王蘊琦，張 廣，何玲平，郭權鋒，張宏吉，王海峰，王孝東，陳 波

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

萊曼阿爾法(Lyman α)譜線由太陽中最豐富的元素——氫激發(fā)而成，是太陽物理學中的一條重要譜線。早在1970年科學家們就探測到了太陽日冕中的Lyman α輻射，從此科學家們通過對太陽Lyman α數據的分析獲得了很多關于太陽色球層以及太陽內部氫原子與等離子體耦合的科學信息，并通過對Lyman α譜線隨太陽半徑距離的變化確定了太陽等離子的徑向速度。對太陽Lyman α譜線的長期觀測能夠為研究太陽耀斑、日珥爆發(fā)，日冕拋射物的變化過程及它在內日冕中的動態(tài)演化和動力學特征提供實時的數據支撐，對科學研究和空間天氣預報具有重要的意義。

迄今為止，比較有代表性的日冕觀測設備主要有三臺，分別是SOHO的LASCO[1]，法國的LOYT[2-3]和意大利的Solar Orbiter Metis[4-7]。SOHO的LASCO是最早的天基日冕儀，它由C1，C2和C3三臺日冕儀組成，C1采用折反混合的光學結構，C2和C3采用透射式光學結構，LASCO通過三臺日冕儀的圖像拼接，其觀測范圍能從1.3太陽半徑到30太陽半徑(Rs, 1Rs=0.267°)，LASCO對太陽內日冕的觀測分辨率能達到2.4″。法國的LYOT是中法合作項目，由法國的CNES(Centre National d′Etudes Spatiales)實驗室負責研制Lyman α波段日冕儀，該項目只進行到方案階段。由意大利多家科研機構研制的Solar Orbiter Metis預計于2020年2月發(fā)射，Solar Orbiter Metis采用了外掩式、同軸、折反混合的光學結構，主鏡和次鏡為環(huán)形球面反射鏡，在主鏡的中心處設計有拒熱鏡作為日冕儀的外掩體，Solar Orbiter Metis日冕的觀測范圍從1.5Rs到17Rs，可見光波段分辨率為10″，紫外波段分辨率為20″。

近年來，國內也有幾家科研機構和大學開展了日冕儀研制工作[8-11]。中國科學院長春光機所、山東大學和中國科學院國家天文臺等研究所及高校，針對日冕儀研制所涉及的關鍵技術開展了一系列攻關工作。2018年10月22日，山東大學、長春光機所和云南天文臺三家單位聯合，在麗江高美古觀測站使用完全自主研制的地基日冕儀，獲得了太陽E冕Fe XIV線的圖像，觀測效果與日本的YOGIS日冕儀水平相當。這是我國科學家首次獲取地基太陽日冕圖像。

本文提出了一種新型天基Lymanα和可見光雙波段日冕儀設計方案(萊曼阿爾法太陽日冕成，SCI)，分析了利用Lyman α和700 nm譜線對日冕進行觀測的可行性，計算了系統的光學參數；介紹了日冕成像光學系統的結構、設計和優(yōu)化過程。對日冕儀做雜散光分析，確定了影響日冕儀雜光抑制能力的主要因素，提出了對光學元件的要求；還設計了SCI光阱、里奧(LYOT)光闌和分色鏡，實現了對121.6 nm和700 nm雙波段日冕成像和雜散光抑制。

2 參數計算與結構選擇

日冕是在太陽日面以外部分產生的輻射，在Lyman α波段，1.1Rs處日冕輻射強度比日面輻射強度小兩個數量級。在可見光波段，1.1Rs處日冕輻射強度比日面輻射強度小4個數量級，具體見圖1所示[1]。日冕輻射亮度隨著距離太陽中心位置距離增加而變弱，Lyman α波段輻射在2.5Rs處日冕的亮度2.6×1011ph/cm2/sr/s，700 nm輻射在2.5Rs處的輻射亮度為7.6×1011ph/cm2/sr/s。為了在強光照射條件下對微弱的日冕輻射成像，需要抑制雜光，獲得足夠的能量，具有足夠的空間分辨率，保證獲得高質量日冕圖像。

