亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计*

黄一帆 邢阳光† 沈文杰 彭吉龙 代树武 王颖 段紫雯 闫雷 刘越 李林

1) (北京理工大学光电学院,北京 100081)

2) (北京卫星环境工程研究所,北京 100094)

3) (北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

4) (北京宇航系统工程研究所,北京 100076)

1 引言

太阳是天然的物理学实验室,呈现出丰富的等离子体活动现象,太阳观测能够为粒子物理、高能物理、磁流体力学等学科提供地面条件无法获得的复杂物理过程的详细观测数据[1].作为距离地球最近的恒星,太阳活动会直接影响日地空间环境和人类家园宜居性[2],爆发性太阳活动引起的灾害性空间天气,将会对通讯、导航、电力等设施造成危害[3].太阳极紫外光谱学观测和诊断技术能够实现不同层次太阳大气等离子体特征参数的精确测量,在研究太阳风起源、日冕加热、太阳爆发活动机理等方面具有独特优势[4].

国外对太阳极紫外光谱成像探测重视较早,发展了一系列仪器[4].1995 年发射的太阳和日球层天文台(SOHO)卫星[5]上搭载了太阳紫外辐射测量仪SUMER[6]和日冕诊断光谱仪CDS[7]两款极紫外光谱成像仪器.SUMER 是一台工作于46.5—161 nm波段的正入射狭缝光谱仪,空间分辨率约3'',光谱分辨率可达0.0044 nm,然而其宽光谱覆盖需要通过复杂结构运动进行波长扫描得到,单次曝光无法同时对观测波段内所有谱线进行观测.CDS 是一台包含掠入射(GIS)和正入射(NIS)双通道的成像光谱仪,两个通道共用掠入射Wolter-Schwarzschild type II 型望远镜,因掠入射成像限制,CDS的空间分辨率不高于6''.GIS 通道的分光元件采用掠入射球面等线距(SULS)光栅,通过扫描镜旋转可实现15.1—78.5 nm 范围内四个工作波段的切换,光谱分辨率为0.021 nm;NIS 通道的分光元件采用两个不同刻线密度的正入射超环面等线距(TULS)光栅,通过扫描镜旋转分别实现30.8—38.1 nm 和51.3—63.3 nm 波段消像散成像,两波段光谱分辨率分别为0.008 nm 和0.014 nm.2006年发射的日出(Hinode)卫星[8]上的极紫外成像谱仪EIS[9],采用两反系统,在望远镜和光栅表面划分了两个“D”型区域,分别使用具有不同参数的Mo/Si 多层膜,以获得正入射下目标谱段17—21 nm 和25—29 nm 较高的反射效率,取得了当前该波段太阳极紫外探测较高的空间和光谱分辨性能,由于EIS 主要用于铁系离子的日冕发射谱线研究,其缺少对色球和过渡区谱线的光谱诊断.2013 年发射的探空火箭仪器EUNIS-13[10]的探测波段为30—37 nm 和52.5—63.5 nm,空间分辨率约3''—4'',光谱分辨率约0.02 nm,然而其极紫外双波段光谱成像需要通过两台独立的成像光谱仪实现,增加了系统的研制成本,同时部署于探空火箭也导致其无法提供长时间有效观测.2020 年发射的太阳轨道器(SOLO)[11]上搭载的日冕环境光谱成像仪SPICE[12]工作于70.4—79 nm 和97.3—104.9 nm 双波段,长波段二级光谱包括48—53 nm,像元空间分辨率可以达到1.1''(对应约800 km日面尺度),短波段和长波段的光谱分辨率分别为0.0095 nm 和0.0083 nm.然而,SPICE 的探测波段内缺少了上层过渡区Ne VII 46.52 nm,OV 62.95 nm 和日冕Mg X 62.5 nm 等重要谱线,且因工作于抵近探测轨道,SPICE 仅能在每周轨道上有限观测窗口期内获取数据[13],在实际探测中受到限制.

国内在太阳极紫外光谱成像探测方面的基础较为薄弱[2].2021 年发射的太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”(CHASE)[14]实现了国际首次空间太阳Hα(656.28 nm)波段光谱成像探测,反演获得了高精度的全日面Hα波段多普勒速度分布.2022年发射的先进天基太阳天文台卫星“夸父一号”(ASO-S)[15]作为我国首颗综合性太阳探测卫星,实现了我国首次空间太阳磁场探测、太阳硬X 射线和莱曼阿尔法成像探测[2].通过长期的关键技术攻关,国内近期在极紫外成像仪研制方面取得了一定进展.2021 年发射的风云三号E 星(FY-3E)[16]上搭载的太阳X 射线极紫外成像仪X-EUVI[17],获得了我国首幅19.5 nm 太阳极紫外图像,实现了国内太阳极紫外成像观测零的突破.2022 年发射的中国科学院空间新技术试验卫星(SATech-01)上搭载的极紫外成像仪SUTRI[18],实现了上层过渡区关键谱线 Ne VII 46.52 nm 窄波段全日面高分辨率成像.然而,在极紫外光谱探测方面,目前尚无一款实际在轨运行的太阳极紫外成像光谱仪载荷.

国外已发射的太阳极紫外成像光谱仪各自存在一些缺陷,在实际观测中受到限制.SUMER 和CDS 需要通过复杂的光栅入射角旋转和波长扫描,以获取宽波长范围的光谱;EUNIS-13 使用两台成像光谱仪搭配实现极紫外双波段光谱成像,增加了系统研制成本;EIS 和SPICE 各自缺少了一些重要的极紫外辐射谱线,在诊断宽温度范围内的太阳大气结构及其活动现象时受到限制,且SPICE 无法提供对太阳的连续观测.根据最新的太阳物理学研究的探测需求,未来发射的太阳极紫外成像光谱仪应同时具有亚角秒量级的高空间分辨率和更宽的光谱范围覆盖能力[4].鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,工作波段为62—80 nm 和92—110 nm,长波段二级光谱包括46—55 nm,同时涵盖了形成于色球、过渡区和日冕宽温度范围内的极紫外谱线,相比现有仪器,覆盖了更宽的光谱范围.系统无需复杂机械结构运动,单次曝光即可实现整个探测波段内覆盖的极紫外强谱线的同时光谱诊断,且系统工作轨道选择晨昏太阳同步轨道,相比EUNIS-13 和SPICE,可实现对太阳近似全年无间断连续观测.性能评价结果表明,系统各波段像元空间分辨率均优于0.4'',62—80 nm 和92—110 nm 波段光谱分辨率分别为0.00615 nm 和0.00642 nm,取得了优良的空间和光谱分辨性能,对国内未来太阳极紫外成像光谱仪型号研制具有重要参考价值.

2 系统总体概述

2.1 系统科学意义

本文设计的亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,能够实现色球、过渡区、日冕等离子体运动学和热力学参数的详细光谱诊断,获取太阳大气中发生的基本物理过程的高分辨率光谱数据,探测耀斑和日冕物质抛射等瞬时活动现象,研究太阳大气中的不同尺度结构特征及其演化,为太阳大气物质和能量传输机制、太阳爆发事件的能量积累与释放过程、灾害性空间天气监测预报等方面的研究提供关键支持.

2.2 系统技术指标

近地空间的晨昏太阳同步轨道接收的太阳辐射仅为SPICE 在其轨道最小近日点(0.28 AU)处的1/13,为获得与SPICE 相当的灵敏度和时间分辨率,系统主镜口径应远大于SPICE,达到156 mm×156 mm.系统狭缝方向视场为±2.4',相比SPICE,其瞬时视场覆盖了更大的日面区域.系统工作波段为62—80 nm 和92—110 nm,涵盖色球顶部、过渡区、下层日冕重要谱线,能够获得0.01—10 MK 温度范围内等离子体物理状态和成分组成的精确数据,其长波段二级光谱46—55 nm,涵盖了EIS,SPICE 等先驱仪器未覆盖的上层过渡区关键谱线Ne VII 46.52 nm,该谱线对应的温度区域(约0.5 MK)是当前太阳物理学研究的热点.Ne VII 46.52 nm 谱线可用于观测过渡区普遍存在的系统性流动,以促进日冕加热机制的研究,同时可用于识别太阳风的起源区域,探测各类太阳爆发活动现象,是目前太阳物理学研究迫切需要的关键谱线[18,19].系统工作波段内覆盖的极紫外强辐射谱线,如图1[19]所示.太阳大气具有高度的动态性,存在大量的瞬变活动现象和精细结构,例如过渡区爆发事件(EEs),其红蓝两翼的多普勒速度高达50—200 km/s,时间尺度约60—90 s.为最大化地获得高度动态变化的太阳大气的高光谱分辨数据,系统在各波段的光谱分辨率应优于0.007 nm.最新的太阳物理学研究结果表明,需要将观测仪器的空间分辨率提升至亚角秒量级,才能探测到日冕加热模型预测的阿尔文波和纳耀斑的精细结构和演化过程[4],因此本文设计的系统的像元空间分辨率应优于0.5'',仪器空间分辨率应优于1''.系统总体技术指标如表1 所列.

表1 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪技术指标Table 1. Specifications of the sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

图1 太阳大气温度随表面高度变化曲线.图上标注了本文设计的系统工作波段覆盖的极紫外强辐射谱线[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 系统光学架构

由窄狭缝和多层镀膜凹面光栅构成的狭缝式成像光谱仪,可实现沿狭缝方向的一维消像散光谱成像观测,通过狭缝扫描或旋转前置望远镜能够获得探测区域的高分辨率空间信息I(x,y)和光谱信息I(λ).本文设计的成像光谱仪系统工作原理如图2 所示.前置离轴望远主镜在焦面上成太阳的一次像,在主镜焦面处放置窄狭缝选择线源观测视场,经非罗兰圆结构的超环面变线距(TVLS)光栅次镜色散和聚焦后,不同波段的极紫外光线同时在两个平面探测器上成二次像.通过狭缝限制y方向视场,单次曝光即可获得瞬时视场(IFOV)截取的窄条形日面区域内的高分辨率光谱信息I(x,λ) .为获得二维日面的光谱立方体数据I(x,y,λ),需要使望远镜所成一次像垂直于狭缝移动,以实现对整个探测区域的扫描成像,通过多次曝光重构出I(x,y,λ).

图2 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪工作原理图Fig.2.Operation principal diagram of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

3 系统光线追迹建模

3.1 系统像差校正条件

为解析本文设计的成像光谱仪的像差校正和参数约束条件,建立如图3 所示的光线追迹模型,系统采用单元件的离轴反射镜作为前置望远镜,以非罗兰圆结构的TVLS 光栅作为分光元件,使用两个独立的平面探测器接收两个通道的极紫外宽波段光谱辐射.

图3 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪的光线追迹模型Fig.3.Ray-tracing model for sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

前置望远系统采用单个离轴抛物面反射镜,离轴量为∆,通光口径为D,如图3 所示,由近轴光学理论可知,其焦距fT满足:

式中,RT为离轴望远镜的曲率半径.

系统选用的TVLS 光栅工作于非罗兰圆结构扩展光源照明条件下,其光栅面型方程为

式中,R和ρ 分别为TVLS 光栅在色散方向(子午方向)和垂直色散方向(弧矢方向)的曲率半径.

TVLS 光栅刻线密度随Y轴坐标变化,其表达式为

式中,d0为光栅中心刻线间距;σ1,σ2,σ3,···为光栅刻线密度的空间变化参数.鉴于变刻线光栅的加工成本和技术难度,令刻线密度空间变化参数σk=0 (k=2,3,···),以获得刻线密度线性变化的TVLS 光栅.

根据Poletto 和Thomas 的研究成果[20],直接给出了离轴照明条件下TVLS 光栅初始结构参数的计算方法.为获得合理的光栅初始解,使其同时取得良好的宽波段消像散光谱成像和离轴视场成像性能,需要确定一些已知量,包括: 两个消像散波长点λ1和λ2、光栅入射臂长rA、中心波长λc=(λ1+λ2)/2 处的光栅横向放大率βc、光栅中心刻线间距d0.成像光谱仪校正离轴光栅像差的条件为

式中,β 为光栅放大率;rA,rB为光栅入射臂长和出射臂长;i,θ 为光栅入射角和衍射角.当光栅入射角i满足(5)式时,可在中心波长λc处实现离轴光栅像差的校正.当TVLS 光栅在子午和弧矢方向上的曲率半径R,ρ 以及刻线密度空间变化参数σ1满足(5)式时,能够使光谱聚焦曲线和空间聚焦曲线相交于两个消像散波长点λ1,λ2,以实现宽波段的消像散成像.

式中,θ1,θ2分别为两个消像散波长点λ1,λ2的光栅衍射角;θc为中心波长λc的光栅衍射角.

