X波段龙虾眼透镜关键技术研究
发布时间：2021-04-07 05:04
龙虾眼透镜是区别于传统光学透镜的一种结构仿生聚焦元件,由矩形微通道构成的球型对称结构可以实现辐射通量的全外反射条件,对高能辐射通量具有较高的收集效率。而能够实现大视场成像的X射线透镜,是天文物理学、宇宙学研究中的关键元件。因此,X射线谱段的龙虾眼透镜具有极高的潜在应用价值。本论文着眼于未来空间探索的任务需求,针对极端天体辐射通量软X射线谱段的龙虾眼透镜开展了聚焦机理及应用的基础研究。本论文的主要工作包括:利用棱镜展开原理,建立了龙虾眼透镜的光线追迹数学模型,根据该数学模型完整的描述龙虾眼透镜的全反射成像机理。根据龙虾眼透镜的无轴外像差、无色差的特点,给出了垂轴像差计算公式。通过将龙虾眼透镜的光线追迹模型与物质X射线反射率函数结合,同时考虑全外反射限制角以及内反射临界角问题,建立龙虾眼透镜的软X射线能量模型。根据该模型讨论了成像光束形式与龙虾眼透镜结构形式之间的关系,分别分析了两种情况下的集光效率与像差形式;详细讨论了通道长度、锥顶角与透镜半径等关键参数对像质的影响;阐述了龙虾眼透镜子午方向的奇次反射能量占比、最大垂轴像差、光斑直径、光斑内平均光强。得出在有效通光口径内,主要是宽纵比决定...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复眼分类图
过侧壁反射将光线折转至焦点处。入射光线进入每个小眼时，可能会在相邻的两个侧壁之上都会发生反射。只有当入射光所在平面与水平或者竖直平面平行时，才会在一个方向发生反射。并且小眼还具有“角反射器”的作用，光线在两个方向上的反射次数都是奇数时，出射光线按照原路返回。由于龙虾眼系统是反射堆叠成像，使得龙虾眼光学系统具有适用光谱范围广的优点，既可用于小波长的高能射线领域，又可用于可见光、红外以及太赫兹波段。并且当单个小眼的方形截面边长与孔径长度之比足够小时，整体光学系统会达到角秒级的分辨率。并且由于自身的结构特点，每个小眼的轴线与球面半径重合，沿半径指向球面球心。所以整体光学系统没有特定的光轴，造就了龙虾眼系统的大视场特性。
(a) 大 LE Schmidt 模块 (b) 聚焦成像示意图图 1.4 Schmidt 结构示意图2005 年 LOBSTER ISS 发布，它由欧洲航天局(EAS)设计研发用于探索太空的高能线周天监视器(ASM)[12]。在该项目中，使用 MCP 技术的龙虾眼望远镜已经用于OBSTER ISS 的空间实验中。并且在该设备中也包含高能射线望远镜与伽马线暴探测。这些设备主要使用在能量为 300~700kev 的高能波段，并获得了极高的灵敏度。美国土安全部资助的光学物理公司正在研发一种命名为“LEXID”的新扫描仪。该设包括低能量 X 射线源与使用龙虾眼几何结构的感光系统，具有价位低、质量小及使方便等优势，预计上市后售价不会超过 1 万美元。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统[J]. 庞阔,宋乐,房丰洲. 光电子·激光. 2018(01)
[2]应用于软X射线成像探测的Angel型龙虾眼光学系统研究[J]. 胡慧君,宋娟,李文彬,孙书坤,金东东,王文丛,邵思霈. 光子学报. 2017(04)
[3]Schmidt和Angel结构的龙虾眼X射线成像系统性能对比研究[J]. 刘晶晶,韦飞. 科学技术与工程. 2016(05)
[4]Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜研究[J]. 欧阳名钊,朱万彬,付跃刚,高天元,董科研,崔承坤,姜苏伦. 红外与激光工程. 2015(12)
[5]仿生龙虾眼光学系统的发展及其在红外波段的应用[J]. 付跃刚,张方军,欧阳名钊,高天元,刘智颖. 红外技术. 2014(11)
[6]变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法[J]. 王东辉,刘林,李秉实,包艳,郑普超,张兵,张超. 激光与红外. 2014(01)
[7]计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法[J]. 李亭,黄元申,徐邦联,李柏承,张大伟,陶春先,凌进中,庄松林. 光谱学与光谱分析. 2013(07)
[8]平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究[J]. 杨夏军,穆宝忠,伊圣振,王占山. 光学仪器. 2012(05)
[9]KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较[J]. 王晶宇,陈鑫功,王晓方. 光子学报. 2010(12)
[10]微束斑X射线源及X射线光学元件[J]. 王凯歌,王雷,牛憨笨. 应用光学. 2008(02)
博士论文
[1]仿生龙虾眼光学成像机理研究[D]. 欧阳名钊.长春理工大学 2014
