Lymanα与可见光双波段内掩式日冕仪

王蕴琦，张 广，何玲平，郭权锋，张宏吉，王海峰，王孝东，陈 波

(中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

1 引 言

莱曼阿尔法(Lyman α)谱线由太阳中最丰富的元素——氢激发而成，是太阳物理学中的一条重要谱线。早在1970年科学家们就探测到了太阳日冕中的Lyman α辐射，从此科学家们通过对太阳Lyman α数据的分析获得了很多关于太阳色球层以及太阳内部氢原子与等离子体耦合的科学信息，并通过对Lyman α谱线随太阳半径距离的变化确定了太阳等离子的径向速度。对太阳Lyman α谱线的长期观测能够为研究太阳耀斑、日珥爆发，日冕抛射物的变化过程及它在内日冕中的动态演化和动力学特征提供实时的数据支撑，对科学研究和空间天气预报具有重要的意义。

迄今为止，比较有代表性的日冕观测设备主要有三台，分别是SOHO的LASCO[1]，法国的LOYT[2-3]和意大利的Solar Orbiter Metis[4-7]。SOHO的LASCO是最早的天基日冕仪，它由C1，C2和C3三台日冕仪组成，C1采用折反混合的光学结构，C2和C3采用透射式光学结构，LASCO通过三台日冕仪的图像拼接，其观测范围能从1.3太阳半径到30太阳半径(Rs, 1Rs=0.267°)，LASCO对太阳内日冕的观测分辨率能达到2.4″。法国的LYOT是中法合作项目，由法国的CNES(Centre National d′Etudes Spatiales)实验室负责研制Lyman α波段日冕仪，该项目只进行到方案阶段。由意大利多家科研机构研制的Solar Orbiter Metis预计于2020年2月发射，Solar Orbiter Metis采用了外掩式、同轴、折反混合的光学结构，主镜和次镜为环形球面反射镜，在主镜的中心处设计有拒热镜作为日冕仪的外掩体，Solar Orbiter Metis日冕的观测范围从1.5Rs到17Rs，可见光波段分辨率为10″，紫外波段分辨率为20″。

近年来，国内也有几家科研机构和大学开展了日冕仪研制工作[8-11]。中国科学院长春光机所、山东大学和中国科学院国家天文台等研究所及高校，针对日冕仪研制所涉及的关键技术开展了一系列攻关工作。2018年10月22日，山东大学、长春光机所和云南天文台三家单位联合，在丽江高美古观测站使用完全自主研制的地基日冕仪，获得了太阳E冕Fe XIV线的图像，观测效果与日本的YOGIS日冕仪水平相当。这是我国科学家首次获取地基太阳日冕图像。

本文提出了一种新型天基Lymanα和可见光双波段日冕仪设计方案(莱曼阿尔法太阳日冕成，SCI)，分析了利用Lyman α和700 nm谱线对日冕进行观测的可行性，计算了系统的光学参数；介绍了日冕成像光学系统的结构、设计和优化过程。对日冕仪做杂散光分析，确定了影响日冕仪杂光抑制能力的主要因素，提出了对光学元件的要求；还设计了SCI光阱、里奥(LYOT)光阑和分色镜，实现了对121.6 nm和700 nm双波段日冕成像和杂散光抑制。

2 参数计算与结构选择

日冕是在太阳日面以外部分产生的辐射，在Lyman α波段，1.1Rs处日冕辐射强度比日面辐射强度小两个数量级。在可见光波段，1.1Rs处日冕辐射强度比日面辐射强度小4个数量级，具体见图1所示[1]。日冕辐射亮度随着距离太阳中心位置距离增加而变弱，Lyman α波段辐射在2.5Rs处日冕的亮度2.6×1011ph/cm2/sr/s，700 nm辐射在2.5Rs处的辐射亮度为7.6×1011ph/cm2/sr/s。为了在强光照射条件下对微弱的日冕辐射成像，需要抑制杂光，获得足够的能量，具有足够的空间分辨率，保证获得高质量日冕图像。

