內(nèi)掩式透射地基日冕儀中雜光鬼像的消除

卜和陽，盧振武 ，張紅鑫，孫明哲

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所光電技術(shù)研發(fā)中心，吉林長春130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

日冕是太陽的外層大氣，不僅有高速外流的太陽風(fēng)，還有強(qiáng)烈的日冕物質(zhì)拋射(CME)，會(huì)發(fā)射出很強(qiáng)的紫外和X射線輻射。日冕的活動(dòng)與日地空間環(huán)境及空間通訊有著密切的關(guān)系，而且影響太空環(huán)境及地球磁場(chǎng)等，所以對(duì)日冕的觀測(cè)，尤其是CME現(xiàn)象的觀測(cè)，可以對(duì)影響地球及日地空間的災(zāi)害性天氣進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)對(duì)日冕的監(jiān)測(cè)資料可以深入研究和理解CME的成因以及CME與周圍日冕結(jié)構(gòu)、日冕活動(dòng)(例如耀斑，日珥的爆發(fā)以及日冕震蕩等)的相互作用。對(duì)人類全面理解太陽活動(dòng)等有著重要的科學(xué)價(jià)值。

日冕的亮度相對(duì)來自太陽光球?qū)拥目梢姽鈽O其微弱，幾乎是太陽中心亮度的10－6量級(jí)，外冕的亮度則更加微弱［1-4］，人眼觀測(cè)不到，只有在日全食時(shí)才能看到日冕，但此時(shí)對(duì)日冕的監(jiān)測(cè)時(shí)間有限，獲得的科學(xué)數(shù)據(jù)也極其有限。

日冕儀則是人為通過儀器的結(jié)構(gòu)遮攔造成類似日全食影像的成像儀器，是日地空間環(huán)境的監(jiān)測(cè)儀器。因?yàn)槿彰嵊^測(cè)是在極強(qiáng)背景下觀測(cè)暗目標(biāo)，所以日冕儀不僅需要建立在高海拔地區(qū)來減弱地球大氣的影響，且光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是消除外界及自身雜散光的影響。

從最早的Lyot日冕儀至今，國外已發(fā)射多顆空間探測(cè)衛(wèi)星，如歐洲航天局與美國合作的太陽與日光層觀測(cè)臺(tái)(SOHO)，美國的日地關(guān)系觀測(cè)臺(tái)(SREREO)，日本陽光衛(wèi)星(Yohkoh)等，日冕儀都是其中重要的載荷。一些國家制定了相應(yīng)的對(duì)日觀測(cè)計(jì)劃［5-6］，利用自行研制的地基日冕儀在不同時(shí)刻不同角度對(duì)日冕進(jìn)行觀測(cè)，我國地基日冕儀建立后，將成為這一觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

透射式日冕儀的主要雜光光源除了太陽直射光，入射孔徑的邊緣衍射光，還有物鏡表面二次反射形成的鬼像，而鬼像作為透射式日冕儀不可避免的一類雜光，必須進(jìn)行有效消除。本文對(duì)一臺(tái)已有的內(nèi)掩式地基日冕儀開展了消除雜散光的研究。該日冕儀的視場(chǎng)為±1.1～3R⊙，工作波段為 530 ～555 nm，分辨率為 13.5 μm，口徑為120 mm，系統(tǒng) F數(shù)為 8.2。另外，系統(tǒng)總長為1 800 nm，其中光學(xué)系統(tǒng)長1 700 mm，焦距為987 mm。通過分析透射式日冕儀的基本原理和鬼像的形成機(jī)制，完成了軟件模擬，并提出了結(jié)構(gòu)性遮攔方法。實(shí)驗(yàn)顯示，提出的方法有效遮攔了鬼像，提高了透射式日冕儀的雜散光抑制能力。

2 透射式日冕儀工作原理

圖1所示的為內(nèi)掩式透射日冕儀的工作原理圖。內(nèi)掩式經(jīng)物鏡對(duì)太陽成像，在第一像面處放置內(nèi)遮掩體，將太陽光球的光遮蔽掉。如圖1所示，日冕儀由入射口徑，日冕儀物鏡，場(chǎng)鏡，中繼鏡組，內(nèi)掩體，鬼像吸收膜，Lyot光闌構(gòu)成。太陽光直接照射在物鏡組上，被物鏡組成像在其后焦面處，設(shè)置在焦面處的掩體遮蔽了太陽光球?qū)拥年柟?，使其不能進(jìn)入后繼系統(tǒng)［7-10］。未被遮擋的陽光通過由場(chǎng)鏡和中繼鏡組組成的日冕儀二次成像系統(tǒng)成像于像面CCD，形成類似日全食的影像。

