高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光子计数型 探测 器 ；光 学可 调 参 数少 ，为实 现好 的成像 质 量 ，大多采用 复杂的非球面镜和非球 面光栅制 造技术 。基 于
Ｃｏｌｍ ａｉ ｇ ｍ ｉ ｏ ｌ ｉ ｔ ｒ ｒ ｎ ｒ
，
此我们选择 了 Ｃ ｅｎ － ｒｅ 装 置 ，它使 用 了平 面光栅 ， ｚｒｙＴｕｎｒ 结 构加工与装调简单方便 。 对传统结构的劣势进行 了针对性 并
辨率成像功能； 通过模拟计算对设计结果进行了分析与评 ２ 光学系统设计研究
价， 为原理样机搭建工作奠定 了基础 。
望远镜系统使用离轴抛物镜 ，所成狭缝 像像差 小 ， 易设
１ 成像 光谱 仪结构简述
日前国外各种相关仪器主要有 以下特点 ： 采用镜 片数量 少的反射 式 系统 ， ＡＩ Ｓ的 Ｅ ｅｔ ａｔ 如 Ｒ ｂ ｒ Ｆ ｓｉ ｅ结构 、ＲＡＩ ＤＳ的
（ Ｒ２０ （ － ） 一 Ｒ２ｉ （ － ） － ｓ０ ｃ ， ｎ ０－ ｓ ）
一
３ １ ４９
（ Ｒ２ｏ （ 一 ２ ， Ｒ２ ｉ（ 一 ２ ） ～ ｓ ｃ ） 一 ｎ ｓ ）
３ 光学系统实例设计与分析
， ３ １ 实例 设 计 ．
一
（ Ｌ ｖ ｏ ， Ｌ ｓ埘 ） 一 ｃ 一 ｃ ｉ
ＭＣ Ｐ表面 的量子效率低 ， 需要加镀光 电阴极 以提高 响应 ； 对
于 １ ０ ０ ｍ波段 ，光电阴极采用碘化铯 ，而对 ２ ０ ０ ０ ４２ ０ｎ ０ ￣３０ ｎ ｍ波段 ， 光电阴极则 采用 碲化铯 。根 据探 测 的粒子 波段 分 析 可知在 １ ０ １ ｍ处 无重要粒 子辐射分 布 ， ９ ￣２ ０ｎ 允许一 定间 断， 故可将探测器接收表面按设计 进行分块 镀膜 ，以实 现光
第 ３ 卷 ， １ 期 ｌ 第 ２
２０１１年 １２月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ １Ｎ ．２ｐ３１—４２ ｏ ３ ， ｏ１，ｐ４７３２ ．
Ｄｅｅ ｅ ，２ １ ｃｍｂ ｒ ０ １
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ１Ａｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
探 测。 在样机初 步实验中我们选 择了 ＷＳ Ａ探测器 。 另外 ， 裸
系统的主要像差为慧差和像 散 。 慧差产生 的原因是光线 的离轴入射 。 根据 Ｓ ａｅ 方程 ＿有 ｈ ｆｒ ９
ｓ ＆／ ｉ １一 （ ／ ） （ｏ ｉ ｓ２ ｃ ｃｓ 。 ｉ ｓ８ ｎ ｎ Ｒ２Ｒ１。 ｃｓｃ ￣／ｏ ｏ ） ｏ （） １
去除 ２ ０ｎ 以下波段 的高通滤 光片 ，在远 紫外 观测 时则切 ０ ｍ 换能去除 ２ ０Ｄｎ以上波段 的低 通滤光 片 。在实 现成像 功能 ０ ｉ 时二级谱基本无影响 ， 以不使 用滤光 片 。 本结构 示意 图 可 基
如 图 ２ 。
式中：
一
