CN108198645A - 一种龙虾眼光学系统参数确定方法 - Google Patents

一种龙虾眼光学系统参数确定方法 Download PDF

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CN108198645A CN201711465074.2A CN201711465074A CN108198645A CN 108198645 A CN108198645 A CN 108198645A CN 201711465074 A CN201711465074 A CN 201711465074A CN 108198645 A CN108198645 A CN 108198645A
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李旭
马洪涛
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Abstract

本申请提供一种龙虾眼光学系统及其参数确定方法，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔MCP形成，并应用在软X射线波段，所述参数确定方法根据不同的探测需求，包括探测波段波长和视场角要求，从方孔MCP成像原理出发，得到成像质量较高的龙虾眼光学系统的参数与探测波段波长和视场角的关系，从而确定出与探测需求对应的龙虾眼光学系统的参数，进而使得软X射线波段探测时成像质量更高，为龙虾眼光学系统的广泛应用打下基础。

Description

一种龙虾眼光学系统参数确定方法
技术领域
本发明涉及光学系统设计技术领域，尤其涉及一种龙虾眼光学系统及其参数确定方法。
背景技术
目前，空间短波段成像已经成为天体物理学的一个重要分支，但是由于光学常数的限制，在该波段很难通过折射的方式实现光线聚焦。特别是在波长小于110nm的真空紫外、极紫外(EUV)和软X射线波段，大部分材料对入射光线都有严重的吸收现象。因此，通常会采用基于全反射理论的掠入射光学系统。
掠入射光学系统的主要优点是具有较高的空间分辨率，但由于其结构形式限制，也具有缺点：极小的角接收孔径、体积庞大和造价相对昂贵，而且具有较大的离轴相差。而在X射线波段，全反射临界角通常都很小，一般只有毫弧度量级，这就导致很难设计出大视场的光学系统。另外，采用掠入射光学系统基础上，如果进一步增加光学系统的视场，也会导致较大的离轴像差，特别是畸变数值会很大，这是几何光学的基本原理所决定的。
为解决上述光学系统存在的缺点，研究人员从龙虾眼的结构中得到启发，研发得到了类似龙虾眼结构的方孔MCP(Micro Channel Plate，微通道板)，将其应用到短波段探测领域当中。
但实际应用中，针对软X射线波段等短波段，使用什么尺寸的龙虾眼光学系统，能够得到较好的成像质量，是龙虾眼结构的方孔MCP能够广泛应用的基础。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种龙虾眼光学系统及其参数确定方法，以解决现有技术中没有对应的探测软X射线波段的光学系统的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种龙虾眼光学系统参数确定方法，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
所述龙虾眼光学系统参数确定方法包括：
确定待入射的所述软X射线的波长和视场角要求；
基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角；
基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
优选地，所述基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角，具体计算过程为：
获取所述软X射线的波长λ；
根据下面公式计算得到所述入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角θc：
其中，na为单位体积内原子数，re为经典电子半径，f1 0(λ)为原子散射因子的实部。
优选地，所述基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d，具体包括：
所述入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时，满足条件：
θc≤α；
其中，α为所述曲面方孔微通道板的方孔通道角，为几十毫弧度量级；
α≈tanα＝d/t；
其中，d为单个方孔的边长，t为通道长度。
优选地，所述基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值，具体包括：
根据视场角与所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值的关系式：
tan(ω)＝y/ρ；
其中，ω为视场角的一半；
得到所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
优选地，还包括：
根据得到的所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
选择所述曲面方孔微通道板单个方孔的边长d较小的值作为所述曲面方孔微通道板的边长。
优选地，还包括：
根据得到的所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值；
