杂散光抑制是镜头设计中的关键环节之一，在很多特定的应用场景下，杂散光抑制水平决定了系统能否正常工作。之前讲过的遮光罩和挡光环设计都是为了抑制杂光光线的传播，这些结构并没有介绍衍射作用产生的杂光该如何抑制。本期我将介绍一种在天文观测中常用的仪器——日冕仪，并通过这个例子介绍Lyot光阑与衍射杂光抑制。

一、日冕仪的设计要求及特点

日冕仪是一种用于观测太阳日冕的天文仪器。日冕是太阳大气的最外层，由于其亮度远低于太阳光球层，直接观测日冕非常困难。日冕仪通过特殊的光学设计，能够有效地抑制太阳光球层的强光，使得日冕的微弱光芒得以显现。

在光学设计中，杂散光抑制是镜头设计的关键环节之一，尤其在天文观测领域，其水平往往决定了系统能否正常工作。日冕仪作为一种特殊的天文观测设备，其设计要求和特点尤为突出。

日冕仪主要用于观测太阳日冕。日冕是太阳大气的最外层，从色球边缘向外延伸到几个太阳半径处，甚至更远。日冕的温度极高，可达100万摄氏度以上，主要由高速自由电子、质子及高度电离的离子组成。这些带电粒子运动速度极快，不断有带电粒子挣脱太阳的引力束缚，形成太阳风。日冕的光学特性复杂，其辐射波段范围很广，从X射线、可见光到波长很长的射电波。由于日冕的亮度约为太阳内层的1e-6量级，观测日冕需要特殊的光学设计来抑制太阳光球层的强光，使得日冕的微弱光芒得以显现。

（来源于互联网）

日冕仪的设计难点主要在杂散光抑制。由于日冕在太阳外层，且亮度比实际目标高很多，需要考虑的杂光来源分为两类，一是太阳本身的像所产生的杂光，包括像自身的能量和在光迹结构作用后产生的散射能量。如果光学系统中没有窄带滤光片，倍率色差也需要考虑。总的来说这一部分通过蒙特卡洛法即可仿真分析，我已经写过很多相关的文章了，大家可以查阅。第二大类是衍射杂光，太阳能量通过光学系统孔径光阑和掩体后，波前本身可以看作若干子波叠加的效果，而波前上每个微元都可以看作新的子波。这些衍射能量相比日冕仍可能很高，需要考虑抑制。

根据对太阳能量抑制方式不同，一般可以分为内掩式和外掩式两大类。外掩式日冕仪则通过在光学系统的前端放置一个遮挡物来遮挡太阳的直接光线。这种设计可以更有效地减少太阳光的直接进入，从而降低杂散光的产生。外掩式日冕仪的优点是杂散光抑制效果更为显著，但其缺点是结构相对复杂，且对遮挡物的精度要求较高。

(图源自参考文献[2])

内掩式日冕仪通过在光学系统的中间像面上放置一个遮挡物作为内掩体（下图D1）来直接遮挡太阳的直接光线。这种设计可以有效减少太阳光球层的强光对日冕观测的干扰。内掩式日冕仪的优点是结构相对简单，杂散光抑制效果较好，但其缺点是对光学系统及光阑结构的精度要求较高，且难以完全消除所有杂散光。

(图源自参考文献[6])

在接下来的部分，我们将详细介绍Lyot光阑的杂散光抑制作用，以及它在日冕仪中的具体应用与设计方法。

二、Lyot光阑与衍射杂光抑制

Lyot光阑由法国天文学家Bernard Lyot于1939年提出，其核心原理是通过多级衍射抑制消除光学系统中的高阶杂散光。在内掩式日冕仪中，Lyot光阑通常位于中间像面之后，通过精确匹配光学系统的点扩散函数(PSF)实现杂光过滤。

在日冕仪的设计中，Lyot光阑通常放置在物镜孔径光阑的共轭像面上。通过精确计算和设计Lyot光阑的尺寸和位置，可以有效拦截由孔径光阑边缘产生的衍射光，避免这些光线到达成像面。具体来说，即物镜孔径光阑A与Lyot光阑C位置共轭，由孔径光阑A边缘形成的杂光被Lyot光阑阻挡，而Lyot光阑中心位置也可以设置遮拦物，用来抑制物镜组产生的鬼像等其他杂光

(图源自参考文献[7])

一般情况下，Lyot光阑的位置和大小是根据衍射光场分布计算得到的，衍射场即子波源发出的光波相干叠加的结果，在现代计算机工具下可以快速计算得到。就内掩式日冕仪而言，Lyot光阑处的衍射场分布其实上是孔径光阑A和内掩体B两处叠加的结果。为了保证实际杂光抑制效果，Lyot光阑实际起到了所谓的”过遮拦“效果，即有效通光孔径略小于孔径光阑。

在实际应用中，Lyot光阑的杂散光抑制效果已经得到了广泛验证。例如，在SOHO卫星LASCO日冕仪中，通过多级Lyot光阑设计可以将杂散光抑制到10⁻¹⁰量级。除了日冕仪，实际上Lyot光阑也有助于降低一般镜头的杂散光水平，与孔径光阑共轭的设计方法对于其他类型的杂光同样可以起到一定的作用（例如鬼像，Lyot光阑可能在特定位置抑制某些表面产生的鬼像），不过效果如何也需要根据具体情况考虑。

三、总结

通过本文的介绍，我们详细了解了Lyot光阑在日冕仪中的应用及其杂散光抑制作用。Lyot光阑通过其独特的设计和工作原理，有效地抑制了由孔径光阑边缘产生的衍射光，显著提高了光学系统的成像质量和对比度。这种设计在日冕仪等高对比度成像系统中具有重要的应用价值。

总的来说，Lyot光阑是一种非常有效的杂散光抑制结构，广泛应用于天文观测和其他高对比度成像领域。希望本文的讨论能够帮助读者更好地理解和应用Lyot光阑技术。