系外行星成像星冕仪

2025-08-12

系外行星成像星冕仪(CPI-C)通过光瞳调制和高阶波像差校正,抑制主光机系统的衍射光子噪声和散斑噪声,对太阳系外行星进行超高对比度成像(10-8 @600-900nm,高对比度内工作角不大于 0.55"@633nm)。如图所示,星冕仪由科学探测单元和综控配电单元组成。科学探测单元包括光学系统主体、可见光成像系统、波前探测相机、千单元可变形镜、数据处理箱、倾斜校正镜与激光定标单元等;综控配电单元包括综控与配电电箱、制冷控制箱及红外科学成像系统等。

图1 星冕仪科学探测单元和综控配电单元组成与结构布局

从科学观测的角度,星冕仪主要功能模块包括衍射光抑制系统、像差校正系统和科学成像系统:1)衍射光抑制系统由光瞳调制滤光器和焦面掩膜板组成,光瞳调制滤光片是衍射光抑制系统的关键,焦面掩膜板作用是将恒星调制后的中心亮光遮挡。2)像差校正系统由波前探测相机、定标光源、高精度稳像单元、高阶波像差校正器组成。定标光源用于星冕仪系统的超高对比度标校;高精度稳像单元实现恒星目标的高精度指向定位和稳像功能;高阶波像差校正器对来自光学系统的高阶波像差进行精确校正;高精度波前探测单元用于实现测量高阶波像差校正器响应函数、参与超高对比度标定并记录目标对比度对应波前信息、参与天体指向和稳像工作、探测由温度变化等产生的低阶像差等功能。3)科学成像系统由可见光成像相机、近红外成像相机以及对应的滤光轮和制冷机组成。可见光成像相机完成天体目标在可见光波段图像,并且参与高对比度成像工作区自校准环节;近红外成像相机实现对科学目标在短波红外波长的探测。两者覆盖波长范围 0.60-1.60μm

星冕仪光路如图2左所示。在主望远镜焦点前采用 pick-off 镜将以(-0.3,-0.42)为中心视场的±6 角秒内的光引入星冕仪。通过光瞳调制、波像差探测与校正等关键部件分别抑制来自望远镜孔径产生的衍射光和由光学系统不理想表面、温度变化等产生的散斑噪声,从而在科学探测焦面的特定区域内获取超高对比度成像工作区。星冕仪像面位置布局可见光和短波红外成像相机,通过配置多通道宽带滤光片实现对系外行星在可见光至近红外波段的成像探测与高精度测光及大气光谱研究。图2右图给出了经过星冕仪光瞳调制和波像差校正前后的 PSF 图像。其中红线框处的区域为 10-8对比度成像暗区。

图 2 左:星冕仪光路示意;右:星冕仪实测焦面暗区图像,红框区域为相位调制后形成的高对比度暗区


附件: