Lyot星冕儀光學系統及雜散光抑制

遲金鵬，張紅鑫，王曉東，孟慶宇，秦子長，李云輝，王泰升，李鳳有

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院大學，北京 100049）

1 引言

木衛一火山活動釋放的粒子被木星磁場所捕獲，在木星磁層空間約5.9個木星半徑處演化形成等離子體環，影響著木星磁層的動力學過程［1］。1979年，旅行者1號探測器首次對這種復雜的環行星等離子體環進行近距離探測。在隨后的30年里，旅行者1號、旅行者2號、伽利略號、朱諾號等探測器多次對木衛一等離子體環進行近距離探測，對木衛一等離子體環的近距離探測，使人們對木衛一等離子體環的粒子成分、溫度和徑向分布有了一定的認識［2］。探測器的近距離探測雖能提供木衛一等離子體環的粒子成分、溫度和徑向分布詳細的空間信息，但難以觀測粒子物質與能量傳輸的全貌，限制了人們對木衛一等離子體環全局特性的研究。木衛一等離子體環在木星自身（磁場、引力）與外部（太陽風、星際磁場等）活動的影響下，始終是動態變化的，若想研究木衛一等離子體環的全局特性，需要將木衛一等離子體環動態變化的空間信息和時間信息進行分離。光學遙感觀測通過對木衛一等離子體環的地基觀測，將觀測的光譜信息與量子輻射理論結合，反演輻射體相關信息，追蹤其時空變化，獲取一定時間尺度內大范圍空間物質的分布狀態，對木衛一等離子體環的全局特性進行研究［3］。

1995年，科研人員在卡塔琳娜天文臺對木衛一等離子體環673.1 nm發射譜線進行光學遙感觀測，首次獲得木衛一等離子體環的全局結構圖像［4］。但公共望遠鏡的使用存在時長限制，難以觀測木衛一等離子體環全局特性的長期演化。本文設計的Lyot星冕儀搭載世界上首臺專用于行星科學研究的望遠鏡——行星大氣光譜望遠鏡（Planetary Atmospheric Spectral Telescope，PAST）［5］，實現對木衛一等離子體環589，630和673.1 nm發射譜線的長期光學遙感觀測，對木衛一等離子體環全局特性的長期演化進行研究。

2 Loyt星冕儀工作原理

法國天文學家Lyot在1930年發明了日冕儀，消除太陽直射光對日冕成像的影響，實現對日冕的觀測［6］。地基觀測木衛一等離子體環，通常采用衰減片降低木星直射光對木衛一等離子體環成像的影響。本文依照Lyot日冕儀的工作原理設計Lyot星冕儀，消除木星直射光對木衛一等離子體環成像的影響，圖1為Lyot星冕儀的工作原理。其中，D1為內掩體，是表面拋光的金屬圓錐，圓錐底面與PAST焦面P1重合，木星直射光會聚在D1的表面被反射出成像光路。PAST入射孔徑、次鏡擋光板及Spider支撐件共同組成孔徑光闌A1，木星直射光照射孔徑光闌A1會產生強烈的衍射光，衍射光經Lyot星冕儀O2鏡組成像在共軛像面P2處，在此處放置Lyot光闌A2對衍射光進行遮攔。內掩體D1及Lyot光闌A2用于抑制雜散光，實現對木衛一等離子體環的成像觀測。

圖1 Lyot星冕儀工作原理Fig.1 Working principle of Lyot coronagraph

3 系統設計

3.1 系統參數

PAST口徑為800 mm，焦距為5 600 mm，工作波段為280～680 nm，視場角2ω為15'，角分辨率為0.5''。Lyot星冕儀共軛距為300 mm，Lyot星冕儀要求在589，630和673.1 nm 3個波段成像，選擇具有良好光譜透過率的窄帶濾光片控制光譜波段。

Lyot星冕儀需要對PAST望遠鏡的成像圖進行二次成像。考慮系統雜散光的情況，為實現地基觀測等離子體環目標，確定Lyot星冕儀雜散光抑制水平為10-5量級［4］。根據理論計算與設計分析，Loyt星冕儀的具體光學設計參數如表1所示。

表1 Lyot星冕儀指標要求Tab.1 Requirements of Lyot coronagraph

3.2 優化及性能分析

初始結構選擇結構對稱的雙高斯系統，該系統的物像倍率為-1×，對稱式結構能夠自動消除彗差、畸變和倍率色差這3種垂軸像差，設計時只需要考慮球差、像散、場曲和位置色差的影響，設計簡單。此外，孔徑光闌衍射光經PAST平行出射，由對稱式雙高斯系統成像于鏡頭對稱中心，有利于雜散光抑制結構的設計。在光學設計軟件中建立評價函數進一步優化系統，最終Lyot星冕儀的光學結構如圖2所示。

