太陽(yáng)極紫外成像儀光學(xué)系統(tǒng)研制

于 錢，彭吉龍*，王姍姍，張 凱，田東波，聶翔宇，馮桃君，馬子良

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081）

0 引言

太陽(yáng)是地球空間環(huán)境擾動(dòng)的基本外源。太陽(yáng)活動(dòng)，包括耀斑、日冕物質(zhì)拋射（CME）等，對(duì)空間環(huán)境影響巨大，可能導(dǎo)致衛(wèi)星失效，國(guó)內(nèi)外有多個(gè)航天器故障案例與日-地空間環(huán)境的災(zāi)變有關(guān)[1-2]；此外，其對(duì)地磁場(chǎng)的劇烈擾動(dòng)還會(huì)引發(fā)電離層暴，影響衛(wèi)星的通信質(zhì)量及導(dǎo)航系統(tǒng)的正常工作，降低定位精度[3-4]。因此，對(duì)于太陽(yáng)活動(dòng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)是開展空間天氣預(yù)報(bào)研究的重要資料。國(guó)外開展了大量對(duì)太陽(yáng)極紫外波段成像觀測(cè)的研究[5-8]，如：美國(guó)1960年至1976年間發(fā)射的“軌道太陽(yáng)觀測(cè)臺(tái)”（OSO）衛(wèi)星系列，獲得了大量太陽(yáng)極紫外圖像；1995年發(fā)射的SOHO衛(wèi)星配置了4波段的極紫外成像儀；1998年的TRACE衛(wèi)星和2010年的SDO衛(wèi)星均配置了高分辨率的太陽(yáng)極紫外成像儀。近年來(lái)我國(guó)正逐漸開展太陽(yáng)極紫外成像觀測(cè)的研究[9]，但截止目前還沒有在軌太陽(yáng)成像觀測(cè)的事例。

本文針對(duì)太陽(yáng)觀測(cè)的需求，設(shè)計(jì)并研制高分辨率的太陽(yáng)極紫外成像儀光學(xué)系統(tǒng)，并對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)性能進(jìn)行檢測(cè)，以期為今后的太陽(yáng)觀測(cè)工作提供硬件基礎(chǔ)。

1 成像儀性能

太陽(yáng)極紫外成像儀性能主要依據(jù)太陽(yáng)觀測(cè)的物理需求，包括以下3個(gè)方面[10]：

1）極紫外工作波段

SOHO/EIT、TRACE等國(guó)外觀測(cè)結(jié)果表明，利用FeXII 19.5 nm光譜能夠觀測(cè)到多項(xiàng)太陽(yáng)爆發(fā)的先兆現(xiàn)象或伴生現(xiàn)象，有利于監(jiān)測(cè)日冕結(jié)構(gòu)演變。本文太陽(yáng)極紫外成像儀選擇19.5 nm波長(zhǎng)作為觀測(cè)目標(biāo)。

2）視場(chǎng)角

成像儀視場(chǎng)需要覆蓋整個(gè)日面，以便同時(shí)捕捉整個(gè)日面活動(dòng)區(qū)的位置和演變。日地平均距離處太陽(yáng)張角約為32′，因此成像儀的視場(chǎng)角應(yīng)該大于32′。

3）角分辨率

太陽(yáng)活動(dòng)及其伴生現(xiàn)象區(qū)域的尺寸通常在數(shù)十角秒以上，因此，用于觀測(cè)這些活動(dòng)現(xiàn)象的成像儀的角分辨率達(dá)到數(shù)個(gè)角秒就能夠滿足需求，可以根據(jù)成像光學(xué)系統(tǒng)和成像傳感器的分辨性能，適當(dāng)要求高分辨率，實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)觀測(cè)。

依據(jù)上述的觀測(cè)需求，本文研制的太陽(yáng)極紫外成像儀的基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 成像儀技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of the imaging telescope

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)是成像儀的關(guān)鍵部分。本文的成像儀對(duì)19.5 nm的極紫外譜線成像，采用R-C望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對(duì)于正入射望遠(yuǎn)鏡而言，既要考慮滿足分辨率要求，還要盡可能實(shí)現(xiàn)大的光收集面積和小的鏡體體積。經(jīng)綜合分析，成像儀采用主鏡拋物面鏡、次鏡凸雙曲面鏡的設(shè)計(jì)。

成像儀系統(tǒng)光路如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)光路Fig.1 Light path of the optical system

成像儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 成像儀光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Optical system parameters of the imaging telescope

成像儀光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求是：空間角分辨率優(yōu)于1″。對(duì)應(yīng)焦距為2785 mm的光學(xué)系統(tǒng)，1″角距在像面上對(duì)應(yīng)的線距為13.5 μm。因此，滿足空間角分辨率優(yōu)于1″的條件為：

1）像素分辨率，即探測(cè)器像元尺寸應(yīng)≤13.5 μm；

2）像素包圍能量比，參照較為保守的考瑞利判據(jù)，光學(xué)系統(tǒng)焦面光斑80%以上的能量應(yīng)集中于一個(gè)像元的區(qū)域內(nèi)，即 13.5 μm×13.5 μm 的范圍內(nèi)。