（ ／ ）Ｏ ，／ 一 （ ／ ）ｅ＆ Ｒ汀 ２ Ｃｓ Ｒ６ ２ ｓｃ
路 的同时探测的功能 。 由探 测 波段 可 知 ， ２０ ３ ０ｎｎ处 会 有 ｌ Ｏ １ ０ｎｎ 在 ４ ￣ ０ ｒ ２ ～ ５ ｌ
Ｒ 和 Ｒ 是 准直镜 和聚焦镜 的曲率半 径 ， 和 ＆ 是 准 ｚ
直镜和聚焦镜 中心光线 的入射角 ，ｉ ０为光 栅 的入 射角 和 和 衍射角 。 入射角通 常较 小 ，所 以 ｃ 和 ｃ 近似 等于 １ ｏ ｏ ，
式 （） 改 写 为 ｉ可
ｓ ＆／ｉ ＇ ｉ ｓｋ ｎ ｎ １一 （ ２Ｒ１ ｃ ｓ ｃｓ） Ｒ ／ ）（ｏｉ ｏＯ。 ／ （） ２
的二级谱影响 ， 故在入射狭缝后需 放置滤 光片轮 ；样机 是根 据临边观测原理进行设计的 ， 这种观测方式 是按照大 气层高 度来进行切片观测 ，两种波段粒 子分布 高度不 同，所 以滤光
Ｆｉ． Ｓ ｈ ｍ ａ ｉ ｉ ｇ ａ ｆＣｚ ｒ ｙ Ｔｕ ｎ ｒ ｇ３ ｃ ｅ ｔｃ ｄ ａ ｒ ｍ ｏ ｅ ｎ － ｒ ｅ ｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｃ ｒ ｍ ｅｅ ｍ ｇ ｎ ｐｅ ｔ ｏ ｔ ｒ
码 获得 二维成像信息 和光谱信 息 ， 敏度高 ， 灵 适用 于微弱 光
片轮可 以根据观测高度来进行切换 ， 近紫外探测 时切换能 在
将 Ｒ ， 和 设为常量 ， Ｒｚ 对聚焦镜 的入射角 进行优
化可消除慧差 。
反射镜子午方 向和弧矢方 向上 的不 同焦长会导致狭缝像 沿狭缝高度扩散 ， 而产 生像散 。系统扩展焦长表示如下ｌ］ 从
ａ 一 △（ ｓ ｆ 一 Ｔ ＋ △（ ２一 ＿Ｔ ） ＿ｓ 厂 ） 厂 ２ （） ３ （） ４
收 稿 日期 ：２ １ １Ｉ 。 订 日期 ：２ １ 一３２ ０ Ｏｌ－５ 修 ０ １Ｏ —Ｏ
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ １７ １６ 和应用光学 国家重点实验室基金项 目资助 ４０４２ ） 作者简介 ： 于 磊 ， ９４ １ ８ 年生 ， 中国科学 院长 春光学精密机械与物理研究所博士研究生
难 以在地 面上进行观测 ，且 电离层 （ 空紫外 波段 主要分布 真 空间） 易受扰动 ，实 时变化 快 ，因而 只有空 间遥 感才 能进行
行之 有效 的探测 。目前 国外相关星载成像光谱 仪主要包括观
测 远紫外 的 ＡＩ Ｓ Ｇ Ｒ ， ＵＶＩ Ｒ Ｄ ， ＡＩ Ｓ和 Ｉ ＭＡＧＥ 观测近紫外 Ｒ，
设 计方法和设计结果合理 可行 。
关键词
真空紫外 ；成像光谱仪 ； 像差校 正 ； 光谱分辨率
文献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ ｉ ０—５ ３ ２ １ ）２３ １—６ Ｏ ：１． ９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ Ｉ １—４ ７０ ｓ
中 图 分 类 号 ： ３． ； ０４ ３ １ ＴＨ７ ４ １ ４ ．
