本發(fā)明涉及一種x射線聚焦望遠鏡,尤其是涉及一種x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。
背景技術(shù):
聚焦望遠鏡是用來觀測中子星、x射線雙星等天體,幫助人類研究極端物理現(xiàn)象、進行深空探測甚至是太空旅行的重要光學(xué)儀器。
研究中子星、x射線雙星等天體主要是對其輻射的x射線進行探測,以中子星為例,中子星不僅非常小,而且最近的中子星距離地球幾百光年,因此,人類觀測到的中子星輻射的x射線是非常微弱的,此時,觀測設(shè)備和太空中其他輻射的影響相對較大,觀測設(shè)備必須具有較高的集光效率才能對中子星進行有效觀測,而且中子星對地球而言是個無窮遠的點光源,觀測中子星不需要對其進行清晰成像,更重要的是收集到其脈沖信號,相比之下,對觀測設(shè)備的空間分辨率的要求就沒那么高了。
美國宇航局預(yù)計于2017年發(fā)射中子星內(nèi)部組成探測器(theneutronstarinteriorcompositionexplorer),該探測器一共有56個x射線聚焦模塊,每個聚焦模塊均為緊湊嵌套式拋物面結(jié)構(gòu),拋物面型反射鏡材料為鋁。
該聚焦器雖然重量輕,且有著可觀的有效集光面積,但是其面型加工難度大,且鋁制反射鏡的面形精度難以保證,即使用圓錐面代替拋物面,用玻璃代替鋁,反射鏡的加工難度和面形精度要求仍然具有很大的挑戰(zhàn)。
在x射線天文觀測中,有效集光面積和分辨率是望遠鏡非常重要的性能指標(biāo),其中,有效集光面積=幾何集光面積×集光效率。因為系統(tǒng)嵌套層的口徑越大,其掠入射角就越大,也就是說,外層鏡片對系統(tǒng)的幾何集光面積貢獻較大,但對系統(tǒng)分辨率和集光效率的影響也較大,而內(nèi)層鏡片對系統(tǒng)的幾何集光面積貢獻較小,但有著更高的分辨率和集光效率。合理減小系統(tǒng)內(nèi)徑以增加系統(tǒng)嵌套層數(shù),有利于提高系統(tǒng)的有效集光面積和分辨率。
對于嵌套式拋物面結(jié)構(gòu),其內(nèi)徑大小受到內(nèi)層鏡片的曲率半徑的限制,其內(nèi)徑很難做的很小,因此,有必要對嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)進行改進。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法,能夠?qū)碜詿o窮遠點光源的光線聚焦到像面,從而達到觀測或者定位遙遠的中子星、x射線雙星等天體的目的。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
一種x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的入瞳為正方形,包括正交組合的前鏡和后鏡,所述前鏡和后鏡均由多個正方形的平面反射鏡呈一定傾角嵌套而成,每一層平面反射鏡分別將入射的平行光線聚焦到像面中心,所述前鏡和后鏡的平面反射鏡方向呈正交關(guān)系,所述前鏡與后鏡間具有一間距。
所述前鏡和后鏡中,兩個平面反射鏡呈一定傾角對稱設(shè)置形成一反射鏡組,多層反射鏡組嵌套形成前鏡或后鏡。
相鄰所述反射鏡組的位置關(guān)系滿足不擋光條件。
一種x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的設(shè)定方法,包括以下步驟:
1)根據(jù)工程要求,獲得緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)中前鏡和后鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),并計算前鏡和后鏡的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù);
2)基于計算獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)對所述緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)進行性能模擬及可行性分析。
所述步驟1)中,設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算從前鏡或后鏡的最外層開始。
所述初始結(jié)構(gòu)參數(shù)包括反射鏡厚度d、反射鏡軸向鏡長l、前鏡最外層外邊緣與光軸的距離rout1、后鏡最外層外邊緣與光軸的距離rout1、前鏡外邊緣與像面的軸向距離z1以及前鏡和后鏡間的間距gap。
所述步驟1)中,通過以下公式依次計算前鏡的每一層反射鏡組的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù):
l=z1-z2
tanθ*z1+b=rout
rin=tanθ*z2+b
其中,zf為前鏡中心距焦點的軸向距離,即前鏡焦距,z1和z2分別為前鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離,rout為前鏡外邊緣與光軸的徑向距離,θ為最外層反射鏡的傾角,b為反射鏡在入射面內(nèi)的直線方程的截距,l為反射鏡軸向鏡長,rin為前鏡內(nèi)邊緣與光軸的徑向距離;
通過以下公式依次計算后鏡的每一層反射鏡組的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù):
l=z3-z4
tanθ*z3+b=rout
rin=tanθ*z4+b