圖1 透射式日冕儀成像原理Fig.1 Imaging principle of refractive coronagraph

3 鬼像形成機(jī)制及軟件模擬

由圖1原理圖可知，物鏡組會(huì)直接暴露在太陽光的強(qiáng)烈直射之下。雖然物鏡表面經(jīng)過了超光滑拋光，但是無法避免透鏡內(nèi)表面的多次反射，這樣在透鏡內(nèi)部被表面多次反射的太陽光會(huì)進(jìn)入后繼鏡組形成鬼像［11］。如不鬼像遮攔，則相當(dāng)于一個(gè)面光源，一定程度上照明像面，就會(huì)降低像面的對(duì)比度。太陽光在物鏡內(nèi)部的反射如圖2所示。

圖2 光在物鏡內(nèi)的多次反射示意圖Fig.2 Multi-reflection light in the objective lens

設(shè)物鏡表面透射系數(shù)T達(dá)到0.99，反射系數(shù)R為0.01，且透射及反射無能量吸收，設(shè)入射光線a的光強(qiáng)度為1，按照物鏡兩面性質(zhì)相同計(jì)算可得:

Ib=T ×R ×R ×T=9.8×10－5

Ic=T×R×R×R×R×T=9.8×10－9

其中Ib和Ic分別是光線b和c的光強(qiáng)，可見Ib比Ic的強(qiáng)度大104倍，故c光相比b光的影響幾乎可以忽略，故著重考慮的是二次反射成像。

圖3 物鏡表面二次反射光的第一像面(零度平行光入射光)Fig.3 The first image plane of secondary reflected light in the objective lens(0°parallel light)

圖4 鬼像位置示意圖(零度平行光入射光)Fig.4 Ghost image position(0°parallel light)

圖5 物鏡表面二次反射光第一像面(±0.7°平行光入射光)Fig.5 The first image plane of secondary reflected light in the objective lens(±0.7°parallel light)

圖6 鬼像位置示意圖(±0.7°平行光入射光)Fig.6 Ghost image position(±0.7°parallel light)

用Tracepro軟件進(jìn)行光線追跡，零度角水平入射的平行光經(jīng)物鏡后如圖3，可見物鏡內(nèi)表面二次反射光會(huì)先在物鏡后一定位置聚焦面1處聚焦;再如圖4，經(jīng)場(chǎng)鏡被聚焦在中繼鏡組前，這個(gè)聚焦點(diǎn)就是鬼像。模擬分別以±0.7°入射的平行光，如圖5和圖6所示，可見同角度入射的平行光先聚焦在聚焦面2，再經(jīng)過場(chǎng)鏡同樣被聚焦在中繼鏡組前?？梢姽硐癫⒉皇且粋€(gè)理想的點(diǎn)，而是有一定尺寸的彌散斑，且并不是物鏡內(nèi)的全部二次反射都聚焦為鬼像，只是物鏡中心小范圍內(nèi)的二次反射才對(duì)鬼像有貢獻(xiàn)。根據(jù)它的位置考慮有兩種途徑可對(duì)其進(jìn)行遮擋:(1)在Lyot光闌中心添加一個(gè)擋片進(jìn)行遮攔;(2)在后面的透鏡表面中心的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)鍍吸收膜進(jìn)行遮攔。但考慮Lyot光闌中心的擋片需要支撐結(jié)構(gòu)，從而會(huì)引入雜光，故實(shí)際應(yīng)用中采用后一種方法，即在后面透鏡表面中心鍍制吸收膜。由模擬結(jié)果直接取值，這一小圓區(qū)域的直徑約為0.9 mm。為確保遮攔效果，實(shí)際吸收膜區(qū)域應(yīng)采用4%的過遮攔。

另一方面，采用MATLAB進(jìn)行光線追跡，計(jì)算獲得物鏡對(duì)鬼像有貢獻(xiàn)的區(qū)域最大半徑僅有3.790 1 mm，且是物鏡中心區(qū)域。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖7所示為物鏡二次反射光成像示意圖。

圖7 物鏡二次反射光成像示意圖Fig.7 Imaging principle of secondary reflected light in the objective lens

太陽模擬光源發(fā)出的光經(jīng)平行光管轉(zhuǎn)化為平行光入射日冕儀物鏡，物鏡內(nèi)表面多次反射引起的雜光先聚焦于物鏡后一定位置，而后入射日冕儀后繼系統(tǒng)，經(jīng)場(chǎng)鏡后成像，成像面就是圖中所示的鬼像面。制冷相機(jī)對(duì)鬼像面成像并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行觀察，場(chǎng)鏡限制了日冕儀的視場(chǎng)角度，也限制了對(duì)鬼像有貢獻(xiàn)的成像光束數(shù)量。