选择使得所述曲面方孔微通道板的开口面积比较大的曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离以及曲面方孔微通道板的曲率半径作为所述曲面方孔微通道板的参数。
本发明还提供一种龙虾眼光学系统，基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段；
所述龙虾眼光学系统的参数由上面任意一项所述的龙虾眼光学系统参数确定方法确定得到；
其中，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d。
优选地，所述曲面方孔微通道板的方孔内壁还镀有金属增反膜。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的龙虾眼光学系统参数确定方法，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔MCP形成，并应用在软X射线波段，所述参数确定方法根据不同的探测需求，包括探测波段波长和视场角要求，从方孔MCP成像原理出发，得到成像质量较高的龙虾眼光学系统的参数与探测波段波长和视场角的关系，从而确定出与探测需求对应的龙虾眼光学系统的参数，进而使得软X射线波段探测时成像质量更高，为龙虾眼光学系统的广泛应用打下基础。
本发明还提供一种龙虾眼光学系统，应用在软X射线波段，由于基于曲面方孔微通道板形成，而曲面方孔微通道板没有主光轴，每个方孔都有自己的光轴，可看作是独立的光学系统，这就解决了大视场离轴像差的问题，因此，龙虾眼光学系统具有小离轴像差的特点，进而能够将整个光学系统的视场做到很大，因此，本发明提供的龙虾眼光学系统的具有视场角大，且离轴像差较小，成像质量较高的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的龙虾眼光学系统参数确定方法流程示意图；
图2为一维平面方孔MCP示意图；
图3为平面方孔MCP二维聚焦原理图；
图4为曲面方孔MCP成像原理图；
图5为曲面方孔MCP成像示意图；
图6a和图6b为MCP通道内壁反射示意图；
图7为球面MCP一维截面成像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1所示，为本发明实施例提供的一种龙虾眼光学系统参数确定方法，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
所述龙虾眼光学系统参数确定方法包括：
S101：确定待入射的所述软X射线的波长和视场角要求；
S102：基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角；
S103：基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
S104：基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
需要说明的是，本实施例中龙虾眼光学系统基于曲面方孔微通道板形成，所述龙虾眼光学系统参数确定方法，也基于方孔MCP成像原理，下面通过说明方孔MCP成像原理，说明本发明中龙虾眼光学系统参数与软X射线的波长和视场角的关系。
1、平面方孔MCP成像原理
平面方孔MCP是由大量规则的正方形空心通道阵列排列组成的。当X射线入射到MCP孔壁上时，在入射角小于通道内壁全反射临界角时，入射光线将发生全反射，当入射角大于全反射临界角时，光线则被孔壁吸收，不参与成像。
一维平面MCP模型如下：
(1)当入射光线入射角达到临界角γc时，MCP通道壁的反射率为η，而当入射角大于临界角时，反射率则为0。
(2)MCP通道开口比(通道面积与MCP整个面积的比值)为ε。
(3)入射光线由标准点光源发出，且在空间各项同性。
(4)MCP通道是由一族平行直线排列构成，如图1所示。
(5)入射光线在通道内壁只发生一次反射。
需要说明的是，本实施例中应用在软X射线波段，所述材料的临界角通常是指光线与反射表面的夹角，因此，在入射角小于临界角时发生全反射现象。X射线波段，入射角度通常都很小，大约在几十毫弧度。
一般情况下，由于MCP的厚度远小于光源至MCP的距离，因此可以忽略，由图2可知，当入射光线在MCP通道内壁发生一次反射时，根据反射定律可以得出反射光线将会聚在焦点F处，如果将MCP孔壁扩展为平行平面，则光线将会聚在焦点F垂直于图面的一条直线上。换句话说，当入射光线在内壁发生一次反射时，会聚点在平行于孔壁的一条直线上。焦距lF为光源至MCP的距离lS。这也说明，平面MCP只能进行点对点聚焦。
在二维情况下，由图3可知，假定MCP通光孔是规则的正方形或矩形，内壁为理想的光滑平面，MCP对点光源所成的像将是十字像。参与聚焦的光线可以分为以下几类：
第一类是不经过MCP内壁反射而直接入射到像面的光线，这部分光线将在像面上形成本底噪声，如图3中的EE光。
第二类是经过MCP内壁水平方向的平面反射一次，或在同一孔壁的两个平行水平面之间反射两次的光线，这类光线将会聚在像面十字线的水平线上，如图3中的EO光。
第三类是经过MCP内壁的垂直方向的平面反射一次，或在同一孔壁的两个垂直水平面之间反射两次的光线，这类光线将聚焦在像面上十字线的垂直线上，如图3中的OE光。
第四类是经过MCP内壁反射两次的光线，即分别在水平面和垂直面各反射一次，这类光线将会聚在像面上十字线的中心位置，形成中心亮斑。中心亮斑的强度要远远高于十字线的强度，如图3中的OO光。
2、曲面方孔MCP成像原理