[2]反射型体光栅特性研究及在频谱合束中的应用[D]. 易迎彦.华中科技大学 2011
[3]KBA X射线显微镜研究[D]. 赵玲玲.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]激光诱导等离子体光谱仪的研制[D]. 徐国伟.中国科学技术大学 2010
[2]X射线成像旋转椭球聚焦镜的设计与检测[D]. 田金萍.中国科学技术大学 2009
[3]Wolter X射线成像系统设计及成像质量分析[D]. 李春芳.大连理工大学 2007
[4]仿生复眼视觉系统标定和大视场图像拼接的技术研究[D]. 蔡梦颖.南京航空航天大学 2007
本文编号：3122855
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：57 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
复眼分类图
过侧壁反射将光线折转至焦点处。入射光线进入每个小眼时，可能会在相邻的两个侧壁之上都会发生反射。只有当入射光所在平面与水平或者竖直平面平行时，才会在一个方向发生反射。并且小眼还具有“角反射器”的作用，光线在两个方向上的反射次数都是奇数时，出射光线按照原路返回。由于龙虾眼系统是反射堆叠成像，使得龙虾眼光学系统具有适用光谱范围广的优点，既可用于小波长的高能射线领域，又可用于可见光、红外以及太赫兹波段。并且当单个小眼的方形截面边长与孔径长度之比足够小时，整体光学系统会达到角秒级的分辨率。并且由于自身的结构特点，每个小眼的轴线与球面半径重合，沿半径指向球面球心。所以整体光学系统没有特定的光轴，造就了龙虾眼系统的大视场特性。
(a) 大 LE Schmidt 模块 (b) 聚焦成像示意图图 1.4 Schmidt 结构示意图2005 年 LOBSTER ISS 发布，它由欧洲航天局(EAS)设计研发用于探索太空的高能线周天监视器(ASM)[12]。在该项目中，使用 MCP 技术的龙虾眼望远镜已经用于OBSTER ISS 的空间实验中。并且在该设备中也包含高能射线望远镜与伽马线暴探测。这些设备主要使用在能量为 300~700kev 的高能波段，并获得了极高的灵敏度。美国土安全部资助的光学物理公司正在研发一种命名为“LEXID”的新扫描仪。该设包括低能量 X 射线源与使用龙虾眼几何结构的感光系统，具有价位低、质量小及使方便等优势，预计上市后售价不会超过 1 万美元。
【参考文献】：
期刊论文
[1]应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统[J]. 庞阔,宋乐,房丰洲. 光电子·激光. 2018(01)
[2]应用于软X射线成像探测的Angel型龙虾眼光学系统研究[J]. 胡慧君,宋娟,李文彬,孙书坤,金东东,王文丛,邵思霈. 光子学报. 2017(04)
[3]Schmidt和Angel结构的龙虾眼X射线成像系统性能对比研究[J]. 刘晶晶,韦飞. 科学技术与工程. 2016(05)
[4]Schmidt结构的改进型龙虾眼光学透镜研究[J]. 欧阳名钊,朱万彬,付跃刚,高天元,董科研,崔承坤,姜苏伦. 红外与激光工程. 2015(12)
[5]仿生龙虾眼光学系统的发展及其在红外波段的应用[J]. 付跃刚,张方军,欧阳名钊,高天元,刘智颖. 红外技术. 2014(11)
[6]变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法[J]. 王东辉,刘林,李秉实,包艳,郑普超,张兵,张超. 激光与红外. 2014(01)
[7]计算凹面闪耀光栅衍射效率的通用方法[J]. 李亭,黄元申,徐邦联,李柏承,张大伟,陶春先,凌进中,庄松林. 光谱学与光谱分析. 2013(07)
[8]平行式Schmidt型龙虾眼X射线光学系统研究[J]. 杨夏军,穆宝忠,伊圣振,王占山. 光学仪器. 2012(05)
[9]KB镜成像模拟以及与菲涅耳波带板成像的比较[J]. 王晶宇,陈鑫功,王晓方. 光子学报. 2010(12)
[10]微束斑X射线源及X射线光学元件[J]. 王凯歌,王雷,牛憨笨. 应用光学. 2008(02)
博士论文
[1]仿生龙虾眼光学成像机理研究[D]. 欧阳名钊.长春理工大学 2014
[2]反射型体光栅特性研究及在频谱合束中的应用[D]. 易迎彦.华中科技大学 2011
[3]KBA X射线显微镜研究[D]. 赵玲玲.大连理工大学 2006
硕士论文
[1]激光诱导等离子体光谱仪的研制[D]. 徐国伟.中国科学技术大学 2010
[2]X射线成像旋转椭球聚焦镜的设计与检测[D]. 田金萍.中国科学技术大学 2009
[3]Wolter X射线成像系统设计及成像质量分析[D]. 李春芳.大连理工大学 2007
[4]仿生复眼视觉系统标定和大视场图像拼接的技术研究[D]. 蔡梦颖.南京航空航天大学 2007
本文编号：3122855
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