CN109799612B - 曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统 - Google Patents

曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统。本发明借助曲面反射镜的反射曲面将点光源产生的发散光线进行垂直于光路方向的线聚焦，提供了一种更适合应用、结构简单的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其结构巧妙、易于现场布局仪器，可用于X射线的线聚焦检测，解决了现有技术中设计及布局检测仪器困难的问题，为核聚变实验的聚爆靶丸在线检测提供了新的仪器。

Description

曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统
技术领域
本发明涉及可见光点光源线聚焦及X射线检测技术领域，尤其涉及曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统。
背景技术
在通常的可见光聚焦成像领域，我们采用的方法是用透镜对点光源或平行光进行聚焦成像，或者将平行光与点光源发散光进行相互转换并加以应用。但是对于将点光源辐射的发散光聚焦为线光源，这方面的结构并不常见。柱面或锥面可以实现将轴线上的点源发散光聚焦在中心轴线上，不过由于这种结构必须要求点光源与检测面都位于中心轴线上，在设计上有明显局限性，因此在实际检测中应用中有很大缺陷。
在高温等离子体X射线诊断领域，该需求显得尤其迫切。特别是在聚变高温等离子体中，由于极高的温度、压强以及极其复杂的电磁场产生各种复杂的磁流体运动，并产生各种形式的辐射，而且等离子体各成分间经历着十分复杂的粒子和能量输运过程以及各种相互作用过程，要真实认识聚爆靶高温等离子体的内部状态与变化过程，就必须通过一定的实验手段对等离子体中的电子温度、密度、电离分布、电流和电磁场的时空分布以及输运、波动和不稳定性等状态参量进行实验测量，即聚爆靶等离子体点源诊断。
目前对聚爆靶高温等离子体的诊断主要依靠对由等离子体辐射的X射线的分析完成。因为X射线能谱可以提供关于等离子体的电子密度、温度、等离子体运动、电荷分布和离子输运参量等重要信息。离子体诊断其中一个重要的需求是将由聚爆靶点源辐射的X射线与条纹相机耦合，X射线条纹相机前端的狭缝宽度为0.1mm，即需要利用一种聚光器件将点光源聚焦为线光源，然后X射线条纹相机接收该线聚焦谱线而对等离子体状态进行检测。由于要求该聚焦线与条纹相机检测平行，所以要求聚焦线与光路布局方向垂直。
因此，如何将点光源发出的可见光或X射线聚焦在一条直线上，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明实际需要解决的问题是如何将点光源发出的可见光或X射线聚焦在一条直线上。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种曲面反射镜制造方法，包括如下步骤：
步骤（1）建立曲面反射镜模型：
设O点为坐标原点，设x轴为横轴，z轴为竖轴，光源位置S点为O点上方z轴上一点，N点为x轴上一点，A点为N点正上方的一点，由S点发出的光线照射在x轴上后反射到AN所在直线上，在AN所在直线上取多个照射点，并基于照射点确定x轴上对应的反射点，光路折线由依次连接S点、反射点及反射点对应的照射点得到，以S点与照射点所在的直线为旋转轴，旋转对应的光路折线，每个光路折线旋转后得到两个共底的圆锥，两个共底的圆锥的底面为反射面圆，多个反射面圆形成的曲面的内表面即为曲面反射镜的反射曲面模型；
步骤（2）基于反射曲面模型在基底材料上加工反射曲面；
步骤（3）在加工后的反射曲面上设置反射层。
优选地，基底材料为玻璃、铝或不锈钢。
优选地，设置反射层的方式包括镀可见光反射膜或粘贴晶体膜片。
优选地，反射曲面可通过数控机床加工或采用3D打印加工。
一种变曲率半径点光源线聚焦成像系统，包括点光源及上述的曲面反射镜，点光源设置在S点。
优选地，还包括检测装置，所述检测装置包括检测面，AN所在直线位于检测面上，且检测面垂直于x轴。
优选地，所述点光源包括可见光源或X射线光源。
