[發明專利]一種圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡結構的設計方法

有效

• 申請號: 201610118223.7
• 申請日: 2016-03-02
• 公開（公告）號: CN105760614B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 王占山;陳晟昊;馬爽;蔣勵
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 林君如

本發明涉及一種圓錐?雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡結構的設計方法，該設計方法包括以下幾個步驟：(1)通過Matlab軟件計算Wolter?I型天文望遠鏡每一組主鏡和副鏡的鏡片位置，該結果即為所述圓錐?雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡中每一組主鏡和副鏡的鏡片位置；(2)將步驟(1)所得主鏡和副鏡的鏡片位置代入Zemax軟件，模擬得到成像光斑；(3)根據所述圓錐?雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡的基礎參數計算光斑尺寸，將該光斑尺寸與步驟(2)所得成像光斑進行對比，分析可行性。與現有技術相比，本發明對比經典的Wolter?I型嵌套結構望遠鏡，將主鏡設計成圓錐面，顯著降低了制作難度和加工成本，在保證分辨率的同時，有效的提高了集光面積。

技術領域

本發明涉及成像系統的光學設計領域，具體涉及一種圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡結構的設計方法。

背景技術

X射線天文學是研究天體X射線輻射的天文學分支，觀測對象的光子能量范圍在0.1～100keV之間，通常將0.1～10keV的X射線稱為軟X射線，10～100keV稱為硬X射線。在X射線波段，任何材料的折射率都小于1，且接近于1，只有在掠入射角很小時才可以獲得全外反射，因此X射線直接成像望遠鏡通常采用掠入射反射式結構，主要有Kirkpatrick-Baez型、Wolter-I型和龍蝦眼型。其中最廣泛應用于天文望遠鏡設計的是Wolter-I型，其主體由一個旋轉拋物面和一個旋轉雙曲面同軸共焦組成。沿軸光線入射至拋物面鏡發生一次反射，反射光線聚焦到拋物面的焦點，該點亦是雙曲面的一個焦點，其位于像平面之后，光線未達到此焦點之前即被雙曲面鏡二次反射，聚焦于雙曲面的另一個焦點，即像平面所在的位置。Wolter-I型結構克服了單個旋轉對稱非球面反射鏡因不滿足阿貝正弦條件而引起軸外成像存在嚴重彗差的缺陷，可以獲得極高的分辨率。在天文觀測中，為了獲得大的集光面積，需要對望遠鏡采用嵌套的結構，這就需要更多的反射鏡片，而這種非球面的超光滑反射鏡加工制作的難度和成本都非常的高。如美國于1999年發射的Chandra望遠鏡，其成像分辨率高達0.5角秒。但是僅4層嵌套，共8組鏡片，花費的成本就高達15.5億美元，耗時10多年完成。多年來，科學家們對Wolter-I型望遠鏡的鏡片結構進行了多種優化，力求改善分辨率與集光面積之間的關系。但目前國際上除了Wolter-I型外，僅有一種類Wolter-I型望遠鏡結構得到了應用，可是這種結構望遠鏡的成像分辨率對比Wolter-I型會有顯著的下降。根據望遠鏡系統所需設計的焦距及口徑的不同，分辨率會下降十幾到幾十角秒不等，這樣的較差分辨率在未來的天文望遠鏡發展過程中，很難達到科學家們對太空的觀測需求。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種中等分辨率、高集光面積、低制作成本的圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡結構的設計方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡結構的設計方法，該圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡包括300組以下同光軸布置的主鏡和副鏡以及一個設置在副鏡遠端焦點上的探測器，每一組主鏡和副鏡與相鄰主鏡和副鏡呈嵌套結構，該設計方法包括以下幾個步驟：

(1)通過Matlab軟件計算Wolter-I型天文望遠鏡每一組主鏡和副鏡的鏡片位置，該結果即為所述圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡中每一組主鏡和副鏡的鏡片位置；

(2)將步驟(1)所得主鏡和副鏡的鏡片位置代入Zemax軟件，模擬得到成像光斑；

(3)根據所述圓錐-雙曲嵌套式X射線天文望遠鏡的基礎參數計算光斑尺寸，將該光斑尺寸與步驟(2)所得成像光斑進行對比，分析可行性。

所述的望遠鏡基礎參數包括焦距f、半口徑y₂、主鏡或副鏡的軸向長度L及主鏡和副鏡的厚度t；

所述的焦距f為所述主鏡的末端與探測器之間沿光軸方向的軸向長度；

所述的半口徑y₂為所述主鏡的末端到光軸的垂直距離。