DE1037720B - Optisches Spiegelsystem hoher Apertur mit asphaerischen Flaechen - Google Patents

Description

• Optisches Spiegelsystem hoher Apertur mit asphärischen Flächen Man hat bereits vorgeschlagen, mit einem Zweispiegelsystem auf optischem Wege mittels Röntgenstrahlen Bilder unter Verwendung der Totalreflexion zu erzeugen.. Eine solche Spiegeloptik ist infolge der Beschränkung in der Wahl des Auftreffwinkels auf die Spiegel hinsichtlich des Öffnungswinkels des Strahlenbündels und damit auch der Apertur bzw. Lichtstärke begrenzt.
• Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Spiegelsystem, bei dem die Abbildung ausschließlich mit Hilfe von nicht sphärischen Reflektorflächen erfolgt, an denen außeraxiale, einsinnig in Richtung der Achse des Systems verlaufende Strahlen vorwiegend total reflektiert werden, wobei das zentrale Strahlenbündel durch. geeignete Mittel, insbesondere Blenden, ausgeschaltet ist mit dem Kennzeichen, daß mindestens zwei getrennt für sich zu berechnende, gleichachsig ineinander angeordnete, schalenförmige Mehrspiegelsysteme für fast streifenden Strahleneinfall vorgesehen sind. Auf diese Weise entspricht die wirksame Apertur des Gesamtsystems der Summe der Aperturen der einzelnen Systeme. Die Anordnung läßt bei endlicher Gegenstands- und Bildentfernung sowohl bildmäßige Vergrößerungen als, auch Verkleinerungen erreichen. Es gelingt durch Steigerung der Anzahl der nacheinander reflektierenden Flächen das Einzelsystem so zu gestalten, daß auch Strahlenbündel großer Bündelöffnung trotz der Begrenzung des Auftreffwinkels infolge der Mehrfachreflexion anwendbar sind. Durch Verwendung von n Spiegeln im Einzelsystem, deren Oberflächen durch analytische Funktionen gegeben sind, lassen sich streng aplanatische achromatische Abbildungen erzielen, wobei sich (n-2) Spiegeloberflächen durch vorgegebene einfache analytische Funktionen beispielsweise Flächen ersten Grades darstellen lassen. Bei der Berechnung der Spiegelformen des Einzelsystems lassen sich, ausgehend von den. aplanatischen Eigenschaften, Lösungen gewinnen, die für jeden einzelnen Strahl sowohl der Sinusbedingung als auch der Forderung nach der Konstanz der optischen Weglänge genügen. Für das einzelne Mehrspiegelsystem bietet die Erfüllung der Konstanz der optischen Weglänge keine Schwierigkeiten. Für das mehrschalige Gesamtsystem wird die Forderung nach der Konstanz der optischen Weglänge dadurch erfüllt, daß man in den Strahlengang der Einzelsysteme Medien mit verschiedenen Brechungsindizes einschaltet, derart, daß der größeren geometrischen Weglänge eine entsprechend geringere Brechungszahl zugeordnet wird, um an der Vereinigungsstelle der Strahlen zumindest innerhalb der Kohärenzlänge Phasengleichheit zu erreichen.
• Während dies z. B. bei sichtbarem Licht wegen, der großen Kohärenzlänge ohne weiteres möglich ist, bietet die sehr kleine Köhärenzlänge bei Röntgenstrahlen wegen der Unvereinbarkeit starker Brechkraft mit .geringer Absorption bei allen bekannten Materialien eine unüberwindliche Schwierigkeit. Die Phasengleichheit bei gleichzeitiger Interferenzfähigkeit der von den einzelnen Mehrspiegelsystemen kommenden Strahlen ist aber nur für die Abbildung nicht selbstleuchtender Objekte Bedingung. Bei der Bildentstehung selbstleuchtender Objekte dagegen addieren sich an den einzelnen Bildpunkten nur die Intensitäten, so daß eine Phasengleichheit oder gar Interferenzfähigkeit nicht erforderlich ist. Für solche Objekte sind die erfindungsgemäßen Spiegelsysteme auch bei Röntgenstrahlen ohne Phasenschiebung zur Bildgebung geeignet.