系統(tǒng)使用波長(zhǎng)為19.5 nm，波長(zhǎng)極短，相比于可見光成像系統(tǒng)，衍射效應(yīng)基本可忽略不計(jì)。點(diǎn)列圖代表在忽略衍射情況下追跡入射光線與像面的交點(diǎn)位置，可直觀地展示出像面光斑彌散程度與像元大小的比例關(guān)系；更進(jìn)一步，可定量計(jì)算各視場(chǎng)入射光線在像面上 13.5 μm×13.5 μm 區(qū)域內(nèi)的能量與總能量的比值，以0.8為標(biāo)準(zhǔn)，判斷所設(shè)計(jì)的成像儀光學(xué)系統(tǒng)角分辨率是否達(dá)到優(yōu)于1″。

使用ZEMAX軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行點(diǎn)列圖及像素包圍圓能量分析。以探測(cè)器中心為0視場(chǎng)，方形探測(cè)器內(nèi)切圓半徑為1視場(chǎng)，則0、0.3、0.7、1視場(chǎng)的點(diǎn)列圖見圖2。為直觀比較焦面光斑的彌散程度與像元尺寸大小的關(guān)系，將圖2中觀察區(qū)域設(shè)為一個(gè)像素的大?。?3.5 μm×13.5 μm。可以看到，探測(cè)器內(nèi)切圓視場(chǎng)范圍內(nèi)，點(diǎn)列圖全部集中在一個(gè)像元內(nèi)。

圖2 各個(gè)視場(chǎng)點(diǎn)列圖Fig.2 Spot diagram of different field views

0、0.3、0.7、1視場(chǎng)像素包圍圓能量比見圖3。全視場(chǎng)范圍內(nèi)，考慮衍射效應(yīng)的情況下，像素包圍圓能量比均大于98%。

圖3 各個(gè)視場(chǎng)包圍圓能量比Fig.3 Enclosure circle energy of different field views

3 光學(xué)系統(tǒng)研制

3.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)極紫外成像儀系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)。主鏡、次鏡及CCD等均在一個(gè)基準(zhǔn)平面（底面）上進(jìn)行裝調(diào)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，箱體內(nèi)部采用桁架支撐結(jié)構(gòu)，主鏡座、次鏡支架及3塊隔板形成加強(qiáng)筋，對(duì)上下底面、左右側(cè)板共同包圍形成的成像儀主體結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行加強(qiáng)。設(shè)計(jì)完成的成像儀光學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the optical system

主鏡鏡框設(shè)計(jì)如圖5所示。鏡框四周分別開有一個(gè)注膠孔，主鏡通過(guò)光學(xué)硅橡膠粘在鏡框內(nèi)，膠墊起到良好的緩沖與消應(yīng)力作用。主鏡前側(cè)壓圈作為系統(tǒng)孔徑光闌，同時(shí)對(duì)主鏡有一定的保護(hù)作用。壓圈與主鏡間有少量間隙，不直接接觸主鏡，避免主鏡受垂直鏡面的壓力引起面形變化。

次鏡鏡框設(shè)計(jì)如圖6所示。為減小中心遮攔，將次鏡鏡框與次鏡遮光罩合并。次鏡通過(guò)光學(xué)硅橡膠粘在鏡框底部。次鏡框與次鏡支架間通過(guò)一頂三拉的調(diào)節(jié)形式，實(shí)現(xiàn)次鏡平移、傾斜調(diào)整。調(diào)整螺釘上對(duì)向穿套碟形墊圈，實(shí)現(xiàn)次鏡在任意調(diào)整姿態(tài)下的鎖緊。次鏡的軸向平移（z向平移）調(diào)整通過(guò)在中心調(diào)整螺釘上加減墊片實(shí)現(xiàn)，位置精調(diào)通過(guò)周圍3個(gè)調(diào)整螺釘?shù)耐蜣D(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)；次鏡的x、y向傾斜以及平移分別通過(guò)調(diào)整周圍3個(gè)螺釘以及調(diào)整卵形孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 次鏡鏡框結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the secondary mirror frame

3.2 反射鏡加工

因?yàn)榉瓷溏R要鍍19.5 nm的極紫外膜，所以對(duì)受光表面粗糙度及面形的要求都極高。成像儀光學(xué)系統(tǒng)的主鏡為拋物面鏡，材料為微晶玻璃，直徑為φ150 mm，中心孔直徑φ45 mm。主鏡拋光面為環(huán)形，中心孔直徑較大，可采用中心黏結(jié)輔助塊補(bǔ)中心孔的方法解決面形加工問(wèn)題；加工外形時(shí)在數(shù)控加工設(shè)備上進(jìn)行，完全能保證幾何形狀精度。

主鏡加工完成后，使用BRUKER白光輪廓儀、20倍物鏡檢測(cè)其表面粗糙度。結(jié)果如圖7所示，表面粗糙度RMS值為0.306 nm。

圖7 主鏡表面粗糙度測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of surface roughness of the primary mirror