３ ０ｎ 的紫外可见波段和小于 １０ｎ 的极 紫外波 段 ，而对 ０ ｍ ０ ｍ
于 包 含 真 空 紫 外 波 段 的 １０ ３０ｎ 的研 究 尚属 空 白 。 一 ０ ￣ ０ ｍ 这
波 段 的辐 射 粒 子 主要 分 布 在 平 流层 、 热层 、 电离 层 和 极 光
成像光谱仪是在多光谱遥感基础上发展形成的新 型光学 仪器 ， 它能 以高光谱分辨率 和高空 间分辨率 同时获得连续多 谱段 图像 ， 兼具 摄 谱仪 的成 像 功能 和单 色仪 的光 谱分 析能 力， 这些功 能可 以使遥 感应 用在 光谱 维 和空 问维 上 同时展 开， 达到分析地球表层大气 的 目的ｌ 。目前光栅 型的成像光 ２ ］ 谱仪 应用范围最广 。真 空紫外 波段 辐射 弱 ，易被 大气 吸收 ，
我们引入向量几何和一阶微分方法来推 导该 系统全波段像差
校正条件 。 如图 ４所示 ， 建立一个二维 向量坐标 系，可 以获得儿个 向量三角形 ： ＢＯ， Ｏ Ｃ，Ｏ ＯＣ 各 个 向量 Ａ ＡＢ０， Ｂ ＢＣ 和 Ｃ。
表 示 如 下
第 １ 期 ２
一
光谱学 与光谱分 析
遥感 ， 设计 了一种高分辨率成像光谱仪 ，并开展了原理样机 的研制 。根据国外 已有载荷进行分析 ，选用 了以
离轴抛物镜为望远 系统 、 ｚ ｎ－ｕｎｒ 构为成像光谱系统 的光 学方案 ； Ｃｅ ｙＴ ｒｅ结 ｒ 针对真空 紫外波段辐射 弱的特点
选取 了带有 ＭＣ Ｐ的二维光子计数型探测器 。为 了实现该光学系统 的宽波段成像功 能，在像差理论 的基础上
一
（ Ｌ ｃ ｓ ， Ｌ Ｆ ｉ ） ～ ０ 一 Ｇ ｎ ｓ
磅 一 ［ Ｈ ｏ（＆一 ）ＬＩｉ ２ ］ 一Ｌ ｓ２ ，Ｆｓ （￣一 ） ｃ ｎ
带 ， 中辐 射分 布在 ２ ０ ０ ｒ 波段 内的粒子主要成 分如 其 ０ ￣３ ０ｎｎ
引 言
大气 中的紫外光辐射对人类有着极 为重要 的意义 ， 紫 对
外 波段探测 数据进行反演建立大气模型 ，可 以实 现大气 预警 和监测 ｌ 。近 年来 ，国 内 的星 载设 备研 究 主 要 集 中在 大 于 １ ］
计 。后续 光谱 成像 系统是本文 的主要研究 内容 。
２ １ 主 要像 差 ．
Ｃ ｅｎ － ｕｎ ｒ ｚｒｙＴ ｒｅ 系统 由准直镜 、平 面光栅 和 聚焦镜 共 同
构 成 。如 图 ３ 。
Ｗａ ｓ ｏｔ ｄｗ ｒ ｈ结构和 Ｃ ＯＳ的 Ｒ ｗｌｎ ｏ ａｄ结构 ； 传输效率较 低 ， 其 因此普通探测器如 Ｃ Ｄ等无法应用 ， Ｃ 需要使用 带有 ＭＣ Ｐ的
为准 直镜焦距 ，， 为聚焦镜 焦距 ，Ｔ和 ｓ代表 子午 ２
方 向和弧矢方向。当 ａ ｆ为 ０ ， 时 像散最小 。 设计时取准直镜 为球 面镜 ，固定聚焦镜弧矢方 向上 的曲率半径 ，只对 其子午
方 向上的曲率半径进行调整就可 以消除像散 ， 这种 聚焦镜 的 形式是超环 面镜 。需要注意像 散的校正仍依 赖于波长 。
的改进 ，从而获得了成像效果优 良的结构 。 带有 ＭＣ Ｐ的二维 成像 光 子计 数型 探测器 有 Ｘ ＤＬ探 测