為此，根據對日冕科學目標的分辨率要求，結合現有的探測器像元尺寸和傳遞函數參數即可計算得到SCI日冕儀的焦距長度；同時，根據日冕科學目標對信噪比的要求，結合SCI日冕儀所用光學元件和探測器量子效率的特性，即可計算得到SCI日冕儀的入瞳面積，以便獲得足夠的能量。

圖1 各太陽半徑日冕與日面相對照度曲線Fig.1 Curves of coronal relative illumination

根據日冕儀對目標觀測分辨率的要求，根據日冕儀使用的探測器像元尺寸即可求得光學系統的有效焦距最小值，計算公式如下：

δ=fe·tanθ,

(1)

式中：δ為探測器像元尺寸，fe為有效焦距，θ為光學系統像元角分辨率。SCI使用探測器像元尺寸為11 μm，分辨率要求不低于2.4″，根據式(1)計算得到日冕儀系統的有效焦距不小于945.380 mm。

為了保證SCI日冕儀雙工作波長在奈奎斯特采樣頻率處均能夠獲得足夠的傳遞函數，SCI日冕儀需要擁有足夠的入瞳直徑。計算公式如下：

θ=1.22·λ/D，

(2)

式中：θ為光學系統的極限角分辨率，λ為工作波長，D為系統的入瞳直徑。根據式(2)計算得到SCI日冕儀的入瞳直徑不得小于直徑36 mm。

為保留充足的設計冗余，取SCI日冕儀的入瞳為60 mm，計算SCI日冕儀的信噪比，計算公式如下：

Se=D×τ×ε×ω×Bsun，

(3)

式中：Se為探測器上每個像元在單位時間產生的電子個數，D為光學系統的入瞳面積，τ為光學系統的光譜響應(透過率)，ε為探測器的量子效率，ω為光學系統的像元角分辨率，Bsun為目標亮度。

系統信噪比(Signal to Ratio,SNR)的計算公式如下：

(4)

式中：Se為探測器上每個像元在單位時間產生的電子個數，De為探測器暗電流噪聲電子數，σRMS為探測器讀出噪聲電子數，tint為積分時間。根據式(3)和式(4)計算得到SCI日冕儀兩個通道的信噪比，如表1所示。

根據前面的設計分析與理論計算，結合工程穩(wěn)定性的要求，SCI日冕儀的具體光學設計參數如表2所示。

表1 SCI日冕儀信噪比

表2 日冕儀光學系統指標要求

3 光學設計

3.1 日冕儀成像原理

日冕儀按掩體的形式可以分為兩類，第一類為外掩式日冕儀，這類日冕儀的掩體處在系統的前端，掩體的形式多為邊緣為鋸齒形的圓盤。這類日面儀的優(yōu)點是能夠把日面的強光擋在系統之外，使得日冕儀本身對雜散光抑制水平要求較低，缺點是系統的漸暈比較嚴重，無法實現對日面邊緣日冕的觀測，意大利的Solar Orbiter Metis就是外掩式的日冕儀。

按照光學結構形式，日冕儀可以分為透射式、反射式和折反混合式三類。其中，反射式日冕儀的主要優(yōu)點是可以通過對反射鏡鍍膜的控制，實現全譜段的觀測。SOHO/LASCO由三臺日冕儀組成，其中C1為折反混合式日冕儀，C2和C3為透射式日冕儀，由于材料透過率的限制，LASCO無法實現Lyman α波段的觀測。

圖2 經典的LYOT日冕儀原理圖Fig.2 Structure diagram of classical LYOT corona imager

本文以LASCO C1為例，對日冕儀的工作原理進行分析。圖2是LASCO C1日冕儀的光路示意圖。LASCO C1是一個經典的內掩式日冕儀，其中包括物鏡O1、內掩體D1、場鏡O2、準直鏡O3、二次成像物鏡O4、里奧光闌A1六個主要部分。如圖所示，物鏡O1負責將太陽成像于內掩體上，內掩體D1為一個錐形圓孔，錐形圓孔的直徑由物鏡O1的焦距和太陽發(fā)散角決定。場鏡O2和準直鏡O3負責將入瞳A0的像成在LYOT光闌(A1)處，LYOT光闌能夠阻擋A0產生的衍射雜光。O4是二次成像鏡組，負責將日冕成像在像面F上。

