Lightweight	  Coronal	  Imager	  for	  Solar-­‐C	  Frédéric	  Auchère	  Ins<tut	  d’Astrophysique	  Spa<ale	  frederic.auchere@ias.u-psud.fr

Objec<ves	  -­‐Context	  imaging	  from	  high	  la1tudes:	  -­‐	  Variety	  of	  morphologies	  and	  uniqueness	  of	  the	  opportunity	  calls	  for:	  	  -­‐	  Full	  Sun	  imaging	  	  -­‐	  Mul1ple	  wavelengths	  to	  cover	  a	  range	  of	  temperatures	  	  -­‐	  1	  arcsecond	  class	  resolu1on	  	  -­‐	  Compa1ble	  exposure	  1mes	  (~	  10s)	  -­‐	  All	  this	  in	  a	  compact,	  lightweight	  package	  due	  to	  the	  oﬀ-­‐eclip1c	  mission	  proﬁle	  Towards compactness-­‐This	  	  	  	  is	  a	  much	  lighter	  camera	  	  than	  this	  s	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  but	  has	  less	  	  func1onali1es.	  
-­‐	  A	  lot	  can	  s1ll	  be	  achieved	  in	  a	  compact	  package:	  this	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  is	  a	  10	  MPixels	  camera.	  
How	  to	  make	  a	  compact,	  high	  performance,	  SoH	  X-­‐Ray/EUV	  imager	  ?	  	  	  	  -­‐	  A	  telescope	  size	  (thus	  its	  mass)	  is	  propor1onal	  to	  its	  focal	  length	  -­‐	  Rule	  of	  thumb:	  L	  ~	  F/2	  -­‐	  Therefore,	  we	  need	  to	  reduce	  the	  focal	  length	  (&	  the	  detector	  plate	  scale)	  to	  make	  a	  shorter	  &	  lighter	  telescope	  -­‐	  This	  is	  diﬃcult	  to	  achieve	  with	  tradi1onal	  two-­‐mirror	  imagers:	  -­‐	  increased	  pots	  sizes,	  impossible	  fabrica1on	  &	  alignment	  tolerances	  	  	  -­‐	  A	  family	  of	  Fresnel	  Zone	  Plates	  (FZP)	  may	  oﬀer	  a	  solu<on	  26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng	  -­‐	  Thin	  metallic	  plate	  made	  of	  alterna1ng	  opaque	  and	  transparent	  rings	  -­‐	  Radii	  of	  the	  N	  rings	  deﬁned	  by	  co-­‐phasing	  	  of	  the	  rays	  at	  focus:	  RN2 + f 2 = (f + N λ)2 + RN2 ~ N λ f- The spot size is approximated by 1.22 λ f/2R, i.e. the width of the last zone.
- The resolution is driven only by the fabrication limit-Several advantages:- Lightweight: thin metallic plate- Works at any wavelength- Images as sharp as the fabrication limit- Possible to use small plate scale detectors (compactness at hand !)- Heritage:- Zone plates are common on X-Ray synchrotron beam lines- X-Ray images of the Sun taken with FZPs on sounding rockets (Elwert, 1968)
26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng	  Possible concept-­‐	  Spectral	  selec1on	  using	  a	  mul1layer	  coated	  ﬂat	  (→	  length	  ~F/2)	  Zone plateÿ 5 mmBaffles

Aluminium filterÿ 15 mmShutter

Multilayeredflat ÿ 27 mm140 mm

CCD420 mm-­‐	  Example:	  λ	  =	  19.5	  nm,	  FOV	  0.8°,	  2k	  x	  2k,	  detector	  	  	  	  	  10 microns pixels

5 microns pixels

Fabrication Limit
ΔR = 10 µm

1466 mm
R = 1.43 mm
N = 71 zones
f / D = 514

733 mmR = 0.71 mm
N = 35 zones
f / D = 733

Fabrication Limit
ΔR = 1 µm

R = 14.3 mm
N = 7146 zones
f / D = 51

R = 7.14 mm
N = 3573 zones
f / D = 72f-­‐	  Decrease	  pixel	  size	  →	  more	  compact	  →	  but	  less	  light	  (f/D)	  →	  need	  to	  decrease	  fabrica1on	  limit.	  Or	  use	  tricks	  (more	  on	  this	  later)	  26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng	  Limitations of classical FZPs-­‐	  Typically	  small	  diameter	  imposed	  by	  the	  fabrica1on	  limit	  -­‐	  Extended	  PSF	  wings:	  source	  point	  image	  (log	  scale)	  made	  at	  IAS,	  and	  radial	  cut:	  -­‐	  Very	  peaked	  PSF,	  but	  concentric	  plateaus	  at	  10-­‐4	  of	  central	  peak,	  10-­‐5,	  etc.	  
-­‐Very	  chroma1c	  devices:	  act	  as	  a	  diﬀrac1on	  gra1ng	  along	  the	  op1cal	  axis	  Primary	  focus	  Secondary	  focus	  Ter1ary	  focus	  FZP	  -­‐PSF	  plateaus	  correspond	  to	  intersec1on	  of	  primary	  focal	  plane	  with	  higher	  order	   	  	  focusing	  cones	  26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng	  -­‐	  Several	  recent	  studies	  have	  shown	  that	  it	  is	  possible	  to	  overcome	  the	  limita1ons	  of	  classical	  FZPs	  -­‐	  A	  modiﬁca<on	  of	  the	  zones	  radii	  law	  suppresses	  the	  high	  diﬀrac1on	  orders:	  	  	  -­‐	  Most	  of	  the	  energy	  is	  put	  back	  in	  the	  primary	  focus	  	  	  -­‐	  PSF	  plateaus	  are	  suppressed	  along	  with	  the	  high	  order	  foci	  	  	  -­‐	  Possible	  to	  increase	  the	  MFZP	  radius	  without	  changing	  fabrica1on	  	  	  limit:	  f/D	  -­‐MFZP	  allow	  f/D	  ra1os	  similar	  to	  those	  of	  two-­‐mirror	  EUV	  telescopes:	  	  -­‐	  STEREO	  EUVI	  f/D	  =	  30	  is	  easily	  achievable	  -­‐	  MFZPs	  have	  been	  fabricated	  and	  successfully	  tested	  at	  IAS	  26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng	  	  -­‐	  Signiﬁcant	  gains	  in	  mass	  can	  be	  achieved	  if	  focal	  length	  can	  be	  reduced	  -­‐	  Image	  quality	  is	  hard	  to	  maintain	  with	  a	  limited	  number	  of	  reﬂec1ve	  op1cs	  -­‐	  Fresnel	  Zone	  Plates	  (FZPs)	  are	  intrinsically	  high	  resolu1on	  imaging	  devices	  -­‐	  The	  limita1ons	  of	  tradi1onal	  FZPs	  can	  resolved	  with	  MFZPs	  -­‐	  An	  imager	  using	  a	  Modiﬁed	  Fresnel	  Zone	  Plate	  can	  be	  made	  very	  compact	  -­‐ A	  2k	  x2k	  ,	  5	  µm/pixel	  full-­‐Sun	  imager	  can	  ﬁt	  in	  a	  30	  x	  10	  x	  10	  cm	  box	  -­‐ Resolu1on	  &	  sensi1vity	  are	  comparable	  to	  those	  of	  the	  equivalent	  classical	  imagers	  26	  november	  2008	  Solar-­‐C	  science	  deﬁni1on	  mee1ng