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(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

木衛(wèi)一火山活動(dòng)釋放的粒子被木星磁場(chǎng)所捕獲，在木星磁層空間約5.9個(gè)木星半徑處演化形成等離子體環(huán)，影響著木星磁層的動(dòng)力學(xué)過程［1］。1979年，旅行者1號(hào)探測(cè)器首次對(duì)這種復(fù)雜的環(huán)行星等離子體環(huán)進(jìn)行近距離探測(cè)。在隨后的30年里，旅行者1號(hào)、旅行者2號(hào)、伽利略號(hào)、朱諾號(hào)等探測(cè)器多次對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)進(jìn)行近距離探測(cè)，對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)的近距離探測(cè)，使人們對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)的粒子成分、溫度和徑向分布有了一定的認(rèn)識(shí)［2］。探測(cè)器的近距離探測(cè)雖能提供木衛(wèi)一等離子體環(huán)的粒子成分、溫度和徑向分布詳細(xì)的空間信息，但難以觀測(cè)粒子物質(zhì)與能量傳輸?shù)娜玻拗屏巳藗儗?duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)全局特性的研究。木衛(wèi)一等離子體環(huán)在木星自身（磁場(chǎng)、引力）與外部（太陽風(fēng)、星際磁場(chǎng)等）活動(dòng)的影響下，始終是動(dòng)態(tài)變化的，若想研究木衛(wèi)一等離子體環(huán)的全局特性，需要將木衛(wèi)一等離子體環(huán)動(dòng)態(tài)變化的空間信息和時(shí)間信息進(jìn)行分離。光學(xué)遙感觀測(cè)通過對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)的地基觀測(cè)，將觀測(cè)的光譜信息與量子輻射理論結(jié)合，反演輻射體相關(guān)信息，追蹤其時(shí)空變化，獲取一定時(shí)間尺度內(nèi)大范圍空間物質(zhì)的分布狀態(tài)，對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)的全局特性進(jìn)行研究［3］。

1995年，科研人員在卡塔琳娜天文臺(tái)對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)673.1 nm發(fā)射譜線進(jìn)行光學(xué)遙感觀測(cè)，首次獲得木衛(wèi)一等離子體環(huán)的全局結(jié)構(gòu)圖像［4］。但公共望遠(yuǎn)鏡的使用存在時(shí)長限制，難以觀測(cè)木衛(wèi)一等離子體環(huán)全局特性的長期演化。本文設(shè)計(jì)的Lyot星冕儀搭載世界上首臺(tái)專用于行星科學(xué)研究的望遠(yuǎn)鏡——行星大氣光譜望遠(yuǎn)鏡（Planetary Atmospheric Spectral Telescope，PAST）［5］，實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)589，630和673.1 nm發(fā)射譜線的長期光學(xué)遙感觀測(cè)，對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)全局特性的長期演化進(jìn)行研究。

2 Loyt星冕儀工作原理

法國天文學(xué)家Lyot在1930年發(fā)明了日冕儀，消除太陽直射光對(duì)日冕成像的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)日冕的觀測(cè)［6］。地基觀測(cè)木衛(wèi)一等離子體環(huán)，通常采用衰減片降低木星直射光對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)成像的影響。本文依照Lyot日冕儀的工作原理設(shè)計(jì)Lyot星冕儀，消除木星直射光對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)成像的影響，圖1為Lyot星冕儀的工作原理。其中，D1為內(nèi)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(huì)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的衍射光，衍射光經(jīng)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(duì)衍射光進(jìn)行遮攔。內(nèi)掩體D1及Lyot光闌A2用于抑制雜散光，實(shí)現(xiàn)對(duì)木衛(wèi)一等離子體環(huán)的成像觀測(cè)。

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

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)

PAST口徑為800 mm，焦距為5 600 mm，工作波段為280～680 nm，視場(chǎng)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(gè)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(duì)PAST望遠(yuǎn)鏡的成像圖進(jìn)行二次成像?？紤]系統(tǒng)雜散光的情況，為實(shí)現(xiàn)地基觀測(cè)等離子體環(huán)目標(biāo)，確定Lyot星冕儀雜散光抑制水平為10-5量級(jí)［4］。根據(jù)理論計(jì)算與設(shè)計(jì)分析，Loyt星冕儀的具體光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 Lyot星冕儀指標(biāo)要求Tab.1 Requirements of Lyot coronagraph