优选地，所述检测装置包括可见光感光芯片、X射线感光芯片、X射线成像板、X射线胶片或X射线条纹相机。
综上所述，本发明公开了曲面反射镜制造方法及变曲率半径点光源线聚焦成像系统。本发明借助曲面反射镜的反射曲面将点光源产生的发散光线进行垂直于光路方向的线聚焦，提供了一种更适合应用、结构简单的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其结构巧妙、易于现场布局仪器，可用于X射线的线聚焦检测，解决了现有技术中设计及布局检测仪器困难的问题，为核聚变实验的聚爆靶丸在线检测提供了新的仪器。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是本发明公开的一种变曲率半径点光源线聚焦成像系统的示意图；
图2至图4为反射曲面构建原理示意图。
附图标记说明：光源10、曲面反射镜20、检测面30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种曲面反射镜，曲面反射镜包括设有反射层的反射曲面，所述反射曲面由以下方法获得：
步骤（1）建立曲面反射镜模型：
设O点为坐标原点，设x轴为横轴，z轴为竖轴，光源位置S点为O点上方z轴上一点，N点为x轴上一点，A点为N点正上方的一点，由S点发出的光线照射在x轴上后反射到AN所在直线上，在AN所在直线上取多个照射点，并基于照射点确定x轴上对应的反射点，光路折线由依次连接S点、反射点及反射点对应的照射点得到，以S点与照射点所在的直线为旋转轴，旋转对应的光路折线，每个光路折线旋转后得到两个共底的圆锥，两个共底的圆锥的底面为反射面圆，多个反射面圆形成的曲面的内表面即为曲面反射镜的反射曲面模型；
步骤（2）基于反射曲面模型在基底材料上加工反射曲面；
步骤（3）在加工后的反射曲面上设置反射层。
得到上述反射曲面的详细原理及步骤如下：
首先，以双锥形来分析该结构，建立如图2所示光路模型：O点为坐标原点，S点为z轴上一点，N点为x轴上一点，且NA平行于z轴。光源位于S点位置，检测面在NA处且垂直于纸面，M为ON的中点，光线由S点发射在M点反射，反射线与AN交于B点，SR=RB，则RM垂直于BR。光线SM与反射面的夹角为θ，则所有与反射面夹角为θ的入射光线会汇聚在B点，且光路形成一个锥形，同时所有反射光线也会形成一个对称的锥形。这两个锥形表面以折线SMB绕轴线SB旋转得到，所有反射点均在以R为圆心，RM为半径的圆周上；
其次，保持光源S和检测面NA位置不变，当反射点P在中点M左侧时，建立光路模型如图3所示：此时入射光线与反射面的夹角为θ1（θ1＞θ），则所有与反射面夹角为θ1的入射光线反射后会汇聚在B点，形成一个体积较小和一个体积较大的两锥形，这两个锥形表面为以折线SPB绕轴线SB旋转得到。过P点作RP垂直于SB，R为垂足，则所有反射点均在以R为圆心，RP为半径的圆周上。
最后，保持光源S位置不变，当反射点Q在中点M右侧时，建立光路模型如图4所示：此时入射光线与反射面的夹角为θ2（θ2＜θ），则所有与反射面夹角为θ2的入射光线反射后会汇聚在B点，形成一个体积较大和一个体积较小的两锥形，这两个锥形以折线SQB绕轴线SB旋转得到。过点Q作QR垂直于SB，则所有反射点均在以R为圆心，RQ为半径的圆周上。
对于x轴上每一处反射点P（如P1、P2、P3等），能够得到对应的与x轴的夹角为θ的入射线，以及在检测面上对应反射交点B（如B1、B2、B3等），连结SB，作PR垂直于SB，R点为垂足。再以PR为半径，R点为圆心作圆，这一系列倾斜的圆形成曲面的内表面就是反射曲面。
当改变光源的高度，或改变光源和检测面的距离时，会形成一系列新的圆，可构成新的反射曲面。
本发明中，反射曲面可通过数控机床进行加工。借助本发明中公开的曲面反射镜的反射曲面，可将点光源发射的光汇聚成线。
具体实施时，基底材料为玻璃、铝或不锈钢。
具体实施时，设置反射层的方式包括镀可见光反射膜或粘贴晶体膜片。
晶体膜片可以采用高定向热解石墨制成，高定向热解石墨（highlyorientedpyrolytic graphite, HOPG）是热解石墨经高温高压处理后制得的一种新型石墨材料，其性能接近单晶石墨。主要应用于X射线单色器、中子滤波器和单色器、石墨基本性能研究、大尺寸石墨层间化合物基础研究、石墨烯制备研究等领域中。也可以采用其他如石英等晶体。
