中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
杂散光抑制是保证红外遥感数据定量化反演精度和图像质量的前提。为了抑制系统杂散光，利用点源透过率（PST）与杂散光系数（VGI）的函数关系计算了VGI，并分别用VGI和杂散比（NSR）作为指标对系统外部杂散光和系统背景辐射的抑制方法进行了研究。结果表明：采用冷光学设计能有效抑制系统背景辐射，此时系统工作的三个波段NSR从4.5以上降低至0.35以下。制冷机制冷是冷光学设计和探测器工作的基础，研究了杜瓦窗口和冷屏设计对VGI、NSR和制冷机功耗的影响，进而优化了窗口和冷屏的设计参数。拟合实验数据明确了杜瓦漏热与制冷机功耗的函数关系，提出了一种低制冷功耗和高杂散光抑制的冷屏设计，此时杜瓦漏热为1.7 W，制冷机功耗为103.72 W，系统的VGI从1.95%降低至1.92%，窗口的NSR下降了60%，满足项目要求。研究结果解决了低温光学设计、制冷机功耗和杂散光抑制等一系列问题，组件通过力学试验，已成功运用于某项目用光谱成像仪中。
光学设计 杂散光 杜瓦窗口 冷光学设计 杂散光系数 制冷功耗
1 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术联合国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
红外谱段（8~12.5 μm）作为红外对地光学载荷的主要探测谱段，在对地遥感领域发挥着重要的作用。以红外成像仪载荷的杜瓦组件为研究对象，宽幅高分辨率红外系统的光机结构作为输入边界，分析了关键面对系统杂散光的影响。为了抑制杂散光和降低背景辐射，利用柔性波纹管隔热实现200 K窗口和窗口帽低温设计。进一步分析了杜瓦组件窗口、窗口外壳、冷屏结构及表面处理工艺等对杜瓦内部杂散光的影响。冷屏采用三级挡板设计，滤光片为三波段集成，同时在考虑装配和加工精度的情况下，冷屏和滤光片支架采用分离方式。卫星红外成像仪载荷在轨运行良好，成像效果较好。为杜瓦设计和加工选择提供了一定依据。
红外探测 波纹管隔热设计 杂散光 杜瓦组件 infrared detection bellows insulation design stray light Dewar components 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220823
1 中国科学院智能红外感知重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所红外探测与成像技术重点实验室，上海 200083
受限于初始构型和光学加工能力，现有X射线成像诊断设备的最优空间分辨率被限制在3~5 μm。提出一种基于开放式Wolter构型的亚微米分辨率X射线显微镜。详细介绍了显微镜的光学结构、设计方法和关键参数。提出一种适用于Rayleigh-Taylor不稳定性诊断的大视场、高分辨率X射线显微镜的光学设计方案。开展了基于光线追迹的构型验证、像质仿真和系统响应效率评价。显微镜设计工作能点为2.5 keV，有效视场为±0.35 mm，在全视场范围内空间分辨率优于1 μm，几何集光立体角为3.73×10-5 sr，峰值响应效率为1.52×10-5 sr。
X射线光学 惯性约束聚变 等离子体诊断 Rayleigh-Taylor不稳定性 Wolter 多层膜
1 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
针对拼接型多波段长波红外探测器组件在冷光学系统中的应用要求，本文分析了低温光学用多波段长波红外探测器封装的难点。本团队通过研究4个512×12模块呈品字形拼接后与4个三波段集成滤光片的低温配准、组件在200 K低温光窗的支撑与隔热、探测器与制冷机耦合应力等封装技术，提出了可以实现三波段集成滤光片与探测器背套对中误差在10 μm以下的配准方法以及红外探测器杜瓦组件柔性波纹外壳实现101 mW隔热的方案，同时在杜瓦冷平台上设计了物理隔离耦合应力的多层热层结构，解决了多波段长波红外探测器组件的低光串、低背景辐射、低功耗、冷平台高温度均匀性和探测器高可靠性等关键技术，成功研制了低温光学用12.5 μm 三波段长波2000×12元红外探测器制冷组件。一系列空间环境适应性试验验证结果表明，试验前后组件的性能未发生明显变化，能够满足工程化应用要求。
探测器 杜瓦组件 低温光学 低温系统集成 中国激光
2022, 49(21): 2110002
