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

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作者 黄一帆 邢阳光 +7 位作者 沈文杰 彭吉龙 代树武 王颖 段紫雯 闫雷 刘越 李林 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第3期357-369,共13页

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"... 狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.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,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值. 展开更多

关键词 太阳极紫外 光学设计 成像光谱仪 超环面变线距光栅

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宽波段高分辨率小型紫外成像光谱仪光学系统研究 被引量：3

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作者 丛海芳 王春晖 王宇 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第2期562-566,共5页

结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜,超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案;该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程,总结了单超环面光栅结... 结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜,超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案;该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程,总结了单超环面光栅结构的完善聚焦条件和完善成像条件;这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解,限制了光谱仪的工作波段和视场,引入遗传算法解决了这个问题。以一工作波段为200～280nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证,根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟,成功得到了F数为5.7,焦距为102mm,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20lp.mm-1)下大于0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪。 展开更多

关键词 小型成像光谱仪 紫外 超环面光栅

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中红外平面光栅光谱仪系统光学设计与优化 被引量：4

3

作者 刘洋 方勇华 +1 位作者 李大成 李扬裕 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2015年第2期413-418,共6页

利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种Czerny-Turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学... 利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种Czerny-Turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学系统尺寸,采用超环面聚焦镜校正了像散。运用ZEMAX设计软件对中红外平面光栅光谱仪的前置光路、色散成像系统进行设计、优化和分析。最终分析结果表明,该系统光谱工作范围为8.04~13.96μm,光谱分辨率优于80 nm,F数为2,光学结构特征尺寸约为150 mm×200 mm×70 mm,满足设计指标。 展开更多

关键词 光学设计 光栅光谱仪 Czerny-Turner结构 双离轴抛物镜 超环面聚焦镜

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基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究 被引量：3

4

作者 薛庆生 王淑荣 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2013年第5期1433-1437,共5页

根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50... 根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50μm×5mm,数值孔径0.1,利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价,结果表明,不同波长的光学传递函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7,点列图半径的均方根值小于14μm,在工作波段内获得了良好的成像质量,满足空间分辨率0.5mrad,光谱分辨率0.6nm的设计要求,也证明了该优化设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对光栅色散型成像光谱仪的设计具有指导意义。 展开更多

关键词 成像光谱仪 光学设计 超环面均匀线距光栅 遗传算法 ZEMAX

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太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析 被引量：3

5

作者 刘壮 巩岩 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第7期776-780,共5页

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空... 针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求. 展开更多

关键词 光学设计 成像光谱仪 极紫外 WolterⅡ型结构 超环面变间距光栅

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太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计 被引量：2

6

作者 刘壮 巩岩 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2012年第3期834-838,共5页

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺... 在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。 展开更多

关键词 光学设计 成像光谱仪 极紫外 离轴抛物面反射镜 超环面光栅

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光栅单色器系统超环面镜转动机构优化设计

7

作者 陈家华 徐中民 +1 位作者 甄香君 薛松 《核技术》 CAS CSCD 北大核心 2018年第3期1-6,共6页

为了减少软X射线谱学显微光束线开光后光栅单色器系统光通量漂移的稳定时间,通过有限元分析开光后超环面镜转动机构的瞬态温度,得到2 h后推杆方向总的线性热膨胀量,以及由此引起聚焦光斑在出射狭缝中心处的水平偏移量。结果显示:超环面... 为了减少软X射线谱学显微光束线开光后光栅单色器系统光通量漂移的稳定时间,通过有限元分析开光后超环面镜转动机构的瞬态温度,得到2 h后推杆方向总的线性热膨胀量,以及由此引起聚焦光斑在出射狭缝中心处的水平偏移量。结果显示:超环面镜推杆方向热膨胀量为0.97μm,聚焦光斑的水平偏移量达到141μm,而狭缝水平开口仅为50μm,由此推断光通量漂移产生的主要原因是超环面镜吸收的热负载缓慢传导至正弦机构引起Pitch角持续变化。据此设计了超环面镜间接水冷结构,通过对结构优化后的超环面镜箱开光测试,将稳定时间由2 h以上缩短到30 min左右,有效地提升了用户机时的利用效率。 展开更多

关键词 光栅单色器系统 超环面镜 光通量漂移 线性热膨胀 间接水冷

原文传递

李变换方法在超环面光栅成像理论中的应用

8

作者 王洁玮 吴伟 +1 位作者 贺正权 吕丽军 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第11期2250-2252,共3页

