亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀光學設計*

黃一帆 邢陽光? 沈文杰 彭吉龍 代樹武 王穎 段紫雯 閆雷 劉越 李林

1) (北京理工大學光電學院,北京 100081)

2) (北京衛星環境工程研究所,北京 100094)

3) (北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

4) (北京宇航系統工程研究所,北京 100076)

1 引言

太陽是天然的物理學實驗室,呈現出豐富的等離子體活動現象,太陽觀測能夠為粒子物理、高能物理、磁流體力學等學科提供地面條件無法獲得的復雜物理過程的詳細觀測數據[1].作為距離地球最近的恒星,太陽活動會直接影響日地空間環境和人類家園宜居性[2],爆發性太陽活動引起的災害性空間天氣,將會對通訊、導航、電力等設施造成危害[3].太陽極紫外光譜學觀測和診斷技術能夠實現不同層次太陽大氣等離子體特征參數的精確測量,在研究太陽風起源、日冕加熱、太陽爆發活動機理等方面具有獨特優勢[4].

國外對太陽極紫外光譜成像探測重視較早,發展了一系列儀器[4].1995 年發射的太陽和日球層天文臺(SOHO)衛星[5]上搭載了太陽紫外輻射測量儀SUMER[6]和日冕診斷光譜儀CDS[7]兩款極紫外光譜成像儀器.SUMER 是一臺工作于46.5—161 nm波段的正入射狹縫光譜儀,空間分辨率約3'',光譜分辨率可達0.0044 nm,然而其寬光譜覆蓋需要通過復雜結構運動進行波長掃描得到,單次曝光無法同時對觀測波段內所有譜線進行觀測.CDS 是一臺包含掠入射(GIS)和正入射(NIS)雙通道的成像光譜儀,兩個通道共用掠入射Wolter-Schwarzschild type II 型望遠鏡,因掠入射成像限制,CDS的空間分辨率不高于6''.GIS 通道的分光元件采用掠入射球面等線距(SULS)光柵,通過掃描鏡旋轉可實現15.1—78.5 nm 范圍內四個工作波段的切換,光譜分辨率為0.021 nm;NIS 通道的分光元件采用兩個不同刻線密度的正入射超環面等線距(TULS)光柵,通過掃描鏡旋轉分別實現30.8—38.1 nm 和51.3—63.3 nm 波段消像散成像,兩波段光譜分辨率分別為0.008 nm 和0.014 nm.2006年發射的日出(Hinode)衛星[8]上的極紫外成像譜儀EIS[9],采用兩反系統,在望遠鏡和光柵表面劃分了兩個“D”型區域,分別使用具有不同參數的Mo/Si 多層膜,以獲得正入射下目標譜段17—21 nm 和25—29 nm 較高的反射效率,取得了當前該波段太陽極紫外探測較高的空間和光譜分辨性能,由于EIS 主要用于鐵系離子的日冕發射譜線研究,其缺少對色球和過渡區譜線的光譜診斷.2013 年發射的探空火箭儀器EUNIS-13[10]的探測波段為30—37 nm 和52.5—63.5 nm,空間分辨率約3''—4'',光譜分辨率約0.02 nm,然而其極紫外雙波段光譜成像需要通過兩臺獨立的成像光譜儀實現,增加了系統的研制成本,同時部署于探空火箭也導致其無法提供長時間有效觀測.2020 年發射的太陽軌道器(SOLO)[11]上搭載的日冕環境光譜成像儀SPICE[12]工作于70.4—79 nm 和97.3—104.9 nm 雙波段,長波段二級光譜包括48—53 nm,像元空間分辨率可以達到1.1''(對應約800 km日面尺度),短波段和長波段的光譜分辨率分別為0.0095 nm 和0.0083 nm.然而,SPICE 的探測波段內缺少了上層過渡區Ne VII 46.52 nm,OV 62.95 nm 和日冕Mg X 62.5 nm 等重要譜線,且因工作于抵近探測軌道,SPICE 僅能在每周軌道上有限觀測窗口期內獲取數據[13],在實際探測中受到限制.