器 、ＷＳ Ａ探测器 、ＭＡＭＡ探测 器ｌ 等 ，这种 类型 的探测 器 ８
特点足 ，通过微通道板实现入射光子 的二次 电子碰撞 ， 得 获 １ １。 电子增益 ， Ｏ～ Ｏ 的 并对落在 阳极 上的电子云进行位置 解
２ ２ 宽波段像差校正条件 ．
传 统 Ｃｅｎ－ ｕｎｒ ｚ ｙ ｒｅ系统难 以在 宽波段上保 持相 同的成 ｒ Ｔ
像性 能。这是 由于各个波长不能在聚焦镜上保持相 同的入射 角 ，因此使各个波长得 到校正 的最优 条件也 不 同 ］ 。为此 ，
成像镜
Ｆｉ．２ Ｔｈｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈｅｉ ａ ｉ ｐｅ ｔｏｍ ｅｅ ｇ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆｔ ｍ ｇｎｇ ｓ ｃ ｒ ｔｒ
高分 辨 率 星载 真 空紫 外 成 像光 谱 仪 设计 与研 究
于 磊 ， 林冠 宇 ，曲 艺 ， 淑荣 ，汪龙祺 王
１ ．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春 １ ０ ３ ３０３ ２ ．中国科学院研究生院 ， 京 北 １ ０４ ００ ９
摘
要
为 了实现对 大气 层中辐射波长分布在真空紫外和 近紫外波段 （ １ ￣３０ｎ 的粒子探测 ， Ｉ ５ ０ ｍ） 完善大气
图 １ 所示 ，它们 分布在地球表 面 ５ Ｏｋ 内的大气层 中。 ～５ ｍ 辐射分布在 １０ ０ ｍ 波段内的粒 子 （ ０ ￣２ ０ｎ 如表 １ 主要分 ） 布在 ５ ￣５ ０ｋ 的大气层 中。 ０ ０ ｍ
Ｔａ ｅ １ Ｋ ｅ ｒ ｉｌ ｎ ｖ ｃ ｕ ｌｒ ｖｏ ｅ ｎ ａｔ ｏ ｐｈ ｒ ｂｌ ｙｐａ ｔｃｅ ｉ ａ ｕ ｍ ｕｔ ａ ｉｌ ｔｉ ｍ ｓ ｅｅ
引入 了几何与一 阶微分 的数学方法 ， 解决 了传统结构像差 校正不均匀 、 间分辨率低 的缺点 ； 终设计得 到 空 最 了改进型的成像光谱仪 。对设计结果进行模拟和光谱分 辨率计算 分析可知 这种成像 光谱仪全 视场全 波段调 制传递 函数值在 ０ ６以上 ，光谱 分辨率达到 １ ２ ｍ， ． ． ３ｎ 具有 良好 的性 能。这种方案工程实现性好 ， 性能优越 ，
＊通 讯 联 系人 ｅｍａ ：ｗｓｏ ｇ ｃｏ ． ｃｃ － ｉ ｌ ｒｎ ＠ ｉ ｍｐ ａ．ｒ ｌ
ｅ ａ ： ｏ ｌｏ Baidu Nhomakorabea ｍａ． ｓ ．ｄ ． ｎ － ｉ ｔ ｇ ｄ＠ｅ ｉ ｕｔ ｅ ｕｃ ｍ ｌ ｐ ｌ ｃ
３ １ ４８
光谱学与光谱分析
第 ３ 卷 １
成像光谱 系统进行 了优化设计 ， 使之能实现较 宽波段 的高分
的Ｇ ＯＭＥ， Ｃ ＡＭＡ ＳＩ ＣＨＹ，以及 ＨＳ 中的 ｃ ｓ等 Ｊ Ｔ Ｏ 。
Ｆｉ．１ Ｋ ｅ ａ ｔｃｅ ｎ ｅ ｒ ｕ ｔａ ｉ ｌｔｉ ａ ｍ ｏ ｐｈｅ ｅ ｇ ｙ ｐ ｒ ｉｌｓ ｉ ｎ ａ － ｌｒ ｖ ｏｅ ｎ ｔ ｓ ｒ
