日冕儀是幹什麼用的？

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作者：王錚

中國科學院國家空間科學中心

空間天氣學國家重點實驗室

我們聽人說太陽有光球層、色球層、日冕，可是看上去太陽就是白花花的一個圓盤。為啥呢？其實我們看見的就是光球層的白光，因為它太亮了，所以別的光我們看見了也「視而不見」。要看見其他的層，就得等到日食，把中間的強光遮住了，周圍一圈的不那麼亮的才能「看得見」。下圖是日食時候看到的太陽色球層，因為是紅色所以叫色球層。

日食時的色球層

那麼日冕呢？日冕的亮度是光球層的不到一百萬分之一。日食的時候可以看到它，也就是上圖色球層再外圈的一圈白光。不過我們一般看到的日冕照片都是後期處理過的圖，甚至是想像圖。

我們想多觀察觀察太陽，可日食不是天天有，那我們自己做個日食怎麼樣？

當然可以！——通常的日食是月亮在中間擋住了太陽，我們也可以自己在眼前放個東西擋住太陽嘛，比如拿個勺子放在眼前……

不止是發亮的日冕，連原本太暗的星球也看得到了……

所以日冕儀（Coronagraph）的靈感起源並沒有那麼複雜。1931年，法國天文學家李奧（Lyot）發明了日冕儀，這個儀器使人們在陽光普照時也能對日冕發出的光線進行觀測。日冕儀的發明不算早，不是因為原理複雜，而是因為更早的時候人們還沒有認識太陽大氣有色球層和日冕這些不容易觀察的部分。

當然實際操作的時候，還要考慮散射光的效應，在地面上看得時候，地球大氣散射的太陽光還是比日冕的光要亮。所以日冕儀一來要在設計上就從結構等方面盡量降低這種效應，二來放在太空中或者至少是空氣稀薄的地方（如高山上）才能儘可能的發揮它的作用。。

高山上的日冕儀，台站在1700米的山上

日冕儀最基本的原理是放一個遮擋板把光球層的陽光擋住，遮蔽了太陽光球圖像的同時允許日冕的像通過。遮擋盤通常是一個拋光的金屬錐體或者是一個傾斜的反射鏡（反射鏡可以把來自光球的輻射反射到單獨的光熱窗）。

最初的基本設計是在望遠鏡的主焦點放置遮擋盤，如下圖所示，陽光從左邊來，第一物鏡O1接收到圖像，中間的遮擋板D1擋住光球層的光，場鏡F1幫助放大和處理圖像（常用法布里透鏡，目的是消除物鏡邊緣的衍射），光闌A3消除邊緣效應，經過第二物鏡O2形成圖像，O2前頭那個小方塊代表是往往用來擋住光路中所成的假日面像的小擋塊。。

Lyot的最初的日冕儀基本設計

常見的後續處理方法是：在遮擋盤之後用法布里透鏡對物鏡成像，消除物鏡邊緣的衍射；再用一個比物鏡的像稍小的光闌消除邊緣效應；另外最終成像物鏡前的第二個遮擋盤是用來消除第一物鏡之後的多重反射效應。經過這些處理後，最終的日冕像由安裝在衍射光闌後的第二物鏡產生。

在設計上想要儘可能消除散射光，就要盡量減小透鏡的厚度、以及玻璃與空氣交界面的數目，故：第一物鏡採用單塊薄透鏡，並在照相鏡後安置窄帶濾光片來消除物鏡帶來的的色差；可把物鏡分成許多部分，使其透明度由中心到邊緣按高斯方式減小；採用口徑略小於第一個光闌的第二個光闌的，來擋去前一個光闌邊緣的衍射與雜散光；鏡筒內塗有無光澤的黑色塗料，因為黑色可以吸收光線、避免反光；等等。

現在，物鏡往往用未鍍膜的偏軸拋物面的反射鏡構成。另外，在取景、成像的鏡頭系統之外，還有新的改進手段：如下圖，遮擋盤不放在主焦點上，而是直接放在第一物鏡前邊，遮擋板還必須足夠大使得物鏡完全在遮擋板的本影之內。這種方法在衛星上特別適用。1966年，美國科學家戈登·紐科克（Gordon Newkirk）設計了這種改進型的日冕儀，幾乎美國所有的日冕儀都採用了這種設計。

Newkirk的日冕儀改進型設計，遮擋盤在主焦點而是在第一物鏡前

透過日冕儀看到的太陽可以直接拍照，我們看到的很多日冕還有日冕物質拋射活動的照片都是這樣拍攝的，但更常見的是把光導入光譜儀、光度計或其他的輔助儀器。我們在看下圖這樣的照片的時候，中間的實心圓盤就是日冕儀擋住的部分，而圓盤中心那個小圓就是人為畫上去的太陽的位置和大小。特別是一些看上去很完整的太陽+太陽大氣的圖片，其實都是後期處理、拼接的，我們可以用別的鏡頭看太陽光球層然後和日冕儀拍到的日冕拼接過來成一張圖片。在地球上通常只可以測到光球之外大約1倍太陽半徑的日冕，而衛星搭載的日冕儀已經成功地測到光球之外6倍太陽半徑或更大些的日冕。

中間的白色空心圓是太陽，實心部分是日冕儀擋板擋住的，發亮的是日冕物質拋射活動

作者：王錚中國科學院國家空間科學中心 空間天氣學國家重點實驗室

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