为此，根据对日冕科学目标的分辨率要求，结合现有的探测器像元尺寸和传递函数参数即可计算得到SCI日冕仪的焦距长度；同时，根据日冕科学目标对信噪比的要求，结合SCI日冕仪所用光学元件和探测器量子效率的特性，即可计算得到SCI日冕仪的入瞳面积，以便获得足够的能量。

图1 各太阳半径日冕与日面相对照度曲线Fig.1 Curves of coronal relative illumination

根据日冕仪对目标观测分辨率的要求，根据日冕仪使用的探测器像元尺寸即可求得光学系统的有效焦距最小值，计算公式如下：

δ=fe·tanθ,

(1)

式中：δ为探测器像元尺寸，fe为有效焦距，θ为光学系统像元角分辨率。SCI使用探测器像元尺寸为11 μm，分辨率要求不低于2.4″，根据式(1)计算得到日冕仪系统的有效焦距不小于945.380 mm。

为了保证SCI日冕仪双工作波长在奈奎斯特采样频率处均能够获得足够的传递函数，SCI日冕仪需要拥有足够的入瞳直径。计算公式如下：

θ=1.22·λ/D，

(2)

式中：θ为光学系统的极限角分辨率，λ为工作波长，D为系统的入瞳直径。根据式(2)计算得到SCI日冕仪的入瞳直径不得小于直径36 mm。

为保留充足的设计冗余，取SCI日冕仪的入瞳为60 mm，计算SCI日冕仪的信噪比，计算公式如下：

Se=D×τ×ε×ω×Bsun，

(3)

式中：Se为探测器上每个像元在单位时间产生的电子个数，D为光学系统的入瞳面积，τ为光学系统的光谱响应(透过率)，ε为探测器的量子效率，ω为光学系统的像元角分辨率，Bsun为目标亮度。

系统信噪比(Signal to Ratio,SNR)的计算公式如下：

(4)

式中：Se为探测器上每个像元在单位时间产生的电子个数，De为探测器暗电流噪声电子数，σRMS为探测器读出噪声电子数，tint为积分时间。根据式(3)和式(4)计算得到SCI日冕仪两个通道的信噪比，如表1所示。

根据前面的设计分析与理论计算，结合工程稳定性的要求，SCI日冕仪的具体光学设计参数如表2所示。

表1 SCI日冕仪信噪比

表2 日冕仪光学系统指标要求

3 光学设计

3.1 日冕仪成像原理

日冕仪按掩体的形式可以分为两类，第一类为外掩式日冕仪，这类日冕仪的掩体处在系统的前端，掩体的形式多为边缘为锯齿形的圆盘。这类日面仪的优点是能够把日面的强光挡在系统之外，使得日冕仪本身对杂散光抑制水平要求较低，缺点是系统的渐晕比较严重，无法实现对日面边缘日冕的观测，意大利的Solar Orbiter Metis就是外掩式的日冕仪。

按照光学结构形式，日冕仪可以分为透射式、反射式和折反混合式三类。其中，反射式日冕仪的主要优点是可以通过对反射镜镀膜的控制，实现全谱段的观测。SOHO/LASCO由三台日冕仪组成，其中C1为折反混合式日冕仪，C2和C3为透射式日冕仪，由于材料透过率的限制，LASCO无法实现Lyman α波段的观测。

图2 经典的LYOT日冕仪原理图Fig.2 Structure diagram of classical LYOT corona imager

本文以LASCO C1为例，对日冕仪的工作原理进行分析。图2是LASCO C1日冕仪的光路示意图。LASCO C1是一个经典的内掩式日冕仪，其中包括物镜O1、内掩体D1、场镜O2、准直镜O3、二次成像物镜O4、里奥光阑A1六个主要部分。如图所示，物镜O1负责将太阳成像于内掩体上，内掩体D1为一个锥形圆孔，锥形圆孔的直径由物镜O1的焦距和太阳发散角决定。场镜O2和准直镜O3负责将入瞳A0的像成在LYOT光阑(A1)处，LYOT光阑能够阻挡A0产生的衍射杂光。O4是二次成像镜组，负责将日冕成像在像面F上。