本 文主要研究 了真空紫外成 像光谱 仪 的结构 ，并着重对
Ｃｏｌｍ ａｉ ｇ ｍ ｉ ｏ ｌ ｉ ｔ ｒ ｒ ｎ ｒ
，
此我们选择 了 Ｃ ｅｎ － ｒｅ 装 置 ，它使 用 了平 面光栅 ， ｚｒｙＴｕｎｒ 结 构加工与装调简单方便 。 对传统结构的劣势进行 了针对性 并
辨率成像功能； 通过模拟计算对设计结果进行了分析与评 ２ 光学系统设计研究
价， 为原理样机搭建工作奠定 了基础 。
望远镜系统使用离轴抛物镜 ，所成狭缝 像像差 小 ， 易设
１ 成像 光谱 仪结构简述
日前国外各种相关仪器主要有 以下特点 ： 采用镜 片数量 少的反射 式 系统 ， ＡＩ Ｓ的 Ｅ ｅｔ ａｔ 如 Ｒ ｂ ｒ Ｆ ｓｉ ｅ结构 、ＲＡＩ ＤＳ的
（ Ｒ２０ （ － ） 一 Ｒ２ｉ （ － ） － ｓ０ ｃ ， ｎ ０－ ｓ ）
一
３ １ ４９
（ Ｒ２ｏ （ 一 ２ ， Ｒ２ ｉ（ 一 ２ ） ～ ｓ ｃ ） 一 ｎ ｓ ）
３ 光学系统实例设计与分析
， ３ １ 实例 设 计 ．
一
（ Ｌ ｖ ｏ ， Ｌ ｓ埘 ） 一 ｃ 一 ｃ ｉ
ＭＣ Ｐ表面 的量子效率低 ， 需要加镀光 电阴极 以提高 响应 ； 对
于 １ ０ ０ ｍ波段 ，光电阴极采用碘化铯 ，而对 ２ ０ ０ ０ ４２ ０ｎ ０ ￣３０ ｎ ｍ波段 ， 光电阴极则 采用 碲化铯 。根 据探 测 的粒子 波段 分 析 可知在 １ ０ １ ｍ处 无重要粒 子辐射分 布 ， ９ ￣２ ０ｎ 允许一 定间 断， 故可将探测器接收表面按设计 进行分块 镀膜 ，以实 现光
第 ３ 卷 ， １ 期 ｌ 第 ２
２０１１年 １２月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ １ １Ｎ ．２ｐ３１—４２ ｏ ３ ， ｏ１，ｐ４７３２ ．
Ｄｅｅ ｅ ，２ １ ｃｍｂ ｒ ０ １
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ１Ａｎ ｌｓｓ ｐ ｃｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔａ ａｙ ｉ
探 测。 在样机初 步实验中我们选 择了 ＷＳ Ａ探测器 。 另外 ， 裸
系统的主要像差为慧差和像 散 。 慧差产生 的原因是光线 的离轴入射 。 根据 Ｓ ａｅ 方程 ＿有 ｈ ｆｒ ９
ｓ ＆／ ｉ １一 （ ／ ） （ｏ ｉ ｓ２ ｃ ｃｓ 。 ｉ ｓ８ ｎ ｎ Ｒ２Ｒ１。 ｃｓｃ ￣／ｏ ｏ ） ｏ （） １
去除 ２ ０ｎ 以下波段 的高通滤 光片 ，在远 紫外 观测 时则切 ０ ｍ 换能去除 ２ ０Ｄｎ以上波段 的低 通滤光 片 。在实 现成像 功能 ０ ｉ 时二级谱基本无影响 ， 以不使 用滤光 片 。 本结构 示意 图 可 基
如 图 ２ 。
式中：
一
（ ／ ）Ｏ ，／ 一 （ ／ ）ｅ＆ Ｒ汀 ２ Ｃｓ Ｒ６ ２ ｓｃ
