X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构及设计方法

摘要

本发明涉及一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构及设计方法，所述结构的入瞳为正方形，包括正交组合的前镜和后镜，所述前镜和后镜均由多个正方形的平面反射镜呈一定倾角嵌套而成，每一层平面反射镜分别将入射的平行光线聚焦到像面中心，所述前镜和后镜的平面反射镜方向呈正交关系，所述前镜与后镜间具有一间距；所述设计方法包括：根据工程要求，获得紧凑嵌套式平面正交型结构中前镜和后镜的初始结构参数，并计算前镜和后镜的设计结构参数；对所述紧凑嵌套式平面正交型结构进行性能模拟及可行性分析。与现有技术相比，本发明具有可观的系统分辨率和集光效率，能够大大降低聚焦望远镜聚焦模块的制作难度和制作成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线聚焦望远镜，尤其是涉及一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构及设计方法。

背景技术

聚焦望远镜是用来观测中子星、X射线双星等天体，帮助人类研究极端物理现象、进行深空探测甚至是太空旅行的重要光学仪器。

研究中子星、X射线双星等天体主要是对其辐射的X射线进行探测，以中子星为例，中子星不仅非常小，而且最近的中子星距离地球几百光年，因此，人类观测到的中子星辐射的X射线是非常微弱的，此时，观测设备和太空中其他辐射的影响相对较大，观测设备必须具有较高的集光效率才能对中子星进行有效观测，而且中子星对地球而言是个无穷远的点光源，观测中子星不需要对其进行清晰成像，更重要的是收集到其脉冲信号，相比之下，对观测设备的空间分辨率的要求就没那么高了。

美国宇航局预计于2017年发射中子星内部组成探测器(the Neutron star Interior Composition ExploreR)，该探测器一共有56个X射线聚焦模块，每个聚焦模块均为紧凑嵌套式抛物面结构，抛物面型反射镜材料为铝。

该聚焦器虽然重量轻，且有着可观的有效集光面积，但是其面型加工难度大，且铝制反射镜的面形精度难以保证，即使用圆锥面代替抛物面，用玻璃代替铝，反射镜的加工难度和面形精度要求仍然具有很大的挑战。

在X射线天文观测中，有效集光面积和分辨率是望远镜非常重要的性能指标，其中，有效集光面积＝几何集光面积×集光效率。因为系统嵌套层的口径越大，其掠入射角就越大，也就是说，外层镜片对系统的几何集光面积贡献较大，但对系统分辨率和集光效率的影响也较大，而内层镜片对系统的几何集光面积贡献较小，但有着更高的分辨率和集光效率。合理减小系统内径以增加系统嵌套层数，有利于提高系统的有效集光面积和分辨率。

对于嵌套式抛物面结构，其内径大小受到内层镜片的曲率半径的限制，其内径很难做的很小，因此，有必要对嵌套式抛物面结构进行改进。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构及设计方法，能够将来自无穷远点光源的光线聚焦到像面，从而达到观测或者定位遥远的中子星、X射线双星等天体的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构，该结构的入瞳为正方形，包括正交组合的前镜和后镜，所述前镜和后镜均由多个正方形的平面反射镜呈一定倾角嵌套而成，每一层平面反射镜分别将入射的平行光线聚焦到像面中心，所述前镜和后镜的平面反射镜方向呈正交关系，所述前镜与后镜间具有一间距。

所述前镜和后镜中，两个平面反射镜呈一定倾角对称设置形成一反射镜组，多层反射镜组嵌套形成前镜或后镜。

相邻所述反射镜组的位置关系满足不挡光条件。

一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构的设定方法，包括以下步骤：

1)根据工程要求，获得紧凑嵌套式平面正交型结构中前镜和后镜的初始结构参数，并计算前镜和后镜的设计结构参数；

2)基于计算获得的结构参数对所述紧凑嵌套式平面正交型结构进行性能模拟及可行性分析。

所述步骤1)中，设计结构参数的计算从前镜或后镜的最外层开始。

所述初始结构参数包括反射镜厚度d、反射镜轴向镜长l、前镜最外层外边缘与光轴的距离Rout₁、后镜最外层外边缘与光轴的距离rout₁、前镜外边缘与像面的轴向距离z1以及前镜和后镜间的间距gap。