• Soweit eine Phasenschiebung in Betracht kommt, wird man die brechenden Medien so wählen, daß ein Phasenkontrast zustande kommt.
• Zur Vergrößerung der Apertur eines sammelnden Spiegelsystems, bei dem die Abbildung nur durch außeraxiale Strahlen erfolgt, ist es zwar bekannt, zwei konzentrisch angeordnete Spiegelpaare vorzusehen: Dabei bilden die Spiegelpaare jedoch nur verschiedene Zonen derselben Kugel- oder Kardioidfläche. Im Gegensatz hierzu stellt jedes einzelne aus mehreren Spiegelflächen bestehende schalenförmige Mehrspiegelsystem der Anordnung nach der Erfindung ein in sich geschlossenes, von den übrigen Schalen im Prinzip unabhängiges, für sich zu berechnendes Abbildungssystem dar. Ein funktionsmäßiger Zusammenhang zwischen den einzelnen Schalen besteht nur insofern, als ihrer Berechnung jeweils die Abbildungseigenschaften des Gesamtsystems, wie z. B. Brennpunktabstand, Abbildungsmaßstab u. a., zugrunde gelegt werden.
• Ein Beispiel für ein solches neues Spiegelobjektiv, für dessen Aufbau drei konzentrische Mehrspiegelsysteme der Spiegelzahl n = 2, 3 und 4 gewählt wurden, ist in der Figur dargestellt. S1, S2 und S3 stellen den Schnitt der Spiegelflächen der schalenförmig angeordneten Mehrspiegelsysteme mit der Zeichenebene dar. Die reflektierenden Flächen des optischen Systems werden gewonnen entweder als Rotationsflächen durch Rotation der Kurvenzüge S l, S2, S3 um die Achse Fi F2 oder als Zylinderflächen bzw. Ebenen, für die die Kurvenzüge S1, S2, S3 die Leitlinien darstellen, an denen die z. B. senkrecht zur Zeichenebene stehenden Erzeugenden parallel zu sich selbst verschoben werden. Dabei lassen sich mehrere so gewonnene Zylinderflächen bzw. Ebenen konzentrisch um die Achse Fi- F2 in Polygonform anordnen, wobei man sich durch Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Zylinderflächen bzw. Ebenen dem Rotationskörper beliebig nähern und die optischen Eigenschaften des Systems verbessern kann. Die Schnittkurven der einzelnen Mehrspiegelsysteme mit der Zeichenebene sind gegeben durch maximale Erfüllung der Sinusbedingung und der Konstanz der Summe der optischen Weglängen. Die Zentralstrahlen sind abgeblendet durch die Blende B. Für einen Achsenpunkt ist der Strahlengang aus mehreren eingezeichneten Strahlen ersichtlich.
• Die neuen optischen Systeme sind nicht auf die Anwendung bei Röntgenstrahlen beschränkt, wo sie infolge ihrer höheren Apertur eine Verbesserung der Auflösung und Steigerung der Lichtstärke gestatten, sondern sind ebenfalls für Neutronen und andere Korpuskularstrahlen, soweit sie optische, insbesondere totale Reflexion zeigen, unmittelbar wegen ihrer guten optischen Eigenschaften verwendbar. Gegebenenfalls müssen die reflektierenden Flächen zur Erzielung einer totalen Reflexion geeignet ausgestattet, z. B. magnetisiert sein.
