本年度完成的工作包括：扩展日冕仪光学成像系统和拒热镜的优化设计及加工，日冕仪机械结构系统的设计和零部件加工，电控系统的设计及元器件购置，日冕仪测试系统的搭建及设备购置等。
1、完成日冕仪光学成像系统和拒热镜的优化设计及加工
由于绝大部分耐辐射玻璃材料无法获得高光学均匀性、条纹度和气泡度的原料产品，故根据2017年完成的光学系统设计，将耐辐射玻璃材料改为可获得的高质量玻璃材料型号。结合对成像质量和杂散光的分析，重新对光学系统进行优化，完成的第二版Zemax设计如图1所示。
图1. 光学成像系统优化设计
根据改进的光学设计，调整日冕仪外掩体、内掩体及各遮光光阑的参数，完成了成像系统和机械结构的一体化设计，使满足低杂散光水平和高成像质量的要求。日冕仪成像系统和遮光装置的3D设计如图2所示，其中，方形外掩体与内掩体满足特定的共轭关系，将视场中心的太阳光球光挡掉；物镜组置于倾斜放置的球面拒热镜孔径中，可以将半开放式U型孔径入射的太阳直射光反射出日冕仪；场镜组和中继镜组各镜片间由隔圈和压环精密限定轴向位置，以保证成像质量。
图2. 日冕仪改进成像系统与机械结构设计图
在扩展日冕仪的成像系统中，物镜组由于位于最前，受到外掩体衍射形成的二级杂散光的直接照射，对表面粗糙度及内部杂质总量要求最高，要达到：折射率不均匀性小于3.3ppm，条纹度为不可见，气泡和杂质的总横截面积小于0.008mm2/100cm3；场镜组受到三级杂散光照射，表面粗糙度及内部杂质等要求比物镜组稍低；中继镜组由于位于Lyot光阑之后，大部分杂散光已基本抑制，要求相对较低。根据不同镜组对表面加工质量和玻璃材料的要求，优选高等级光学玻璃，加工工艺需满足设计要求。完成的光学镜片的加工图纸如图3所示。
图3. 光学系统部分镜片加工图纸
日冕仪镜片委托无锡纳诺光子技术有限公司加工，加工的物镜组采用成都光明的玻璃材料，具体参数为：光学均匀性H1，条纹度A，气泡度A00，中部应力2，边缘应力S3，光吸收系数3，可以满足日冕仪的要求。加工工艺采用磁流变光整加工，最大限度降低表面划痕和麻点的数量，减少亚表面损伤，降低散射。表面加工粗糙度达到rms 0.4nm，镀650nm~750nm波段的增透膜，单表面透过率达到99.5%。场镜组使用与物镜组相同等级的成都光明玻璃材料，采用磁流变光整加工，表面粗糙度加工达到了rms 0.5~ 0.6nm。中继镜组可采用等级稍低的玻璃材料，表面粗糙度达到rms 1nm。
拒热镜是将太阳光球的光反射出日冕仪的关键元件，其对面型精度要求不高，但需要达到很高的表面粗糙度，以减小引起的散射光被再次反射/散射后进入日冕仪成像系统形成杂散光。由于扩展日冕仪的入射口径大，使得拒热镜需要由直径达到0.5m的圆形反射镜切割成方形，如图4所示。考虑到加工和安装的限制，设计了背面为圆弧形和斜直形两种，与加工单位协调论证后优先选斜直形进行试制。拒热镜材料采用石英基底，表面粗糙度达到rms 1nm，并先镀铝反射膜再镀SiO2保护膜，来避免后期擦拭表面造成磨损。
图4. 拒热镜两种设计方案
2、进行日冕仪机械结构系统的设计和零部件加工
根据扩展日冕仪的机械结构设计要求，完成了关键遮光部件的图纸并进行加工试制，包括方形镜筒、U型入射孔径、5片层叠式方形外掩体、方形内掩体以及Lyot光阑等，如图5所示。
（a）
（b）
图5. 大视场扩展日冕仪半开放方形镜筒：(a)设计图；(b)实物图
完成的半开放式方形镜筒和外掩体装配如图5(b)所示。其中，入射孔径的尺寸为207*350mm，通光孔径距下边缘为175mm。外掩体设计了方形和圆形两种叠片结构，在视场中的遮挡面积相等以比较遮光效果。外掩体都为大小尺寸依次递减的5片，且最后一片采用锥形反射体减小直接反射光进入成像系统。内掩体尺寸较小，也分为方形和圆形两种，其支撑杆为弯折结构，保证外掩体到场镜的距离达到设计值。内掩体支杆与外掩体支杆处于共轭位置，由转接环连接二维平移台，可沿垂直于轴线的两个方向调节居中位置。为避免拒热镜后的部件超出孔径上部而形成前向散射光进入日冕仪，各部件设计不超过轴线中心以上32mm。CCD由于尺寸大，由45°角反射镜折转光路成像，如图5(b)所示。
(a) (b)
图6. 实验样机初步测试结果（中心区域，伪彩色）：(a)方形外掩体；(b)移入内掩体
将加工完成的日冕仪机械部件与实验样机的光学系统相配，测试其在半开放式方形镜筒、以及方形外掩体和内掩体作用下，遮光效果的改进。并测试整体的杂散光水平，结果如图6所示。实验表明：在最佳遮挡状态下，实验样机的杂散光水平达到5*10-11，外视场为±20°，内视场为±3.63°。这些结果将用于改进日冕仪的设计，为优化参数提供数据支持。