使用ZYGO激光球面干涉儀檢測(cè)主鏡面形。結(jié)果如圖8所示，其面形誤差RMS值為0.016λ（λ=632.8 nm）。

圖8 主鏡面形測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test result of surface shape of the primary mirror

次鏡為凸雙曲面鏡，材料為微晶玻璃，直徑為φ60 mm。使用BRUKER白光輪廓儀、20倍物鏡檢測(cè)其表面粗糙度。結(jié)果如圖9所示，表面粗糙度RMS值為 0.353 nm。

圖9 次鏡表面粗糙度測(cè)試結(jié)果Fig.9 Test result of surface roughness of the secondary mirror

使用ZYGO激光球面干涉儀檢測(cè)次鏡面形。結(jié)果如圖10所示，其面形誤差RMS值為0.013λ(λ=632.8 nm)。

圖10 次鏡面形測(cè)試結(jié)果Fig.10 Test result of surface shape of the secondary mirror

4 光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)

4.1 系統(tǒng)角分辨率測(cè)試方法

太陽(yáng)極紫外成像儀是高分辨率成像儀器。目前，對(duì)于成像儀角分辨率的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法主要有兩種[11-12]。一種是采用工作波長(zhǎng)直接檢測(cè)，即：將分辨率板置于平行光管的焦點(diǎn)處，由工作波長(zhǎng)的光照射該分辨率板，透射光經(jīng)平行光管后成為平行光束，經(jīng)成像儀光學(xué)系統(tǒng)后在CCD相機(jī)上成像，根據(jù)圖像判斷成像儀的角分辨率。另一種是間接檢測(cè)，即：用干涉儀檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)出瞳面上的波像差，再計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)在工作波長(zhǎng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，據(jù)此判斷成像儀的角分辨率。目前，由于極紫外光源直接測(cè)量方法的實(shí)施難度及成本都非常大，所以本文選用間接檢測(cè)方法對(duì)研制的成像儀光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 系統(tǒng)角分辨率測(cè)試結(jié)果

使用ZYGO干涉儀對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行裝調(diào)，在裝調(diào)過(guò)程中，觀察干涉儀上的干涉圖的變化，通過(guò)調(diào)整主鏡和次鏡間距，以及主鏡和次鏡的傾角，獲得最佳干涉條紋。裝調(diào)完成后的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)測(cè)的出瞳面上的波像差見圖11，光學(xué)系統(tǒng)波像差PV值為0.262λ，RMS值為 0.031λ。從系統(tǒng)波像差角度而言，該光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)優(yōu)良。

圖11 光學(xué)系統(tǒng)波像差測(cè)試結(jié)果Fig.11 Test result of wavefront aberration of the optical system

使用像素環(huán)圍能量比作為系統(tǒng)角分辨率是否達(dá)到技術(shù)要求的評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體到本文的光學(xué)系統(tǒng)，1個(gè)像元的大小是 13.5 μm×13.5 μm，對(duì)應(yīng)物方視場(chǎng)角1″×1″。如果物方指定視場(chǎng)的一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)理想點(diǎn)光源發(fā)出的光波，經(jīng)此光學(xué)系統(tǒng)成像后，有80%（對(duì)應(yīng)理想光學(xué)系統(tǒng)艾里斑主峰能量）以上的能量都集中在一個(gè)像素的范圍內(nèi)，則判定該系統(tǒng)在當(dāng)前視場(chǎng)的分辨率可達(dá)到1″?？疾臁?7′視場(chǎng)范圍內(nèi)，各個(gè)視場(chǎng)的分辨率是否均達(dá)到1″，則可驗(yàn)證該系統(tǒng)的視場(chǎng)是否達(dá)到了±17′。實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，為便于操作，選取了中心和4個(gè)邊緣（±17′）共5個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。

將測(cè)得的波像差輸入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，即可算出 19.5 nm 波長(zhǎng)時(shí) 13.5 μm×13.5 μm 大小的像素環(huán)圍能量比。依次對(duì)上述5個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到的像素環(huán)圍能量比見表3?？梢钥闯?，中心視場(chǎng)和邊緣±17′視場(chǎng)的像素環(huán)圍能量比均大于80%。因此可以認(rèn)為，所研制的太陽(yáng)極紫外成像儀光學(xué)系統(tǒng)在±17′視場(chǎng)范圍內(nèi)，滿足角分辨率達(dá)到1″的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹太陽(yáng)極紫外成像儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；完成成像儀光學(xué)系統(tǒng)研制裝調(diào)后，采用干涉儀檢測(cè)出光學(xué)系統(tǒng)出瞳面上的面形誤差，再計(jì)算出其在19.5 nm工作波長(zhǎng)時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，對(duì)成像儀光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率進(jìn)行檢驗(yàn)；測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了在視場(chǎng)角±17′的范圍內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)的角分辨率優(yōu)于1″。本文工作的開展為今后的載荷研制奠定了基礎(chǔ)。