光学学报, 2021, 41 (7): 0730003, 网络出版: 2021-04-11   

三级次太阳极紫外窄波段无狭缝成像光谱仪光学设计 下载: 689次

Optical Design of 3-Order Solar Extreme Ultraviolet Narrowband Slitless Imaging Spectrometer
邢阳光 1,2,3李林 1,*彭吉龙 2,**王姗姗 1,***成一诺 4
作者单位
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 可靠性与环境工程技术国家重点实验室, 北京 100094
4 清华大学精密仪器系, 北京 100091
图 & 表

图 1. 三级次无狭缝成像光谱仪的示意图。(a)MOSES的光学布局;(b)单次快照获得的三级次太阳图像

Fig. 1. Schematic of three-order slitless imaging spectrometer. (a) Optical layout of MOSES; (b) solar images with three diffraction orders by single snapshot

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图 2. 具有新光学布局的三级次无狭缝成像光谱仪示意图

Fig. 2. Schematic of three-order slitless imaging spectrometer with new optical layout

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图 3. 三级次无狭缝成像光谱仪的光线追迹模型

Fig. 3. Ray-tracing model for three-order slitless imaging spectrometer

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图 4. 离轴双曲面反射镜的几何光学模型

Fig. 4. Geometric optics model for off-axis hyperbolic mirror

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图 5. 像差校正的EVLS光栅的原理图

Fig. 5. Schematic of aberration-corrected EVLS grating

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图 6. SDO/EVE仪器获得的闪耀太阳光谱

Fig. 6. Sun flare spectrum from SDO/EVE

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图 7. 太阳极紫外无狭缝成像光谱仪的光路原理图。(a) 2D光路图;(b) 3D模型图

Fig. 7. Optical layout of solar EUV slitless imaging spectrometer. (a) 2D optical layout; (b) 3D model diagram

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图 8. 椭球面变线距光栅刻线密度的分布曲线

Fig. 8. Ruling density distribution of EVLS grating

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图 9. 像散的像差系数曲线图。(a) -1级次的子午像散;(b) +1级次的子午像散;(c) -1级次的弧矢像散;(d) +1级次的弧矢像散

Fig. 9. Curve of aberration term of astigmatisms. (a) Tangential astigmatism for -1 order; (b) tangential astigmatism for +1 order; (c) sagittal astigmatism for -1 order; (d) sagittal astigmatism for +1 order

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图 10. 彗差的像差系数曲线图。(a) -1级次彗差;(b) +1级次彗差

Fig. 10. Curve of aberration term of coma. (a) Coma for -1 order; (b) coma for +1 order

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图 11. 边缘视场下最大网格畸变随波长变化的曲线图。(a) -1级次;(b) +1级次

Fig. 11. Maximum grid distortion change with wavelength under marginal FOV. (a) -1 order; (b) +1 order

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图 12. -1级次下弥散斑RMS半径的变化曲线图。(a)不同离轴视场下RMS半径随波长变化的曲线图;(b)不同波长下RMS半径随视场变化的曲线图

Fig. 12. Variation of RMS radius of spot for -1 order. (a) RMS radius of spot versus wavelength in the different off-axis FOVs; (b) RMS radius of spot versus FOV in the different wavelength

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图 13. +1级次下弥散斑RMS半径的变化曲线图。(a)不同离轴视场下RMS半径随波长变化的曲线图;(b)不同波长RMS半径随视场变化的曲线图

Fig. 13. Variation of RMS radius of spot for +1 order. (a) RMS radius of spot versus wavelength in the different off-axis FOVs; (b) RMS radius of spot versus FOV in the different wavelength

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图 14. 0级次像面上的点列图以及0级次弥散斑RMS半径随视场变化的曲线图。(a)不同视场下0级次像面上的点列图;(b) 0级次弥散斑RMS半径随视场变化的曲线图

Fig. 14. Spot diagrams in 0 order imaging plane under the different FOVs and RMS radius of spot versus FOV for 0 order. (a) Spot diagrams in 0 order imaging plane under the different FOVs; (b) RMS radius of spot versus FOV for 0 order