3.2 系统参数约束条件

为保证优化得到的系统满足表1 给出的分辨率要求,将系统的光谱分辨率Δλ 和沿狭缝方向的像元空间分辨率δ 作为优化约束条件,以限制系统结构,其表达式为

式中,γ为衍射光线在探测器上的入射角;px 为探测器像元尺寸;s为狭缝宽度.

为使系统具有合理的结构布局,避免出现系统各元件之间的空间干涉和光线遮挡,如图3 所示,将狭缝中心到短波段最小波长上边缘衍射光线的距离h1,短波段探测器上边缘到前置离轴望远主镜下边缘反射光线的距离h2,短波段探测器下边缘到长波段探测器上边缘的距离h3,作为几何约束条件,其表达式为

3.3 系统优化流程

基于表1 给出的技术指标,本文设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,其设计流程如图4 所示.首先利用(1)—(5)式给出的初始结构求解方法,计算得到系统初始解.将(6)式作为性能约束条件,以控制成像光谱仪系统的空间和光谱分辨率符合技术指标要求,(7)式作为边界约束条件,以保障各元件之间没有空间位置上的干涉,使得成像光谱仪系统具有合理的光路布局结构.以各个波长下像面上聚焦弥散光斑在空间和光谱方向上的均方根(RMS)半径大小作为优化函数,且空间和光谱方向上的权重相同,在ZEMAX软件中对系统初始解进行全局优化,通过反复迭代和性能评价,最终得到综合性能最优的成像光谱仪系统参数.

图4 成像光谱仪系统的设计流程Fig.4.Design flow process for imaging spectrometer system.

4 设计结果和性能评价

4.1 系统设计结果

最终优化得到的成像光谱仪系统光学布局图,如图5 所示,整个光学系统仅包含六个元件,包括孔径光阑、离轴望远主镜、入射狭缝、TVLS 光栅次镜和两个平面探测器.

图5 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学布局图Fig.5.Optical layout of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

成像光谱仪的技术指标和元件参数,如表2 所列.系统在62—80 nm,92—110 nm 的光谱分辨率均优于0.007 nm,像元空间分辨率均优于0.4'',满足设计指标要求.系统焦距达到11 m,具有2600 mm×420 mm×400 mm 的光学包络体积.前置望远镜采用口径为156 mm×156 mm,曲率半径为4320.025 mm,离轴量为120 mm 的抛物面镜.系统采用四种入射狭缝(宽度为0.28,1,2,40'',长度为288'')以实现对不同尺度太阳爆发活动的光谱成像,扫描方向视场为±144''.

表2 亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪技术指标和元件参数Table 2. Specifications and optical element parameters of sub-angular second spatial resolved solar extreme ultraviolet broadband imaging spectrometer.

TVLS 光栅刻线区域为36 mm×36 mm 的矩形区域,光栅在色散方向的曲率半径R为735.545 mm,垂直色散方向的曲率半径ρ 为737.138 mm,光栅基底表面矢高分布如图6(a)所示;光栅中心刻线密度为1500 lines/mm,刻线密度沿色散方向线性变化,如图6(b)所示.

图6 TVLS 光栅 (a) 基底表面矢高图;(b) 刻线密度分布曲线图Fig.6.TVLS grating: (a) The substrate surface sag map;(b) the curve of the ruling density distribution.

4.2 光谱聚焦性能评价

图7(a)和图7(b)为不同离轴视场下的点列图均方根(RMS)半径随波长变化曲线.可见,在两个消像散波段和±2.4'的离轴视场内,成像光谱仪在空间和光谱方向上的点列图RMS 半径均小于7 μm,小于像元尺寸(15 μm)的一半,说明系统取得了良好的空间和光谱成像性能.图7(c)和图7(d)为不同波长下的点列图RMS 半径随离轴视场变化曲线.可见,在任意波长下,空间和光谱方向上的点列图RMS 半径均随离轴视场增大而增大,但总体变化较为平稳,点列图RMS 半径最大值小于7 μm,说明系统在宽波段内校正了离轴像差.

图7 光线追迹结果 (a),(b) 不同离轴视场下RMS 点列图半径随波长的变化;(c),(d) 不同波长下RMS 点列图半径随视场的变化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.

图8(a)—(d)分别为系统在62,80,92,110 nm处的调制传递函数(MTF)曲线.可见,除110 nm 的边缘视场外,MTF 在奈奎斯特频率(33.33 lp/mm)处均大于0.4,接近衍射极限,说明系统取得了良好的光谱成像质量.

