbandige Signal der Meeresoberfl\u00e4che wird von einem Parabolspiegel reflektiert, depolarisiert und auf einen rechteckigen Spalt projiziert. Danach wird es geb\u00fcndelt und von dichroitischen Strahlteilern in blaue und rote Hyperspektralkan\u00e4le aufgetrennt. Dabei separieren Beugungsgitter die einzelnen Wellenl\u00e4ngen voneinander und bilden sie auf Time Delay Integration-CCD-Sensoren (TDI-CCD-Sensoren) ab.<\/p>\n

Das kurzwellige Infrarotlicht (SWIR) wird mit einem Multibandfilter-Spektrografen analysiert, der ein getrennt von der Empfangsoptik angeordnetes, gek\u00fchltes 1 x 16 Detektor-Array enth\u00e4lt. F\u00fcr das Einkoppeln des Lichtes in das Array wird ein Multimode-Faserb\u00fcndel (MMF) mit 16 Fasern, einem Kerndurchmesser von jeweils 600 \u00b5m und einer numerischen Apertur von 0,22 verwendet. Dieser Ansatz ist dem herk\u00f6mmlichen System \u00fcberlegen, bei dem 16 Einzellinsen das vom Teleskop einfallende Licht in das Detektor-Array einkoppeln und bei dem die exakte mechanische Ausrichtung schwer zu gew\u00e4hrleisten und sehr fehleranf\u00e4llig ist.<\/p>\n

Um das kollimierte Licht effizient in die Fasern einzukoppeln, hatte die NASA entschieden, asph\u00e4rische Mikrolinsen-Arrays (MLA) zu verwenden. Sowohl die MMFs als auch die MLAs ben\u00f6tigen f\u00fcr den Wellenl\u00e4ngenbereich zwischen 0,9 bis 2,3 \u00b5m eine breitbandige Antireflexionsbeschichtung, um polarisationsabh\u00e4ngige Verluste zu minimieren.<\/p>\n

Der Auswahlprozess<\/h3>\n

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\nF\u00fcr die erste Testphase erwarb die NASA markt\u00fcbliche, lithografisch hergestellte MLAs aus Quarzglas mit einem Pitch \u2013 dem Abstand der einzelnen Linsenmitten \u2013 von 1,3 mm. Um deren Leistungsf\u00e4higkeit zu ermitteln, wurde das Oberfl\u00e4chenprofil der einzelnen Linsen gemessen und mit der gew\u00fcnschten Kontur verglichen. Dabei wurden deutliche Abweichungen der Pfeilh\u00f6he 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 h\u00f6here sph\u00e4rische Aberration verursachen, was in einer geringeren Kopplungseffizienz in die Fasern resultiert.<\/p>\n

Dar\u00fcber hinaus k\u00f6nnen bei einem Array aus asph\u00e4rischen Mikrolinsen Abweichungen in der Pfeilh\u00f6he an den Linsenr\u00e4ndern au\u00dferdem zur Bildung von Totzonen zwischen den benachbarten Mikrolinsen f\u00fchren (Abb. 2 (iii)). Deren Einfluss wurde von der NASA mit einem optischen System im Labor ermittelt (siehe Abb. 3 (i)).<\/p>\n

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\nDabei wurde wei\u00dfes Licht, das durch einen rechteckigen Spalt in der Brennebene des Teleskops fiel, geb\u00fcndelt und auf das MLA gelenkt. Dieses erzeugte 16 runde Bilder der Austrittspupille des Teleskops, die mittels eines telezentrischen Objektives auf eine f\u00fcr das kurzwellige Infrarot ausgelegte Kamera abgebildet war. Die daraus resultierenden Bilder zeigten Streulicht, das von den \u00dcbergangszonen zwischen den einzelnen Mikrolinsen ausging (siehe Teil (a) von Abb. 3 (ii)) und auf optische Aberrationen zur\u00fcckzuf\u00fchren ist. Dieser Effekt reduziert die Kopplungseffizienz in die optischen Fasern.<\/p>\n

Auf der Suche nach MLAs mit einer besseren Kopplungseffizienz entschied die NASA, MLAs zu testen, die nach dem Pr\u00e4zisions-Blankpressverfahren hergestellt wurden. In dieser zweiten Planungsphase testete die NASA asph\u00e4rische MLAs von INGENERIC (Abb. 4) mit einem Pitch von 1,5 mm. In dieser Testphase erh\u00f6hte die NASA den Kr\u00fcmmungsradius der Linsen, um das System an den ver\u00e4nderten Pitch anzupassen.<\/p>\n

Um schon zu Beginn des Projektes sicherzustellen, dass die Qualit\u00e4t des Glases und der Beschichtung die Anforderungen erf\u00fcllen, hat INGENERIC dem Projektteam plane Glasproben mit einer speziellen Beschichtung zur Verf\u00fcgung gestellt, die f\u00fcr das gesamte Spektrum von 0,9 bis 2,3 \u00b5m optimiert ist. Tests best\u00e4tigten, dass sie die Anforderungen an die Transmissivit\u00e4t erf\u00fcllt.<\/p>\n\"\"\n

