CN106653138B - 一种多层嵌套x射线聚焦光学的装调系统和装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统和装调方法，旨在解决现有装调系统在装配过程中使用机械模具对玻璃镜片造成损伤，且装配精度不理想的问题。装调系统包括由装配架、用于调节玻璃镜片姿态的六维调节装置、玻璃连接柱、用于调节聚焦光学整体姿态的三维调节装置组、分别安装在聚焦光学中心杆两端部的两个轴承、分别位于轴承和聚焦光学轮圈之间的两个同心装置和用于连接轴承和三维调节装置的长杆组成的调节主系统。六维调节装置、玻璃连接柱和三维调节装置组从上至下依次设置；六维调节装置呈倒立方向安装在装配架上；待装调聚焦光学固定于玻璃连接柱和三维调节装置组之间。本发明装调方便、装配精度高且不损伤镜片。

Description

一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统和装调方法

技术领域

本发明属于X射线光学技术领域，涉及一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统和装调方法。

背景技术

X射线聚焦光学是一种利用X射线掠入射原理使入射X射线聚焦在一定面积上的X射线光学器件。X射线的聚焦与准直一直以来是研究的难点，多年来各国学者采用了多种方法对X射线进行聚焦与准直，如毛细管透镜、Wolter透镜、复合折射透镜以及波带片等。不同的聚焦方法应用在不同的领域，在这些方法中，应用于X射线空间观测的Wolter透镜在国内的研究还属于初步阶段。

现有多层嵌套式X射线聚焦光学是基于Wolter透镜原理，根据应用需求对其进行了设计与工艺上的简化，由Wolter透镜的两次反射简化为一次反射，由多片曲面反射镜近似圆锥反射镜，具体结构如图3和图4所示：多层嵌套式X射线聚焦光学包括两个平行设置的轮圈15、设置在轮圈上的辐条16、设置在两个轮圈之间的多层镜片以及用于连接两个轮圈的中心杆14。每层镜片由多片曲面玻璃镜片5粘接而成，每片曲面玻璃镜片靠近中心杆的侧面都粘接有一根石墨条，石墨条的两端粘接在辐条上。

由于X射线脉冲星导航与X射线空间通信的聚焦光学对成像、角分辨率等不作要求，只对透镜的聚焦效率与有效面积提出需求，因此，采用单次反射的多层嵌套式设计可以带来更高的聚焦效率、更轻的重量与更好的经济性。但是，在X射线聚焦光学研制过程中，其组装工艺是最容易产生较大误差的环节，传统组装方法主要以机械卡具来确定各层镜片之间的的距离，其精度并不是十分理想。

发明内容

为了避免在装配过程中使用机械模具对玻璃镜片造成损伤，并且保证较高的装配精度，本发明提供了一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统和装调方法。

本发明的基本原理是：

本发明通过减少机械模具在X射线聚焦光学装配过程中的应用，通过接收屏接收观察可见光经聚焦光学镜片反射后的光斑，利用可见光模拟X射线来完成聚焦光学调节工艺，将不可见的X射线光斑转换为可见光光斑进行观察和测试，并通过调节主系统在安装过程中对聚焦光学镜片姿态进行实时调节，最后完成聚焦光学中镜片和石墨条的粘接。

本发明的技术方案是：

一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，包括调节主系统，其特殊之处在于：

所述调节主系统包括装配架、六维调节装置、玻璃连接柱、三维调节装置组、轴承、同心装置和长杆；所述六维调节装置、玻璃连接柱和三维调节装置组从上至下依次设置；装调时，待装调聚焦光学固定于玻璃连接柱和三维调节装置组之间；

所述装配架由竖直支撑架和水平调节架组成；所述水平调节架安装在竖直支撑架的上端，且安装高度可调；

所述六维调节装置呈倒立方向安装在水平调节架的下端；六维调节装置可在X、Y、Z三个距离调节和α、β、γ三个角度调节，通过这六个维度实时调节待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片的姿态；

所述玻璃连接柱的一端固定在六维调节装置上，一端和待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片粘接；