3.2 優(yōu)化及性能分析

初始結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙高斯系統(tǒng)，該系統(tǒng)的物像倍率為-1×，對(duì)稱式結(jié)構(gòu)能夠自動(dòng)消除彗差、畸變和倍率色差這3種垂軸像差，設(shè)計(jì)時(shí)只需要考慮球差、像散、場(chǎng)曲和位置色差的影響，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。此外，孔徑光闌衍射光經(jīng)PAST平行出射，由對(duì)稱式雙高斯系統(tǒng)成像于鏡頭對(duì)稱中心，有利于雜散光抑制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，最終Lyot星冕儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Lyot星冕儀的光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 Optical structure of Lyot coronagraph

PAST系統(tǒng)整體如圖3所示。系統(tǒng)不同波長有效視場(chǎng)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(cè)器的像元尺寸（13.5 μm），如圖4所示。探測(cè)器的特征頻率為37 lp/mm，所有視場(chǎng)處的MTF值均大于0.6，如圖5所示。以上結(jié)果表明，Lyot星冕儀具有良好的成像質(zhì)量。

圖3 PAST系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.3 Optical structure of PAST system

圖4 PAST系統(tǒng)彌散斑點(diǎn)列圖Fig.4 Spot diagrams of PAST system

圖5 PAST系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線Fig.5 MTF curves of PAST system

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受PAST結(jié)構(gòu)布局限制，Lyot星冕儀需要一次光路折轉(zhuǎn)，因此設(shè)計(jì)了用于折轉(zhuǎn)光路的反射結(jié)構(gòu)。Lyot星冕儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)Fig.6 Mechanical structure of Lyot coronagraph

反射鏡座部分是一個(gè)三通結(jié)構(gòu)，三個(gè)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(nèi)掩體，此處需要預(yù)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(fā)生折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)光路的一次折轉(zhuǎn)；主鏡筒部分通過法蘭與反射鏡座連接保證系統(tǒng)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(diào)節(jié)鏡筒。主鏡筒內(nèi)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(zhuǎn)調(diào)節(jié)角度，確保能夠完全遮擋衍射雜散光。軸向調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)鏡筒中。軸向調(diào)節(jié)鏡筒采用套筒的方式與主鏡筒相接保證透鏡同軸，軸向調(diào)節(jié)鏡筒在主鏡筒中可以沿中軸線移動(dòng)，并通過徑向的頂緊螺釘鎖緊在合適的位置。移動(dòng)軸向調(diào)節(jié)鏡筒調(diào)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(biāo)成像的光線被稱為雜散光，影響木衛(wèi)一等離子體環(huán)成像的雜散光主要來源于木星直射光。依據(jù)雜散光在系統(tǒng)中傳播路徑的不同，將影響木衛(wèi)一等離子體環(huán)成像的雜散光分為：（1）直接進(jìn)入Lyot系統(tǒng)的木星直射光，在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生散射，導(dǎo)致在像面無法觀測(cè)到木衛(wèi)一等離子體環(huán)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(chǎn)生的散射雜散光。

4.2 雜散光抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為消除進(jìn)入系統(tǒng)的木星直射光，在PAST像面處放置圓錐型內(nèi)掩體，內(nèi)掩體底面與PAST焦平面重合，木星的像落在內(nèi)掩體側(cè)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(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)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(jì)算得到木星的理想像高y。為確保充分遮攔木星直射光，內(nèi)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(nèi)掩體的基座，在平板中心打孔，通過支桿將內(nèi)掩體直接固定在平板上，避免內(nèi)掩體支撐產(chǎn)生額外的雜散光。使用吸光槽吸收內(nèi)掩體反射的木星直射光，對(duì)木星直射光進(jìn)行有效的抑制，如圖7所示。