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图 15. 光学系统在不同衍射级次下的调制传递函数。(a) -1级次;(b) +1级次;(c) 0级次

Fig. 15. MTFs of design system under different diffraction orders. (a) -1 order; (b) +1 order; (c) 0 order

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图 16. 用于评估系统空间分辨率的衍射包围圆能量。(a) -1级次;(b) +1级次;(c) 0级次

Fig. 16. Diffraction enclosed energy to evaluate system’s spatial resolution. (a) -1 order; (b) +1 order; (c) 0 order

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图 17. ±1衍射级次的光谱分辨率仿真验证。(a)(b) -1级次;(c)(d) +1级次

Fig. 17. Spectral resolution simulation verification for ±1 diffraction orders. (a)(b) -1 order; (c)(d) +1 order

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图 18. 0.1 μm厚硅滤光片的透过率曲线

Fig. 18. Transmission of Si filter with 0.1 μm thickness

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图 19. SiC/Mg多层膜随波长变化的反射率曲线

Fig. 19. Reflectance versus wavelength for SiC/Mg multilayer

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图 20. EVLS光栅效率随波长的变化曲线

Fig. 20. Efficiency versus wavelength for EVLS grating

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图 21. 无狭缝成像光谱仪有效面积随波长的变化曲线

Fig. 21. Effective area of slitless imaging spectrometer versus wavelength

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表 1太阳极紫外无狭缝成像光谱仪的技术指标

Table1. Specifications of the solar EUV slitless imaging spectrometer

InstrumentWavelength /nm2D FOV /(arcmin×arcmin)Spatialresolution /arcsecSpectralresolution /(10-4 nm)PrimarymirrorSecondarymirrorLength /mm
MOSES-0629.4--31.410×200.630SULS gratingFold flat2400
Our design29.4--31.420×200.635HyperbolaEVLS grating910

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表 2Fjk及其对应的像差

Table2. Fjk terms with their associate aberrations

TermAberration
F10 and F01Basic grating equation
F20Tangential astigmatism
F02Sagittal astigmatism
F11Off-axis defocusing
F30 and F21Coma
F12Field curvature
F40, F22 and F04Spherical aberration

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表 3无狭缝成像光谱仪的技术指标和光学元件参数

Table3. Specifications and optical element parameters for slitless imaging spectrometer

Specification
Spectral range /nm29.4--31.4
FOV /(arcmin×arcmin)20×20
Spectral resolution /(10-4 nm)35
Spatial resolution /arcsec0.6 (440 km)
Line-of-sight velocity /(km·s-1)>34.5
High cadence /s<10
System focal length /mm4500
Pixel size of detectors /μm13 (2048×2048)
Envelope size of optical system /(mm×mm×mm)910×310×60
Telescope design
RT /mm1520
Conic-1.307
Δ /mm80
Spectral imaging system design
Field stop size /(mm×mm)4.5×4.5
1d0 /mm-13600
m+1 order, 0 order, and -1 order
Grating parameterInitialOptimum
rA /mm150150
β6×5.905×
i /(°)5.135.4
a /mm360.000352.906
b /mm305.010300.957
c /mm302.425300.034
ζ2-0.04448-0.04736
ζ3-0.006852-0.007201
Ruling area /(mm×mm)25×25
Three independent detectors design
OrderWavelength /nmTilt angle of detectors /(°)
-1 order29.4--31.414.66
0 order29.4--31.427.95
+1 order29.4--31.432.71

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表 4周期性SiC/Mg多层膜的参数

Table4. Periodic SiC/Mg multilayer parameters

γ /(°)d / nmτNδSiC-Mg /nmδMg-SiC /nm
84.615.270.22402.01.0

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邢阳光, 李林, 彭吉龙, 王姗姗, 成一诺. 三级次太阳极紫外窄波段无狭缝成像光谱仪光学设计[J]. 光学学报, 2021, 41(7): 0730003. Yangguang Xing, Lin Li, Jilong Peng, Shanshan Wang, Yinuo Cheng. Optical Design of 3-Order Solar Extreme Ultraviolet Narrowband Slitless Imaging Spectrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2021, 41(7): 0730003.

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