LASCO C1采用折反混合的结构形式，同时继承了透射日冕仪和反射式日冕仪的优点。LASCO C1的准直系统为反射系统，系统中反射镜均为超光滑反射镜，能够很好地抑制来自散射的杂光，二次成像镜组为透射镜组，工艺性好，杂光抑制效果好。但是，由于透射系统的存在，LASCO C1无法满足对极紫外及Lyman α波段的成像要求。

SCI为了解决LASCOC1存在的问题，实现对太阳内日冕在Lyman α波段的观测，选用了内掩式、全反射光学结构。为了提高系统对杂散光的抑制水平，SCI主镜的粗糙度优于0.3 nm(RMS值)，次镜粗糙度优于0.3 nm (RMS值)，其余光学元件的粗糙度优于0.6 nm(RMS值)。

3.2 SCI初始结构设计

SCI初始结构利用了二次曲面的性质，主镜为离轴抛物面，次镜为球面，三镜为离轴椭球面。主镜抛物面的焦点位于次镜上，且与三镜抛物面的一个焦点重合。SCI的三镜为离轴椭球面，能够将一个焦点发出的光线自然地汇聚到另一个焦点处。

图3 SCI初始结构光路Fig.3 Optical path of initial structure for SCI

SCI初始结构中，内掩体圆孔的直径由主镜焦距决定，内掩体锥角由主镜离轴角度和光线发散角决定。LYOT光阑的位置受次镜曲率半径控制，优化时可以通过控制次镜出射光线的发散角度来约束LYOT光阑的位置。初始结构中主镜和次镜将入瞳成像于LYOT的位置上，次镜和三镜将日冕成像于最终像面处。SCI初始结构光路图如图3所示。

图3所示为SCI的初始结构，它由M1，M2和M3三块反射镜组成，M1作为系统的物镜，将日面成像于M2，M2中心设计有内掩体，内掩体形式上是锥形圆孔，能够将日面光漏出系统。同时M2的环形镜面作为场镜能够控制光线发散角，在配合M3将入瞳A0成像于LYOT光阑(D2)处的同时，将日冕成像于像面F。

SCI的这种初始结构充分利用了二次曲面的性质，系统能够在轴上获得完美的像点，以保证后续优化。与经典的日冕仪(图2)结构相比，SCI结构利用椭球面的性质将场镜与二次成像镜组紧密连结在一起，简化了系统的复杂程度，提升了系统的能量利用率，适用于紫外和Lyman α波段的光学系统。

3.3 SCI优化设计

在初始结构(图3)的基础上，利用光学优化设计软件中建立基于“子午方向和弧矢方向弥散斑半径(RMS值)”的评价函数，进一步优化系统，得到了SCI最终的光学结构。SCI光学3D模型如图4所示。

图4 SCI光学3D模型Fig.4 Optical three-dimensional layout of SCI

如图4所示，最终的SCI光学结构为了实现Lymanα和可见光700 nm的双波段设计，在LYOT光阑(A2)的后面增加了分光镜(M4)，并在分光镜后设计了一块平面反射镜(M5)来压缩光路的长度以适应ASO-S卫星平台的要求。详细的SCI光学元件组成如表2所示。

SCI入瞳直径为60 mm，入瞳到主镜距离930 mm，主镜通光口径为83 mm，主镜为离轴抛物面；次镜为凸环形球面反射镜，中心圆形锥孔直径与日面经过主镜所成像尺寸匹配，锥孔角度与主镜F数和离轴角度匹配，次镜中心锥孔的直径为7.8 mm，角度为±15°；三镜通光口径为106 mm；LYOT光阑直径为20.8 mm；分色镜与折叠镜的通光口径均为36.8 mm。成像仪的入瞳直径为62 nm，有效焦距为973 nm。