國內在太陽極紫外光譜成像探測方面的基礎較為薄弱[2].2021 年發射的太陽探測科學技術試驗衛星“羲和號”(CHASE)[14]實現了國際首次空間太陽Hα(656.28 nm)波段光譜成像探測,反演獲得了高精度的全日面Hα波段多普勒速度分布.2022年發射的先進天基太陽天文臺衛星“夸父一號”(ASO-S)[15]作為我國首顆綜合性太陽探測衛星,實現了我國首次空間太陽磁場探測、太陽硬X 射線和萊曼阿爾法成像探測[2].通過長期的關鍵技術攻關,國內近期在極紫外成像儀研制方面取得了一定進展.2021 年發射的風云三號E 星(FY-3E)[16]上搭載的太陽X 射線極紫外成像儀X-EUVI[17],獲得了我國首幅19.5 nm 太陽極紫外圖像,實現了國內太陽極紫外成像觀測零的突破.2022 年發射的中國科學院空間新技術試驗衛星(SATech-01)上搭載的極紫外成像儀SUTRI[18],實現了上層過渡區關鍵譜線 Ne VII 46.52 nm 窄波段全日面高分辨率成像.然而,在極紫外光譜探測方面,目前尚無一款實際在軌運行的太陽極紫外成像光譜儀載荷.

國外已發射的太陽極紫外成像光譜儀各自存在一些缺陷,在實際觀測中受到限制.SUMER 和CDS 需要通過復雜的光柵入射角旋轉和波長掃描,以獲取寬波長范圍的光譜;EUNIS-13 使用兩臺成像光譜儀搭配實現極紫外雙波段光譜成像,增加了系統研制成本;EIS 和SPICE 各自缺少了一些重要的極紫外輻射譜線,在診斷寬溫度范圍內的太陽大氣結構及其活動現象時受到限制,且SPICE 無法提供對太陽的連續觀測.根據最新的太陽物理學研究的探測需求,未來發射的太陽極紫外成像光譜儀應同時具有亞角秒量級的高空間分辨率和更寬的光譜范圍覆蓋能力[4].鑒于此,本文提出并設計了一款亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀,工作波段為62—80 nm 和92—110 nm,長波段二級光譜包括46—55 nm,同時涵蓋了形成于色球、過渡區和日冕寬溫度范圍內的極紫外譜線,相比現有儀器,覆蓋了更寬的光譜范圍.系統無需復雜機械結構運動,單次曝光即可實現整個探測波段內覆蓋的極紫外強譜線的同時光譜診斷,且系統工作軌道選擇晨昏太陽同步軌道,相比EUNIS-13 和SPICE,可實現對太陽近似全年無間斷連續觀測.性能評價結果表明,系統各波段像元空間分辨率均優于0.4'',62—80 nm 和92—110 nm 波段光譜分辨率分別為0.00615 nm 和0.00642 nm,取得了優良的空間和光譜分辨性能,對國內未來太陽極紫外成像光譜儀型號研制具有重要參考價值.

2 系統總體概述

2.1 系統科學意義

本文設計的亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀,能夠實現色球、過渡區、日冕等離子體運動學和熱力學參數的詳細光譜診斷,獲取太陽大氣中發生的基本物理過程的高分辨率光譜數據,探測耀斑和日冕物質拋射等瞬時活動現象,研究太陽大氣中的不同尺度結構特征及其演化,為太陽大氣物質和能量傳輸機制、太陽爆發事件的能量積累與釋放過程、災害性空間天氣監測預報等方面的研究提供關鍵支持.