3、完成电控系统的设计及元器件购置
扩展日冕仪的电控系统包括：自动防护门的开启/关闭，外掩体与内掩体的居中对准，中继镜组的轴向对焦微调，偏振片转轮的角位置控制。目前已完成了各电控单元的方案设计，并购置相关元器件进行测试。
图7. 日冕仪电控部分设计图
如图7中，自动防护门分为两部分，对应半开放方形镜筒的前部和上部。为了使防护门开启后不形成太阳直射光散射点，且节省仪器空间，初步设计前防护门向上开启折叠到上防护门的外侧面，同时上防护门可沿一维滑轨平移到日冕仪的后部，开启方形镜筒的上部。根据图2的光机系统设计，物镜之前的方形镜筒部分轴向长度为455mm，物镜之后的光学成像部分轴向长度约480mm，因此有足够的空间放置上防护门和前防护门。外/内掩体的位置误差对日冕仪杂散光抑制影响明显，为了使外掩体相对于物镜与内掩体处于共轭位置且居中，设计由三个电控位移台精密调整掩体在成像面内的居中以及沿轴线方向的位置，使其居于理想位置。中继镜组会将经物镜成像的日冕图像二次成像到CCD焦平面上，设计镜组整体由一维电控位移台驱动，沿轴线方向前后微调实现对焦。扩展日冕仪设计加入偏振片解析日冕光的斯托克斯参数，设计由中空的精密旋转台对偏振片进行控制，在一次观测时间序列中调整通光到0°，±60°三个角度位置。综上，电控系统包括四类共7个自由度的运动单元，已完成电子元器件的选型购置。
(a) (b)
图8. 购置的NI电控和数据采集系统：(a)NI控制系统；(b)掩体三维可调结构
日冕仪电控系统的中控单元设计基于NI数据采集和控制板卡系统，如图8(a)所示，包括支持PXI Express总线的机箱和控制器（具有8GB/s的系统带宽）；通用的模拟输入和输出模块，采集状态参量及产生控制信号；支持Pt100的温度控制模块和串口设备通信模块；以及最多支持8轴PXI-7358运动控制板卡，可多轴联动，步进脉冲最大4MHz，能够满足日冕仪中7个自由度运动控制的需求。对外/内掩体进行位置调整的控制单元如图8(b)所示，由直流伺服电机促动器驱动，可调范围13mm，重复定位精度优于1mm。对中继镜组的对焦调节也采用同样的促动器。上防护门采用直线导轨如图9(a)所示，由步进电机和碳纤维导轨组成，最大行程800mm，大于上防护门的位移范围。偏振片的转角控制采用图9(b)的精密旋转台，中心为直径2英寸的通光孔，定位精度优于10″，可以满足控制要求。上述器件和部件正进行测试，以进一步完成系统联调。
(a) (b)
图9. 购置的运动部件：(a)直线滑轨和(b)偏振片旋转台
（4）完成日冕仪测试系统设计并购置相关设备
扩展日冕仪要观测大视场范围内的极暗弱光信号，对杂散光抑制、成像质量、光学元件加工等要求非常高，因此需要搭建特殊的光学检测系统，主要包括：超光滑镜片光学表面检测装置，日冕仪总杂散光测试系统，以及成像质量检测系统。已购置高亮度陶瓷氙灯光源，高功率激光器，检测用sCMOS相机等设备，搭建各检测系统用于测试。
搭建的超光滑镜片光学表面微观光学特性检测装置分为两种类型，一种为长焦距情况，一种为短焦距情况，如图10所示分别为长焦镜头和短焦镜头的检测装置。长焦镜头采用平行光照射透镜，在镜头焦点位置放置锥形反射遮掩体，将直射光反射出光路。再在后方放置变焦镜头将透镜表面成像聚焦到像面上。短焦镜头采用平行光先照射到偏振分光棱镜上，一束偏振光透射照射到透镜表面产生向后方向的散射光经偏振分光棱镜后反射再经变焦镜头成像聚焦到像面。
(a)
(b)
图10. 超光滑镜片检测装置：(a)长焦镜头和(b)短焦镜头
搭建日冕仪杂散光测试系统，包括大口径模拟太阳光源，长测试光路和吸光阱。其中模拟光源系统选用氙灯和激光器两种类型。氙灯可以得到连续光谱的均匀光源；高功率半导体激光器经液芯光纤匀化后得到均匀高强度光源，波长选用650nm、700nm、和750nm波段，可覆盖日冕仪650nm~750nm工作范围。长测试光路主要为了防止大口径光源处散射的光照射到物镜内造成干扰光，影响检测。目前实验室内长达20米的无弯折光路可以满足测试要求。吸光阱采用内部粗糙化并采用哑光黑喷漆的小口黑洞来实现。
日冕仪光学质量测试系统采用分辨率板配合平行光管的方式来检测日冕仪的分辨率，通过分辨分辨率板的条纹及平行光管来得到日冕仪的角分辨率。由于扩展日冕仪的焦距仅为38mm，通常距离为望远镜焦距的100倍以上即可以看做是无穷远，故扩展日冕仪的观测目标大于4米就可以看做是对无穷远成像。由此对4米外的目标成像来检测日冕仪的视场。