表2 SCI的结构组成

3.4 性能分析

SCI的视场(Field Of View, FOV)从1.1Rs延伸到2.5Rs。内部视场受限于内部掩体处的一次像面的成像质量和ASO-S卫星平台的指向精度，而外部视场受限于Lyman α和700 nm临边昏暗效应产生的渐晕以及CMOS探测器的像面尺寸。

利用光学优化设计软件光线追迹得到SCI成像仪121.6 nm通道和700 nm通道全有效视场的点列图(图5)和传递函数曲线(图6)。如图所示，SCI双通道全视场弥散斑优于10 μm，121.6 nm通道传递函数在50 lp/mm处优于0.4，700 nm通道传递函数在50 lp/mm处优于0.3。

为了达到设计指标，对不同的半径公差、面形误差和不同光学元件间的尺寸公差进行了仿真分析。分析结果表明：反射镜的半径公差要求不大于±0.5 mm；主次镜表面粗糙度不大于0.3 nm；主镜、次镜和三镜的空间位置公差不大于±0.05 mm，其他反射镜不大于±0.20 mm；主镜和三镜的角度公差不大于±3′，其他反射镜不大于±6′。SCI系统将后截距和探测器的空间角度作为公差补偿量，在ZEMAX软件中对系统的公差性能进行分析，得到SCI系统在加入公差后121.6 nm通道的MTF曲线和弥散斑点列图，如图7所示。同时，得到了SCI系统在加入公差后700 nm通道的MTF曲线图和弥散斑点列图如图8所示。

图6 SCI全有效视场传递函数曲线

图7 SCI 121.6 nm通道公差性能分析

4 工作波段设计

在完成了SCI光学设计后，为了实现SCI在121.6 nm和700 nm两个波段同时成像，并且能有效抑制带外辐射对两个波段的影响，光学系统的光学元件要具有良好的光谱响应。为此，SCI采用双波段多层反射膜和窄带滤光片配合使用的技术路线提高系统对带外辐射的抑制水平，提高信噪比，实现两个波段的同时成像。

SCI的主镜承受了进入系统中的全部太阳辐射，其表面散射对杂散光影响最大，次镜作为物面会通过三镜与日冕共同成像于最终像面。为了降低光学元件表面散射产生的杂散光，SCI主镜和次镜应具有极低的粗糙度，以确保系统的杂散光抑制水平和信噪比。经分析计算，主镜和次镜需要满足表面粗糙度RMS值优于0.3 nm，且同时满足在121.6 nm波段反射率不低于50%，在700 nm波段反射率不低于80%。

太阳辐射经过SCI主镜和次镜后，日面辐射经过次镜中间锥孔(内掩体)进入到光阱中。到达三镜的辐射只有日冕辐射部分，微弱的日冕辐射不会引发强烈的散射杂散光，因此SCI对反射面粗糙度的要求低于主镜、次镜，SCI三镜的表面粗糙度只需要优于0.6 nm(RMS值)即可满足成像和杂光抑制的要求。同时，三镜在工作波长内还应具有较高的反射率。通过在超光滑表面基底上镀制在121.6 nm和700.0 nm波段均具有较高反射率多层膜，保证三镜具有足够多的能量到达SCI像面。

SCI的四镜是分色镜，其作用是反射121.6 nm的辐射，成像到探测器感光面上；同时透过700.0 nm的辐射，进入到后面的成像和探测系统，因此，四镜采用LaF3/MgF2多层膜[12-14]，实现121.6 nm窄带范围内的高反射率及700 nm波段的高透过率。

五镜是为了减小SCI光学系统的结构尺寸，反射700 nm辐射到达相应的CMOS探测器。五镜采用平面反射镜，表面镀有700 nm高反多层膜，以保证有足够多的能量到达像面并实现良好的带外抑制。

此外，在SCI的121.6 nm探测器前布置一块121.6 nm滤光片，滤掉带外辐射，实现对121.1 nm日冕成像。在SCI的700.0 nm探测器前面布置一块700 nm窄带滤光片，滤掉带外辐射，实现对700 nm成像。SCI所使用滤光片参数如表3所示。

