本年度主要工作包括:扩展日冕仪的光学与机械协同设计，光学成像系统的详细设计，方形外掩体/内掩体试制，以及日冕仪测试系统的设计等。

1、完成扩展日冕仪的光学与结构协同设计

        日冕仪是特殊的观测设备，既需要用光学系统对太阳周围的暗弱日冕进行清晰成像，也需要用特殊设计的机械结构将视场中心强的太阳像挡掉并消减杂散光，这两者要相互配合达到最佳的相对位置，以及满足特定的共轭关系。为此项目首 先编写针对扩展日冕仪设计参数的特定程序，将光学系统和遮光结构整体考虑，优化设计。目前已完成光机协同设计软件如图 1 所示。其采用 MATLAB 与 ZEMAX 软件通过底层交互，由ZEMAX 进行光学系统设计，由 MATLAB 计算遮光部件的尺寸位置，并由迭代算法比较分析各透镜参数和部件参数，逐次优化，从而得到透镜组和外/内掩体、遮光阑、鬼像等关键部件参数的最终设计值。

         图 1 中日冕仪光机协同设计软件分为以下几部分:(a)获取光学透镜参数;(b)输入遮光结构的参数;(c)计算内/外掩体大小和位置;(d)计算鬼像大小; (e)判断偏差并修正上述参数重新优化过程序具体运行过程如下:

        (a)获取光学透镜设计参数。通过 zDDEInit 与 zLoadFile 函数将 MATLAB 与 ZEMAX 建立连接，并通过 zGetSurfaceData、zGetSystemAper、zSetPrimaryWave、 zGetField 等函数来获得 ZEMAX 设计的参数，显示在镜片设计参数中。界面中预留了最多 17 片透镜的参数空间，实际镜片以 ZEMAX 设计结果按从前往后的 顺序添加到镜片参数面板中。

        (b)输入遮光结构的参数。包括设定外掩体的位置、内视场大小、Lyot 光 阑相对物镜口径的遮拦比例，内掩体相对于外掩体的遮拦比例。可以手动输入， 也可以选择默认输入。其中，默认值为设定外掩体位于物镜通光孔径前 370mm 处，内视场为±4°，Lyot 光阑相对于物镜口径的遮拦比例，以及内掩体相对于外 掩体的遮拦比例，均预设为 1.05。

        (c)计算内外掩体的大小和位置。将 Lyot 光阑通过场镜组反向成像到物镜前，并将其扩大输入参数中设置的倍数。同时以 Lyot 光阑像口径、内视场及外掩体与物镜的距离计算出外掩体的大小。根据外掩体和内掩体之间的共轭成像关 系计算内掩体的大小和位置。

        (d)计算鬼像大小。鬼像主要是由于物镜表面受到外掩体边缘衍射光照射而在其前后表面多次反射造成的杂散光。物镜组通常采用双胶合透镜，计算鬼像时需要计算 1、3 表面，1、2 表面，1、3 表面的二次反射。以外表面透过率 99.5%， 胶合面透过率 99.8%，吸收可忽略为前提，分别计算三部分杂散光形成的鬼像位 置、大小及能量，并综合计算得到 Lyot 斑的加权最小直径及相应位置。

        (e)判断偏差并修正上述参数重新优化。判断修正过程仍按从前向后的顺序，具体包括判断外掩体对物镜是否充分遮拦、内掩体与物镜距离是否足够大、 Lyot 斑是否位于镜片表面、Lyot 斑与透镜口径比是否小于 0.2。其中，判断物镜组对外掩体成像像差的大小需要结合物镜组的放大率及掩体遮拦比例共同确定是否合适。判断物镜对 Lyot 光阑成像像差大小需要根据场镜组的放大率及物镜 口径遮拦比例确定是否合适。

        按照上述过程，对扩展日冕仪的光学镜片和结构部件参数进行预设默认值为 基础，运行程序，依次判断并对部分参数进行逐步优化，从而得到满足日冕仪设 计要求的最优结果。图 1 中为光机协同设计软件运行后中间步骤的结果，其中光 学系统包含 13 片透镜。根据计算结果可以对各个参数进一步优化。

2、完成光学成像系统的详细设计。

        根据光机协同设计结果，可以对扩展日冕仪的光学系统进行详细设计。根据前期研究和国外成功的经验，该光学采用二次成像系统，以重复提高对杂散光的抑制能力。所有透镜材料均采用防辐射玻璃，以便为空间在轨运行做准备。透镜 材料主要采用成都光明公司生产的防辐射玻璃系列及肖特公司的 LAK9 防辐射玻璃。扩展日冕仪光学系统的总体设计结果如图 2 所示。

        其中各部分设计情况分别为:物镜组采用双胶合透镜，主要将外掩体成像到内掩体位置，由内掩体进行遮拦。为了使得在过遮拦比例最小的情况下实现最优的遮拦效果，需要其在 650-750nm 范围内成像点斑几何半径达到外掩体像半径 的 1/30，400-1100nm 范围内达到外掩体像半径的 1/15，计算得到物镜对外掩体的像半径为 6.745mm，如图 3 所示，物镜成像点斑几何半径分别为 63.866μm 和95.520μm，满足以上要求。