• Die Herstellung der bei den neuen Systemen verwendeten Spiegelflächen läßt sich auf die verschiedenste Weise ausführen. In Betracht kommt eine mechanische Bearbeitung entweder durch spanlose oder spanabhebende Formgebung. Durch elastische Verformung von Körpern, deren Oberfläche zweckmäßig der erstrebten Form nahekommt, oder durch definiertes Aufdampfen oder Sedimentieren von Stoffen auf geeignetes Trägermaterial mit entsprechend geformter Oberfläche lassen sich Spiegel mit höheren Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit herstellen. Außerdem lassen sich die Spiegelflächen galvanoplastisch herstellen. Flächen geringster Krümmung, wie sie besonders im Röntgengebiet erforderlich sind, lassen sich auch mit der erforderlichen Genauigkeit entweder mittels des piezoelektrischen Effektes bei Bikristallen oder mittels des magnetostriktiven Effektes unter Verwendung ferromagnetischer Stoffe erzeugen. Schließlich kommt neben den vorerwähnten Effekten auch die thermische Durchbiegung an Bimetallen für die letzte Formgebung der Spiegeloberflächen in Betracht.

Claims (11)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Optisches Spiegelsystem, bei dem die Abbildung ausschließlich mit Hilfe von nicht sphärischen Reflektorflächen erfolgt, an denen außeraxiale, einsinnig in Richtung der Achse des Systems verlaufende Strahlen vorwiegend total reflektiert werden, wobei das zentrale Strahlenbündel durch geeignete Mittel, insbesondere Blenden, ausgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei getrennt für sich und für fast streifenden Strahleneinfall zu berechnende, gleichachsig ineinander angeordnete, schalenförmige Mehrspiegelsysteme vorgesehen sind.
2. 2. Optisches Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die einzelnen Mehrspiegelsysteme, ausgehend von den Bedingungen für streng aplanatische Abbildung, d. h. Erfüllung der Sinusbedingung und Konstanz der Summe der optischen Weglängen, die Form der Oberflächen der Spiegel mittels analytischer Funktionen errechnet ist.
3. 3. Optisches Spiegelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einbringen von Medien mit verschiedenen Brechungsindizes in die Strahlengänge der einzelnen, gleichachsig ineinander angeordneten Mehrspiegelsysteme dafür gesorgt wird; daß die von den einzelnen Mehrspiegelsystemen kommenden Strahlen an ihrer Vereinigungsstelle mindestens gleichphasig sind.
4. 4. Optisches Spiegelsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die brechenden Medien so gewählt sind, daß durch eine bewußte Phasenschiebung ein Phasenkontrast entsteht.
5. 5. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rotationsflächen benutzt werden, die durch Rotation der durch Rechnung ermittelten Krümmungskurven der Spiegeloberflächen um die Systemachse entstehen.
6. 6. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinderflächen bzw. Ebenen verwandt werden; von denen jede durch Parallelverschiebung der Zylinder- bzw. Ebenen-Erzeugenden an den durch Rechnung ermittelten Krümmungskurven bzw. Geraden der Spiegeloberflächen entsteht.
7. 7. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnden Oberflächen durch elastische Verformung eines Körpers, dessen Oberfläche zweckmäßig der erstrebten Form nahekommt, erzeugt werden. B.
8. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnden Oberflächen durch gesteuertes Aufdampfen oder Sedimentieren von Stoffen auf einen Tragkörper, dessen Oberfläche zweckmäßig der erstrebten Form nahekommt, erzeugt werden.
9. 9. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel aus Bikristallen hergestellt sind und die letzte Formgebung der spiegelnden Flächen mittels des piezoelektrischen Effektes vorgenommen wird.
10. 10. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel aus ferromagnetischen Stoffen bestehen und die letzte Formgebung der Oberflächen mittels des magnetostriktivenEffektes vorgenommen wird.
11. 11. Optisches Spiegelsystem nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel aus Bimetall bestehen und die letzte Formgebung der Oberfläche durch entsprechende Wahl der Temperatur und der damit sich ergebenden Durchbi.egung vorgenommen wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 229 224; USA.-Patentschrift Nr. 2 559 972.