太陽極紫外成像儀光學系統(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 光電學院，北京 100081）

0 引言

太陽是地球空間環(huán)境擾動的基本外源。太陽活動，包括耀斑、日冕物質(zhì)拋射（CME）等，對空間環(huán)境影響巨大，可能導(dǎo)致衛(wèi)星失效，國內(nèi)外有多個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，其對地磁場的劇烈擾動還會引發(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，對于太陽活動的觀測數(shù)據(jù)是開展空間天氣預(yù)報研究的重要資料。國外開展了大量對太陽極紫外波段成像觀測的研究[5-8]，如：美國1960年至1976年間發(fā)射的“軌道太陽觀測臺”（OSO）衛(wèi)星系列，獲得了大量太陽極紫外圖像；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極紫外成像儀。近年來我國正逐漸開展太陽極紫外成像觀測的研究[9]，但截止目前還沒有在軌太陽成像觀測的事例。

本文針對太陽觀測的需求，設(shè)計并研制高分辨率的太陽極紫外成像儀光學系統(tǒng)，并對該光學系統(tǒng)性能進行檢測，以期為今后的太陽觀測工作提供硬件基礎(chǔ)。

1 成像儀性能

太陽極紫外成像儀性能主要依據(jù)太陽觀測的物理需求，包括以下3個方面[10]：

1）極紫外工作波段

SOHO/EIT、TRACE等國外觀測結(jié)果表明，利用FeXII 19.5 nm光譜能夠觀測到多項太陽爆發(fā)的先兆現(xiàn)象或伴生現(xiàn)象，有利于監(jiān)測日冕結(jié)構(gòu)演變。本文太陽極紫外成像儀選擇19.5 nm波長作為觀測目標。

2）視場角

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

3）角分辨率

太陽活動及其伴生現(xiàn)象區(qū)域的尺寸通常在數(shù)十角秒以上，因此，用于觀測這些活動現(xiàn)象的成像儀的角分辨率達到數(shù)個角秒就能夠滿足需求，可以根據(jù)成像光學系統(tǒng)和成像傳感器的分辨性能，適當要求高分辨率，實現(xiàn)精細結(jié)構(gòu)觀測。

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

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

2 光學系統(tǒng)設(shè)計

光學系統(tǒng)是成像儀的關(guān)鍵部分。本文的成像儀對19.5 nm的極紫外譜線成像，采用R-C望遠鏡光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于正入射望遠鏡而言，既要考慮滿足分辨率要求，還要盡可能實現(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。

成像儀系統(tǒng)光路如圖1所示。

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

成像儀光學系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)如表2所示。

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

成像儀光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求是：空間角分辨率優(yōu)于1″。對應(yīng)焦距為2785 mm的光學系統(tǒng)，1″角距在像面上對應(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)，光學系統(tǒng)焦面光斑80%以上的能量應(yīng)集中于一個像元的區(qū)域內(nèi)，即 13.5 μm×13.5 μm 的范圍內(nèi)。

系統(tǒng)使用波長為19.5 nm，波長極短，相比于可見光成像系統(tǒng)，衍射效應(yīng)基本可忽略不計。點列圖代表在忽略衍射情況下追跡入射光線與像面的交點位置，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；更進一步，可定量計算各視場入射光線在像面上 13.5 μm×13.5 μm 區(qū)域內(nèi)的能量與總能量的比值，以0.8為標準，判斷所設(shè)計的成像儀光學系統(tǒng)角分辨率是否達到優(yōu)于1″。

使用ZEMAX軟件對光學系統(tǒng)進行點列圖及像素包圍圓能量分析。以探測器中心為0視場，方形探測器內(nèi)切圓半徑為1視場，則0、0.3、0.7、1視場的點列圖見圖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)為一個像素的大小：13.5 μm×13.5 μm。可以看到，探測器內(nèi)切圓視場范圍內(nèi)，點列圖全部集中在一個像元內(nèi)。

圖2 各個視場點列圖Fig.2 Spot diagram of different field views

0、0.3、0.7、1視場像素包圍圓能量比見圖3。全視場范圍內(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 各個視場包圍圓能量比Fig.3 Enclosure circle energy of different field views

3 光學系統(tǒng)研制

3.1 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽極紫外成像儀系統(tǒng)采用一體化設(shè)計。主鏡、次鏡及CCD等均在一個基準平面（底面）上進行裝調(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塊隔板形成加強筋，對上下底面、左右側(cè)板共同包圍形成的成像儀主體結(jié)構(gòu)剛度進行加強。設(shè)計完成的成像儀光學系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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