2.2 系統技術指標

近地空間的晨昏太陽同步軌道接收的太陽輻射僅為SPICE 在其軌道最小近日點(0.28 AU)處的1/13,為獲得與SPICE 相當的靈敏度和時間分辨率,系統主鏡口徑應遠大于SPICE,達到156 mm×156 mm.系統狹縫方向視場為±2.4',相比SPICE,其瞬時視場覆蓋了更大的日面區域.系統工作波段為62—80 nm 和92—110 nm,涵蓋色球頂部、過渡區、下層日冕重要譜線,能夠獲得0.01—10 MK 溫度范圍內等離子體物理狀態和成分組成的精確數據,其長波段二級光譜46—55 nm,涵蓋了EIS,SPICE 等先驅儀器未覆蓋的上層過渡區關鍵譜線Ne VII 46.52 nm,該譜線對應的溫度區域(約0.5 MK)是當前太陽物理學研究的熱點.Ne VII 46.52 nm 譜線可用于觀測過渡區普遍存在的系統性流動,以促進日冕加熱機制的研究,同時可用于識別太陽風的起源區域,探測各類太陽爆發活動現象,是目前太陽物理學研究迫切需要的關鍵譜線[18,19].系統工作波段內覆蓋的極紫外強輻射譜線,如圖1[19]所示.太陽大氣具有高度的動態性,存在大量的瞬變活動現象和精細結構,例如過渡區爆發事件(EEs),其紅藍兩翼的多普勒速度高達50—200 km/s,時間尺度約60—90 s.為最大化地獲得高度動態變化的太陽大氣的高光譜分辨數據,系統在各波段的光譜分辨率應優于0.007 nm.最新的太陽物理學研究結果表明,需要將觀測儀器的空間分辨率提升至亞角秒量級,才能探測到日冕加熱模型預測的阿爾文波和納耀斑的精細結構和演化過程[4],因此本文設計的系統的像元空間分辨率應優于0.5'',儀器空間分辨率應優于1''.系統總體技術指標如表1 所列.

表1 亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀技術指標Table 1. Specifications of the sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

圖1 太陽大氣溫度隨表面高度變化曲線.圖上標注了本文設計的系統工作波段覆蓋的極紫外強輻射譜線[19]Fig.1.Curve of solar atmospheric temperature versus surface height.The EUV strong emission lines covered by our design are marked on the figure[19].

2.3 系統光學架構

由窄狹縫和多層鍍膜凹面光柵構成的狹縫式成像光譜儀,可實現沿狹縫方向的一維消像散光譜成像觀測,通過狹縫掃描或旋轉前置望遠鏡能夠獲得探測區域的高分辨率空間信息I(x,y)和光譜信息I(λ).本文設計的成像光譜儀系統工作原理如圖2 所示.前置離軸望遠主鏡在焦面上成太陽的一次像,在主鏡焦面處放置窄狹縫選擇線源觀測視場,經非羅蘭圓結構的超環面變線距(TVLS)光柵次鏡色散和聚焦后,不同波段的極紫外光線同時在兩個平面探測器上成二次像.通過狹縫限制y方向視場,單次曝光即可獲得瞬時視場(IFOV)截取的窄條形日面區域內的高分辨率光譜信息I(x,λ) .為獲得二維日面的光譜立方體數據I(x,y,λ),需要使望遠鏡所成一次像垂直于狹縫移動,以實現對整個探測區域的掃描成像,通過多次曝光重構出I(x,y,λ).

圖2 亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀工作原理圖Fig.2.Operation principal diagram of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

3 系統光線追跡建模

3.1 系統像差校正條件

為解析本文設計的成像光譜儀的像差校正和參數約束條件,建立如圖3 所示的光線追跡模型,系統采用單元件的離軸反射鏡作為前置望遠鏡,以非羅蘭圓結構的TVLS 光柵作為分光元件,使用兩個獨立的平面探測器接收兩個通道的極紫外寬波段光譜輻射.

圖3 亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀的光線追跡模型Fig.3.Ray-tracing model for sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

前置望遠系統采用單個離軸拋物面反射鏡,離軸量為?,通光口徑為D,如圖3 所示,由近軸光學理論可知,其焦距fT滿足:

式中,RT為離軸望遠鏡的曲率半徑.

系統選用的TVLS 光柵工作于非羅蘭圓結構擴展光源照明條件下,其光柵面型方程為

式中,R和ρ 分別為TVLS 光柵在色散方向(子午方向)和垂直色散方向(弧矢方向)的曲率半徑.

TVLS 光柵刻線密度隨Y軸坐標變化,其表達式為

式中,d0為光柵中心刻線間距;σ1,σ2,σ3,···為光柵刻線密度的空間變化參數.鑒于變刻線光柵的加工成本和技術難度,令刻線密度空間變化參數σk=0 (k=2,3,···),以獲得刻線密度線性變化的TVLS 光柵.