如图1所示，本发明还公开了一种变曲率半径点光源线聚焦成像系统，包括点光源及上述的曲面反射镜，点光源设置在S点。
本发明中，点光源若为可见光光源，则光源尺寸一般低于1mm。当然在具体应用技术条件需要的情况下也可以采用偏大一点的点光源，不过聚焦线的尺寸会增大。点光源若为X射线光源，则光源尺寸一般低于0.5mm。同样地，在具体应用技术条件需要的情况下也可以采用偏大一点的X射线点光源，不过聚焦线的尺寸也会增大
本发明借助曲面反射镜的反射曲面将点光源产生的发散光线进行垂直于光路方向的线聚焦，提供了一种更适合应用、结构简单的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其结构巧妙、易于现场布局仪器，可用于X射线的线聚焦检测，解决了现有技术中设计及布局检测仪器困难的问题，为核聚变实验的聚爆靶丸在线检测提供了新的仪器。
使用本发明公开的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，操作简单，且不受到使用场合的限制，适用于任意场合中对可见光或X射线的点源线聚焦进行检测，应用范围广泛。
具体实施时，还包括检测装置，所述检测装置包括检测面，AN所在直线位于检测面上，且检测面垂直于x轴。
具体实施时，所述点光源包括可见光源或X射线光源。
具体实施时，所述检测装置包括可见光感光芯片、X射线感光芯片、X射线成像板、X射线胶片或X射线条纹相机。
采用本发明公开的变曲率半径点光源线聚焦成像系统进行点光源的变曲率半径线聚焦成像检测，能够解决现有技术中高温等离子体诊断中聚爆靶X射线辐射与X射线条纹相机耦合的问题，为更准确地实现高温等离子体诊断提供技术基础。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种曲面反射镜制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）建立曲面反射镜模型：
设O点为坐标原点，设x轴为横轴，z轴为竖轴，光源位置S点为O点上方z轴上一点，N点为x轴上一点，A点为N点正上方的一点，由S点发出的光线照射在x轴上后反射到AN所在直线上，在AN所在直线上取多个照射点，并基于照射点确定x轴上对应的反射点，光路折线由依次连接S点、反射点及反射点对应的照射点得到，以S点与照射点所在的直线为旋转轴，旋转对应的光路折线，每个光路折线旋转后得到两个共底的圆锥，两个共底的圆锥的底面为反射面圆，多个反射面圆形成的曲面的内表面即为曲面反射镜的反射曲面模型；
步骤（2）基于反射曲面模型在基底材料上加工反射曲面；
步骤（3）在加工后的反射曲面上设置反射层。
2.如权利要求1所述的曲面反射镜制造方法，其特征在于，基底材料为玻璃、铝或不锈钢。
3.如权利要求1所述的曲面反射镜制造方法，其特征在于，设置反射层的方式包括镀可见光反射膜或粘贴晶体膜片。
4.如权利要求1所述的曲面反射镜制造方法，其特征在于，反射曲面可通过数控机床加工或采用3D打印加工。
5.一种变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其特征在于，包括点光源及采用权利要求1至4任一项中的曲面反射镜制造方法所制造的曲面反射镜，点光源设置在S点。
6.如权利要求5所述的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其特征在于，还包括检测装置，所述检测装置包括检测面，AN所在直线位于检测面上，且检测面垂直于x轴。
7.如权利要求6所述的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其特征在于，所述点光源包括可见光源或X射线光源。
8.如权利要求7所述的变曲率半径点光源线聚焦成像系统，其特征在于，所述检测装置包括可见光感光芯片、X射线感光芯片、X射线成像板、X射线胶片或X射线条纹相机中的一种。
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