应用李变换方法研究了超环面光栅的成像及其像差,介绍了李变换基本原理.光栅成像过程可分成五个部分,分别对应五个李变换;其中最重要的变换就是超环面光栅的衍射李变换.利用这五个李变换推导出了超环面光栅的成像公式,并应用光线追迹,... 应用李变换方法研究了超环面光栅的成像及其像差,介绍了李变换基本原理.光栅成像过程可分成五个部分,分别对应五个李变换;其中最重要的变换就是超环面光栅的衍射李变换.利用这五个李变换推导出了超环面光栅的成像公式,并应用光线追迹,对研究结果进行了验证,说明了李变换的方法能准确地描述超环面光栅的成像.该方法可以处理平面光源,能计算远离子午焦平面处的像差.李变换方法导出的成像公式描述了像平面坐标与物平面坐标、方向余弦之间的函数关系,体现了物空间变量与像空间对应变量之间映射关系. 展开更多

关键词 李变换 超环面光栅 成像理论

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反射式摄谱仪/单色计计算机辅助设计的研究

9

作者 赵晓东 《光学精密工程》 EI CAS CSCD 1993年第5期1-9,共9页

本文在深入研究光学计算机辅助设计方法的基础上,应用Michael.P.chrisp波像差理论,编制了功能较齐全的摄谱仪/单色计计算机辅助设计软件。该软件具有计算像差,自动设计,象质评价,绘制图形等功能。光学元件面形可以是平面、球面、超环面... 本文在深入研究光学计算机辅助设计方法的基础上,应用Michael.P.chrisp波像差理论,编制了功能较齐全的摄谱仪/单色计计算机辅助设计软件。该软件具有计算像差,自动设计,象质评价,绘制图形等功能。光学元件面形可以是平面、球面、超环面、抛物面、椭球面。光学系统可以包含若干个反射面或全息光栅。和若干标准实例对比,表明该软件计算像差准确,自动设计良好,各项功能是可靠的,故可实际应用于这种光学系统的光学设计。 展开更多

关键词 全息光栅 摄谱仪 单色计 象质 CAD

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太阳上层过渡区极紫外三级次无狭缝成像光谱仪系统设计

10

作者 沈文杰 邢阳光 +7 位作者 黄一帆 彭吉龙 代树武 王颖 朱成林 闫雷 刘越 李林 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第6期256-268,共13页

提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪,该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件,其中单个光栅仅工作于一个级次,这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端,显著提升了系统校正离... 提出了一款工作在Ne VII 46.52 nm谱线的新型三级次无狭缝成像光谱仪,该仪器采用两个超环面等线距光栅作为衍射元件,其中单个光栅仅工作于一个级次,这解决了现有三级次仪器使用单个光栅同时工作于三个级次的弊端,显著提升了系统校正离轴光栅像差的能力,结合光谱数据反演算法可以实现24′×24′视场下的高空间(1.547″)和高光谱分辨率(0.0078 nm)观测。 展开更多

关键词 成像系统 太阳空间观测 太阳极紫外 成像光谱仪 无狭缝 超环面等线距光栅

原文传递

用于电离层探测的单光栅高分辨率成像光谱仪光学系统研究 被引量：7

11

作者 于磊 王淑荣 +2 位作者 曲艺 林冠宇 张振铎 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第7期127-134,共8页

为完善国内星载电离层成像光谱仪研究,设计了一种适用于120～180 nm波段探测的光学系统。根据探测目标特点,结合国外方案提出了以离轴抛物镜为物镜,超环面光栅为成像光谱系统的方案;为解决传统单光栅结构像差校正不均匀、空间分辨率低... 为完善国内星载电离层成像光谱仪研究,设计了一种适用于120～180 nm波段探测的光学系统。根据探测目标特点,结合国外方案提出了以离轴抛物镜为物镜,超环面光栅为成像光谱系统的方案;为解决传统单光栅结构像差校正不均匀、空间分辨率低等缺点,结合光栅表面方程和光程函数方程进行了理论分析,获得了全波段像差纠正的处理方法;利用Matlab编程计算初始结构,并用Zemax设计优化,成功得到了F数为6.8,焦距为102.3 mm,具有良好空间分辨率和高光谱分辨率的星载电离层成像光谱仪系统。通过对结果进行分析可知,全系统的像差得到充分校正,全视场全波段调制传递函数值在0.7以上,光谱分辨率0.56 nm,满足设计指标要求,设计方法和设计结果合理可行。 展开更多

