宽视场软X射线成像仪光学设计仿真与成像分析研究

论文摘要

软X射线在掠入射角小于1°时才具有相对较高的反射效率,传统的Wolter型软X射线成像望远镜为单一光轴的掠入射成像系统,一般仅具有数十角分的观测视场。基于龙虾眼光学原理的软X射线成像仪与Wolter型软X射线成像望远镜的成像方式不同,它具有类复眼场的球面多光轴微通道成像光学结构,理论上可实现4π空间的高分辨力观测。随着空间技术的发展,宽视场软X射线成像仪具有越来越强烈和迫切的应用需求。同时,超精密微加工技术的进步,极大地促使了基于龙虾眼光学原理的宽视场软X射线成像设备在近十年内正式进入工程应用阶段。本论文的研究工作以中欧联合空间科学任务“太阳风与磁层相互作用全景成像计划(SMILE)”为工程应用背景,开展宽视场软X射线成像仪(SXI)的光学设计仿真和图像质量分析工作,为大尺度探究太阳风与地球磁层耦合机制及其动态过程的演化模式研究提供强有力的观测手段和数据分析方法。得益于在近地空间太阳风粒子与中性大气成分发生电荷交换过程释放软X射线,宽视场软X射线成像仪将应用龙虾眼光学系统在0.2~5keV能量波段监测地球磁层边界及其动态变化过程,包括弓激波,日侧磁层顶、极尖区的位置、形状和运动状态。从理想龙虾眼光学元件的结构出发,介绍了X射线波段的全反射原理及界面反射率的计算,讨论了点光源成像特殊的“十字”像斑特性,推导了物像关系与系统焦距,给出了表征龙虾眼系统成像质量的视场、空间分辨率、有效面积和聚焦效率的计算。针对国际上缺乏可应用于工程的龙虾眼光学系统仿真工具的问题,本论文着重讨论基于龙虾眼原理的光学成像仿真模型的建立和光学成像软件的开发,以及基于仿真结果的图像质量评价分析。建立了具有千万量级微通道结构和球面面型的龙虾眼光学元件数学模型,设计了整个成像过程的光线追迹算法,编写了并行化的程序,开发了可视化龙虾眼光学系统仿真软件,以点光源和面光源的成像演示验证了软件的可靠性。根据SXI的应用场景,从遮光板、滤光片、龙虾眼聚焦元件、CCD探测器以及高能粒子屏蔽门等部分介绍了SXI原理样机的组成结构和工作原理,给出了原理样机的光学成像指标。利用已开发的龙虾眼光学仿真软件,系统分析了龙虾眼元件参数对成像分辨率、有效面积和聚焦效率的影响,结合SXI原理样机的成像指标,当曲率半径为600mm时,龙虾眼元件的通道深宽比优化为30:1。在入射X射线能量为0.5keV时可提供6角分左右的空间分辨率以及17.84cm~2的光学有效面积。此外,结合实际工艺分析了龙虾眼光学元件在安装和制造过程中的几种缺陷类型,建立了缺陷龙虾眼元件模型,设计了相应的成像算法,分析了其与理想龙虾眼元件的成像差异。

论文目录

摘要

abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 选题背景及意义

1.3 国内外发展现状

1.3.1 国外发展现状

1.3.2 国内发展现状

1.3.3 未来发展趋势与应用前景

1.4 本论文主要内容及章节安排

第2章龙虾眼光学系统的成像原理

2.1 X射线波段的界面反射率

2.1.1 掠入射临界角

2.1.2 界面反射率

2.2 龙虾眼光学系统的成像原理

2.2.1 二次反射聚焦原理

2.2.2 物像关系

2.2.3 系统焦距

2.2.4 像斑特性分析

2.3 龙虾眼光学系统的成像质量参数

2.3.1 视场

2.3.2 空间分辨率

2.3.3 有效集光面积

2.3.4 聚焦效率

2.4 小结

第3章龙虾眼光学系统的数学建模

3.1 数学建模需求性分析

3.2 龙虾眼光学系统各部件的数学模型

3.2.1 光源的构建

3.2.2 龙虾眼光学聚焦元件

3.2.3 滤光片与探测器

3.3 成像过程光线追迹算法

3.4 缺陷龙虾眼元件模型的构建

3.4.1 最佳像距的偏差

3.4.2 探测器形状的偏差

3.4.3 龙虾眼镜片制造缺陷

3.5 小结

第4章龙虾眼光学系统仿真软件开发

4.1 龙虾眼光学系统程序开发

4.2 龙虾眼光学系统程序验证

4.3 龙虾眼光学系统仿真界面设计

4.3.1 Matlab图形用户界面介绍

4.3.2 龙虾眼光学系统成像界面设计方法

4.3.3 龙虾眼光学系统图形用户界面应用演示

4.4 基于X-LAB的可视化龙虾眼光学仿真软件开发

4.4.1 X-LAB2.0 界面简介

4.4.2 平行光源成像演示

4.5 小结

第5章宽视场软X射线成像仪原理样机

5.1 SMILE卫星软X射线成像仪（SXI）

5.2 宽视场软X射线成像仪原理样机结构

5.2.1 遮光板

5.2.2 滤光片

5.2.3 龙虾眼聚焦元件

5.2.4 探测器

5.2.5 高能粒子屏蔽门

5.3 软X射线成像仪原理样机的光学成像指标

5.4 小结

第6章宽视场软X射线成像仪成像质量分析

6.1 理想龙虾眼光学系统成像质量分析

6.1.1 界面反射率

6.1.2 空间分辨率模拟

6.1.3 有效面积模拟

6.1.4 像面聚焦效率模拟

6.2 软X射线成像仪原理样机的参数优化

6.2.1 渐晕函数

6.2.2 优化有效面积及聚焦效率

6.2.3 SXI成像演示

6.3 龙虾眼元件缺陷对成像质量的影响

6.3.1 最佳像距偏差模拟

6.3.2 探测器形状误差模拟

6.3.3 微通道形变误差模拟

6.3.4 主要缺陷类型粗检测

6.4 小结

第7章总结与展望

7.1 主要工作内容

7.2 论文创新点

7.3 展望

参考文献

附录符号对照表

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 彭松武

导师: 韦飞

关键词: 软射线,龙虾眼光学,宽视场,成像质量

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地球物理学

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: P353

总页数: 178

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宽视场软X射线成像仪光学设计仿真与成像分析研究

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