LASCO C1采用折反混合的結構形式，同時繼承了透射日冕儀和反射式日冕儀的優(yōu)點。LASCO C1的準直系統為反射系統，系統中反射鏡均為超光滑反射鏡，能夠很好地抑制來自散射的雜光，二次成像鏡組為透射鏡組，工藝性好，雜光抑制效果好。但是，由于透射系統的存在，LASCO C1無法滿足對極紫外及Lyman α波段的成像要求。

SCI為了解決LASCOC1存在的問題，實現對太陽內日冕在Lyman α波段的觀測，選用了內掩式、全反射光學結構。為了提高系統對雜散光的抑制水平，SCI主鏡的粗糙度優(yōu)于0.3 nm(RMS值)，次鏡粗糙度優(yōu)于0.3 nm (RMS值)，其余光學元件的粗糙度優(yōu)于0.6 nm(RMS值)。

3.2 SCI初始結構設計

SCI初始結構利用了二次曲面的性質，主鏡為離軸拋物面，次鏡為球面，三鏡為離軸橢球面。主鏡拋物面的焦點位于次鏡上，且與三鏡拋物面的一個焦點重合。SCI的三鏡為離軸橢球面，能夠將一個焦點發(fā)出的光線自然地匯聚到另一個焦點處。

圖3 SCI初始結構光路Fig.3 Optical path of initial structure for SCI

SCI初始結構中，內掩體圓孔的直徑由主鏡焦距決定，內掩體錐角由主鏡離軸角度和光線發(fā)散角決定。LYOT光闌的位置受次鏡曲率半徑控制，優(yōu)化時可以通過控制次鏡出射光線的發(fā)散角度來約束LYOT光闌的位置。初始結構中主鏡和次鏡將入瞳成像于LYOT的位置上，次鏡和三鏡將日冕成像于最終像面處。SCI初始結構光路圖如圖3所示。

圖3所示為SCI的初始結構，它由M1，M2和M3三塊反射鏡組成，M1作為系統的物鏡，將日面成像于M2，M2中心設計有內掩體，內掩體形式上是錐形圓孔，能夠將日面光漏出系統。同時M2的環(huán)形鏡面作為場鏡能夠控制光線發(fā)散角，在配合M3將入瞳A0成像于LYOT光闌(D2)處的同時，將日冕成像于像面F。

SCI的這種初始結構充分利用了二次曲面的性質，系統能夠在軸上獲得完美的像點，以保證后續(xù)優(yōu)化。與經典的日冕儀(圖2)結構相比，SCI結構利用橢球面的性質將場鏡與二次成像鏡組緊密連結在一起，簡化了系統的復雜程度，提升了系統的能量利用率，適用于紫外和Lyman α波段的光學系統。

3.3 SCI優(yōu)化設計

在初始結構(圖3)的基礎上，利用光學優(yōu)化設計軟件中建立基于“子午方向和弧矢方向彌散斑半徑(RMS值)”的評價函數，進一步優(yōu)化系統，得到了SCI最終的光學結構。SCI光學3D模型如圖4所示。

圖4 SCI光學3D模型Fig.4 Optical three-dimensional layout of SCI

如圖4所示，最終的SCI光學結構為了實現Lymanα和可見光700 nm的雙波段設計，在LYOT光闌(A2)的后面增加了分光鏡(M4)，并在分光鏡后設計了一塊平面反射鏡(M5)來壓縮光路的長度以適應ASO-S衛(wèi)星平臺的要求。詳細的SCI光學元件組成如表2所示。

SCI入瞳直徑為60 mm，入瞳到主鏡距離930 mm，主鏡通光口徑為83 mm，主鏡為離軸拋物面；次鏡為凸環(huán)形球面反射鏡，中心圓形錐孔直徑與日面經過主鏡所成像尺寸匹配，錐孔角度與主鏡F數和離軸角度匹配，次鏡中心錐孔的直徑為7.8 mm，角度為±15°；三鏡通光口徑為106 mm；LYOT光闌直徑為20.8 mm；分色鏡與折疊鏡的通光口徑均為36.8 mm。成像儀的入瞳直徑為62 nm，有效焦距為973 nm。