所述步骤1)中，通过以下公式依次计算前镜的每一层反射镜组的设计结构参数：

l＝z1-z2

tanθ*z1+b＝Rout

Rin＝tanθ*z2+b

其中，zf为前镜中心距焦点的轴向距离，即前镜焦距，z1和z2分别为前镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离，Rout为前镜外边缘与光轴的径向距离，θ为最外层反射镜的倾角，b为反射镜在入射面内的直线方程的截距，l为反射镜轴向镜长，Rin为前镜内边缘与光轴的径向距离；

通过以下公式依次计算后镜的每一层反射镜组的设计结构参数：

l＝z3-z4

tanθ*z3+b＝rout

rin＝tanθ*z4+b

其中，zr为后镜中心距焦点的轴向距离，即后镜焦距，z3和z4分别为后镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离，rout为后镜外边缘与光轴的径向距离，rin为后镜内边缘与光轴的径向距离；

前镜和后镜间的间距gap满足公式：

gap＝z2-z3。

所述步骤1)中，前镜或后镜的相邻所述反射镜组的位置关系满足不挡光条件，即

Rout_i+1＝Rin_i-d

rout_i+1＝rin_i-d

其中，i为嵌套层的序数，i由小到大，表示嵌套层由外向内，rout_i+1为前镜第i+1层的外边缘与光轴的径向距离，Rin_i为前镜第i层的内边缘与光轴的径向距离，rout_i+1为后镜第i+1层的外边缘与光轴的径向距离，rin_i为后镜第i层的内边缘与光轴的径向距离，d为反射镜厚度。

所述前镜的反射镜轴向镜长与后镜的反射镜轴向镜长不相等。

所述前镜最外层的外边缘与光轴的距离与后镜最外层的外边缘与光轴的距离不相等。

与现有技术相比，本发明设计一种嵌套式平面正交型结构形成聚焦模块，通过微加工的方法，能够适合多个小口径模块的组合方式，能够大大降低望远镜的制作难度和制作成本，同时又能保证可观的角分辨率和集光面积，具有以下优点：

1.制作难度和成本低：本发明中的结构的反射镜面形为平面，相较于抛物面，其加工难度和成本大大降低。

2.面形精度高：本发明中的结构的反射镜面形为平面，相较于抛物面，虽然损失了一定的系统分辨率，但却能够获得更高的面形精度。

3.集光效率高：本发明中的结构能将内口径减小至毫米量级，具有可观的系统分辨率和集光效率，其角分辨率为30”左右，其集光效率为55％～82％(0.5～6keV)，多个小口径模块的组合方式，能保证可观的系统分辨率，又能得到更大的集光面积。

附图说明

图1为紧凑嵌套式平面正交型结构三维图；

图2为紧凑嵌套式平面正交型结构主视图；

图3为紧凑嵌套式平面正交型结构上视图；

图4为平行光入射到前镜或后镜的光路示意图；

图5为紧凑嵌套式平面正交型结构参数定义示意图；

图6为紧凑嵌套式平面正交型结构轴上点列图；

图7为紧凑嵌套式平面正交型结构轴上有效集光面积曲线；

图8为抛物面结构示意图；

图9为嵌套式抛物面结构的轴上有效集光面积曲线；

图10为嵌套式平面正交型结构和嵌套式抛物面结构的集光效率曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构，该结构的入瞳为正方形，包括正交组合的前镜和后镜，如图1-图3所示，数字1对应的部分均为前镜，数字2对应的部分均为后镜，前镜和后镜形成聚集模块，前镜和后镜分别实现一维聚焦，将前镜和后镜正交组合后，聚焦模块将实现二维聚焦。前镜和后镜对入射光线的反射是相互独立的，二者焦距不同，但二者的焦面为同一平面。前镜和后镜分别将入射的平行光一维聚焦到像面中心，最终在像面中心产生矩形光斑。该紧凑嵌套式平面正交型结构的内径大小理论上可达到毫米量级，有利于提高系统的角分辨率和集光效率。

