CN102681169A - 反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜 - Google Patents

反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜 Download PDF

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Abstract

反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜属于光学元件技术领域。现有龙虾眼透镜其微通道管反射壁为平面，成像弥散斑直径较大，龙虾眼透镜的空间分辨率难以提高。本发明之龙虾眼透镜由若干微通道管构成，每个微通道管的轴线为同一球心O的球体各个方位、俯仰方向的半径，每个微通道管由四个相同反射壁两两对称于微通道管的轴线合围而成，其特征在于，所述反射壁为回转曲面反射壁，该回转曲面反射壁由平面圆弧母线回转形成；该平面圆弧母线起止于微通道管入射端和出射端，其曲率半径R由下式确定：
Figure DDA00001645763200011
式中：l为平面圆弧母线的弦长，γ为微通道管张角；平面圆弧母线的弦的延长线与球心O相交，平面圆弧母线回转轴过球心O并与平面圆弧母线的弦的延长线垂直。

Description

反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜
技术领域
本发明涉及一种反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜，属于光学元件技术领域。
背景技术
龙虾眼透镜是基于生物龙虾眼睛的结构形式，利用光线在透镜内壁即反射壁的反射实现汇聚，所以在折转光线时并不会出现色散，进而不会产生色差，这使得龙虾眼透镜对光谱具有很强的适应性，在红外波段、紫外波段、甚至X射线波段都有很好的汇聚效果。并且，龙虾眼透镜的组成部分在空间排布上具有高度对称性，所以龙虾眼透镜不存在轴外像差，只有轴上点球差，视场角基本上没有限制。现有龙虾眼透镜应用于成像与能量系统。作为成像系统，龙虾眼透镜充当X射线的收集装置，其效果在于能够对障碍物后方的目标进行X射线探测成像，另外，还能够应用于无损检测、安全检查等方面。作为能量系统，龙虾眼透镜用于天文学中对X射线暴或伽马射线暴的观测，其较大的视场角及对X射线较高的汇聚能力，使得其对X射线暴或伽马射线暴具有很高的敏感性。
现有龙虾眼透镜由若干微通道管1构成，见图1所示，每个微通道管1都有自己的光轴，微通道管1呈正四棱台状，正四棱台的四个等腰梯形侧面内壁为龙虾眼透镜反射壁2，各微通道管1轴线为同一球心为点O的球体各个方位、俯仰方向的半径，各微通道管1构成的龙虾眼透镜是一个球体，该球体的某个球冠也是一种龙虾眼透镜，称为球冠龙虾眼透镜。龙虾眼透镜光学系统的聚焦效果受限于多种因素，当视场较小时其弥散斑直径与龙虾眼透镜微通道管1的口径a大小及龙虾眼透镜表面弯曲的曲率半径r1等有关。当微通道管1的口径a越小、表面弯曲的曲率半径r1越大，其聚焦效果越好。
微通道管1口径a确定，当无穷远平行光入射龙虾眼透镜时，见图2所示，光线经过反射壁2反射，反射光入射到焦面3处，在焦面3处弥散斑直径b为反射壁2长度c在平行光入射方向上的投影宽度d除以反射光与焦面3的夹角α'正弦值，因为正弦值数值上总是小于1，因此，弥散斑直径b总大于投影宽度d，因此，龙虾眼透镜的空间分辨率难以提高。
发明内容
为了进一步减小龙虾眼透镜的弥散斑直径，提高龙虾眼透镜的空间分辨率，实现龙虾眼透镜在较大视场情况下获得较高分辨率成像，本发明提出一种反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜。
本发明之反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜由若干微通道管构成，见图3所示，每个微通道管的轴线4为同一球心O的球体各个方位、俯仰方向的半径，每个微通道管由四个相同反射壁两两对称于微通道管的轴线4合围而成，其特征在于，所述反射壁为回转曲面反射壁，该回转曲面反射壁由平面圆弧母线5回转形成；该平面圆弧母线5起止于微通道管入射端和出射端，其曲率半径R由下式确定：
Figure BDA00001645763000021
式中：l为平面圆弧母线5的弦长，γ为微通道管张角；平面圆弧母线5的弦的延长线6与球心O相交，平面圆弧母线5回转轴7过球心O并与平面圆弧母线5的弦的延长线6垂直。
本发明其效果在于，当无穷远处平行光自微通道管入射端入射到回转曲面反射壁后，反射光以轻微汇聚的方式反射到焦面3处，理论上弥散斑直径能够减小到零，实际上弥散斑直径明显减小，见图4所示，龙虾眼透镜的空间分辨率明显提高。并且，由于每个微通道管中的四个反射壁面型相同，在空间上对称分布，因此，使得龙虾眼透镜其空间分辨率在整个视场内都得到明显提高。
附图说明
图1是现有龙虾眼透镜结构示意图。图2是现有龙虾眼透镜成像情况示意图。图3是本发明之龙虾眼透镜中的微通道管结构示意图，该图同时作为摘要附图。图4本发明之龙虾眼透镜成像情况示意图。
具体实施方式
见图3所示，s为微通道管入射端垂直口径，l为平面圆弧母线5的弦长，α为反射光转角，β为微通道管轴线4与入射光方向夹角，γ为微通道管张角，f为龙虾眼透镜焦距，r2为龙虾眼透镜的作用球面8的半径，且f＝r2/2，θ为反射壁最前反射点法线与最后反射点法线的夹角，且α=2θ。由于l相对于f来说是一个相对小的值，因此，近似认为s为α角所对应的光束宽度，因此，
Figure BDA00001645763000022
同时由于θ=l/R，同时按照光学设计常规方法，β取在0.707口径高度对应中心张角，最后得：
R≈2.94lf/s    （2）
如果忽略微通道管反射壁厚度，在某一方向如水平方向上龙虾眼透镜反射壁有效面积投影高度为等于2倍的龙虾眼透镜作用球面8的半径r2，而r2=2f；同时在该方向上龙虾眼透镜共有180/γ个微通道管，每个微通道管入射端垂直口径s的平均值为
Figure BDA00001645763000023
以该平均值作为公式（2）中的微通道管入射端垂直口径s得到公式（1）。

Claims (1)

1.一种反射壁为由平面圆弧母线形成的回转曲面的龙虾眼透镜由若干微通道管构成，每个微通道管的轴线（4）为同一球心O的球体各个方位、俯仰方向的半径，每个微通道管由四个相同反射壁两两对称于微通道管的轴线（4）合围而成，其特征在于，所述反射壁为回转曲面反射壁，该回转曲面反射壁由平面圆弧母线（5）回转形成；该平面圆弧母线（5）起止于微通道管入射端和出射端，其曲率半径R由下式确定：
Figure FDA00001645762900011
式中：l为平面圆弧母线（5）的弦长，γ为微通道管张角；平面圆弧母线（5）的弦的延长线（6）与球心O相交，平面圆弧母线（5）回转轴（7）过球心O并与平面圆弧母线（5）的弦的延长线（6）垂直。
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