路 的同时探测的功能 。 由探 测 波段 可 知 ， ２０ ３ ０ｎｎ处 会 有 ｌ Ｏ １ ０ｎｎ 在 ４ ￣ ０ ｒ ２ ～ ５ ｌ
Ｒ 和 Ｒ 是 准直镜 和聚焦镜 的曲率半 径 ， 和 ＆ 是 准 ｚ
直镜和聚焦镜 中心光线 的入射角 ，ｉ ０为光 栅 的入 射角 和 和 衍射角 。 入射角通 常较 小 ，所 以 ｃ 和 ｃ 近似 等于 １ ｏ ｏ ，
式 （） 改 写 为 ｉ可
ｓ ＆／ｉ ＇ ｉ ｓｋ ｎ ｎ １一 （ ２Ｒ１ ｃ ｓ ｃｓ） Ｒ ／ ）（ｏｉ ｏＯ。 ／ （） ２
的二级谱影响 ， 故在入射狭缝后需 放置滤 光片轮 ；样机 是根 据临边观测原理进行设计的 ， 这种观测方式 是按照大 气层高 度来进行切片观测 ，两种波段粒 子分布 高度不 同，所 以滤光
Ｆｉ． Ｓ ｈ ｍ ａ ｉ ｉ ｇ ａ ｆＣｚ ｒ ｙ Ｔｕ ｎ ｒ ｇ３ ｃ ｅ ｔｃ ｄ ａ ｒ ｍ ｏ ｅ ｎ － ｒ ｅ ｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｃ ｒ ｍ ｅｅ ｍ ｇ ｎ ｐｅ ｔ ｏ ｔ ｒ
码 获得 二维成像信息 和光谱信 息 ， 敏度高 ， 灵 适用 于微弱 光
片轮可 以根据观测高度来进行切换 ， 近紫外探测 时切换能 在
将 Ｒ ， 和 设为常量 ， Ｒｚ 对聚焦镜 的入射角 进行优
化可消除慧差 。
反射镜子午方 向和弧矢方 向上 的不 同焦长会导致狭缝像 沿狭缝高度扩散 ， 而产 生像散 。系统扩展焦长表示如下ｌ］ 从
ａ 一 △（ ｓ ｆ 一 Ｔ ＋ △（ ２一 ＿Ｔ ） ＿ｓ 厂 ） 厂 ２ （） ３ （） ４
收 稿 日期 ：２ １ １Ｉ 。 订 日期 ：２ １ 一３２ ０ Ｏｌ－５ 修 ０ １Ｏ —Ｏ
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ １７ １６ 和应用光学 国家重点实验室基金项 目资助 ４０４２ ） 作者简介 ： 于 磊 ， ９４ １ ８ 年生 ， 中国科学 院长 春光学精密机械与物理研究所博士研究生
难 以在地 面上进行观测 ，且 电离层 （ 空紫外 波段 主要分布 真 空间） 易受扰动 ，实 时变化 快 ，因而 只有空 间遥 感才 能进行
行之 有效 的探测 。目前 国外相关星载成像光谱 仪主要包括观
测 远紫外 的 ＡＩ Ｓ Ｇ Ｒ ， ＵＶＩ Ｒ Ｄ ， ＡＩ Ｓ和 Ｉ ＭＡＧＥ 观测近紫外 Ｒ，
设 计方法和设计结果合理 可行 。
关键词
真空紫外 ；成像光谱仪 ； 像差校 正 ； 光谱分辨率
文献标 识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ ｉ ０—５ ３ ２ １ ）２３ １—６ Ｏ ：１． ９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ Ｉ １—４ ７０ ｓ
中 图 分 类 号 ： ３． ； ０４ ３ １ ＴＨ７ ４ １ ４ ．
３ ０ｎ 的紫外可见波段和小于 １０ｎ 的极 紫外波 段 ，而对 ０ ｍ ０ ｍ