根據Poletto 和Thomas 的研究成果[20],直接給出了離軸照明條件下TVLS 光柵初始結構參數的計算方法.為獲得合理的光柵初始解,使其同時取得良好的寬波段消像散光譜成像和離軸視場成像性能,需要確定一些已知量,包括: 兩個消像散波長點λ1和λ2、光柵入射臂長rA、中心波長λc=(λ1+λ2)/2 處的光柵橫向放大率βc、光柵中心刻線間距d0.成像光譜儀校正離軸光柵像差的條件為

式中,β 為光柵放大率;rA,rB為光柵入射臂長和出射臂長;i,θ 為光柵入射角和衍射角.當光柵入射角i滿足(5)式時,可在中心波長λc處實現離軸光柵像差的校正.當TVLS 光柵在子午和弧矢方向上的曲率半徑R,ρ 以及刻線密度空間變化參數σ1滿足(5)式時,能夠使光譜聚焦曲線和空間聚焦曲線相交于兩個消像散波長點λ1,λ2,以實現寬波段的消像散成像.

式中,θ1,θ2分別為兩個消像散波長點λ1,λ2的光柵衍射角;θc為中心波長λc的光柵衍射角.

3.2 系統參數約束條件

為保證優化得到的系統滿足表1 給出的分辨率要求,將系統的光譜分辨率Δλ 和沿狹縫方向的像元空間分辨率δ 作為優化約束條件,以限制系統結構,其表達式為

式中,γ為衍射光線在探測器上的入射角;px 為探測器像元尺寸;s為狹縫寬度.

為使系統具有合理的結構布局,避免出現系統各元件之間的空間干涉和光線遮擋,如圖3 所示,將狹縫中心到短波段最小波長上邊緣衍射光線的距離h1,短波段探測器上邊緣到前置離軸望遠主鏡下邊緣反射光線的距離h2,短波段探測器下邊緣到長波段探測器上邊緣的距離h3,作為幾何約束條件,其表達式為

3.3 系統優化流程

基于表1 給出的技術指標,本文設計了一款亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀,其設計流程如圖4 所示.首先利用(1)—(5)式給出的初始結構求解方法,計算得到系統初始解.將(6)式作為性能約束條件,以控制成像光譜儀系統的空間和光譜分辨率符合技術指標要求,(7)式作為邊界約束條件,以保障各元件之間沒有空間位置上的干涉,使得成像光譜儀系統具有合理的光路布局結構.以各個波長下像面上聚焦彌散光斑在空間和光譜方向上的均方根(RMS)半徑大小作為優化函數,且空間和光譜方向上的權重相同,在ZEMAX軟件中對系統初始解進行全局優化,通過反復迭代和性能評價,最終得到綜合性能最優的成像光譜儀系統參數.

圖4 成像光譜儀系統的設計流程Fig.4.Design flow process for imaging spectrometer system.

4 設計結果和性能評價

4.1 系統設計結果

最終優化得到的成像光譜儀系統光學布局圖,如圖5 所示,整個光學系統僅包含六個元件,包括孔徑光闌、離軸望遠主鏡、入射狹縫、TVLS 光柵次鏡和兩個平面探測器.

圖5 亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀光學布局圖Fig.5.Optical layout of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

成像光譜儀的技術指標和元件參數,如表2 所列.系統在62—80 nm,92—110 nm 的光譜分辨率均優于0.007 nm,像元空間分辨率均優于0.4'',滿足設計指標要求.系統焦距達到11 m,具有2600 mm×420 mm×400 mm 的光學包絡體積.前置望遠鏡采用口徑為156 mm×156 mm,曲率半徑為4320.025 mm,離軸量為120 mm 的拋物面鏡.系統采用四種入射狹縫(寬度為0.28,1,2,40'',長度為288'')以實現對不同尺度太陽爆發活動的光譜成像,掃描方向視場為±144''.

