中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

太阳系外行星探测是目前国际天文学的研究热点领域。系外行星探测分为间接探测技术和直接成像技术，间接探测是根据行星和恒星之间相互作用产生的现象为探测依据，直接成像可以捕获行星的光子信息，进而对其进行光谱观测，分析行星的物理结构和参数。由于恒星和行星的对比度悬殊，行星淹没在望远镜的衍射光子噪声中，使得系外行星直接成像技术极具挑战性，通用的办法是采用星冕仪对衍射光子噪声进行抑制。

南京天光所系外行星直接成像研究团队提出了基于透过率光瞳调制的星冕仪技术，该星冕仪系统能够在4λ/D的角距离处获得10^-7的成像对比度。光学系统的不理想表面引起的静态波像差会在焦面点扩散函数图像上产生散斑噪声，散斑噪声的存在将对比度抑制在了10^-7，而对类木/类地行星直接成像在可见光波段成像对比度需要达到10^-9和10^-10，本文提出了通过像差校正在焦面点扩散函数局部区域产生高对比度暗区（DH）和引入偏振测量仪，获得高对比度成像。
 

针对系统静态波像差问题，本文首次提出了基于焦面点扩散函数评价机制的控制优化技术产生DH。采用随机并行梯度下降算法（SPGD）控制液晶空间光调制器，基于焦面PSF评价机制的原理，PSF局部范围内优化出高对比度暗区，在4λ/D - 21λ/D的角距离范围内获得了10^-9的成像对比度，完成了∼100倍的成像对比度增益。与国际上其它团队相比（JPL，Princeton），该技术更简单有效，获得的工作区域更大。
 

其次提出了采用高对比度成像偏振测量技术，利用偏振仪将具有偏振性的行星光从无偏振性的恒星光中分离出来，本文首次将星冕仪系统和偏振测量系统优化集成，构成高对比度成像恒星偏振仪，对行星的Stokes向量进行测量，该偏振仪的调制模式由两块可变相位液晶延迟器和线偏振片构成，给出了液晶相位延迟器的校准方法，仪器响应矩阵的测量，偏振仪的误差分析，并通过引入Wollaston棱镜构成双光束偏振测量系统，消除大气对偏振测量的影响，完成了系统的设计与性能测试。实验测试表明该恒星偏振仪能够提供接近0.1%的测量精度，在5λ/D角距离处同样可以实现10^-9的成像对比度。
 

本论文证明了基于高对比度星冕仪的暗区校正和偏振测量技术可以实现∼100倍的成像对比度增益，获得了10^-9的成像对比度。实验结果表明该套仪器搭载空间望远镜可以实现对类木行星（10^-9）的成像观测，这为中国未来空间系外行星成像计划奠定了技术基础。