表2 SCI的結構組成

3.4 性能分析

SCI的視場(Field Of View, FOV)從1.1Rs延伸到2.5Rs。內部視場受限于內部掩體處的一次像面的成像質量和ASO-S衛(wèi)星平臺的指向精度，而外部視場受限于Lyman α和700 nm臨邊昏暗效應產生的漸暈以及CMOS探測器的像面尺寸。

利用光學優(yōu)化設計軟件光線追跡得到SCI成像儀121.6 nm通道和700 nm通道全有效視場的點列圖(圖5)和傳遞函數曲線(圖6)。如圖所示，SCI雙通道全視場彌散斑優(yōu)于10 μm，121.6 nm通道傳遞函數在50 lp/mm處優(yōu)于0.4，700 nm通道傳遞函數在50 lp/mm處優(yōu)于0.3。

為了達到設計指標，對不同的半徑公差、面形誤差和不同光學元件間的尺寸公差進行了仿真分析。分析結果表明：反射鏡的半徑公差要求不大于±0.5 mm；主次鏡表面粗糙度不大于0.3 nm；主鏡、次鏡和三鏡的空間位置公差不大于±0.05 mm，其他反射鏡不大于±0.20 mm；主鏡和三鏡的角度公差不大于±3′，其他反射鏡不大于±6′。SCI系統將后截距和探測器的空間角度作為公差補償量，在ZEMAX軟件中對系統的公差性能進行分析，得到SCI系統在加入公差后121.6 nm通道的MTF曲線和彌散斑點列圖，如圖7所示。同時，得到了SCI系統在加入公差后700 nm通道的MTF曲線圖和彌散斑點列圖如圖8所示。

圖6 SCI全有效視場傳遞函數曲線

圖7 SCI 121.6 nm通道公差性能分析

4 工作波段設計

在完成了SCI光學設計后，為了實現SCI在121.6 nm和700 nm兩個波段同時成像，并且能有效抑制帶外輻射對兩個波段的影響，光學系統的光學元件要具有良好的光譜響應。為此，SCI采用雙波段多層反射膜和窄帶濾光片配合使用的技術路線提高系統對帶外輻射的抑制水平，提高信噪比，實現兩個波段的同時成像。

SCI的主鏡承受了進入系統中的全部太陽輻射，其表面散射對雜散光影響最大，次鏡作為物面會通過三鏡與日冕共同成像于最終像面。為了降低光學元件表面散射產生的雜散光，SCI主鏡和次鏡應具有極低的粗糙度，以確保系統的雜散光抑制水平和信噪比。經分析計算，主鏡和次鏡需要滿足表面粗糙度RMS值優(yōu)于0.3 nm，且同時滿足在121.6 nm波段反射率不低于50%，在700 nm波段反射率不低于80%。

太陽輻射經過SCI主鏡和次鏡后，日面輻射經過次鏡中間錐孔(內掩體)進入到光阱中。到達三鏡的輻射只有日冕輻射部分，微弱的日冕輻射不會引發(fā)強烈的散射雜散光，因此SCI對反射面粗糙度的要求低于主鏡、次鏡，SCI三鏡的表面粗糙度只需要優(yōu)于0.6 nm(RMS值)即可滿足成像和雜光抑制的要求。同時，三鏡在工作波長內還應具有較高的反射率。通過在超光滑表面基底上鍍制在121.6 nm和700.0 nm波段均具有較高反射率多層膜，保證三鏡具有足夠多的能量到達SCI像面。

SCI的四鏡是分色鏡，其作用是反射121.6 nm的輻射，成像到探測器感光面上；同時透過700.0 nm的輻射，進入到后面的成像和探測系統，因此，四鏡采用LaF3/MgF2多層膜[12-14]，實現121.6 nm窄帶范圍內的高反射率及700 nm波段的高透過率。

五鏡是為了減小SCI光學系統的結構尺寸，反射700 nm輻射到達相應的CMOS探測器。五鏡采用平面反射鏡，表面鍍有700 nm高反多層膜，以保證有足夠多的能量到達像面并實現良好的帶外抑制。