圖2 Lyot星冕儀的光學結構Fig.2 Optical structure of Lyot coronagraph

PAST系統整體如圖3所示。系統不同波長有效視場最大彌散斑的RMS直徑分別為13.212，11.380和11.492 μm，均小于所選用探測器的像元尺寸（13.5 μm），如圖4所示。探測器的特征頻率為37 lp/mm，所有視場處的MTF值均大于0.6，如圖5所示。以上結果表明，Lyot星冕儀具有良好的成像質量。

圖3 PAST系統光學結構Fig.3 Optical structure of PAST system

圖4 PAST系統彌散斑點列圖Fig.4 Spot diagrams of PAST system

圖5 PAST系統的傳遞函數曲線Fig.5 MTF curves of PAST system

3.3 機械結構設計

受PAST結構布局限制，Lyot星冕儀需要一次光路折轉，因此設計了用于折轉光路的反射結構。Lyot星冕儀的機械結構可以分為兩部分：反射鏡座部分與主鏡筒部分，如圖6所示。

圖6 Lyot星冕儀的機械結構Fig.6 Mechanical structure of Lyot coronagraph

反射鏡座部分是一個三通結構，三個通面分別與PAST像面、反射鏡與主鏡筒部分相接。與PAST像面相接的通面處需要安裝內掩體，此處需要預留超光滑石英平板位置；反射鏡以45°固定在反射鏡座中，使光線發生折轉，實現光路的一次折轉；主鏡筒部分通過法蘭與反射鏡座連接保證系統的同軸度。

主鏡筒部分為與反射鏡座部分相接的主鏡筒和軸向調節鏡筒。主鏡筒內包括3片透鏡和Lyot光闌，采用隔圈與壓圈組合將鏡片固定在主鏡筒中。Lyot光闌通過撥桿旋轉調節角度，確保能夠完全遮擋衍射雜散光。軸向調節鏡筒包括3片透鏡，同樣采用隔圈與壓圈組合的方式將鏡片固定在軸向調節鏡筒中。軸向調節鏡筒采用套筒的方式與主鏡筒相接保證透鏡同軸，軸向調節鏡筒在主鏡筒中可以沿中軸線移動，并通過徑向的頂緊螺釘鎖緊在合適的位置。移動軸向調節鏡筒調整像面位置，使像面與CCD平面重合，從而接收到清晰的圖像。

4 雜散光分析與抑制

4.1 雜散光分析

影響目標成像的光線被稱為雜散光，影響木衛一等離子體環成像的雜散光主要來源于木星直射光。依據雜散光在系統中傳播路徑的不同，將影響木衛一等離子體環成像的雜散光分為：（1）直接進入Lyot系統的木星直射光，在系統內發生散射，導致在像面無法觀測到木衛一等離子體環圖像；（2）木星直射光照射PAST孔徑光闌引 起 的 衍 射 雜 散 光［7］；（3）木 星 直 射 光 照 射 到PAST主鏡，由主鏡表面粗糙度或缺陷產生的散射雜散光。

4.2 雜散光抑制結構設計

為消除進入系統的木星直射光，在PAST像面處放置圓錐型內掩體，內掩體底面與PAST焦平面重合，木星的像落在內掩體側面上被反射出光路。木星的理想像高為：

其中：f為PAST的焦距，已知f=5 600 mm；ω為木星角半徑，由木星半徑Rj=71 400 km和木地距離h得到：

在近地點和遠地點木地距離分別為6.3×108km（角半徑為23″）和9.3×108km（角半徑為15″），取二者的平均值19″，計算得到木星的理想像高y。為確保充分遮攔木星直射光，內掩體的底面半徑為木星像高的2.5倍，即：

采用超光滑石英平板作為安裝內掩體的基座，在平板中心打孔，通過支桿將內掩體直接固定在平板上，避免內掩體支撐產生額外的雜散光。使用吸光槽吸收內掩體反射的木星直射光，對木星直射光進行有效的抑制，如圖7所示。

根據邊界波理論［8］，在孔徑光闌處產生的衍射光可等效為孔徑光闌邊緣產生的子波光束，它們會聚在特定的光學系統中，并通過在共軛像面添加Lyot光闌來抑制。木星直射光照射PAST孔徑光闌（入射孔徑、次鏡擋光板及Spider支撐件），孔徑光闌產生衍射光經Lyot星冕儀準直鏡組成像在Lyot星冕儀內部，在孔徑光闌的共軛像面放置Loyt光闌抑制衍射雜散光。

模擬PAST孔徑光闌產生的衍射子波，在不同位置設置點光源，通過光線追跡得到對應的點像，圖8為PAST孔徑光闌衍射光的抑制過程，根據點像確定Lyot光闌的位置及尺寸［9］。