表2 亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀技術指標和元件參數Table 2. Specifications and optical element parameters of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

TVLS 光柵刻線區域為36 mm×36 mm 的矩形區域,光柵在色散方向的曲率半徑R為735.545 mm,垂直色散方向的曲率半徑ρ 為737.138 mm,光柵基底表面矢高分布如圖6(a)所示;光柵中心刻線密度為1500 lines/mm,刻線密度沿色散方向線性變化,如圖6(b)所示.

圖6 TVLS 光柵 (a) 基底表面矢高圖;(b) 刻線密度分布曲線圖Fig.6.TVLS grating: (a) The substrate surface sag map;(b) the curve of the ruling density distribution.

4.2 光譜聚焦性能評價

圖7(a)和圖7(b)為不同離軸視場下的點列圖均方根(RMS)半徑隨波長變化曲線.可見,在兩個消像散波段和±2.4'的離軸視場內,成像光譜儀在空間和光譜方向上的點列圖RMS 半徑均小于7 μm,小于像元尺寸(15 μm)的一半,說明系統取得了良好的空間和光譜成像性能.圖7(c)和圖7(d)為不同波長下的點列圖RMS 半徑隨離軸視場變化曲線.可見,在任意波長下,空間和光譜方向上的點列圖RMS 半徑均隨離軸視場增大而增大,但總體變化較為平穩,點列圖RMS 半徑最大值小于7 μm,說明系統在寬波段內校正了離軸像差.

圖7 光線追跡結果 (a),(b) 不同離軸視場下RMS 點列圖半徑隨波長的變化;(c),(d) 不同波長下RMS 點列圖半徑隨視場的變化Fig.7.Ray tracing results: (a),(b) RMS spots radii versus wavelengths under different off-axis FOV;(c),(d) RMS spots radii versus FOV in the different wavelengths.

圖8(a)—(d)分別為系統在62,80,92,110 nm處的調制傳遞函數(MTF)曲線.可見,除110 nm 的邊緣視場外,MTF 在奈奎斯特頻率(33.33 lp/mm)處均大于0.4,接近衍射極限,說明系統取得了良好的光譜成像質量.

圖8 光學系統在不同波長處的調制傳遞函數 (a) λ=62 nm;(b) λ=80 nm;(c) λ=92 nm;(d) λ=110 nmFig.8.MTFs of optical system under different wavelengths: (a) λ=62 nm;(b) λ=80 nm;(c) λ=92 nm;(d) λ=110 nm.

4.3 空間分辨率和光譜分辨率

利用Poletto 等[21]提出的成像光譜儀的像元空間分辨率和光譜分辨率評價方法,如(8)—(10)式所示,對系統進行了分辨率性能評價:

式中,rmsTx為前置望遠鏡在狹縫平面上x方向(垂直狹縫方向)點列圖RMS 半徑,W為狹縫寬度,fT為望遠鏡焦距.可見,系統在垂直狹縫方向的像元空間分辨率δx僅取決于前置望遠鏡設計和狹縫寬度.

式中,rmsTy為望遠鏡在狹縫平面上y方向(平行狹縫方向)點列圖RMS 半徑,rmsGy為狹縫處理想點光源照明TVLS 光柵后所成像在像面上y方向點列圖RMS 半徑,p為探測器像元尺寸.可見,系統在平行狹縫方向的像元空間分辨率δy受望遠鏡、光柵和探測器參數共同影響.

式中,rmsGx為理想點光源照明TVLS 光柵所成像在系統像面處x方向點列圖RMS 半徑.可見,系統光譜分辨率Δλ 受光柵、狹縫寬度、探測器參數影響.

圖9(a)—(c)為系統像元空間分辨率隨離軸視場變化曲線.可見,系統垂直狹縫方向的像元空間分辨率δx在整個離軸視場和±2.4'掃描視場下達到0.387'',平行狹縫方向的像元空間分辨率δy在71,101 nm 波長處分別為0.34''和0.382''.

圖9 系統像元空間分辨率評價 (a) 垂直狹縫方向的像元空間分辨率;(b) 62—80 nm 波段平行狹縫方向的像元空間分辨率;(c) 92—110 nm 波段平行狹縫方向的像元空間分辨率Fig.9.System spatial plate scale evaluation: (a) Spatial plate scale perpendicular to the slit;(b) spatial plate scale parallel to the slit in 62–80 nm wavelengths;(c) spatial plate scale parallel to the slit in 92–110 nm wavelengths.