于 包 含 真 空 紫 外 波 段 的 １０ ３０ｎ 的研 究 尚属 空 白 。 一 ０ ￣ ０ ｍ 这
波 段 的辐 射 粒 子 主要 分 布 在 平 流层 、 热层 、 电离 层 和 极 光
成像光谱仪是在多光谱遥感基础上发展形成的新 型光学 仪器 ， 它能 以高光谱分辨率 和高空 间分辨率 同时获得连续多 谱段 图像 ， 兼具 摄 谱仪 的成 像 功能 和单 色仪 的光 谱分 析能 力， 这些功 能可 以使遥 感应 用在 光谱 维 和空 问维 上 同时展 开， 达到分析地球表层大气 的 目的ｌ 。目前光栅 型的成像光 ２ ］ 谱仪 应用范围最广 。真 空紫外 波段 辐射 弱 ，易被 大气 吸收 ，
我们引入向量几何和一阶微分方法来推 导该 系统全波段像差
校正条件 。 如图 ４所示 ， 建立一个二维 向量坐标 系，可 以获得儿个 向量三角形 ： ＢＯ， Ｏ Ｃ，Ｏ ＯＣ 各 个 向量 Ａ ＡＢ０， Ｂ ＢＣ 和 Ｃ。
表 示 如 下
第 １ 期 ２
一
光谱学 与光谱分 析
遥感 ， 设计 了一种高分辨率成像光谱仪 ，并开展了原理样机 的研制 。根据国外 已有载荷进行分析 ，选用 了以
离轴抛物镜为望远 系统 、 ｚ ｎ－ｕｎｒ 构为成像光谱系统 的光 学方案 ； Ｃｅ ｙＴ ｒｅ结 ｒ 针对真空 紫外波段辐射 弱的特点
选取 了带有 ＭＣ Ｐ的二维光子计数型探测器 。为 了实现该光学系统 的宽波段成像功 能，在像差理论 的基础上
一
（ Ｌ ｃ ｓ ， Ｌ Ｆ ｉ ） ～ ０ 一 Ｇ ｎ ｓ
磅 一 ［ Ｈ ｏ（＆一 ）ＬＩｉ ２ ］ 一Ｌ ｓ２ ，Ｆｓ （￣一 ） ｃ ｎ
带 ， 中辐 射分 布在 ２ ０ ０ ｒ 波段 内的粒子主要成 分如 其 ０ ￣３ ０ｎｎ
引 言
大气 中的紫外光辐射对人类有着极 为重要 的意义 ， 紫 对
外 波段探测 数据进行反演建立大气模型 ，可 以实 现大气 预警 和监测 ｌ 。近 年来 ，国 内 的星 载设 备研 究 主 要 集 中在 大 于 １ ］
计 。后续 光谱 成像 系统是本文 的主要研究 内容 。
２ １ 主 要像 差 ．
Ｃ ｅｎ － ｕｎ ｒ ｚｒｙＴ ｒｅ 系统 由准直镜 、平 面光栅 和 聚焦镜 共 同
构 成 。如 图 ３ 。
Ｗａ ｓ ｏｔ ｄｗ ｒ ｈ结构和 Ｃ ＯＳ的 Ｒ ｗｌｎ ｏ ａｄ结构 ； 传输效率较 低 ， 其 因此普通探测器如 Ｃ Ｄ等无法应用 ， Ｃ 需要使用 带有 ＭＣ Ｐ的
为准 直镜焦距 ，， 为聚焦镜 焦距 ，Ｔ和 ｓ代表 子午 ２
方 向和弧矢方向。当 ａ ｆ为 ０ ， 时 像散最小 。 设计时取准直镜 为球 面镜 ，固定聚焦镜弧矢方 向上 的曲率半径 ，只对 其子午
方 向上的曲率半径进行调整就可 以消除像散 ， 这种 聚焦镜 的 形式是超环 面镜 。需要注意像 散的校正仍依 赖于波长 。
的改进 ，从而获得了成像效果优 良的结构 。 带有 ＭＣ Ｐ的二维 成像 光 子计 数型 探测器 有 Ｘ ＤＬ探 测
器 、ＷＳ Ａ探测器 、ＭＡＭＡ探测 器ｌ 等 ，这种 类型 的探测 器 ８