如图4所示的曲面方孔MCP，假定开口尺寸为d的方孔均匀排列在半径为R的柱面上，MCP厚度均匀，且为t。光线从给定的点光源入射到MCP孔壁上，假定t长度允许入射光线只发生一次反射，此时，MCP所成的实像就相当于相同曲率半径的凹球面镜所成的虚像。假定光源到MCP中心距离为lS，则通过MCP内壁中心位置反射的光线聚焦在光轴上的位置li满足以下关系：
而对于从内壁其它位置反射的光线，将会聚在光轴上的不同位置，通道内壁最内侧位置反射的光线将会聚在靠近MCP的位置，最外侧位置反射的光线将会聚在远离MCP的位置上，该区域的长度△L可表示为
式中MT为横向放大率，且MT＝li/ls。△L范围内某一点像的横向宽度△T则由MCP方孔边长决定，其表达式为
ΔT＝d(1+MT) (3)
因此，在二维情况下，点光源经过曲面MCP所成的中心像斑将会是一个弥散圆斑。MCP方孔尺寸越大，像斑的弥散程度越大，因此，在进行光学系统设计时，应在保证一次反射光线能直接通过MCP方孔的情况下，尽量选择方孔边长较小的MCP元件。
由曲面方孔MCP的成像原理可知，其曲率半径应通过入射光线的掠入射临界角θc来确定，设入射光线与MCP最边缘方孔通道内壁夹角为ω，ω应满足如下条件：
ω≤θc (4)
其中na为单位体积内原子数，re为经典电子半径，f1 0(λ)为原子散射因子的实部。由方孔MCP的几何关系可知：
其中D为MCP的单个方孔边长，ρ为MCP的曲率半径。
当全反射临界角θc小于或者等于方孔通道角α(α＝d/t，d为方孔边长，t为通道长度，也即方孔微通道的厚度)时，入射光线在通道内只发生一次反射，如图6a所示，当全反射临界角θc大于方孔通道角α时，入射光线在通道内将发生至少两次反射，如图6b所示。如果入射光线在通道内壁发生两次及以上反射时，其相位将发生改变，无法在MCP焦点位置成像。
因此，应使MCP通道长宽比满足以下条件：
θc≤α (7)
基于上述方孔MCP成像光学系统原理，根据探测需求确定光学系统的工作波段，选取相应的MCP曲率半径；使通道长宽比在满足入射光线只发生一次全反射的条件下，尽量选择方孔边长小、开口面积比大的MCP。
需要说明的是，根据上面公式(5)可知，临界角θc与入射光线的波长λ有关，当波长变化时，全反射临界角也随之改变，另外，视场角要求不同时，根据公式(6)可知，方孔微通道的曲率半径也不相同，因此，本实施例中首先要确定待入射的所述软X射线的波长和视场角要求；
基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角；本步骤中采用公式(5)计算得到全反射临界角；
基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；根据图6a可以得知，所述曲面方孔微通道板的方孔通道角α≈tanα＝d/t；本步骤中根据公式(7)得到所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d。
基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
如图7所示，距离中心y处的通道壁与水平线的夹角为tan(ω)＝y/ρ，视场角为2ω；根据视场角要求得到所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
需要说明的是，本实施例中通过以上步骤，仅得到参数：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d。
需要说明的是，如果MCP方孔边长过大，将会导致像面上中央亮斑弥散，从而降低光学系统的成像分辨率。开口面积比越大，则进入光学系统的光线数量也就越多，这样可以提高光学系统的集光效率。
因此，实际进行基于曲面方孔微通道板龙虾眼光学系统设计时，根据得到的所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；选择所述曲面方孔微通道板单个方孔的边长d较小的值作为所述曲面方孔微通道板的边长。根据得到的所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值；选择使得所述曲面方孔微通道板的开口面积比较大的曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离以及曲面方孔微通道板的曲率半径作为所述曲面方孔微通道板的参数。
另外，为了提高MCP孔壁的反射效率，通常会镀上一层金属增反膜。用于抑制其它波段的杂光。对于没有在MCP内壁发生反射的光线，将直接打在探测器上形成噪声。但根据MCP的成像原理，这部分背景噪声相对于被聚焦的X射线强度来说强度相对较低，对成像质量的影响很小。
为了进一步说明本发明实施例提供的龙虾眼光学系统参数确定方法，以3.5keV软X射线为例，通过公式(5)计算得出MCP孔壁镀镍时其全反射临界角约为0.1rad，于是通道壁的长宽比为10:1。在该长宽比条件下，所有能量小于3.5keV的软X射线辐射都可在MCP通道内壁发生全反射，最终会聚在焦面位置。
设球面MCP曲率半径为ρ，如图7所示，距离中心y处的通道壁与水平线的夹角为tan(ω)＝y/ρ，如要实现45°×45°视场角，则MCP最外侧通道壁与水平线的夹角应为ω＝22.5°。于是可得到MCP最大尺寸与MCP曲率半径之间的关系为ymax/ρ＝0.42。以曲率半径为RMCP＝100mm的MCP为例计算出MCP的尺寸应为42mm。
如果采用尺寸为42mm×42mm的方孔MCP，单个如图5所示的光学系统可以实现45°×45°的视场范围，远大于Wolter型光学系统几十角分的视场。如果将多个上述光学系统拼接在一起，将进一步提高光学系统的视场角，从而实现大视场全空观测。