前镜和后镜结构特点一致，前镜和后镜均由多个正方形的平面反射镜呈一定倾角嵌套而成，每一层平面反射镜分别将入射的平行光线聚焦到像面中心，前镜和后镜的平面反射镜方向呈正交关系，前镜与后镜间具有一间距。前镜和后镜中，两个平面反射镜呈一定倾角对称设置形成一反射镜组，多层反射镜组嵌套形成前镜或后镜。相邻反射镜组的位置关系满足不挡光条件。平行光入射到前镜或后镜的光路示意图如图4，平行光12入射后，入射到反射镜10中心的光线将被反射至位于像面的探测器3的中心，此外，内层反射镜11恰好不遮挡外层反射镜10的入射光线，此为不挡光条件。

上述X射线聚焦望远镜紧凑嵌套式平面正交型结构的设定方法，包括以下步骤：

1)根据工程要求，获得紧凑嵌套式平面正交型结构中前镜和后镜的初始结构参数，并计算前镜和后镜的设计结构参数，设计结构参数的计算从前镜或后镜的最外层开始。

初始结构参数包括反射镜厚度d、反射镜轴向镜长l、前镜最外层外边缘与光轴的距离Rout₁、后镜最外层外边缘与光轴的距离rout₁、前镜外边缘与像面的轴向距离z1以及前镜和后镜间的间距gap。

如图5所示为本发明紧凑嵌套式平面正交型结构参数定义示意图，反射镜厚度为d，嵌套层数为N，横轴代表光轴，前镜1和后镜2的反射镜方向呈正交关系，探测器3位于像面，前镜1和后镜2之间的间隔4为gap，前镜1和后镜2的轴向镜长5和6均为l，该结构的入瞳为正方形，对应的最大口径7为D，间隔4的中心与像面之间的轴向距离8定义为该结构的焦距f，该结构对应的系统长度9为L。

定义反射镜远离像面的一端为外边缘，反射镜靠近像面的一端为内边缘，根据图5可知，前镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离分别为z1和z2，对应的径向半径分别为Rout和Rin，后镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离分别为z3和z4，对应的径向半径分别为rout和rin。

该结构的前镜和后镜对入射光的反射是相互独立的，即如前面所述，前镜和后镜分别实现一维聚焦，将前镜和后镜正交组合后，聚焦模块将实现二维聚焦。首先考虑前镜，前镜焦距为zf，其定义为反射镜中心距焦点的轴向距离，易知：

l＝z1-z2(2)

入射到每层反射镜中心且平行于光轴的入射光线将被反射到焦点，即像面中心，由此关系即可确定最外层反射镜的倾角θ，计算公式如下：

tanθ*z1+b＝Rout (3)

已知Rout，即可计算得到θ和b，其中，b表示反射镜在入射面内的直线方程的截距。

计算得到θ，就能得到：

Rin=tanθ*z2+b(5)

只要确定z1,z2,Rout,Rin，就能确定该层反射镜的结构参数。

再根据前面所述的不挡光条件，即

Rout_i+1＝Rin_i-d(6)

其中，i为嵌套层的序数，i由小到大，表示嵌套层由外向内。

即可依次确定前镜剩余嵌套层的结构参数，嵌套层数决定了聚焦模块的内口径，当外口径和反射镜厚度确定时，内口径越小，聚焦模块的集光面积越大。

后镜的设计方法与前镜一致，不同的是，后镜焦距为zr，其定义为反射镜中心距焦点的轴向距离。后镜结构参数的计算满足以下关系：

l＝z3-z4(8)

tanθ*z3+b＝rout (9)

rin＝tanθ*z4+b(11)

rout_i+1＝rin_i-d>

考虑到装配要求，前镜和后镜之间需要保持一定间距gap，因此有：

gap＝z2-z3(13)

后镜反射镜的位置和倾角将确定，从而后镜剩余嵌套层的结构参数也将确定。

本实施例中，前后镜的反射镜轴向镜长相等，前镜和后镜最外层的外边缘与光轴的距离也是相等的。为了满足特定工程要求，前镜和后镜的镜长可设计为不相等，前镜和后镜最外层的外边缘与光轴的距离也可设计为不相等。

2)基于计算获得的结构参数对紧凑嵌套式平面正交型结构进行性能模拟及可行性分析。性能模拟时可通过计算系统的像面弥散斑、角分辨率和集光面积，集光面积包括几何集光面积和有效集光面积判断性能，也可以嵌套式抛物面结构进行对比。