图8 光学系统在不同波长处的调制传递函数 (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 空间分辨率和光谱分辨率

利用Poletto 等[21]提出的成像光谱仪的像元空间分辨率和光谱分辨率评价方法,如(8)—(10)式所示,对系统进行了分辨率性能评价:

式中,rmsTx为前置望远镜在狭缝平面上x方向(垂直狭缝方向)点列图RMS 半径,W为狭缝宽度,fT为望远镜焦距.可见,系统在垂直狭缝方向的像元空间分辨率δx仅取决于前置望远镜设计和狭缝宽度.

式中,rmsTy为望远镜在狭缝平面上y方向(平行狭缝方向)点列图RMS 半径,rmsGy为狭缝处理想点光源照明TVLS 光栅后所成像在像面上y方向点列图RMS 半径,p为探测器像元尺寸.可见,系统在平行狭缝方向的像元空间分辨率δy受望远镜、光栅和探测器参数共同影响.

式中,rmsGx为理想点光源照明TVLS 光栅所成像在系统像面处x方向点列图RMS 半径.可见,系统光谱分辨率Δλ 受光栅、狭缝宽度、探测器参数影响.

图9(a)—(c)为系统像元空间分辨率随离轴视场变化曲线.可见,系统垂直狭缝方向的像元空间分辨率δx在整个离轴视场和±2.4'扫描视场下达到0.387'',平行狭缝方向的像元空间分辨率δy在71,101 nm 波长处分别为0.34''和0.382''.

图9 系统像元空间分辨率评价 (a) 垂直狭缝方向的像元空间分辨率;(b) 62—80 nm 波段平行狭缝方向的像元空间分辨率;(c) 92—110 nm 波段平行狭缝方向的像元空间分辨率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.

图10(a)和图10(b)为系统光谱分辨率随波长变化曲线.可见,系统光谱分辨率Δλ 在62—80 nm 和92—110 nm 两个消像散波段内分别为0.00615 nm 和0.00642 nm.

图10 系统光谱分辨率评价 (a) 62—80 nm 波段的光谱分辨率;(b) 92—110 nm 波段的光谱分辨率Fig.10.System spectral resolution evaluation: (a) Spectral resolution in 62–80 nm wavelengths;(b) spectral resolution in 92–110 nm wavelengths.

4.4 反射膜层和有效面积

系统在波长λ 处的总效率为ETOT(λ),有效面积为AEFF(λ),其表达式为

式中,Rfilm(λ)为反射镜和光栅表面膜层反射率;Tfilter(λ)为滤光片透过率;ηgra(λ)为光栅衍射效率,包含光栅刻槽效率ηgroove;QE(λ)为探测器量子效率;Aape为入射孔径的面积,单位为mm2.

为获得正入射下目标谱段较高的反射效率,在主镜和光栅表面镀热压B4C 单层膜[22],以提供观测波段内最高0.43 的峰值反射率,其反射率曲线如图11(a)所示.在第二通道探测器前方位置,设置厚度为150 nm 的铝滤光片[23],以滤除92—110 nm 波段内极紫外辐射,通过滤光轮旋转分别获取92—110 nm 和46—55 nm 波段的高光谱数据,其透过率曲线如图11(b)所示.图11(c)为利用(11)式计算获得的62 nm 闪耀波长下的TVLS光栅衍射效率曲线,ηgra(λ)在观测波段内的最大值为0.35;图11(d)为系统采用的带有微通道板(MCP)增强的有源像素传感器(APS)[12]的量子效率曲线,探测器在观测波段内具有最高为0.25 的量子效率.

图11 反射膜层、滤光片、TVLS 光栅效率和探测器量子效率随波长的变化曲线 (a) 热压B4C 单层膜的反射率曲线;(b) 厚度为150 nm 铝滤光片的透过率曲线;(c) 光栅效率;(d) 探测器量子效率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.

图12(a)为系统的有效面积曲线.可见,系统在62—80 nm 和92—110 nm 波段内的峰值有效面积分别为192 mm2和222 mm2,二级光谱区46—55 nm 波段内的峰值有效面积为88 mm2.图12(b)为SPICE 在其工作波段70.4—79 nm 和97.3—104.9 nm 内的有效面积曲线.通过对比,可知系统在观测波段范围内的有效面积是SPICE 的8—22倍,系统具有较高的传输效率.