表3 SCI滤光片参数

SCI系统在单一波长的透过率由各元件在这个波长的反射率和透过率乘积求得。计算SCI系统在各个波长的透过率即可得到SCI系统的光谱响应曲线，即：

(5)

式中:Eλk代表SCI系统在波长λk处的透过率响应，Tmλk代表SCI系统中第m个反射镜在波长λk处的透过率，Rnλk代表SCI系统中第n个反射镜在波长λk处的反射率。

SCI系统中700 nm通道共经历主镜、次镜、三镜、分色镜(透过)、平面反射镜和窄带滤光片6个光学元件，121.6 nm通道共经历主镜、次镜、三镜、分色镜(反射)和窄带滤光片5个光学元件。根据式(1)计算SCI中各个元件的光谱响应曲线，得到SCI光学系统的光谱响应曲线，如图9所示。

图9 SCI光谱响应分布

从图9中可以看出，SCI系统在121.6 nm处的光谱响应数值为0.1，700 nm处光谱响应数值为0.07，能够获得太阳121.6 nm和700 nm双波段辐射图像，达到对两个波段成像的目的。

5 分光镜与光阑设计

5.1 分色镜设计

SCI采用共口径光学设计，系统由两部分组成：LYOT光阑之前为双波段公用的离轴三反光学系统；LYOT之后为121.6 nm和700.0 nm的两个通道的光学元件，主要包括分色镜、700 nm折转镜、波长选择滤光片和CMOS探测器。

SCI系统利用平行平板分色镜实现对Lymanα波段与可见光700.0 nm波段的分离。平行平板分光镜采用熔石英基底，双面抛光，其面形精度优于λ/50，粗糙度优于0.6 nm。分色镜正面镀有多层高反膜，只对Lyman α波段有反射率，能够反射Lyman α波段的同时自然透过700.0 nm，分色镜采用平行平板结构，在光路中倾斜20°，避免鬼像进入光路干扰成像。分色镜在Lyman α波段的反射率不低于66%，在700.0 nm的透过率不低于80%。图10为分色镜在700.0 nm波段和Lyman α波段的透射和反射特性曲线。

5.2 光阑设计

工作时，SCI对强目标边缘的弱目标进行成像观测，为了提高像面图像的对比度，需要在系统中的位置设立挡光环。为了避免太阳日面的强光入射到系统的主镜引起散射，挡光环可以有效阻止背景光及太阳日面光线照射在入瞳边缘时引起的各种角度散射光到达像面。

SCI系统采用非等高、非等距离分布的挡光环设计，设定Φ为光学镜筒的内壁直径，δ为镜筒内壁半径的预留误差，Φ0为通光孔径(直径)，θ为系统的半视场角，Δθ为半视场角预留误差，L为

图10 分色镜的透过率和反射率曲线Fig.10 Transmission and reflection curves of dichroic mirror

主镜筒总长(从入瞳开始计算到主镜前端挡光环的距离)。则除了第一个挡光环(入瞳)和最后一个挡光环(主镜压圈)外，其余挡光环的位置Di和高度Hi如下：

(1)

di=e+(Di-A)tanθ，

(2)

(3)

其中：

A=0，

(4)

B=L，

(5)

a=-Φ/2，

(6)

c=-(Φ0+2δ)/2，

(7)

g=-(Φ0+2δ)/2+Ltan(θ+Δθ)，

(8)

e=-(Φ0+2δ)/2-Ltan(θ+Δθ).