所述三维调节装置组由两个对称设置的三维调节装置组成，用于在X、Y、Z三个方向调节待装调聚焦光学的整体姿态；

所述轴承有两个，分别安装在待装调聚焦光学的中心杆的两个端部；

所述同心装置有两个，分别安装在所述轴承和待装调聚焦光学的轮圈之间；

所述长杆有两根，其一端与所述轴承相连，另一端与三维调节装置相连。

基于上述基本技术方案，本发明还作出如下优化限定：

上述装调系统还包括光源系统和接收屏；所述光源系统包括可见光光源和平行光管；所述平行光管、待装调聚焦光学和接收屏共轴放置；所述接收屏与所述调节主系统之间的距离等于待装调聚焦光学的焦距。

上述可见光光源产生波长为550nm的绿光，经平行光管转换为出射角度小于10μrad的可见平行光束。

上述同心装置为莫氏锥度圆锥。

上述玻璃连接柱的一端和待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片采用环氧树脂胶粘接。

上述玻璃连接柱有3根，呈正三角形分布。

采用上述装调系统装调多层嵌套X射线聚焦光学的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将调节主系统固定在光学平台上；

2)调整使平行光管、待装调聚焦光学和接收屏共轴；

3)在接收屏上标定一点；

4)粘接曲面玻璃镜片，具体方法为：

4.1)将最里层中最小的曲面玻璃镜片用胶粘在玻璃连接柱上，镜片的凸面与玻璃连接柱粘接；

4.2)将所述曲面玻璃镜片对应的石墨条粘接在聚焦光学上；

4.3)分别调节六维调节装置的六个维度并观察接收屏上的光斑，当接收屏接收到一对称的可见光光斑时并且光斑与光屏上所标定的点重合时，所述曲面玻璃镜片的姿态调整完成；

4.4)固定六维调节装置的X、Y、α、β和γ五个维度不变，调节Z方向使所述曲面玻璃镜片离开聚焦光学；

4.5)在石墨条上点胶，调节六维调节装置使曲面玻璃镜片贴近石墨条，同时观察接收屏上的光斑形状，当曲面玻璃镜片和石墨条上的胶接触，确保光斑成对称形状且其对称中心与光屏上所标定的点重合时停止调节；

4.6)待曲面玻璃镜片和石墨条间的胶固化以后，将玻璃连接柱和所述曲面玻璃镜片分离，完成镜片粘接；

5)采用步骤4)的方法按照由小到大的顺序完成同层其他曲面玻璃镜片的粘接；

6)采用步骤4)和步骤5)的方法按照由里向外的顺序完成外层其他曲面玻璃镜片的粘接。

上述步骤2)具体为：

2.1)打开光源系统，使聚焦光学绕其自身中心轴线转动；

2.2)观察聚焦光学在接收屏上的投影，若聚焦光学各个棱在接收屏上的投影随聚焦光学转动无明显改变，则平行光管、聚焦光学和接收屏共轴；若聚焦光学各个棱在接收屏上的投影随聚焦光学转动发生改变，则进入步骤2.3)；

2.3)通过三维调节装置调整聚焦光学姿态，直至接收屏上聚焦光学各个棱的投影随其转动无明显改变为止。

上述步骤4)中采用环氧树脂胶粘接。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用可见光模拟X射线来完成聚焦光学的装调工艺，通过六维调节装置调节曲面玻璃镜片的姿态，装调方便且不会损伤镜片。

装调前，在接收屏上标定一点，装调时只要确保各层曲面玻璃镜片的焦点中心位置重合，即可保证镜片的实际间距与设计参数相同，无需借助机械卡具来确定各层镜片之间的距离，因此不会损伤镜片，同时能有效保证装配精度。

附图说明

图1为本发明装调系统的示意图；

图2为本发明调节主系统的示意图；

图3为轴承、莫氏锥度圆锥和聚焦光学组装示意图；

图4为曲面玻璃镜片示意图；

图5为玻璃连接柱示意图。

具体实施方式

本发明所提供的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统如图1所示，其包括依次设置的光源系统1、调节主系统2和接收屏3，且光源系统1、调节主系统2和接收屏3三者共轴放置。

光源系统1由可见光光源和激光平行光管组成，可见光光源产生波长为550nm的绿光，经激光平行光管转换为出射角度小于10μrad的可见光平行光束，从而为整个装调系统提供平行光光源。

调节主系统2的结构如图2所示，它包括装配架、六维调节装置8、玻璃连接柱9、三维调节装置组、轴承7、莫氏锥度圆锥10和长杆11。使用时，六维调节装置8、玻璃连接柱9、待装调聚焦光学6和三维调节装置12从上至下依次设置，且六维调节装置安装固定在装配架上，三维调节装置12安装固定在光学平台上。这里的六维调节装置和三维调节装置均为现有常规装置，利用它们在各维度调节的方法均是常用的方法。

