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软X射线掠入射成像光学系统设计与检测技术研究

作　者: 李顺
导　师: 巩岩
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学
关键词: 光学系统设计像质评价面形检测 X射线光学空间天气预报
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来随着空间技术的发展，人们对太阳活动和空间环境的变化越来越关注。太阳软X射线成像望远镜是用于太阳观测，进行空间天气预报研究的核心设备。它能够在软X射线波段对太阳的日冕层成像，在观测太阳活动方面具有不可替代的优势。本文的工作就是围绕太阳软X射线成像望远镜研制过程中所需的掠入射光学系统设计、系统工程应用分析和大离轴筒状非球面面形检测三项关键技术展开。根据观测太阳活动，进行空间天气预报研究的应用要求，设计了一种太阳软X射线掠入射成像光学系统。在深入研究经典Wolter I型掠入射光学系统结构特点的基础上，使用ZPL语言对ZEMAX软件进行了二次开发，定义编写了掠入射成像光学系统优化时所需的限制条件和评价函数。使用这些限制条件和评价函数，对Wolter I型掠入射成像光学系统进行了优化。优化后双曲面-双曲面结构的掠入射光学系统全视场的平均弥散斑半径达到2.67′′，相比优化前Wolter I型结构（全视场平均弥散斑半径为4.54′′）提高了41%。详细分析了掠入射成像光学系统中的杂散光和鬼像，并设计了满足系统渐晕和杂散光要求的光阑结构。分析和研究了掠入射成像光学系统工程应用时，环形入瞳的衍射、光学表面的散射、装配公差和环境因素对成像质量的影响。编写了掠入射成像光学系统像质分析软件，该软件能够用来分析计算包含几何像差、孔径衍射、表面散射、公差及环境影响作用下的掠入射成像光学系统的成像质量。软件的计算结果能够用于指导掠入射成像光学系统进一步的优化和制造，并对其工程应用的可行性进行评估。最后，使用该软件详细分析了本文中设计的掠入射光学系统的成像质量，根据分析计算的结果制定了系统研制过程中的“误差分配图”和加工装调公差。设计了用于掠入射成像光学系统筒状非球面面形测量的共路扫描长程轮廓仪（CSLTP）的光学结构。该CSLTP中偏振分光棱镜置于光学扫描头的设计以及光束调制器的使用，降低了测量中误差的影响，提高了测量精度。分析和研究了CSLTP中影响测量结果的主要误差源。针对影响较大的两种系统误差，提出了采用反转方法校正转台自身转动误差，采用滤波算法校正系统倾斜偏心误差的方法。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-28
  1.1 引言  12-14
  1.2 国外发展现状  14-24
    1.2.1 深空探测 X 射线望远镜  14-19
    1.2.2 太阳观测 X 射线望远镜  19-24
  1.3 国内发展现状与发展趋势  24
  1.4 论文的主要内容及研究意义  24-28
第2章软 X 射线的折射及反射  28-38
  2.1 介质中软 X 射线的折射率  29-31
  2.2 全反射  31-33
  2.3 介质的反射系数和衰减  33-36
  2.4 本章小结  36-38
第3章软 X 射线掠入射成像光学系统设计  38-70
  3.1 掠入射光学系统介绍  38-41
  3.2 应用要求及主要技术指标  41-44
    3.2.1 视场角  41-42
    3.2.2 空间分辨率  42
    3.2.3 有效焦距的选择  42-43
    3.2.4 孔径的选择和有效集光面积的计算  43-44
  3.3 初始结构的特点及设计  44-53
    3.3.1 Wolter I 型掠入射光学系统设计  44-49
    3.3.2 Wolter I 型掠入射光学系统像质分析  49-52
    3.3.3 Wolter I 型掠入射光学系统的主要像差  52-53
  3.4 掠入射光学系统的优化及结果对比  53-60
    3.4.1 优化变量、约束条件及评价函数的确定  54-56
    3.4.2 掠入射光学系统的优化  56-58
    3.4.3 优化后几何像质对比分析  58-60
  3.5 掠入射光学系统中光阑设计及杂光分析  60-68
    3.5.1 成像光学系统中光阑设计要求  61-62
    3.5.2 掠入射光学系统中光阑位置及大小的确定  62-67
    3.5.3 掠入射光学系统光阑的设计结果  67-68
  3.6 本章小结  68-70
第4章软 X 射线掠入射成像光学系统工程应用分析  70-98
  4.1 引言——像质评价标准  70-71
  4.2 环形入瞳的衍射作用  71-75
    4.2.1 成像光学系统中的衍射  71-72
    4.2.2 衍射作用随环形入瞳遮拦比的变化  72-75
    4.2.3 掠入射光学系统中的衍射  75
  4.3 表面散射的影响  75-85
    4.3.1 成像光学系统中的标量散射理论  76-79
    4.3.2 掠入射光学系统中不同因素对散射的影响  79-81
    4.3.3 掠入射光学系统中散射 PSF 的确定  81-85
  4.4 系统装配误差及环境因素的影响  85-90
    4.4.1 掠入射光学系统中主要装配误差  85-87
    4.4.2 系统装配公差的分配及结果  87-89
    4.4.3 环境因素对系统像质的影响  89-90
  4.5 掠入射成像光学系统像质计算  90-96
    4.5.1 掠入射成像光学系统工程应用分析的软件实现  91-92
    4.5.2 掠入射成像光学系统成像质量分析  92-94
    4.5.3 掠入射光学系统误差分配及公差的确定  94-96
  4.6 本章小结  96-98
第5章掠入射筒状物镜面形检测方法研究  98-120
  5.1 长程轮廓仪的原理、用途及发展现状  98-101
  5.2 共路扫描长程轮廓仪的设计  101-107
    5.2.1 共路扫描长程轮廓仪的光学结构  102-104
    5.2.2 光束调制器的设计  104-105
    5.2.3 傅里叶变换透镜设计  105-107
  5.3 误差源分析及校正  107-118
    5.3.1 误差源分析  107-109
    5.3.2 转台自身转动误差的校正  109-111
    5.3.3 系统倾斜和偏心误差的校正  111-118
  5.4 本章小结  118-120
第6章结论与展望  120-124
  6.1 结论  120-122
  6.2 本论文创新点  122-123
  6.3 展望  123-124
参考文献  124-132
在学期间学术成果情况  132-133
指导教师及作者简介  133-134
致谢  134

软X射线掠入射成像光学系统设计与检测技术研究

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