关键词 光学设计 成像光谱仪 电离层 超环面光栅 像差校正

原文传递

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计 被引量：10

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作者 薛庆生 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第3期230-236,共7页

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,... 根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。 展开更多

关键词 光学设计 高光谱成像仪 超环面光栅 远紫外 几何像差

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带超环面镜的掠入射光栅谱仪测试系统响应特性模拟分析

13

作者 李跃林 陆培祥 +3 位作者 李儒新 范品忠 陈时胜 张正泉 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 1993年第9期824-829,共6页

指出了文献[1]在物理概念上和公式推导中的错误,并在订正了这些错误之后,考虑了实际的激光等离子体光源的几何尺度和线状等离子体的安排,对在复合泵浦X激光增益实验中所使用的带超环面镜X光中继元件的掠入射光栅光谱仪系统进行了全面的... 指出了文献[1]在物理概念上和公式推导中的错误,并在订正了这些错误之后,考虑了实际的激光等离子体光源的几何尺度和线状等离子体的安排,对在复合泵浦X激光增益实验中所使用的带超环面镜X光中继元件的掠入射光栅光谱仪系统进行了全面的模拟计算.结果表明,作者所使用的带超环面镜的X光增益测试系统,其因离焦而导致的非线性效应是完全可以忽略的,系统的空间分辨能力的下降也是非常小的,从而否定了文献[1]中的结论,表明作者在X激光增益测量实验中所使用的带超环面镜X光中继元件的掠入射光栅光谱仪系统是完全可靠的. 展开更多

关键词 X射线光谱学 光栅摄谱仪 超环面镜

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具有非罗兰圆结构的太阳极紫外正入射宽波段成像光谱仪光学设计 被引量：5

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作者 邢阳光 李林 +2 位作者 彭吉龙 王姗姗 成一诺 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第23期118-129,共12页

基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,... 基于传统罗兰圆结构的凹面光栅成像光谱仪,尽管具有很好的轴上点成像特性,但是存在较大的光栅离轴像差,离轴性能显著降低,不适用于大离轴视场、宽波段的空间和光谱成像。因此,基于超环面变线距光栅工作在非罗兰圆结构下的像差校正理论,设计了一款兼具大离轴视场和宽波段的太阳极紫外正入射成像光谱仪,使用三个平场探测器,可实现在极紫外波段对包括日冕和过渡区域在内的太阳上层大气的高空间和高光谱分辨观测。该仪器仅有两次反射表面,同时使用周期性的SiC/Al多层镀膜最大化地减小了极紫外波段的光子通量损失,提高了仪器的传输效率。该成像光谱仪的工作波段为40~47 nm、53~60 nm和66~73 nm,口径为100 mm,沿狭缝方向的离轴视场为18′,系统的空间分辨率优于0.55″,光谱分辨率优于30×10-4 nm。 展开更多

关键词 测量 超环面变线距光栅 离轴光栅像差 非罗兰圆结构 太阳极紫外 成像光谱仪

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远紫外电离层高光谱成像仪杂散光抑制研究

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作者 巨燕方 顾国超 +3 位作者 李博 林冠宇 马征征 徐彬 《激光与光电子学进展》 CSCD 北大核心 2023年第10期453-459,共7页

电离层空间环境复杂,紫外波段辐射能量微弱,如何抑制远紫外高光谱成像仪杂散光是研究远紫外电离层高光谱载荷的重要环节。依据系统技术要求,给出单超环面光栅型高光谱成像仪杂散光抑制方法,首先分析杂散光的主要来源和传播路径,利用UG... 电离层空间环境复杂,紫外波段辐射能量微弱,如何抑制远紫外高光谱成像仪杂散光是研究远紫外电离层高光谱载荷的重要环节。依据系统技术要求,给出单超环面光栅型高光谱成像仪杂散光抑制方法,首先分析杂散光的主要来源和传播路径,利用UG软件设计消杂光结构,使用LightTools软件仿真不同视场和不同光栅衍射级次下接收面的能量响应,评估杂散光抑制效果。结果表明:视场外杂散光能量和视场内光线能量量级相差10^(-5)~10^(-7),光栅非工作衍射级次光线能量和工作级次能量量级相差10^(-6)~10^(-8),中心波长处光谱杂光系数为0.9975%,所提方法满足空间远紫外高光谱遥感指标要求。 展开更多

关键词 杂散光 远紫外 电离层 超环面光栅 高光谱成像仪

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