其中,zr為后鏡中心距焦點的軸向距離,即后鏡焦距,z3和z4分別為后鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離,rout為后鏡外邊緣與光軸的徑向距離,rin為后鏡內(nèi)邊緣與光軸的徑向距離;
前鏡和后鏡間的間距gap滿足公式:
gap=z2-z3。
所述步驟1)中,前鏡或后鏡的相鄰所述反射鏡組的位置關(guān)系滿足不擋光條件,即
routi+1=rini-d
routi+1=rini-d
其中,i為嵌套層的序數(shù),i由小到大,表示嵌套層由外向內(nèi),routi+1為前鏡第i+1層的外邊緣與光軸的徑向距離,rini為前鏡第i層的內(nèi)邊緣與光軸的徑向距離,routi+1為后鏡第i+1層的外邊緣與光軸的徑向距離,rini為后鏡第i層的內(nèi)邊緣與光軸的徑向距離,d為反射鏡厚度。
所述前鏡的反射鏡軸向鏡長與后鏡的反射鏡軸向鏡長不相等。
所述前鏡最外層的外邊緣與光軸的距離與后鏡最外層的外邊緣與光軸的距離不相等。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明設(shè)計一種嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)形成聚焦模塊,通過微加工的方法,能夠適合多個小口徑模塊的組合方式,能夠大大降低望遠鏡的制作難度和制作成本,同時又能保證可觀的角分辨率和集光面積,具有以下優(yōu)點:
1.制作難度和成本低:本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)的反射鏡面形為平面,相較于拋物面,其加工難度和成本大大降低。
2.面形精度高:本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)的反射鏡面形為平面,相較于拋物面,雖然損失了一定的系統(tǒng)分辨率,但卻能夠獲得更高的面形精度。
3.集光效率高:本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)能將內(nèi)口徑減小至毫米量級,具有可觀的系統(tǒng)分辨率和集光效率,其角分辨率為30”左右,其集光效率為55%~82%(0.5~6kev),多個小口徑模塊的組合方式,能保證可觀的系統(tǒng)分辨率,又能得到更大的集光面積。
附圖說明
圖1為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)三維圖;
圖2為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)主視圖;
圖3為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)上視圖;
圖4為平行光入射到前鏡或后鏡的光路示意圖;
圖5為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)參數(shù)定義示意圖;
圖6為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)軸上點列圖;
圖7為緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)軸上有效集光面積曲線;
圖8為拋物面結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9為嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的軸上有效集光面積曲線;
圖10為嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)和嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的集光效率曲線對比。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施,給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
本實施例提供一種x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的入瞳為正方形,包括正交組合的前鏡和后鏡,如圖1-圖3所示,數(shù)字1對應(yīng)的部分均為前鏡,數(shù)字2對應(yīng)的部分均為后鏡,前鏡和后鏡形成聚集模塊,前鏡和后鏡分別實現(xiàn)一維聚焦,將前鏡和后鏡正交組合后,聚焦模塊將實現(xiàn)二維聚焦。前鏡和后鏡對入射光線的反射是相互獨立的,二者焦距不同,但二者的焦面為同一平面。前鏡和后鏡分別將入射的平行光一維聚焦到像面中心,最終在像面中心產(chǎn)生矩形光斑。該緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑大小理論上可達到毫米量級,有利于提高系統(tǒng)的角分辨率和集光效率。
前鏡和后鏡結(jié)構(gòu)特點一致,前鏡和后鏡均由多個正方形的平面反射鏡呈一定傾角嵌套而成,每一層平面反射鏡分別將入射的平行光線聚焦到像面中心,前鏡和后鏡的平面反射鏡方向呈正交關(guān)系,前鏡與后鏡間具有一間距。前鏡和后鏡中,兩個平面反射鏡呈一定傾角對稱設(shè)置形成一反射鏡組,多層反射鏡組嵌套形成前鏡或后鏡。相鄰反射鏡組的位置關(guān)系滿足不擋光條件。平行光入射到前鏡或后鏡的光路示意圖如圖4,平行光12入射后,入射到反射鏡10中心的光線將被反射至位于像面的探測器3的中心,此外,內(nèi)層反射鏡11恰好不遮擋外層反射鏡10的入射光線,此為不擋光條件。
上述x射線聚焦望遠鏡緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的設(shè)定方法,包括以下步驟:
1)根據(jù)工程要求,獲得緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)中前鏡和后鏡的初始結(jié)構(gòu)參數(shù),并計算前鏡和后鏡的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù),設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算從前鏡或后鏡的最外層開始。
初始結(jié)構(gòu)參數(shù)包括反射鏡厚度d、反射鏡軸向鏡長l、前鏡最外層外邊緣與光軸的距離rout1、后鏡最外層外邊緣與光軸的距離rout1、前鏡外邊緣與像面的軸向距離z1以及前鏡和后鏡間的間距gap。
如圖5所示為本發(fā)明緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)參數(shù)定義示意圖,反射鏡厚度為d,嵌套層數(shù)為n,橫軸代表光軸,前鏡1和后鏡2的反射鏡方向呈正交關(guān)系,探測器3位于像面,前鏡1和后鏡2之間的間隔4為gap,前鏡1和后鏡2的軸向鏡長5和6均為l,該結(jié)構(gòu)的入瞳為正方形,對應(yīng)的最大口徑7為d,間隔4的中心與像面之間的軸向距離8定義為該結(jié)構(gòu)的焦距f,該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的系統(tǒng)長度9為l。
定義反射鏡遠離像面的一端為外邊緣,反射鏡靠近像面的一端為內(nèi)邊緣,根據(jù)圖5可知,前鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離分別為z1和z2,對應(yīng)的徑向半徑分別為rout和rin,后鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離分別為z3和z4,對應(yīng)的徑向半徑分別為rout和rin。
該結(jié)構(gòu)的前鏡和后鏡對入射光的反射是相互獨立的,即如前面所述,前鏡和后鏡分別實現(xiàn)一維聚焦,將前鏡和后鏡正交組合后,聚焦模塊將實現(xiàn)二維聚焦。首先考慮前鏡,前鏡焦距為zf,其定義為反射鏡中心距焦點的軸向距離,易知:
l=z1-z2(2)
入射到每層反射鏡中心且平行于光軸的入射光線將被反射到焦點,即像面中心,由此關(guān)系即可確定最外層反射鏡的傾角θ,計算公式如下:
tanθ*z1+b=rout(3)
已知rout,即可計算得到θ和b,其中,b表示反射鏡在入射面內(nèi)的直線方程的截距。
計算得到θ,就能得到:
rin=tanθ*z2+b(5)
只要確定z1,z2,rout,rin,就能確定該層反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
再根據(jù)前面所述的不擋光條件,即
routi+1=rini-d(6)
其中,i為嵌套層的序數(shù),i由小到大,表示嵌套層由外向內(nèi)。
即可依次確定前鏡剩余嵌套層的結(jié)構(gòu)參數(shù),嵌套層數(shù)決定了聚焦模塊的內(nèi)口徑,當(dāng)外口徑和反射鏡厚度確定時,內(nèi)口徑越小,聚焦模塊的集光面積越大。
后鏡的設(shè)計方法與前鏡一致,不同的是,后鏡焦距為zr,其定義為反射鏡中心距焦點的軸向距離。后鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算滿足以下關(guān)系:
l=z3-z4(8)
tanθ*z3+b=rout(9)
rin=tanθ*z4+b(11)
routi+1=rini-d(12)
考慮到裝配要求,前鏡和后鏡之間需要保持一定間距gap,因此有:
gap=z2-z3(13)
后鏡反射鏡的位置和傾角將確定,從而后鏡剩余嵌套層的結(jié)構(gòu)參數(shù)也將確定。
本實施例中,前后鏡的反射鏡軸向鏡長相等,前鏡和后鏡最外層的外邊緣與光軸的距離也是相等的。為了滿足特定工程要求,前鏡和后鏡的鏡長可設(shè)計為不相等,前鏡和后鏡最外層的外邊緣與光軸的距離也可設(shè)計為不相等。
2)基于計算獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)對緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)進行性能模擬及可行性分析。性能模擬時可通過計算系統(tǒng)的像面彌散斑、角分辨率和集光面積,集光面積包括幾何集光面積和有效集光面積判斷性能,也可以嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)進行對比。
本實施例通過上述方法設(shè)計的結(jié)構(gòu)中,已知反射鏡厚度d=0.1mm,規(guī)定結(jié)構(gòu)嵌套層數(shù)n=50,如圖5所示,前鏡1和后鏡2的反射鏡方向呈正交關(guān)系,探測器3位于像面,前鏡1和后鏡2之間的間隔4為gap=2mm,前鏡1和后鏡2的軸向鏡長5和6均為l=50mm,該結(jié)構(gòu)的入瞳為正方形,對應(yīng)的最大口徑7為d=50mm,即rout1=rout1=25mm,間隔4的中心與像面之間的軸向距離8定義為該結(jié)構(gòu)的焦距f=949mm,該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的系統(tǒng)長度9為l=1000mm。