圖10(a)和圖10(b)為系統光譜分辨率隨波長變化曲線.可見,系統光譜分辨率Δλ 在62—80 nm 和92—110 nm 兩個消像散波段內分別為0.00615 nm 和0.00642 nm.

圖10 系統光譜分辨率評價 (a) 62—80 nm 波段的光譜分辨率;(b) 92—110 nm 波段的光譜分辨率Fig.10.System spectral resolution evaluation: (a) Spectral resolution in 62–80 nm wavelengths;(b) spectral resolution in 92–110 nm wavelengths.

4.4 反射膜層和有效面積

系統在波長λ 處的總效率為ETOT(λ),有效面積為AEFF(λ),其表達式為

式中,Rfilm(λ)為反射鏡和光柵表面膜層反射率;Tfilter(λ)為濾光片透過率;ηgra(λ)為光柵衍射效率,包含光柵刻槽效率ηgroove;QE(λ)為探測器量子效率;Aape為入射孔徑的面積,單位為mm2.

為獲得正入射下目標譜段較高的反射效率,在主鏡和光柵表面鍍熱壓B4C 單層膜[22],以提供觀測波段內最高0.43 的峰值反射率,其反射率曲線如圖11(a)所示.在第二通道探測器前方位置,設置厚度為150 nm 的鋁濾光片[23],以濾除92—110 nm 波段內極紫外輻射,通過濾光輪旋轉分別獲取92—110 nm 和46—55 nm 波段的高光譜數據,其透過率曲線如圖11(b)所示.圖11(c)為利用(11)式計算獲得的62 nm 閃耀波長下的TVLS光柵衍射效率曲線,ηgra(λ)在觀測波段內的最大值為0.35;圖11(d)為系統采用的帶有微通道板(MCP)增強的有源像素傳感器(APS)[12]的量子效率曲線,探測器在觀測波段內具有最高為0.25 的量子效率.

圖11 反射膜層、濾光片、TVLS 光柵效率和探測器量子效率隨波長的變化曲線 (a) 熱壓B4C 單層膜的反射率曲線;(b) 厚度為150 nm 鋁濾光片的透過率曲線;(c) 光柵效率;(d) 探測器量子效率Fig.11.Curves of reflective film,filter,TVLS grating efficiency and detector quantum efficiency change with wavelength: (a) Reflectance curve of hot-pressed B4C single-layer film;(b) transmission curve of Al filter with thickness of 150 nm;(c) grating efficiency;(d) detector quantum efficiency.

圖12(a)為系統的有效面積曲線.可見,系統在62—80 nm 和92—110 nm 波段內的峰值有效面積分別為192 mm2和222 mm2,二級光譜區46—55 nm 波段內的峰值有效面積為88 mm2.圖12(b)為SPICE 在其工作波段70.4—79 nm 和97.3—104.9 nm 內的有效面積曲線.通過對比,可知系統在觀測波段范圍內的有效面積是SPICE 的8—22倍,系統具有較高的傳輸效率.

圖12 系統有效面積隨波長的變化曲線 (a) 本文設計的系統,紅色加粗的曲線為系統觀測波段內的有效面積;(b) SPICEFig.12.Curves of system effective area change with wavelength: (a) Our design,red bold curves represent the effective area within the observed wavelength range of the system;(b) SPICE.

4.5 光譜畸變和空間畸變

光譜(Smile)畸變和空間(Keystone)畸變是評價太陽極紫外成像光譜儀的空間和光譜一致性的重要性能指標.圖13(a)為不同波長的Smile 畸變曲線.可見,Smile 畸變對稱于視場中心,且隨波長增大而增大,所有波長的Smile 畸變量均小于3 μm,未超過像元尺寸的20%.圖13(b)和圖13(c)分別為62—80 nm 和92—110 nm 波段不同視場的Keystone 畸變曲線.可見,在兩個波段內的Keystone畸變呈現出相同的變化趨勢,均隨視場增大而增大,在最大視場處的Keystone 畸變量相對于半像高分別小于0.5%和0.6%.仿真模擬結果表明,系統的光譜和空間畸變均被控制在合理的范圍內.