1 同济大学物理科学与工程学院，上海 200092
2 同济大学教育部先进微结构材料重点实验室，上海 200092
围绕着八通道 Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜在神光 .Ⅲ主机上的应用，分析了瞄准误差对该显微镜成像性能和通道间一致性的影响。通过光线追迹，模拟了 X射线显微镜的空间分辨率、像点间隔和系统效率随视场和物像距的变化。从中心视场到 ±200 μm视场，空间分辨率下降约 2.9 μm；从中心视场到 ±150 μm视场，系统效率降低了约 60%；物距变化量在 ±200 μm范围时，像点间隔变化值约为 0.67 mm，显微镜系统效率变化约为 7%；像距变化量在 ±20 mm范围时，像点间隔变化值约为 0.70 mm。结果表明，视场中心瞄准误差严重影响空间分辨率和效率，但对各通道间的像间隔影响较小。物距和像距误差对像间隔影响较大，但对空间分辨率和系统效率影响较小。
KB显微镜 空间分辨率 像间隔 系统效率 KB microscope spatial resolution image interval system efficiency
1 同济大学 教育部先进微结构材料重点实验室, 上海200092
2 同济大学 物理科学与工程学院, 上海200092
基于动态X射线荧光成像技术对高集光效率、单色化成像诊断设备的需求，提出了一种四通道球面弯晶成像系统设计。采用“圆锥体”空间排布方式，解决了多个通道耦合问题。通过调整弯晶姿态，实现了像点的合理分布。针对4.51 keV能点，采用Ge(400)球面弯晶作为成像元件，给出了四通道弯晶成像系统的光学初始结构参数。在实验中利用Ti靶X射线光管，对单个通道进行了网格背光成像，获得的二维图像放大倍数为7.8倍，空间分辨率达到15 μm，初步验证了系统的成像性能。四通道弯晶成像系统与分幅相机结合，能有效解决动态X射线荧光成像技术信号弱、图像信噪比低的技术难点。
球面弯晶 动态X射线荧光成像 单色成像 空间分辨率 spherically bent crystal dynamic X-ray fluorescence imaging monochromatic imaging spatial resolution 强激光与粒子束
2019, 31(5): 052001
1 同济大学 教育部先进微结构材料重点实验室, 上海 200092
2 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
围绕着稠密等离子体硬X射线成像诊断, 提出了一种基于阿贝正弦条件的Wolter型X射线显微镜的光学系统设计。详细介绍了Wolter显微镜的结构特点和设计方法, 进行了参数优化, 定量分析了包括物距、放大倍数、掠入射角和双曲面镜镜长在内的初始结构参数对物镜性能的影响。由光线追迹可以得出, 在约±260 μm的视场范围内分辨率优于1 μm; 在±460 μm范围内优于3 μm。有效视场可达约1 mm, 几何集光立体角约为6.1×10-5sr。同时, 该系统具备平响应系统特性, 在mm级的视场范围内, 系统响应效率的一致性优于93.7%。
Wolter显微镜 X射线显微术 等离子体诊断 激光惯性约束聚变 Rayleigh-Taylor不稳定性 Wolter microscope X-ray microscopy plasma diagnostics ICF Rayleigh-Taylor instabilities 强激光与粒子束
2018, 30(6): 062002
围绕激光惯性约束聚变研究中内爆靶丸的辐射流诊断需求,设计了一种兼顾空间成像功能的三色软X射线谱仪。该谱仪的设计中心能点为210 eV、680 eV和800 eV,能谱分辨率E/ΔE为5~10。采用X射线掠入射光学结构,实现了三个能点的一维聚焦成像,在1 mm视场内空间分辨率优于10 μm。采用X射线周期多层膜,获得了三个能区的能谱响应,多层膜测试结果满足设计要求。以光学设计和多层膜为基础,建立了系统的光线追迹模型,分析了可控的空间位置误差和瞄准误差对系统光谱分辨和空间分辨的影响,为装调方案及瞄准方法设计提供了精度依据。该谱仪与条纹相机结合,可用于我国强激光装置上的等离子体诊断实验。
三色谱仪 X射线多层膜 掠入射成像 等离子体诊断 tri-color spectrometer X-ray multilayers grazing incidence imaging plasma diagnostics