根據(jù)邊界波理論［8］，在孔徑光闌處產(chǎn)生的衍射光可等效為孔徑光闌邊緣產(chǎn)生的子波光束，它們會(huì)聚在特定的光學(xué)系統(tǒng)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(chǎn)生衍射光經(jīng)Lyot星冕儀準(zhǔn)直鏡組成像在Lyot星冕儀內(nèi)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(chǎn)生的衍射子波，在不同位置設(shè)置點(diǎn)光源，通過光線追跡得到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)像，圖8為PAST孔徑光闌衍射光的抑制過程，根據(jù)點(diǎn)像確定Lyot光闌的位置及尺寸［9］。

經(jīng)過上述抑制設(shè)計(jì)，PAST系統(tǒng)的主要雜散光已經(jīng)得到了抑制。為進(jìn)一步消除系統(tǒng)PAST主鏡表面產(chǎn)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(tǒng)內(nèi)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(zhì)等措施。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在千級(jí)超凈間暗室中搭建模擬木星光源與模擬PAST進(jìn)行Lyot星冕儀雜散光抑制水平的檢測(cè)，圖9為實(shí)驗(yàn)裝置。光纖光源發(fā)出的光由物鏡會(huì)聚到準(zhǔn)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(jīng)準(zhǔn)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(guān)系：

已知木星直射光角半徑為19″，準(zhǔn)直鏡組焦距f為550 mm，計(jì)算得到小孔直徑d為0.1 mm。此時(shí)，準(zhǔn)直鏡組出射光為模擬木星直射光，經(jīng)模擬望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)產(chǎn)生雜散光，利用Lyot星冕儀抑制，對(duì)雜散光抑制水平進(jìn)行檢測(cè)［10］。

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

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)處放置合適圓孔，此時(shí)平行光管出射光可視作木星直射光；使用透鏡系統(tǒng)模擬PAST，在透鏡系統(tǒng)前固定位置放置Spider結(jié)構(gòu)模擬PAST孔徑光闌（入射孔徑、次鏡擋光板及Spider支撐件），此時(shí)的透鏡系統(tǒng)等效于PAST；最后，由CCD接收經(jīng)Lyot星冕儀抑制后的雜散光圖像，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.10 Photos of experimental set-up

5.2 實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)第4節(jié)分析，系統(tǒng)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(píng)價(jià)指標(biāo)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(chǎng)處雜散光的照度，Ej代表不采取任何抑制手段時(shí)木星直射光在最終像面上形成的平均照度，A就代表系統(tǒng)雜散光的抑制水平［12］。

根據(jù)4.2節(jié)分析，孔徑光闌衍射光經(jīng)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(jié)構(gòu)衍射光所成像，該像可以被Lyot光闌的十字遮攔結(jié)構(gòu)遮攔，不會(huì)在系統(tǒng)中繼續(xù)傳播；由圖12（b）可以看出，Lyot光闌能夠完全遮擋模擬Spider結(jié)構(gòu)衍射光產(chǎn)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(jié)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(nèi)掩體，直接對(duì)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(nèi)掩體，模擬光源直射光被內(nèi)掩體反射出主光路不再繼續(xù)向前傳播，模擬PAST孔徑光闌所產(chǎn)生的衍射光被Lyot光闌抑制，此時(shí)到達(dá)CCD的光為剩余系統(tǒng)雜散光，采用同樣的曝光時(shí)間拍攝此時(shí)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(jì)算系統(tǒng)雜散光的抑制水平。

使用程序讀取衰減后光源圖像，計(jì)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(jí)相同，則系統(tǒng)雜散光抑制水平與衰減片衰減量級(jí)相同。圖14為系統(tǒng)雜散光抑制水平散點(diǎn)圖，整體抑制水平在10-5量級(jí)，最大值為4.72×10-5，平均值約為1.94×10-5，滿足系統(tǒng)要求。

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

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種Lyot星冕儀，該Lyot星冕儀需要與PAST配合觀測(cè)木衛(wèi)一等離子環(huán)。Lyot星冕儀的全視場(chǎng)多波段彌散斑尺寸均小于13.5 μm（探測(cè)器像元尺寸），全視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)多波段（589，630，673.1 nm）成像。通過設(shè)計(jì)合適的雜散光抑制結(jié)構(gòu)，使Lyot星冕儀雜散光抑制水平在2.5Rj處為10-5量級(jí)，滿足地基觀測(cè)要求。