Der n\u00e4chste Schritt war, die Formgenauigkeit der MLAs und die Abbildungseigenschaften zu testen. Deshalb hat INGENERIC das Oberfl\u00e4chenprofil des f\u00fcr die NASA hergestellten MLAs mit einem Setup f\u00fcr die konfokale 3D-Messung (NanoFocus \u00b5surf) gepr\u00fcft und dieses dann mit den Anforderungen der NASA verglichen. Das Ergebnis (Abb. 2 (ii)) zeigte eine exzellente \u00dcbereinstimmung zwischen dem gew\u00fcnschten und dem von INGENERIC hergestellten Linsenprofil. Die bei INGENERIC hergestellten MLAs weisen \u00dcbergangszonen auf, die fast eine Gr\u00f6\u00dfenordnung kleiner sind als diejenigen der lithografisch hergestellten MLAs. Au\u00dferdem zeigte eine Pitch-Analyse der INGENERIC-MLAs eine Genauigkeit von besser als 1 \u00b5m.<\/p>\n

Weiterhin ermittelte die NASA mit dem oben erw\u00e4hnten Laborsystem eine im Vergleich mit den vorher verwendeten MLAs deutlich geringere Streulichtintensit\u00e4t aus den \u00dcbergangszonen zwischen den einzelnen Linsen (Teil (b) von Abb. 3 (ii)), was wiederum auf eine h\u00f6here Leistungsf\u00e4higkeit der MLAs hinwies. W\u00e4hrend die vorher verwendeten, ge\u00e4tzten MLAs anderer Hersteller die Anforderungen der NASA nicht erf\u00fcllten, \u00fcbertrafen die MLAs von INGENERIC die urspr\u00fcnglichen Erwartungen deutlich.<\/p>\n

Das gute Abschneiden der MLAs von INGENERIC f\u00fchren beide Projektpartner auf den Herstellprozess zur\u00fcck: Das Pr\u00e4zisions-Blankpressen asph\u00e4rischer Mikrolinsen erm\u00f6glicht es, die Vorgaben f\u00fcr die Form der Linsen mit h\u00f6chster Pr\u00e4zision einzuhalten. So erzielen die Linsen eine optimale Qualit\u00e4t der Abbildung. Beim Einkoppeln in Glasfasern gilt dies besonders f\u00fcr die R\u00e4nder benachbarter Mikrolinsen: Wenn sie nicht pr\u00e4zise gefertigt sind, wird Licht in die \u00dcbergangszonen zwischen den Fasern gestreut und kann nicht f\u00fcr das Einkoppeln genutzt werden. Auch hier punkten die MLAs von INGENRIC in \u00fcberzeugender Weise.<\/p>\n

Der aktuelle Projektstatus<\/h3>\n

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 Faserb\u00fcndel optimiert wird. Die n\u00e4chsten 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 f\u00fcr den Sommer 2019 geplant. Voraussichtlich im Jahr 2022 wird der Satellit den Betrieb im Orbit aufnehmen.<\/p>\n

Zusammenfassung<\/h3>\n

Bei der Entwicklung des \u201eOcean Color Instruments\u201c (OCI) f\u00fcr das PACE-Projekt der NASA haben sich Mikrolinsen-Arrays von INGENERIC, die das Unternehmen nach dem Blankpress-Verfahren herstellt, ge\u00e4tzten Arrays als deutlich \u00fcberlegen gezeigt: Sie \u00fcbertrafen die urspr\u00fcnglichen Anforderungen des Kunden und tragen so zu einer signifikant erh\u00f6hten Effizienz der Einkopplung des von der Erdoberfl\u00e4che empfangenen Lichtes in die Glasfaser des optischen Systems eines Satelliten bei.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Aachen, Januar 2019. Im PACE-Projekt der NASA wird ein Spektrometer aus dem Orbit die \u201eFarbe der Ozeane\u201c \u2013 die Intensit\u00e4tsverteilung des Lichtes in mehreren, eng beieinanderliegenden Wellenl\u00e4ngenbereichen \u2013 mit bisher nicht gekannter spektraler Aufl\u00f6sung messen. Eine wichtige Komponente ist ein Mikrolinsen-Array von INGENERIC, das das empfangene Licht im kurzwelligen Infrarot mit hoher Effizienz in ein […]","protected":false},"author":4,"featured_media":3055,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[10],"tags":[],"class_list":["post-3058","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-unkategorisiert"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3058","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3058"}],"version-history":[{"count":14,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3058\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3527,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3058\/revisions\/3527"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/3055"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3058"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3058"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/ingeneric.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3058"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}