白光日冕仪光学系统的杂散光抑制

　　1　引　言

　　日冕仪是在不发生日全蚀时观测日冕的光学仪器﹐为法国人Lyot在1930年所发明。太阳外冕的观测对人们全面理解太阳活动,特别是全面理解那些作为日球层和磁层活动的驱动源如日冕物质同抛射(CME)之类的现象是极为重要的[1]。在以往重要的空间太阳探测项目中,从早期的火箭飞行直到SOHO[2]、STEREO[3]这样更为先进的观测飞船,日冕仪一直是其中的关键仪器之一。由于日面观测无法提供足够的信息,日冕的成像观测对预报空间天气是至关重要的。利用日冕仪的成像观测,可以开展外日冕的形态学研究和测量该区域的电子浓度;研究CME爆发的演化和传播(包括形态、速度和密度等)和紫外波段的观测一起预报Halo CME;同时可以监测外日冕随太阳活动周的演变。

　　由于日冕的亮度相对太阳光球来说非常微弱,因此在法国人Lyot 1930年发明日冕仪之前,人们只能利用日全食期间才能对日冕进行光学观测。而且受天空背景限制,日冕仪在地面工作时只能在海拔几千米以上的高山上使用且视场被局限在几个太阳半径之内;同时,只能在白天进行并极大地受制于大气条件,无法达到连续不间断观测和在大空间范围对日冕结构进行跟踪的目标,这一目标只可能在太空中实现。1963年,外掩式日冕仪在火箭上进行了空间观测[4]。该日冕仪具有极低的杂散光,使得它能够比地面日冕仪向外观测到更大的日冕空间范围。从那以后,若干星载外掩式日冕仪已经对日冕进行了长周期的连续观测,包括: OSO-7[5](1971 ~ 1972)、Skylab(1973~1974)[6]、P78-1(1979~1985)[7]、太阳极大年计划(SMM:1980~1989)[8]、SOHO[9](1995~)、以及STEREO[10](2006~)而且观测的空间分辨率、视场(FOV)、时间分辨率以及任务持续时间都不断地得到提高。

　　目前,我国正在论证中的“夸父计划”[11]是由“L1+极轨”的3颗卫星组成的一个空间观测系统:位于地球与太阳连线引力平衡处第一拉格朗日点(即L1点)上的夸父A星和在地球极轨上共轭飞行的夸父B1、B2星。建议的夸父A星将观测太阳EUV/FUV(极紫外/远紫外)发射、白光CME以及测量射电波、空间等离子体、磁场和高能带电粒子等。白光日冕仪监测2.5~15个太阳半径日冕。因此,白光日冕仪将是夸父A星最为关键的仪器之一,并且在我国是首次研制。本文针对“夸父计划”中A星载荷白光日冕仪的具体要求,从日冕仪的基本光学特性出发,设计了光学系统,并对其进行杂散光抑制设计。在设计过程中,通过分析系统杂散光特点,设计了多个光阑互相共轭的空间位置关系,从而达到了良好的杂光抑制水平。其中,系统视场为4°,角分辨率为14″,口径为30 mm,焦距为200 mm,系统总长为1 080 mm;其中光学系统为370 mm,37 pl/mm的MTF值>0.5;系统的4个主要杂散光光源从结构上被全部抑制,系统的整体杂散光抑制水平可达。