极紫外太阳望远镜分辨率的检测

　　1　引　言

　　极紫外(Extreme Ultraviolet,EUV)天文学在揭示太阳活动区物理、耀斑物理、以及日地物理过程等方面有着重要的地位,但由于地球大气对EUV波段吸收严重,对太阳的EUV波段观测必须在空间进行。目前,在轨飞行的多颗卫星都搭载极紫外太阳望远镜(Extreme Ultraviolet Tele-scope,EUT),如美国的TRACE卫星、欧空局的SOHO卫星上的EIT及日本的SOLAR-B等卫星[1-3]。长春光机所自2003年起开始EUT关键技术研究,现已研制出一台17.1 nm EUT样机。该望远镜由两块极紫外波段多层膜反射镜构成的双反射系统,系统焦距为6 917 mm,设计分辨率为0.80″[4-5]。本文首先利用ZYGO干涉仪完成了望远镜系统的装调工作,系统波像差的P-V值为0.152λ(λ=632.8 nm),与理论模拟在理想装调情况下的波像差相符合[6-8]。下一步需要对EUT的成像质量进行检测,考察望远镜的实际分辨率。由于EUT工作波段的检测比较困难,所以在进行工作波长检测前,首先要完成EUT的可见光波段分辨率的检测工作,为实现EUT工作波段的成像性能检测做好前期准备,并获得经验。检测结果表明,EUT在可见光波段的角分辨率为1.22″,接近衍射极限(1.20″),根据可见光检测结果估算EUT工作波段的分辨率,结果表明其分辨率可以达到0.32″,满足设计需要。

　　2　EUT装调

　　在对EUT进行成像质量检测之前必须先完成对EUT系统的装调工作。首先利用ZYGO干涉仪对EUT多层膜反射镜面形精度进行检测,检测结果为:主镜面形精度P-V值0.131λ,面形精度RMS值0.011λ;次镜面形精度P-V值0.079λ,次镜面形精度RMS值0.007λ,检测结果如图1和2所示。然后对望远镜系统进行装调。

　　具体方法是先将测得的EUT主镜和次镜的ZerNIke系数代到ZEMAX光学设计软件中,在理想的装调条件下,计算出望远镜的出瞳波像差;然后在望远镜的装调过程中,通过观察ZYGO干涉仪上的干涉图的变化情况,判断产生失调的误差来源,并且通过调整主镜和次镜间距以及主镜和次镜倾角,获得最佳干涉条纹。装调结果是EUT出瞳面形精度为0.152(P-V值)与理想装调情况下的波像差0.166(λ=632.8 nm)基本相符。在上述实验中采用的是美国ZYGO公司菲索型干涉仪,该干涉仪的面形检测精度为1/100λ。

　　3　原　理

　　EUT成像质量检测采用“网栅”测分辨率的方法。具体方法是:在平行光管的焦点处放置一块有确定空间频率和线宽的透射网栅作为无穷远目标,由可见光照明该网栅,透射光经平行光管后成为平行光束,平行光束照射并充满待测EUT入瞳,再经EUT成像,根据所得透射网栅像即可判断待测望远镜分辨率[9]。由下面简单的关系式求出待测望远镜的分辨率:

　　式中,f′和falign′分别表示待测望远镜和平行光管的焦距。σ和σ0分别表示望远镜焦面上可分辨最小间距和平行光管焦面上网栅线宽。图3和4分别为检测装置的光路图和实物图。在实际工作中使用分辨率板代替金属网栅。

　　4　实　验

　　图5为分辨率板图,图6为CCD接收到的分辨板图像。利用公式可以得到图像的空间分辨率(单位为lp/mm),其中,K为条纹所在组数,N为条纹号。从图6中得出可分辨的条纹为第五组的第四对条纹,根据公式得到:

　　得出σ0=22.1μm,由公式,得望远镜的分辨率。而这一波段衍射极限分辨率为×206 265=1.20″,二者相吻合。

　　5　EUT工作波长分辨率估计

　　根据文献[10],一个光学系统的实际分辨率由瑞利判据分辨率与分辨率误差组成,公式如下[10]:

　　其中,代表波长为λ、视场半径为r时的实际分辨率,为此波段的衍射极限分辨率,εθ(r,λ)为分辨率误差,由下式决定:

　　其中,δθi(r,λ)为由几何像差,装调误差,电子噪声,环境影响等产生的互不相关的分辨率误差。设σjitter为卫星指向精度误差,σsurface为光学原件表面粗糙度引起的误差,因为εθ(r,λEUV)≤εθ(r,λvisible),则有EUT工作波长分辨率为:

　　由式(1)得到:

　　ε2θ(r,λvisible)=R2m(r,λvisible)-R2Rayleigh(r,λvisible) ,(4)

　　而RRayleigh(r,λvisible)=1.20″,Rm(r,λvisible)=1.22″,RRayleigh(r,λEUV)=0.036″,σjitter≈0.1″,σsurface≈0.21″[11]。据此,估算出EUT工作波段的分辨率为:Rtelescope(r,λEUV)≤0.0362+(1.222-1.202)+0.12+0.212=0.32″。

　　6　结　论

　　利用可见光完成了EUT的分辨率检测,结果表明EUT在此波段的分辨率为1.22″,接近衍射极限(1.20″),验证了望远镜的装调水平和成像质量。合理估算了EUT的工作波段分辨率,结果表明其分辨率可以达到0.32″,满足设计需要。下一步工作是进行EUT的工作波长检测工作,即在地面考察EUT在17.1 nm的分辨率水平,为望远镜最后升空做准备。

　　参考文献:

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　　CHEN B.The optical characteristic studies of space EUV solar telescope[D]. Changchun: Changchun Instituteof Optics, Fine Mechanics and Physics,2003.

　　作者简介:高　亮(1980-),男,吉林长春人,博士研究生,主要研究方向为极紫外-软X射线光学仪器的装调与检测。E-mail: gao_lianger@126.com

　　导师简介:陈　波(1961-),男,吉林长春人,博士,研究员,主要从事软X射线-真空紫外波段光源、探测器、辐射计量及空间光学仪器的研究。E-mail: bochen2000@yahoo.com.cn