4.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在千級(jí)超凈間完成，采用1∶1日冕儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)氙燈作為太陽模擬光源，日冕系統(tǒng)置于封閉黑箱內(nèi)，同時(shí)配置制冷相機(jī)一臺(tái)。氙燈通過毛玻璃光強(qiáng)被均勻化，勻化的光通過開口直徑為D的染黑鋁板，鋁板置于平行光管焦面處，由平行光管焦距f=1 600 mm，太陽光球?qū)右晥?chǎng)角約為ω=±16'，得鋁板開口直徑［12］:

D=f× tan(ω)× 2=14.89 mm

氙燈燈要對(duì)準(zhǔn)鋁板開口的中心，由此鋁板的開口被氙燈均勻照明，可模擬太陽。平行光管出射的光可視為來自太陽的平行光束，光被日冕儀接收到，最后通過制冷相機(jī)成像。因?yàn)樘杻?nèi)冕的輻射亮度幾乎是太陽中心亮度的10－6量級(jí)，為了讓模擬的太陽實(shí)驗(yàn)裝置也達(dá)到這一量級(jí)比，在鋁板開口處放置106倍的衰減片，再用制冷相機(jī)觀察平行光管焦面處的鋁板，當(dāng)開口孔徑中心亮度和孔徑外的灰度值一致時(shí)，說明滿足10－6量級(jí)比例關(guān)系。之后去掉衰減片，此時(shí)被照亮的鋁板開口可以比較理想地模擬太陽，為之后的實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

4.3 鬼像遮攔實(shí)驗(yàn)

從鬼像的成像原理已知，鬼像的成像光直接來自物鏡的表面，鬼像面同場(chǎng)鏡對(duì)物鏡的成像面非常接近，故可用相機(jī)對(duì)物鏡的像面成像，稍加前后調(diào)整，便可以找到鬼像的像面。

圖8 鬼像像面成像圖Fig.8 Image plane before elimination of ghost image

圖8所示用制冷相機(jī)拍攝的鬼像像面，像面的中心處有一個(gè)明顯的亮斑。通過微小轉(zhuǎn)動(dòng)物鏡，這個(gè)亮斑會(huì)發(fā)生較大的水平偏移，在未到達(dá)視場(chǎng)邊緣時(shí)便消失。物鏡調(diào)整回原位后，亮斑又重新出現(xiàn)，而其他雜光點(diǎn)并未有明顯變化，這個(gè)中心亮斑就是鬼像點(diǎn)。測(cè)量顯示鬼像點(diǎn)的直徑和模擬的值基本吻合，均約為0.9 mm。采用一片光潔度極好的薄玻璃片，在其上點(diǎn)一黑點(diǎn)，將玻璃片置于鬼像像面，黑點(diǎn)遮住鬼像點(diǎn)，再通過制冷相機(jī)對(duì)該面成像，鬼像被遮蔽。鬼像消除后的影像如圖9所示。

圖9 鬼像消除后成像圖Fig.9 Image plane after elimination of ghost image

圖8中出現(xiàn)的明亮環(huán)為物鏡邊緣的衍射光成像，通過MATLAB讀取圖片灰度值，發(fā)現(xiàn)鬼像及衍射光亮環(huán)灰度值都達(dá)到了16 383的CCD飽和值，如圖10和圖11，由此更加確定鬼像如不進(jìn)行遮攔，一定程度上照明CCD像面使得日冕像的背景色變亮，日冕成像的對(duì)比度就會(huì)變差，從而影響觀測(cè)。

圖10 鬼像點(diǎn)灰度值Fig.10 Gray value of ghost image

圖11 物鏡邊緣衍射光灰度Fig.11 Gray value of diffracted light of objective lens edge

綜上，理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了地基日冕儀中主要的雜散光鬼像得到了抑制，實(shí)驗(yàn)同時(shí)提示只有物鏡中心一定區(qū)域的二次反射光才會(huì)形成鬼像，而對(duì)鬼像無貢獻(xiàn)的物鏡二次反射光會(huì)有不規(guī)則的分布，所以鏡筒內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行消雜光螺紋設(shè)計(jì)，所有光闌邊緣應(yīng)進(jìn)行刀口設(shè)計(jì)以減小雜散光。另外，圖8和圖9中的不規(guī)則亮點(diǎn)是由物鏡上的灰塵散射光成像形成的，故提高成像系統(tǒng)的潔凈度也是消除雜光必不可少的手段。