特点足 ，通过微通道板实现入射光子 的二次 电子碰撞 ， 得 获 １ １。 电子增益 ， Ｏ～ Ｏ 的 并对落在 阳极 上的电子云进行位置 解
２ ２ 宽波段像差校正条件 ．
传 统 Ｃｅｎ－ ｕｎｒ ｚ ｙ ｒｅ系统难 以在 宽波段上保 持相 同的成 ｒ Ｔ
像性 能。这是 由于各个波长不能在聚焦镜上保持相 同的入射 角 ，因此使各个波长得 到校正 的最优 条件也 不 同 ］ 。为此 ，
成像镜
Ｆｉ．２ Ｔｈｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｈｅｉ ａ ｉ ｐｅ ｔｏｍ ｅｅ ｇ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆｔ ｍ ｇｎｇ ｓ ｃ ｒ ｔｒ
高分 辨 率 星载 真 空紫 外 成 像光 谱 仪 设计 与研 究
于 磊 ， 林冠 宇 ，曲 艺 ， 淑荣 ，汪龙祺 王
１ ．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 ， 吉林 长春 １ ０ ３ ３０３ ２ ．中国科学院研究生院 ， 京 北 １ ０４ ００ ９
摘
要
为 了实现对 大气 层中辐射波长分布在真空紫外和 近紫外波段 （ １ ￣３０ｎ 的粒子探测 ， Ｉ ５ ０ ｍ） 完善大气
图 １ 所示 ，它们 分布在地球表 面 ５ Ｏｋ 内的大气层 中。 ～５ ｍ 辐射分布在 １０ ０ ｍ 波段内的粒 子 （ ０ ￣２ ０ｎ 如表 １ 主要分 ） 布在 ５ ￣５ ０ｋ 的大气层 中。 ０ ０ ｍ
Ｔａ ｅ １ Ｋ ｅ ｒ ｉｌ ｎ ｖ ｃ ｕ ｌｒ ｖｏ ｅ ｎ ａｔ ｏ ｐｈ ｒ ｂｌ ｙｐａ ｔｃｅ ｉ ａ ｕ ｍ ｕｔ ａ ｉｌ ｔｉ ｍ ｓ ｅｅ
引入 了几何与一 阶微分 的数学方法 ， 解决 了传统结构像差 校正不均匀 、 间分辨率低 的缺点 ； 终设计得 到 空 最 了改进型的成像光谱仪 。对设计结果进行模拟和光谱分 辨率计算 分析可知 这种成像 光谱仪全 视场全 波段调 制传递 函数值在 ０ ６以上 ，光谱 分辨率达到 １ ２ ｍ， ． ． ３ｎ 具有 良好 的性 能。这种方案工程实现性好 ， 性能优越 ，
＊通 讯 联 系人 ｅｍａ ：ｗｓｏ ｇ ｃｏ ． ｃｃ － ｉ ｌ ｒｎ ＠ ｉ ｍｐ ａ．ｒ ｌ
ｅ ａ ： ｏ ｌｏ Baidu Nhomakorabea ｍａ． ｓ ．ｄ ． ｎ － ｉ ｔ ｇ ｄ＠ｅ ｉ ｕｔ ｅ ｕｃ ｍ ｌ ｐ ｌ ｃ
３ １ ４８
光谱学与光谱分析
第 ３ 卷 １
成像光谱 系统进行 了优化设计 ， 使之能实现较 宽波段 的高分
的Ｇ ＯＭＥ， Ｃ ＡＭＡ ＳＩ ＣＨＹ，以及 ＨＳ 中的 ｃ ｓ等 Ｊ Ｔ Ｏ 。
Ｆｉ．１ Ｋ ｅ ａ ｔｃｅ ｎ ｅ ｒ ｕ ｔａ ｉ ｌｔｉ ａ ｍ ｏ ｐｈｅ ｅ ｇ ｙ ｐ ｒ ｉｌｓ ｉ ｎ ａ － ｌｒ ｖ ｏｅ ｎ ｔ ｓ ｒ
本 文主要研究 了真空紫外成 像光谱 仪 的结构 ，并着重对