装配架由竖直支撑架13和水平调节架4组成，为整个调节主系统2提供支撑。竖直支撑架13通过螺丝固定在光学平台上，水平调节架4安装在竖直支撑架13的上端，且安装高度可调(安装高度根据玻璃镜片的安装层数调整)。

六维调节装置8呈倒立方向安装在水平调节架4的下端，即六维调节装置的底部朝上、顶部朝下，其底部固定在水平调节架的下端面上；六维调节装置8可在X、Y、Z、α、β和γ六个维度实时调节曲面玻璃镜片的姿态。

玻璃连接柱9共有3根，呈三角形分布(如图5所示)，均位于六维调节装置下方；玻璃连接柱9的一端通过螺丝固定在六维调节装置上，另一端通过环氧树脂胶和曲面玻璃镜片5粘接。

三维调节装置组由两个三维调节装置12组成，这两个三维调节装置呈对称位置固定在光学平台上，并位于待装调聚焦光学6的下方，用于在X、Y、Z三个方向调节待装调聚焦光学的整体姿态。

如图3所示，轴承7有两个，分别安装在中心杆14的两个端部；在系统调整时，通过转动轴承7使聚焦光学6绕其自身轴线旋转。莫氏锥度圆锥10有两个，分别安装在轴承7和轮圈15之间，以保证聚焦光学和轴承呈同心位置装配。长杆11有两根，分别位于三维调节装置上端；长杆的一端与轴承7相连，长杆的另一端与三维调节装置相连。

接收屏3与调节主系统2之间的距离等于待装调聚焦光学6的焦距。接收屏3用于接收平行光经曲面玻璃镜片5反射后的光斑，将光斑的形状实时呈现出来。

利用上述装调系统对多层嵌套X射线聚焦光学进行装调的步骤如下：

1.将调节主系统固定在光学平台上；

2.调整使平行光管、待装调聚焦光学和接收屏共轴；具体调整方法为：

2.1打开平行光光源1，转动轴承7使聚焦光学6绕其自身中心轴线转动；

2.2观察聚焦光学6在接收屏3上的投影，如果聚焦光学各个棱在接收屏3上的投影随聚焦光学6转动无明显改变(即聚焦光学6在接收屏3上的投影呈旋转对称性)，则证明三者共轴；如果聚焦光学各个棱在接收屏3上的投影随聚焦光学转动发生改变，则进入步骤2.3；

2.3通过三维调节装置调整聚焦光学姿态，直至接收屏上聚焦光学各个棱的投影随其转动无明显改变为止。

3.按照由小到大、由里向外的顺序粘接曲面玻璃镜片：

3.1将一片曲面玻璃镜片用环氧树脂胶粘在玻璃连接柱上，镜片的凸面与玻璃连接柱粘接；

3.2将步骤3.1所述曲面玻璃镜片对应的石墨条粘接在聚焦光学上；

3.3调节六维调节装置并观察接收屏上的光斑，当接收屏接收到一对称的可见光光斑时，所述曲面玻璃镜片的姿态调整完成；

3.4固定其他五维调节不变，通过六维调节装置调节Z方向使所述曲面玻璃镜片离开聚焦光学；

3.5在步骤3.2所述的石墨条上点胶，调节六维调节装置使曲面玻璃镜片贴近石墨条，同时观察接收屏上的光斑形状，当曲面玻璃镜片和石墨条上的胶接触并确保光斑成对称形状时停止调节；

3.6待曲面玻璃镜片和石墨条间的胶固化以后，将玻璃连接柱和所述曲面玻璃镜片分离，完成镜片粘接；

3.7按照步骤3.1～3.6的方法完成同层其他镜片的粘接，进而完成整个聚焦光学的组装。

由于各层曲面玻璃镜片的焦点为对称型光斑，对称点即焦点中心；在步骤3)之前，可事先在接收屏上标定一点，在进行步骤3)时保证各层曲面玻璃镜片的焦点中心位置与该事先标定的点重合，便能保证镜片间距与设计参数相同。这里点的标定方法为现有常用方法。

Claims (9)