主鏡鏡框設(shè)計如圖5所示。鏡框四周分別開有一個注膠孔，主鏡通過光學硅橡膠粘在鏡框內(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，同時對主鏡有一定的保護作用。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。次鏡通過光學硅橡膠粘在鏡框底部。次鏡框與次鏡支架間通過一頂三拉的調(diào)節(jié)形式，實現(xiàn)次鏡平移、傾斜調(diào)整。調(diào)整螺釘上對向穿套碟形墊圈，實現(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)整通過在中心調(diào)整螺釘上加減墊片實現(xiàn)，位置精調(diào)通過周圍3個調(diào)整螺釘?shù)耐蜣D(zhuǎn)動調(diào)整實現(xiàn)；次鏡的x、y向傾斜以及平移分別通過調(diào)整周圍3個螺釘以及調(diào)整卵形孔來實現(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

因為反射鏡要鍍19.5 nm的極紫外膜，所以對受光表面粗糙度及面形的要求都極高。成像儀光學系統(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)輔助塊補中心孔的方法解決面形加工問題；加工外形時在數(shù)控加工設(shè)備上進行，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 次鏡面形測試結(jié)果Fig.10 Test result of surface shape of the secondary mirror

4 光學系統(tǒng)檢測

4.1 系統(tǒng)角分辨率測試方法

太陽極紫外成像儀是高分辨率成像儀器。目前，對于成像儀角分辨率的檢測評價方法主要有兩種[11-12]。一種是采用工作波長直接檢測，即：將分辨率板置于平行光管的焦點處，由工作波長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)成像儀光學系統(tǒng)后在CCD相機上成像，根據(jù)圖像判斷成像儀的角分辨率。另一種是間接檢測，即：用干涉儀檢測光學系統(tǒng)出瞳面上的波像差，再計算出光學系統(tǒng)在工作波長的點擴散函數(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量方法的實施難度及成本都非常大，所以本文選用間接檢測方法對研制的成像儀光學系統(tǒng)的角分辨率進行檢測。

4.2 系統(tǒng)角分辨率測試結(jié)果

使用ZYGO干涉儀對光學系統(tǒng)進行裝調(diào)，在裝調(diào)過程中，觀察干涉儀上的干涉圖的變化，通過調(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)完成后的光學系統(tǒng)實測的出瞳面上的波像差見圖11，光學系統(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，該光學系統(tǒng)的像質(zhì)優(yōu)良。

圖11 光學系統(tǒng)波像差測試結(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)角分辨率是否達到技術(shù)要求的評價指標。具體到本文的光學系統(tǒng)，1個像元的大小是 13.5 μm×13.5 μm，對應(yīng)物方視場角1″×1″。如果物方指定視場的一個無限遠理想點光源發(fā)出的光波，經(jīng)此光學系統(tǒng)成像后，有80%（對應(yīng)理想光學系統(tǒng)艾里斑主峰能量）以上的能量都集中在一個像素的范圍內(nèi)，則判定該系統(tǒng)在當前視場的分辨率可達到1″。考察±17′視場范圍內(nèi)，各個視場的分辨率是否均達到1″，則可驗證該系統(tǒng)的視場是否達到了±17′。實際測試過程中，為便于操作，選取了中心和4個邊緣（±17′）共5個視場進行測試。

將測得的波像差輸入到光學設(shè)計軟件中，即可算出 19.5 nm 波長時 13.5 μm×13.5 μm 大小的像素環(huán)圍能量比。依次對上述5個視場進行計算，得到的像素環(huán)圍能量比見表3。可以看出，中心視場和邊緣±17′視場的像素環(huán)圍能量比均大于80%。因此可以認為，所研制的太陽極紫外成像儀光學系統(tǒng)在±17′視場范圍內(nèi)，滿足角分辨率達到1″的要求。

5 結(jié)束語

本文介紹太陽極紫外成像儀的光學系統(tǒng)設(shè)計；完成成像儀光學系統(tǒng)研制裝調(diào)后，采用干涉儀檢測出光學系統(tǒng)出瞳面上的面形誤差，再計算出其在19.5 nm工作波長時的點擴散函數(shù)，對成像儀光學系統(tǒng)的角分辨率進行檢驗；測試結(jié)果驗證了在視場角±17′的范圍內(nèi)，光學系統(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)。