此外，在SCI的121.6 nm探測器前布置一塊121.6 nm濾光片，濾掉帶外輻射，實現對121.1 nm日冕成像。在SCI的700.0 nm探測器前面布置一塊700 nm窄帶濾光片，濾掉帶外輻射，實現對700 nm成像。SCI所使用濾光片參數如表3所示。

表3 SCI濾光片參數

SCI系統在單一波長的透過率由各元件在這個波長的反射率和透過率乘積求得。計算SCI系統在各個波長的透過率即可得到SCI系統的光譜響應曲線，即：

(5)

式中:Eλk代表SCI系統在波長λk處的透過率響應，Tmλk代表SCI系統中第m個反射鏡在波長λk處的透過率，Rnλk代表SCI系統中第n個反射鏡在波長λk處的反射率。

SCI系統中700 nm通道共經歷主鏡、次鏡、三鏡、分色鏡(透過)、平面反射鏡和窄帶濾光片6個光學元件，121.6 nm通道共經歷主鏡、次鏡、三鏡、分色鏡(反射)和窄帶濾光片5個光學元件。根據式(1)計算SCI中各個元件的光譜響應曲線，得到SCI光學系統的光譜響應曲線，如圖9所示。

圖9 SCI光譜響應分布

從圖9中可以看出，SCI系統在121.6 nm處的光譜響應數值為0.1，700 nm處光譜響應數值為0.07，能夠獲得太陽121.6 nm和700 nm雙波段輻射圖像，達到對兩個波段成像的目的。

5 分光鏡與光闌設計

5.1 分色鏡設計

SCI采用共口徑光學設計，系統由兩部分組成：LYOT光闌之前為雙波段公用的離軸三反光學系統；LYOT之后為121.6 nm和700.0 nm的兩個通道的光學元件，主要包括分色鏡、700 nm折轉鏡、波長選擇濾光片和CMOS探測器。

SCI系統利用平行平板分色鏡實現對Lymanα波段與可見光700.0 nm波段的分離。平行平板分光鏡采用熔石英基底，雙面拋光，其面形精度優(yōu)于λ/50，粗糙度優(yōu)于0.6 nm。分色鏡正面鍍有多層高反膜，只對Lyman α波段有反射率，能夠反射Lyman α波段的同時自然透過700.0 nm，分色鏡采用平行平板結構，在光路中傾斜20°，避免鬼像進入光路干擾成像。分色鏡在Lyman α波段的反射率不低于66%，在700.0 nm的透過率不低于80%。圖10為分色鏡在700.0 nm波段和Lyman α波段的透射和反射特性曲線。

5.2 光闌設計

工作時，SCI對強目標邊緣的弱目標進行成像觀測，為了提高像面圖像的對比度，需要在系統中的位置設立擋光環(huán)。為了避免太陽日面的強光入射到系統的主鏡引起散射，擋光環(huán)可以有效阻止背景光及太陽日面光線照射在入瞳邊緣時引起的各種角度散射光到達像面。

SCI系統采用非等高、非等距離分布的擋光環(huán)設計，設定Φ為光學鏡筒的內壁直徑，δ為鏡筒內壁半徑的預留誤差，Φ0為通光孔徑(直徑)，θ為系統的半視場角，Δθ為半視場角預留誤差，L為

圖10 分色鏡的透過率和反射率曲線Fig.10 Transmission and reflection curves of dichroic mirror

主鏡筒總長(從入瞳開始計算到主鏡前端擋光環(huán)的距離)。則除了第一個擋光環(huán)(入瞳)和最后一個擋光環(huán)(主鏡壓圈)外，其余擋光環(huán)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系統的入瞳直徑為60 mm，擋光環(huán)內徑單邊預留誤差為0.3 mm，半視場角預留誤差為0.03°，系統的點透過率函數值(Point Transmittance Function, PTF)優(yōu)于1×10-6。由此計算得到SCI主鏡筒擋光環(huán)的最終參數，如表3所示。

表3 主鏡筒擋光環(huán)參數

表中編號1～9的位置依次從入瞳到主鏡，其中后面三個擋光環(huán)由于離軸光束的影響，在通光的地方開有相應的缺口。圖11為主鏡筒擋光環(huán)結構。

圖11 SCI主鏡筒擋光環(huán)分布Fig.11 Distribution of system main baffles for SCI

除主鏡筒擋光環(huán)外，為了阻擋SCI入瞳處的衍射雜散光，在系統中入瞳像面處設計了LYOT光闌，利用雜散光分析軟件對SCI入瞳處的衍射雜散光進行分析，分析結果能夠顯示出衍射雜散光的比重，進而可以得到LYOT光闌的通光尺寸，結果如圖12所示。

