[发明专利]一种嵌套式类Wolter-I型望远镜性能评价方法

说明书

本发明涉及一种嵌套式类Wolter‑I型望远镜性能评价方法，该方法基于三维光线追迹方法，利用在线测量得到望远镜装配后锥面镜片的三维图像，将镜片面形误差叠加到理想曲面上获得重构曲面；定义追迹光线；利用牛顿迭代法和双三次样条插值法精确的定位光线与重构曲面交点的位置；由包含追迹光线与重构曲面交点的法向量确定出射光线方向；最后通过光线追迹结果计算出光学系统的性能参数，由此对系统光学性能做出评价。与现有技术相比，本发明可高效和精确地评价装配后镜片面形误差对类Wolter‑I型望远镜光学系统性能的影响，该评价结果对系统的装配以及镜片加工工艺起到指导作用。

技术领域

本发明属于掠入射X射线望远镜研制领域，尤其是涉及一种嵌套式类Wolter-I型望远镜性能评价方法。

背景技术

X射线天文学是通过探测装置接收天体(如黑洞、中子星和超新星遗迹等)辐射的X射线，以此来研究极端条件下的物理现象以及宇宙的起源和演化过程。目前最常用的接收X射线的装置为Wolter-I型或圆锥近似的类Wolter-I型望远镜，通过掠入射的方式实现X射线聚焦成像，提高了探测器的信噪比。为了获得更大的有效集光面积，将若干不同口径的反射镜面嵌套组合成多层光学系统，克服了单层反射镜片组成的望远镜有效集光面积小的缺点。采用高性能焦平面探测器来实现更小尺度时空结构的观测和更多物理量的精确测量。X射线天文望远镜系统光学性能的提高，推动未来高能天文物理从“看得更远和更清”逐步向“看得更精和更准”发展和过渡。

我国目前规划中的X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)，其聚焦望远镜采用嵌套式类Wolter-I型结构，该系统中主镜和副镜均采用旋转对称的圆锥面，X射线总探测面积大于1平方米，预计成为世界上第一个搭载大面积X射线聚焦望远镜阵列的大型天文观测台。eXTP有望在检验极端条件下的基本物理规律方面做出全面突破。望远镜系统光学性能的主要影响因素之一是镜片的剩余表面误差，镜片加工方式采用超薄玻璃热弯成型法，此法可以获得轻、薄和高质量的镜片，为打造高分辨率和大有效集光面积的X射线望远镜奠定基础。由镜片装配引入的误差同样会对望远镜系统光学性能造成影响。eXTP望远镜多层镜片的组装是利用环氧树脂将玻璃镜片和石墨间隔条粘结成“超薄玻璃镜片—环氧树脂—石墨间隔条”的“三明治结构”，装配过程在一台超高精度车削磨削一体化的机床上完成，通过亚微米精度的检测方法对整个过程进行在线监测，最终实现角分辨率小于1arcmin的多层嵌套X射线望远镜的高精度装配。

除了通过提升加工工艺和装配技术来优化望远镜系统的光学性能，还要精确的评价装配后镜片面形误差对系统光学性能的影响，即需要选择恰当的评价方法反映出望远镜最真实的光学性能，这不仅对加工工艺和装配参数优化起到指导作用，还是评价望远镜成像质量的最关键因素之一。

美国国家航空航天局(NASA)在NuSTAR卫星嵌套式类Wolter-I型望远镜的研制中，开发了基于LVDT(Linear Variable Differential Transformer)探针在线测量镜片面形精度的方法，对望远镜的装调过程进行监测和优化。利用镜片面形误差的轴向测试数据计算镜片的倾斜误差(Slope Error)，通过拟合得到光学系统的点扩散函数(PSF)与半能量直径(HPD)来评价望远镜装配精度。但是此法存在三个问题，一是获取的数据中忽略了中高频噪声对倾斜误差精度造成的影响；二是该法忽略了径向的圆度误差对光学系统成像性能造成的影响；三是该法在计算中未引入光学系统设计存在的理论残余像差。中高频噪声可以通过低通滤波的方式去除。相对于平面、球面和柱面而言，将测试的锥面叠加在理想锥面的难度更大，而该系统圆度误差对系统的性能存在很大的影响，是装配中无法忽视的影响因素，所以锥面面形的重构是需要解决的一个关键问题。