圖13 光譜(Smile)畸變和空間(Keystone)畸變 (a) 不同波長的Smile 畸變;(b) 62—80 nm 波段不同視場的Keystone畸變;(c) 92—110 nm 波段不同視場的Keystone 畸變Fig.13.Spectral (Smile) distortion and spatial (Keystone)distortion: (a) Smile distortion of different wavelengths;(b) Keystone distortion of different field of view in 62–80 nm wavelengths;(c) Keystone distortion of different field of view in 92–110 nm wavelengths.

4.6 公差分析

將制造公差和裝配公差引入到極紫外成像光譜儀系統中,分析對光譜成像性能的影響,并獲取合理的公差分配.在ZEMAX 軟件中的公差編輯器中給定初始的公差范圍,仿真過程中采用后焦距補償(即探測器作為調整元件),使用像面彌散斑RMS 半徑作為評價標準,蒙特卡羅循環次數為1000 次,通過反復迭代,最終系統關鍵元件的公差容限如表3 所列.在該公差容限下,正態分布統計的結果表明在工作波長62,71,80,92,101 和110 nm 處的像面彌散斑RMS 半徑有90%的概率均在0.5 個像元尺寸內變化,說明成像光譜儀的像質衰減在可控的范圍內.

表3 系統關鍵元件的公差容限Table 3. Tolerance limits of key components of the system.

5 討論與未來應用

相比國外已發射儀器,本文設計的系統在技術指標方面有較高的先進性.系統相比EIS,SPICE等先驅儀器實現了更寬的光譜范圍覆蓋,二級光譜46—55 nm 波段包含形成溫度約0.5 MK 的高過渡區譜線Ne VII 46.52 nm,該溫度范圍對太陽風起源、日冕加熱問題的研究非常關鍵,而過往儀器對其探測較少.與SUMER,CDS 等儀器相比,系統具有更優異的空間和光譜分辨性能,在兩個通道內的空間分辨率均優于0.8'',光譜分辨率均優于0.007 nm,能夠滿足太陽物理學界對亞角秒量級的高空間分辨率和高光譜分辨率觀測的迫切需要.

國內在極紫外光譜探測領域研究基礎較為薄弱,X-EUVI 和SUTRI 的成功實踐,使中國在窄波段多層膜反射鏡、極紫外濾光片、高性能極紫外探測器等核心部件研制方面取得了一定進展,然而在極紫外凹面衍射光柵(包括非球面、變線距等光柵類型)、寬波段極紫外多層膜、高性能大口徑超光滑反射鏡等關鍵元件的加工及檢測方面的研究基礎還相對薄弱,是當前制約我國極紫外光譜成像儀器研制的主要障礙,也是后續亟需開展的關鍵技術研究方向.

盡管目前國內尚無一款實際在軌運行的太陽極紫外成像光譜儀載荷,但近幾年國內提出的一些空間太陽探測計劃中都有相應的極紫外計劃載荷.本文關于具有亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀設計的研究,可為我國未來實施自主空間太陽探測以及開展首臺極紫外光譜探測設備研制提供理論層面的技術支撐,對未來我國空間太陽探測計劃(包括“環日全景探測任務”[24]、太陽爆發抵近探測”[25]、“太陽立體觀測”[26,27]、“太陽極軌天文臺”[28]等)中的極紫外載荷遴選也具有重要的參考和潛在應用價值.

6 結論

本文提出并設計了一款具有亞角秒空間分辨的太陽極紫外寬波段成像光譜儀,系統實現了62—80 nm 和92—110 nm 波段的消像散光譜成像,狹縫方向和掃描方向視場均為±2.4'.性能評價結果表明,本文設計的系統能夠提供對太陽爆發活動的高空間分辨率(優于0.8'')、高光譜分辨率(優于0.007 nm)的近似全年無間斷連續觀測,光譜畸變和空間畸變均得到良好控制,且具有合理的公差容限,對我國未來極紫外成像光譜儀型號研制具有借鑒意義.