圖12 衍射雜散光Tracepro軟件分析結果Fig.12 Tracepro analysis of stray light caused by diffraction

圖12(a)為LYOT光闌面上衍射環(huán)的分布，圖12(b)為衍射雜光到達像面后的分布?？梢钥闯?，衍射雜散光到達像面后完全是隨機分布，只能在LYOT光闌處設立光闌進行遮擋。根據分析結果，入瞳處的衍射雜散光能量約占到達像面的光線總能量的4%，因此，LYOT光闌的內徑尺寸應為該處光線尺寸的96%為宜，這樣既能夠完全阻擋衍射雜光，又能保持系統的成像性能。此外，為了將金屬表面的散射雜散光影響降至最低，SCI系統中所有光闌的內徑都采用了刀口設計，防止散射的發(fā)生。

如前所述，SCI的主鏡和次鏡的粗糙度RMS值優(yōu)于0.3 nm，其它光學元件粗糙度RMS值優(yōu)于0.6 nm，光路中機械元件表面做涂黑處理，光闌片邊緣做刀口處理，以提高系統的雜散光抑制水平。在雜散光分析軟件中建立SCI光機結構模型進行雜散光分析，結果如圖13所示。

圖13 SCI光機模型雜散光分析結果Fig.13 Analysis results of stray light for SCI model

如圖13所示，SCI雜散光抑制水平在1.1Rs處優(yōu)于5×10-7，在2.5Rs處滿足3×10-8，系統的雜散光抑制水平優(yōu)于1.1Rs到2.5Rs處的日冕亮度，能夠保證觀測到太陽1.1Rs～2.5Rs的日冕圖像。

6 光機結構布局

根據SCI日冕儀光學結構及儀器本身對雜散光抑制性能的要求，對SCI日冕儀光機結構布局進行了初步設計。SCI日冕儀結構主要由主鏡、次鏡、三鏡、反射鏡、濾光片組件、偏振組件、快門組件、光闌、擋光板和探測器組件等構成，與上蓋板組成光學箱體，其余組件安裝在光學箱體內部和外壁上，布局如圖14所示。

圖14 SCI日冕儀光機結構布局Fig.14 Structure diagram of SCI

為滿足天基日冕儀對穩(wěn)定性和輕量化的要求，SCI日冕儀對框架支撐結構與擋光環(huán)進行了一體化設計，同時滿足了SCI日冕儀作為航天載荷對剛度、強度以及輕量化的要求。為滿足對雜散光抑制性能的要求，SCI日冕儀采用分腔結構，腔室內壁進行了消光處理，腔室內部的結構簡單，空間分配合理，尤其是主鏡框架部分。分腔形式的結構布局在隔離光路的同時降低了強光照射下結構內壁二次散射光對光路的影響，提高了系統的雜散光抑制水平。

7 結 論

本文設計了一種雙波段內掩式日冕儀，系統采用雙波段共口徑設計，LYOT之前為雙波段共用的離軸三反光學系統，LYOT光闌之后設計有光學分色鏡，將121.6 nm和700 nm兩個波段分開，分開后的光束再經由各自的后置濾光片濾光，分別成像到各自的CMOS探測器上。分色鏡只對121.6 nm波段輻射有反射，對700 nm波段透過。SCI日冕成像儀的有效視場為0.294°～0.668°的環(huán)形視場，成像覆蓋1.1Rs～2.5Rs的全部日冕目標，SCI光學系統的有效視場彌散斑優(yōu)于10 μm。SCI日冕儀整機雙通道角分辨率均優(yōu)于4.8 ″，雜光抑制水平在1.1Rs處優(yōu)于10-6量級，2.5Rs處優(yōu)于10-8量級，可以在121.6 nm和700 nm兩個波段對日冕進行成像。SCI日冕儀系統結構緊湊、性能優(yōu)異，適合空間應用。