5 結(jié)論

日冕儀的工作特點(diǎn)決定了其對(duì)雜散光抑制要求極其嚴(yán)格，在儀器完善及鏡片制造工藝極其成熟的前提下，也有很多雜散光是無法避免的，從而要求日冕儀系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的前提下提高雜散光的抑制水平。本文著重講述了內(nèi)掩式透射日冕儀鬼像的形成原理，進(jìn)行了軟件模擬，并在超凈間進(jìn)行了1∶1日冕儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的演示，驗(yàn)證了提出的鬼像消除方法的可行性，也通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鬼像的尺寸和Tracepro模擬的尺寸基本一致，直徑約為0.9 mm。

［1］ 胡中為，趙海斌，姚進(jìn)生.日全食時(shí)的日冕光學(xué)觀測(cè)［J］.科學(xué)通報(bào)，2009，54(13):1841-1849.HU ZH W，ZHAO H B，YAO J S.Optical observation of the solar corona at total solar eclipse［J］.Chinese Sci Bull，2009，54(13):1841-1849.(in Chinese)

［2］ 王水.日冕物質(zhì)拋射與空間天氣學(xué)［J］.中國基礎(chǔ)科學(xué)，2000，4:12-15.WANG S.Coronal mass ejections and space weather［J］.China Basic Science，2000，4:12-15.(in Chinese)

［3］ 宋麗敏，張軍，楊志良，等.對(duì)地日冕物質(zhì)拋射研究［J］.天文學(xué)進(jìn)展，2002，20(1):33-43.SONG L M，ZHANG J，YANG ZH L，et al..Earth-directed coronal mass ejection［J］.Progress in Astronomy，2002，20(1):33-43.(in Chinese)

［4］ 趙海斌，林啟生，陳一平，等.2008年8月1日日全食的日冕結(jié)構(gòu)和亮度分布［J］.科學(xué)通報(bào)，2009，54(12):1790-1792.ZHAO H B，LIN Q SH，CHEN Y P，et al..Coronal structure and brightness profile of the total solar eclipse on August 1，2008［J］.Chinese Sci Bull，2009，54(12):1790-1792.(in Chinese)

［5］ 尤建圻.空間日冕觀測(cè)進(jìn)展［J］.天文學(xué)進(jìn)展，1999，17(4):299-308.YOU J Q.Progress in space observations of the corona［J］.Progress in Astronomy，1999，17(4):299-308.(in Chinese)

［6］ 張奇巖.“太陽與日光層觀測(cè)臺(tái)”揭示太陽的秘密［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2006(7):7-10.ZHANG Q Y.“Solar and Heliospheric Observatory”reveal the secrets of the sun［J］.China Education Innovation Herald，2006(7):7-10.(in Chinese)

［7］ BRUECKNER G E，HOWARD R A，KOOMEN M J，et al..The large angle spectroscopic coronagraph(LASCO)［J］.Solar Physics，1995，162:357-402.

［8］ THOMPSON W，DAVILA J，MENTZELL E.Calibration results for the COR-1 coronagraph on STEREO/SECCHI，SH21B-0408［R］.Washington:American Geophysical Union，F(xiàn)all Meeting 2004.

［9］ THOMPSON W T，DAVILA J M，F(xiàn)ISHER R R，et al..COR1 inner coronagraph for STEREO-SECCHI，in Innovative Telescopes and Instrumentation for Solar Astrophysics［J］.SPIE，2003，4853:1-11.

［10］ HOWARD R A，MOSES J D，VOURLIDAS A，et al..Sun earth connection coronal and heliospheric investigation(SECCHI)［J］.Space Sci Rev，2008，136:67-115.

［11］ 張紅鑫，盧振武，夏利東，等.白光日冕儀光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制［J］.光學(xué) 精密工程，2009，17(10):2371-2376.ZHANG H X，LU ZH W，XIA D L，et al..Stray light suppressing of optical system in white light coronagraph［J］.Opt.Precision Eng.，2009，17(10):2371-2376.(in Chinese)

［12］ 李萍，盧振武，夏利東，等.反射式內(nèi)掩日冕儀的光學(xué)設(shè)計(jì)與雜散光分析［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2009，2(5):408-413.LI P，LU ZH W，XIA D L，et al..Stray light analysis of internallyocculted mirror coronagraph［J］.Chinese J.Opt.Appl.Opt.，2009，2(5):408-413.(in Chinese)