本实施例通过上述方法设计的结构中，已知反射镜厚度d＝0.1mm，规定结构嵌套层数N＝50，如图5所示，前镜1和后镜2的反射镜方向呈正交关系，探测器3位于像面，前镜1和后镜2之间的间隔4为gap＝2mm，前镜1和后镜2的轴向镜长5和6均为l=50mm，该结构的入瞳为正方形，对应的最大口径7为D＝50mm，即Rout₁＝rout₁＝25mm，间隔4的中心与像面之间的轴向距离8定义为该结构的焦距f＝949mm，该结构对应的系统长度9为L＝1000mm。

定义反射镜远离像面的一端为外边缘，反射镜靠近像面的一端为内边缘，根据图5可知，横轴代表光轴，前镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离分别为：z1＝1000mm和z2＝950mm，后镜外边缘和内边缘与像面的轴向距离分别为：z3＝948mm和z4＝898mm，只要确定每一层反射镜外边缘与光轴的径向距离Rout和rout，以及每一层反射镜内边缘与光轴的径向距离Rin和rin，即可确定该结构的全部参数。

因为入射到每层反射镜中心且平行于光轴的入射光线将被反射到焦点，即像面中心，结合上面所述结构基本参数和不挡光条件，便可计算得到每一片反射镜的结构参数，计算公式如所述的公式(1)～(13)。得到的结构参数如表1所示。

通过光线追迹程序模拟，得到该结构的水平方向和垂直方向的角分辨率分别为：HPD_horizontal＝36.79″和HPD_vertical＝35.54″，其几何集光面积为GA＝10.39cm²。该结构对无穷远轴上点的聚焦得到的点列图如图6所示，弥散斑呈矩形。反射镜膜层采用30nmAu单层膜，得到的该结构的轴上有效集光面积曲线如图7所示，集光效率为55％～82％(0.5～6keV)。

下面将对比本发明所述的嵌套式平面正交型结构与嵌套式抛物面结构的系统性能，并做可行性分析。

抛物面结构示意图如图8，考虑到其制作难度，对于相同系统长度下的抛物面结构(L＝1000mm)令反射镜1的轴向长度和厚度分别为l＝100mm和d＝0.2mm，嵌套层数N＝24，探测器2位于像面，外口径4为D＝100mm，反射镜1外边缘与像面之间的轴向距离4定义为该结构的焦距f＝1000mm，平行光5入射后都将被会聚到探测器2的中心。

经过MATLAB光线追迹程序模拟，得到抛物面结构的几何集光面积为GA＝66.67cm²，反射镜膜层同样采用30nmAu单层膜，得到嵌套式抛物面结构的轴上有效集光面积曲线如图9所示。

对比几何集光面积和有效集光面积，发现嵌套式抛物面结构的集光面积(GA＝66.67cm²)远比本发明所述的嵌套式平面正交型结构(GA=10.39cm²)的大，原因在于抛物面结构的口径(D＝100mm)远大于平面正交型结构(D＝50mm)，而正如前面所述，嵌套式抛物面结构的内径大小受到内层镜片的曲率半径的限制，其内径很难做的很小，嵌套式平面正交型结构的优点之一在于其内径大小理论上可达到毫米量级，有利于弥补其角分辨率的不足，并提高其集光效率，尤其在集光效率上，嵌套式平面正交型结构的优势远大于嵌套式抛物面结构，在2keV以内，前者的集光效率略大于后者，但是在2keV以外，前者的集光效率明显优于后者，两种结构的集光效率曲线如图10所示。

将嵌套式平面正交型结构以九宫格的方式组合，可以得到总体性能与单个抛物面结构相当的系统，该系统以损失分辨率为代价(HPD_horizontal＝36.79″，HPD_vertical＝35.54″)，获得较高的集光面积(GA＝93.51cm²)。而且，由于结构特点，除了镜片可以做得更薄，嵌套式平面正交型结构的掠入射角还可以做得更小，即使是两反射结构，仍然能获得可观的集光效率，因此也能得到可观的有效集光面积。

总的来说，多个小口径的嵌套式平面正交型结构的组合，在保证可观的角分辨率和集光面积的同时，能够大大降低聚焦望远镜聚焦模块的制作难度和制作成本。

表1 紧凑嵌套式平面正交型结构反射镜结构参数

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。