經過上述抑制設計，PAST系統的主要雜散光已經得到了抑制。為進一步消除系統PAST主鏡表面產生的散射雜散光及鏡片本身物理缺陷的影響，還需要采取系統內壁涂黑吸收散射光，使用工藝成熟的玻璃減少鏡片氣泡及雜質等措施。

5 實驗

5.1 實驗裝置

在千級超凈間暗室中搭建模擬木星光源與模擬PAST進行Lyot星冕儀雜散光抑制水平的檢測，圖9為實驗裝置。光纖光源發出的光由物鏡會聚到準直鏡組前焦面小孔處，小孔前放置乳白玻璃勻光，小孔直徑為d，經準直鏡組形成不同角度的平行光。小孔出射光孔徑角ω與小孔直徑存在以下關系：

已知木星直射光角半徑為19″，準直鏡組焦距f為550 mm，計算得到小孔直徑d為0.1 mm。此時，準直鏡組出射光為模擬木星直射光，經模擬望遠鏡系統產生雜散光，利用Lyot星冕儀抑制，對雜散光抑制水平進行檢測［10］。

圖9 Lyot星冕儀雜散光抑制實驗裝置示意圖Fig.9 Schematic diagram of experimental set-up for stray light suppression of Lyot coronagraph

實驗中，使用LED白光光纖光源和平行光管模擬木星光源［11］，在平行光管焦點處放置合適圓孔，此時平行光管出射光可視作木星直射光；使用透鏡系統模擬PAST，在透鏡系統前固定位置放置Spider結構模擬PAST孔徑光闌（入射孔徑、次鏡擋光板及Spider支撐件），此時的透鏡系統等效于PAST；最后，由CCD接收經Lyot星冕儀抑制后的雜散光圖像，實驗裝置如圖10所示。

圖10 實驗裝置Fig.10 Photos of experimental set-up

5.2 實驗方案與結果

根據第4節分析，系統中所有雜散光的根本來源為木星直射光，定義雜散光抑制能力的評價指標A=E(θ)/Ej，E(θ)代表采取所有抑制手段后最終像面上不同視場處雜散光的照度，Ej代表不采取任何抑制手段時木星直射光在最終像面上形成的平均照度，A就代表系統雜散光的抑制水平［12］。

根據4.2節分析，孔徑光闌衍射光經Lyot星冕儀前鏡組成像在其共軛像面（Loyt光闌）處成像，如圖11所示。在Lyot星冕儀后添加成像鏡組，使CCD能夠接收到衍射光在Lyot光闌處所成的圖像。圖12（a）中的亮條紋為模擬Spider結構衍射光所成像，該像可以被Lyot光闌的十字遮攔結構遮攔，不會在系統中繼續傳播；由圖12（b）可以看出，Lyot光闌能夠完全遮擋模擬Spider結構衍射光產生的衍射光。

圖11 孔徑光闌成像位置Fig.11 Aperture stop imaging position

圖12 Lyot光闌處Spider衍射光結果Fig.12 Experimental result of Spider diffraction on Lyot stop

圖13 Lyot星冕儀像面處雜散光Fig.13 Stray light on image plane of Lyot coronagraph

在暗室中使用光源照射模擬PAST，在光源前放置6×10-5衰減片，摘除Lyot星冕儀內掩體，直接對模擬光源成像，拍攝模擬光源圖像［13］，如圖13（a）所示。安裝Lyot星冕儀內掩體，模擬光源直射光被內掩體反射出主光路不再繼續向前傳播，模擬PAST孔徑光闌所產生的衍射光被Lyot光闌抑制，此時到達CCD的光為剩余系統雜散光，采用同樣的曝光時間拍攝此時的雜散光圖像，如圖13（b）所示；通過程序讀取模擬光源圖像灰度值和剩余雜散光圖像灰度值，計算系統雜散光的抑制水平。

使用程序讀取衰減后光源圖像，計算灰度平均值，此平均值與雜散光圖像灰度值相比，若灰度值量級相同，則系統雜散光抑制水平與衰減片衰減量級相同。圖14為系統雜散光抑制水平散點圖，整體抑制水平在10-5量級，最大值為4.72×10-5，平均值約為1.94×10-5，滿足系統要求。

圖14 PAST系統雜散光抑制水平Fig.14 Stray light suppression level of PAST system

6 結論

本文設計了一種Lyot星冕儀，該Lyot星冕儀需要與PAST配合觀測木衛一等離子環。Lyot星冕儀的全視場多波段彌散斑尺寸均小于13.5 μm（探測器像元尺寸），全視場多波段MTF均大于0.6，成像良好。使用不同窄帶濾光片控制光譜波段，實現多波段（589，630，673.1 nm）成像。通過設計合適的雜散光抑制結構，使Lyot星冕儀雜散光抑制水平在2.5Rj處為10-5量級，滿足地基觀測要求。