本发明提供的龙虾眼光学系统参数确定方法，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔MCP形成，并应用在软X射线波段，所述参数确定方法根据不同的探测需求，包括探测波段波长和视场角要求，从方孔MCP成像原理出发，得到成像质量较高的龙虾眼光学系统的参数与探测波段波长和视场角的关系，从而确定出与探测需求对应的龙虾眼光学系统的参数，进而使得软X射线波段探测时成像质量更高，为龙虾眼光学系统的广泛应用打下基础。
本发明实施例还提供一种龙虾眼光学系统，基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段；所述龙虾眼光学系统的参数由上面实施例中所述的龙虾眼光学系统参数确定方法确定得到；其中，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d。
为了提高MCP孔壁的反射效率，还可以在所述曲面方孔微通道板的方孔内壁镀金属增反膜。本实施例中不限定所述金属增反膜的材质，可选为镍等高反射膜。
本发明提供的龙虾眼光学系统，应用在软X射线波段，由于基于曲面方孔微通道板形成，而曲面方孔微通道板没有主光轴，每个方孔都有自己的光轴，可看作是独立的光学系统，这就解决了大视场离轴像差的问题，因此，龙虾眼光学系统具有小离轴像差的特点，进而能够将整个光学系统的视场做到很大，因此，本发明提供的龙虾眼光学系统的具有视场角大，且离轴像差较小，成像质量较高的特点。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，所述龙虾眼光学系统基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
所述龙虾眼光学系统参数确定方法包括：
确定待入射的所述软X射线的波长和视场角要求；
基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角；
基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
2.根据权利要求1所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，所述基于所述软X射线的波长，计算得到入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角，具体计算过程为：
获取所述软X射线的波长λ；
根据下面公式计算得到所述入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时的全反射临界角θc：
其中，na为单位体积内原子数，re为经典电子半径，f1 0(λ)为原子散射因子的实部。
3.根据权利要求2所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，所述基于所述全反射临界角，确定所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d，具体包括：
所述入射光在所述曲面方孔微通道板的内壁上只发生一次全反射时，满足条件：
θc≤α；
其中，α为所述曲面方孔微通道板的方孔通道角，为几十毫弧度量级；
α≈tanα＝d/t；
其中，d为单个方孔的边长，t为通道长度。
4.根据权利要求1所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，所述基于所述视场角要求，确定所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值，具体包括：
根据视场角与所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值的关系式：
tan(ω)＝y/ρ；
其中，ω为视场角的一半；
得到所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值。
5.根据权利要求1所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，还包括：
根据得到的所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d；
选择所述曲面方孔微通道板单个方孔的边长d较小的值作为所述曲面方孔微通道板的边长。
6.根据权利要求5所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，还包括：
根据得到的所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值；
选择使得所述曲面方孔微通道板的开口面积比较大的曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离以及曲面方孔微通道板的曲率半径作为所述曲面方孔微通道板的参数。
7.一种龙虾眼光学系统，其特征在于，基于曲面方孔微通道板形成，且应用在软X射线波段；
所述龙虾眼光学系统的参数由权利要求1-6任意一项所述的龙虾眼光学系统参数确定方法确定得到；
其中，所述参数包括：所述曲面方孔微通道板的最外侧边与中心的距离y与所述曲面方孔微通道板的曲率半径ρ的比值、所述曲面方孔微通道板单个方孔的长宽比t：d。
8.根据权利要求7所述的龙虾眼光学系统参数确定方法，其特征在于，所述曲面方孔微通道板的方孔内壁还镀有金属增反膜。
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