        分析在日冕仪的视场范围内，像面上点斑最大 RMS 半径为 6.915μm，在 37lp/mm 处所有视场的传递函数均大于 0.6，如图 4 所示，满足日冕仪设计要求。

        对物镜组产生的鬼像强度采用 LightTools 软件进行了模拟，结果如图 5 所示。 图中，264 号为物镜口径处的照度分布，257 号为中继镜组前表面处的照度分布， 244 号为像面处鬼像照度分布。若设物镜处照度为 20w/mm2，则像面处鬼像造成 的杂散光最大处约为 0.00015w/mm2，即相对于物镜处照度为 7.5×10-6。由于物 镜处照度主要由外掩体边缘的衍射光照射产生，衍射光强在物镜孔径处约为入射 光在外掩体处照度的 6.5×10-6，再乘以望远镜的聚焦作用 10-2，得到模拟鬼像强 度为 4×10-13 量级，这比内视场要求的杂散光水平还要低。考虑到日冕仪内视场 处日冕信号约为 10-11B⊙量级，因此鬼像即使不用 Lyot 斑遮拦，其对日冕仪总的 杂散光贡献也可以不计。

(3)完成方形外掩体/内掩体试制

        日冕仪杂散光抑制的一个非常重要的手段是对外掩体进行优化设计。外掩 体是日冕仪杂散光抑制中最重要的元件，由于直接受到太阳直射光的照射，且口 径较小，其边缘的衍射光强最强，同时也是很多其它杂散光的根源，如物镜孔径 边缘的衍射光、物镜表面粗糙度和杂质等的散射光、物镜表面多次反射的鬼像， 以及内掩体遮拦后残余的衍射光等。故降低外掩体边缘的衍射光，以上几种杂散 光也会同时降低，进而可以有效降低日冕仪总的杂散光强度。

        本项目深入研究了以往日冕仪各种外掩体的优缺点，设计出一种多层方形 外掩体结构，如图 6 所示。这是一种介于锯齿形掩体盘与圆形掩体盘之间的结构 ——正方形代替原来的圆形，并组成多层消衍射光的结构。因此，单层正方形外 掩体在物镜口径处的衍射光强应介于锯齿形和圆形情况之间。而将正方形做成多 层结构后，其对衍射光强的抑制相对于圆形结构至少提高一个量级，相应的日冕 仪的总杂散光水平可以很大程度上降低。当然，这种外掩体的不足之处是会使内视场有所损失(对角线方向)。但由于扩展日冕仪为大视场观测，内视场本身不 能太小，为了提高杂散光抑制，内视场的少量损失是可以接受的。

        图 6 中，外掩体的侧面相对于中心轴线是倾斜的，内部是是中空的，可以减小拒热镜表面散射光被外掩体后表面再次反射到物镜内。外掩体各挡板的大小 设计有三种方式:(1)等边长差方式，即所有挡板由后向前每个挡板的边长等间 隔增大;(2)等角度差方式，即将外掩体遮挡的内视场与太阳的半发散角之差平 分多份，每一份为相邻两挡板边缘连线的夹角之差;(3)等衍射差方式，当波长 不变时衍射强度与距离的平方成反比，与横向尺寸一次方成反比，据此分配角度差可使相隔挡板之间的衍射效果差别相同。根据这三种方式计算了方形外掩体各 挡片的尺寸如表 1 所示。计算中设定内掩体对外掩体 1.1 倍遮拦，直边边缘遮拦 视场角为 2.8°，外掩体第五片挡板距离物镜 370mm，各挡板间隔 20mm，Lyot 光阑在物镜处像半径为 4.06mm，Lyot 光阑对物镜 1.05 倍遮拦。

         针对平行平板情况，采用以上三种设计方式进行衍射光场模拟，得到物镜口径处的衍射光强分布如图 7 所示。可知等高度差设计比等角度差设计的平均强 度高约 6 倍，而等角度差设计比等衍射差设计平均强度高约 5 倍。故从理论上可 知，采用等衍射差设计的外掩体遮挡效果最好。

        针对上述设计，已试制完成一套外掩体，包括方形和圆盘形两种，如图 8 所示。其中圆盘形外掩体将用于与方形外掩体进行测试比较。

 

(4)完成日冕仪测试系统设计并购置相关设备

        日冕仪测试主要包括成像质量测试及杂散光测试两项。成像质量测试为视场、 分辨率、成像质量等的测试，将采用传统光学系统测试方法。杂散光测试的难点 在于实现大面积高对比度杂散光检测，拟采用两种方式:采用高功率半导体激光 器照射与位移叠加曝光相结合的方式;或者采用高功率氙灯结合大口径平行光管 的方式，即将高功率氙灯发出的光聚焦到平行光管的前焦点处，在前焦点处开孔， 使得经平行光管出射光束的发散角与太阳发散角一致。平行光管口径应能覆盖扩 展日冕仪的入射孔径。

        目前已定制完成 4200 瓦氙灯，高功率半导体激光器和大口径平行光管正在 进行产品调研中。