定義反射鏡遠離像面的一端為外邊緣,反射鏡靠近像面的一端為內(nèi)邊緣,根據(jù)圖5可知,橫軸代表光軸,前鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離分別為:z1=1000mm和z2=950mm,后鏡外邊緣和內(nèi)邊緣與像面的軸向距離分別為:z3=948mm和z4=898mm,只要確定每一層反射鏡外邊緣與光軸的徑向距離rout和rout,以及每一層反射鏡內(nèi)邊緣與光軸的徑向距離rin和rin,即可確定該結(jié)構(gòu)的全部參數(shù)。
因為入射到每層反射鏡中心且平行于光軸的入射光線將被反射到焦點,即像面中心,結(jié)合上面所述結(jié)構(gòu)基本參數(shù)和不擋光條件,便可計算得到每一片反射鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù),計算公式如所述的公式(1)~(13)。得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。
通過光線追跡程序模擬,得到該結(jié)構(gòu)的水平方向和垂直方向的角分辨率分別為:hpdhorizontal=36.79″和hpdvertical=35.54″,其幾何集光面積為ga=10.39cm2。該結(jié)構(gòu)對無窮遠軸上點的聚焦得到的點列圖如圖6所示,彌散斑呈矩形。反射鏡膜層采用30nmau單層膜,得到的該結(jié)構(gòu)的軸上有效集光面積曲線如圖7所示,集光效率為55%~82%(0.5~6kev)。
下面將對比本發(fā)明所述的嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)與嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性能,并做可行性分析。
拋物面結(jié)構(gòu)示意圖如圖8,考慮到其制作難度,對于相同系統(tǒng)長度下的拋物面結(jié)構(gòu)(l=1000mm)令反射鏡1的軸向長度和厚度分別為l=100mm和d=0.2mm,嵌套層數(shù)n=24,探測器2位于像面,外口徑4為d=100mm,反射鏡1外邊緣與像面之間的軸向距離4定義為該結(jié)構(gòu)的焦距f=1000mm,平行光5入射后都將被會聚到探測器2的中心。
經(jīng)過matlab光線追跡程序模擬,得到拋物面結(jié)構(gòu)的幾何集光面積為ga=66.67cm2,反射鏡膜層同樣采用30nmau單層膜,得到嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的軸上有效集光面積曲線如圖9所示。
對比幾何集光面積和有效集光面積,發(fā)現(xiàn)嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的集光面積(ga=66.67cm2)遠比本發(fā)明所述的嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)(ga=10.39cm2)的大,原因在于拋物面結(jié)構(gòu)的口徑(d=100mm)遠大于平面正交型結(jié)構(gòu)(d=50mm),而正如前面所述,嵌套式拋物面結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑大小受到內(nèi)層鏡片的曲率半徑的限制,其內(nèi)徑很難做的很小,嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點之一在于其內(nèi)徑大小理論上可達到毫米量級,有利于彌補其角分辨率的不足,并提高其集光效率,尤其在集光效率上,嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢遠大于嵌套式拋物面結(jié)構(gòu),在2kev以內(nèi),前者的集光效率略大于后者,但是在2kev以外,前者的集光效率明顯優(yōu)于后者,兩種結(jié)構(gòu)的集光效率曲線如圖10所示。
將嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)以九宮格的方式組合,可以得到總體性能與單個拋物面結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)南到y(tǒng),該系統(tǒng)以損失分辨率為代價(hpdhorizontal=36.79″,hpdvertical=35.54″),獲得較高的集光面積(ga=93.51cm2)。而且,由于結(jié)構(gòu)特點,除了鏡片可以做得更薄,嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的掠入射角還可以做得更小,即使是兩反射結(jié)構(gòu),仍然能獲得可觀的集光效率,因此也能得到可觀的有效集光面積。
總的來說,多個小口徑的嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)的組合,在保證可觀的角分辨率和集光面積的同時,能夠大大降低聚焦望遠鏡聚焦模塊的制作難度和制作成本。
表1緊湊嵌套式平面正交型結(jié)構(gòu)反射鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)
以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此,凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案,皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。