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)
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)境的災變有關[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。
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)測日冕結構演變。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)精細結構觀測。
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指標如表1所示。
表1 成像儀技術指標Table 1 Technical specifications of the imaging telescope
光學系統(tǒng)是成像儀的關鍵部分。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)結構。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″。對應焦距為2785 mm的光學系統(tǒng),1″角距在像面上對應的線距為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≤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系,將圖2中觀察區(qū)域設為一個像素的大?。?3.5 μm×13.5 μm??梢钥吹剑綔y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
太陽極紫外成像儀系統(tǒng)采用一體化設計。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)部采用桁架支撐結構,主鏡座、次鏡支架及3塊隔板形成加強筋,對上下底面、左右側板共同包圍形成的成像儀主體結構剛度進行加強。設計完成的成像儀光學系統(tǒng)總體結構如圖4所示。
圖4 光學系統(tǒng)結構Fig.4 Structure of the optical system
主鏡鏡框設計如圖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力作用。主鏡前側壓圈作為系統(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 次鏡鏡框結構Fig.6 Structure of the secondary mirror frame
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 次鏡面形測試結果Fig.10 Test result of surface shape of the secondary mirror
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。
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″??疾臁?7′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??梢钥闯?,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。
本文介紹太陽極紫外成像儀的光學系統(tǒng)設計;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。