1.一种多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，包括调节主系统，

其特征在于：

所述调节主系统包括装配架、六维调节装置、玻璃连接柱、三维调节装置组、轴承、同心装置和长杆；所述六维调节装置、玻璃连接柱和三维调节装置组从上至下依次设置；装调时，待装调聚焦光学固定于玻璃连接柱和三维调节装置组之间；

所述装配架由竖直支撑架和水平调节架组成；所述水平调节架安装在竖直支撑架的上端，且安装高度可调；

所述六维调节装置呈倒立方向安装在水平调节架的下端；六维调节装置可在X、Y、Z三个距离调节和α、β、γ三个角度调节，通过这六个维度实时调节待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片的姿态；

所述玻璃连接柱的一端固定在六维调节装置上，一端和待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片粘接；

所述三维调节装置组由两个对称设置的三维调节装置组成，用于在X、Y、Z三个方向调节待装调聚焦光学的整体姿态；

所述轴承有两个，分别安装在待装调聚焦光学的中心杆的两个端部；

所述同心装置有两个，分别安装在所述轴承和待装调聚焦光学的轮圈之间；

所述长杆有两根，其一端与所述轴承相连，另一端与三维调节装置相连。

2.根据权利要求1所述的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，其特征在于：还包括光源系统和接收屏；所述光源系统包括可见光光源和平行光管；所述平行光管、待装调聚焦光学和接收屏共轴放置；所述接收屏与所述调节主系统之间的距离等于待装调聚焦光学的焦距。

3.根据权利要求2所述的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，其特征在于：所述可见光光源产生波长为550nm的绿光，经平行光管转换为出射角度小于10μrad的可见平行光束。

4.根据权利要求1所述的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，其特征在于：所述同心装置为莫氏锥度圆锥。

5.根据权利要求1所述的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，其特征在于：所述玻璃连接柱的一端和待装调聚焦光学的曲面玻璃镜片采用环氧树脂胶粘接。

6.根据权利要求1所述的多层嵌套X射线聚焦光学的装调系统，其特征在于：所述玻璃连接柱有3根，呈正三角形分布。

7.采用权利要求1至6任一所述的装调系统装调多层嵌套X射线聚焦光学的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将调节主系统固定在光学平台上；

2)调整使平行光管、待装调聚焦光学和接收屏共轴；

3)在接收屏上标定一点；

4)粘接曲面玻璃镜片，具体方法为：

4.1)将最里层曲面玻璃镜片用胶粘在玻璃连接柱上，镜片的凸面与玻璃连接柱粘接；

4.2)将所述曲面玻璃镜片对应的石墨条粘接在聚焦光学上；

4.3)分别调节六维调节装置的六个维度并观察接收屏上的光斑，当接收屏接收到一对称的可见光光斑时并且光斑与光屏上所标定的点重合时，所述曲面玻璃镜片的姿态调整完成；

4.4)固定六维调节装置的X、Y、α、β和γ五个维度不变，调节Z方向使所述曲面玻璃镜片离开聚焦光学；

4.5)在石墨条上点胶，调节六维调节装置使曲面玻璃镜片贴近石墨条，同时观察接收屏上的光斑形状，当曲面玻璃镜片和石墨条上的胶接触，确保光斑成对称形状且其对称中心与光屏上所标定的点重合时停止调节；

4.6)待曲面玻璃镜片和石墨条间的胶固化以后，将玻璃连接柱和所述曲面玻璃镜片分离，完成镜片粘接；

5)采用步骤4)的方法按照由小到大的顺序完成同层其他曲面玻璃镜片的粘接；

6)采用步骤4)和步骤5)的方法按照由里向外的顺序完成外层其他曲面玻璃镜片的粘接。

8.根据权利要求7所述的装调多层嵌套X射线聚焦光学的方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：

2.1)打开光源系统，使聚焦光学绕其自身中心轴线转动；

2.2)观察聚焦光学在接收屏上的投影，若聚焦光学各个棱在接收屏上的投影随聚焦光学转动无明显改变，则平行光管、聚焦光学和接收屏共轴；若聚焦光学各个棱在接收屏上的投影随聚焦光学转动发生改变，则进入步骤2.3)；

2.3)通过三维调节装置调整聚焦光学姿态，直至接收屏上聚焦光学各个棱的投影随其转动无明显改变为止。

9.根据权利要求8所述的装调多层嵌套X射线聚焦光学的方法，其特征在于：所述步骤4)中采用环氧树脂胶粘接。