(9)

SCI系统的入瞳直径为60 mm，挡光环内径单边预留误差为0.3 mm，半视场角预留误差为0.03°，系统的点透过率函数值(Point Transmittance Function, PTF)优于1×10-6。由此计算得到SCI主镜筒挡光环的最终参数，如表3所示。

表3 主镜筒挡光环参数

表中编号1～9的位置依次从入瞳到主镜，其中后面三个挡光环由于离轴光束的影响，在通光的地方开有相应的缺口。图11为主镜筒挡光环结构。

图11 SCI主镜筒挡光环分布Fig.11 Distribution of system main baffles for SCI

除主镜筒挡光环外，为了阻挡SCI入瞳处的衍射杂散光，在系统中入瞳像面处设计了LYOT光阑，利用杂散光分析软件对SCI入瞳处的衍射杂散光进行分析，分析结果能够显示出衍射杂散光的比重，进而可以得到LYOT光阑的通光尺寸，结果如图12所示。

图12 衍射杂散光Tracepro软件分析结果Fig.12 Tracepro analysis of stray light caused by diffraction

图12(a)为LYOT光阑面上衍射环的分布，图12(b)为衍射杂光到达像面后的分布。可以看出，衍射杂散光到达像面后完全是随机分布，只能在LYOT光阑处设立光阑进行遮挡。根据分析结果，入瞳处的衍射杂散光能量约占到达像面的光线总能量的4%，因此，LYOT光阑的内径尺寸应为该处光线尺寸的96%为宜，这样既能够完全阻挡衍射杂光，又能保持系统的成像性能。此外，为了将金属表面的散射杂散光影响降至最低，SCI系统中所有光阑的内径都采用了刀口设计，防止散射的发生。

如前所述，SCI的主镜和次镜的粗糙度RMS值优于0.3 nm，其它光学元件粗糙度RMS值优于0.6 nm，光路中机械元件表面做涂黑处理，光阑片边缘做刀口处理，以提高系统的杂散光抑制水平。在杂散光分析软件中建立SCI光机结构模型进行杂散光分析，结果如图13所示。

图13 SCI光机模型杂散光分析结果Fig.13 Analysis results of stray light for SCI model

如图13所示，SCI杂散光抑制水平在1.1Rs处优于5×10-7，在2.5Rs处满足3×10-8，系统的杂散光抑制水平优于1.1Rs到2.5Rs处的日冕亮度，能够保证观测到太阳1.1Rs～2.5Rs的日冕图像。

6 光机结构布局

根据SCI日冕仪光学结构及仪器本身对杂散光抑制性能的要求，对SCI日冕仪光机结构布局进行了初步设计。SCI日冕仪结构主要由主镜、次镜、三镜、反射镜、滤光片组件、偏振组件、快门组件、光阑、挡光板和探测器组件等构成，与上盖板组成光学箱体，其余组件安装在光学箱体内部和外壁上，布局如图14所示。

图14 SCI日冕仪光机结构布局Fig.14 Structure diagram of SCI

为满足天基日冕仪对稳定性和轻量化的要求，SCI日冕仪对框架支撑结构与挡光环进行了一体化设计，同时满足了SCI日冕仪作为航天载荷对刚度、强度以及轻量化的要求。为满足对杂散光抑制性能的要求，SCI日冕仪采用分腔结构，腔室内壁进行了消光处理，腔室内部的结构简单，空间分配合理，尤其是主镜框架部分。分腔形式的结构布局在隔离光路的同时降低了强光照射下结构内壁二次散射光对光路的影响，提高了系统的杂散光抑制水平。

7 结 论

本文设计了一种双波段内掩式日冕仪，系统采用双波段共口径设计，LYOT之前为双波段共用的离轴三反光学系统，LYOT光阑之后设计有光学分色镜，将121.6 nm和700 nm两个波段分开，分开后的光束再经由各自的后置滤光片滤光，分别成像到各自的CMOS探测器上。分色镜只对121.6 nm波段辐射有反射，对700 nm波段透过。SCI日冕成像仪的有效视场为0.294°～0.668°的环形视场，成像覆盖1.1Rs～2.5Rs的全部日冕目标，SCI光学系统的有效视场弥散斑优于10 μm。SCI日冕仪整机双通道角分辨率均优于4.8 ″，杂光抑制水平在1.1Rs处优于10-6量级，2.5Rs处优于10-8量级，可以在121.6 nm和700 nm两个波段对日冕进行成像。SCI日冕仪系统结构紧凑、性能优异，适合空间应用。