图12 系统有效面积随波长的变化曲线 (a) 本文设计的系统,红色加粗的曲线为系统观测波段内的有效面积;(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 光谱畸变和空间畸变

光谱(Smile)畸变和空间(Keystone)畸变是评价太阳极紫外成像光谱仪的空间和光谱一致性的重要性能指标.图13(a)为不同波长的Smile 畸变曲线.可见,Smile 畸变对称于视场中心,且随波长增大而增大,所有波长的Smile 畸变量均小于3 μm,未超过像元尺寸的20%.图13(b)和图13(c)分别为62—80 nm 和92—110 nm 波段不同视场的Keystone 畸变曲线.可见,在两个波段内的Keystone畸变呈现出相同的变化趋势,均随视场增大而增大,在最大视场处的Keystone 畸变量相对于半像高分别小于0.5%和0.6%.仿真模拟结果表明,系统的光谱和空间畸变均被控制在合理的范围内.

图13 光谱(Smile)畸变和空间(Keystone)畸变 (a) 不同波长的Smile 畸变;(b) 62—80 nm 波段不同视场的Keystone畸变;(c) 92—110 nm 波段不同视场的Keystone 畸变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

将制造公差和装配公差引入到极紫外成像光谱仪系统中,分析对光谱成像性能的影响,并获取合理的公差分配.在ZEMAX 软件中的公差编辑器中给定初始的公差范围,仿真过程中采用后焦距补偿(即探测器作为调整元件),使用像面弥散斑RMS 半径作为评价标准,蒙特卡罗循环次数为1000 次,通过反复迭代,最终系统关键元件的公差容限如表3 所列.在该公差容限下,正态分布统计的结果表明在工作波长62,71,80,92,101 和110 nm 处的像面弥散斑RMS 半径有90%的概率均在0.5 个像元尺寸内变化,说明成像光谱仪的像质衰减在可控的范围内.

表3 系统关键元件的公差容限Table 3. Tolerance limits of key components of the system.

5 讨论与未来应用

相比国外已发射仪器,本文设计的系统在技术指标方面有较高的先进性.系统相比EIS,SPICE等先驱仪器实现了更宽的光谱范围覆盖,二级光谱46—55 nm 波段包含形成温度约0.5 MK 的高过渡区谱线Ne VII 46.52 nm,该温度范围对太阳风起源、日冕加热问题的研究非常关键,而过往仪器对其探测较少.与SUMER,CDS 等仪器相比,系统具有更优异的空间和光谱分辨性能,在两个通道内的空间分辨率均优于0.8'',光谱分辨率均优于0.007 nm,能够满足太阳物理学界对亚角秒量级的高空间分辨率和高光谱分辨率观测的迫切需要.

国内在极紫外光谱探测领域研究基础较为薄弱,X-EUVI 和SUTRI 的成功实践,使中国在窄波段多层膜反射镜、极紫外滤光片、高性能极紫外探测器等核心部件研制方面取得了一定进展,然而在极紫外凹面衍射光栅(包括非球面、变线距等光栅类型)、宽波段极紫外多层膜、高性能大口径超光滑反射镜等关键元件的加工及检测方面的研究基础还相对薄弱,是当前制约我国极紫外光谱成像仪器研制的主要障碍,也是后续亟需开展的关键技术研究方向.

尽管目前国内尚无一款实际在轨运行的太阳极紫外成像光谱仪载荷,但近几年国内提出的一些空间太阳探测计划中都有相应的极紫外计划载荷.本文关于具有亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪设计的研究,可为我国未来实施自主空间太阳探测以及开展首台极紫外光谱探测设备研制提供理论层面的技术支撑,对未来我国空间太阳探测计划(包括“环日全景探测任务”[24]、太阳爆发抵近探测”[25]、“太阳立体观测”[26,27]、“太阳极轨天文台”[28]等)中的极紫外载荷遴选也具有重要的参考和潜在应用价值.

6 结论

本文提出并设计了一款具有亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,系统实现了62—80 nm 和92—110 nm 波段的消像散光谱成像,狭缝方向和扫描方向视场均为±2.4'.性能评价结果表明,本文设计的系统能够提供对太阳爆发活动的高空间分辨率(优于0.8'')、高光谱分辨率(优于0.007 nm)的近似全年无间断连续观测,光谱畸变和空间畸变均得到良好控制,且具有合理的公差容限,对我国未来极紫外成像光谱仪型号研制具有借鉴意义.