CN105676254B - 一种嵌套式x射线天文望远镜***在线精密装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，将陶瓷垫片与物镜的背面贴合，在望远镜***的聚焦像面处放置X射线CCD图像传感器，打开X射线光源，观察CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度，通过调节压电陶瓷来对物镜的位置与面形进行精密控制，在线实时观测CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度变化，当光斑最小且强度最大时，此时物镜位置最佳，通过环氧树脂使物镜之间固化完成一层物镜的装配，然后由内而外，装配每一层的望远镜物镜。与现有技术相比，本发明以X射线CCD图像传感器检测***焦斑大小和强度，使用压电陶瓷调节望远镜物镜的位置与面形，减小了传统气压方式造成的物镜面形误差，以此提高望远镜***的光学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，具体是指一种通过X射线CCD在线检测的方法，使用压电陶瓷装调望远镜物镜，实现嵌套式X射线天文望远镜***的装配方法，属于成像***的装调领域。
背景技术
X射线天文望远镜是观测宇宙中辐射X射线的天体的重要设备，探测目标主要包括X射线双星、脉冲星、超新星遗迹和太阳活动区等。X射线天文望远镜***光学结构原理如图1所示，两块物镜(M1)和(M2)反射镜两次反射以实现对X射线的聚焦，通常称M1为主镜，M2为副镜。在望远镜装配中，嵌套的每一层物镜之间是通过石墨垫片与环氧树脂固定每一层物镜的位置。
X射线天文望远镜***为共轴掠入射反射式结构，嵌套的每一层反射镜的间隙非常小，可见光衍射效应非常严重，因此X射线天文望远镜***装调无法通过可见光直接成像的方式完成，X射线天文望远镜***的装调必须基于X射线成像实验完成。
X射线天文望远镜***掠入射角度、焦距和口径的关系可表示为：
θN为第N层镜面掠入射角度，主镜和副镜具有相同的掠入射角度；RN则为第N层副镜中点的曲率半径，f指焦距。由上式可知，嵌套的每一层的掠入射角度，曲率半径满足一定的公式关系。
X射线天文望远镜***的装配难度主要体现在物镜的装配上，嵌套式X射线天文望远镜***如图2、图3所示，当主镜和副镜的掠入射角度相同时，此时X射线天文望远镜***成像质量最佳。影响X射线天文望远镜***成像质量的主要因素是同一组反射的两块物镜工作掠入射角是否相同，这也是X射线天文望远镜物镜装配的关键问题，目前主要采用精密光学机械车床的手段研磨石墨垫片，采用气压的方式装调望远镜物镜，进行装配X射线天文望远镜。
嵌套式X射线天文望远镜***结构分为六个扇区，结构示意如图2、图3所示，每一个扇区都使用5个石墨垫片来装配望远镜***物镜。中心轴固定，涂抹一层环氧树脂，使用1.6mm×1.2mm的尺寸石墨垫片，与环氧树脂层粘合，待环氧树脂固化后，使用精密车床对石墨垫片进行研磨，使其厚度满足光学设计的层间隔大小，再在每一个石墨垫片的上面涂抹一层环氧树脂，物镜与其粘合。在这个过程中，现有的通过气压方式调节望远镜物镜，使物镜与研磨好的石墨垫片贴合，望远镜物镜背面受到压力大小的均匀性很难控制，会对环氧树脂层的均匀性造成影响，显著影响了望远镜***的力学性能。由于气压难以控制，与物镜粘合的环氧树脂层的厚度也难以有效控制，影响每一层的望远镜物镜的掠入射角度，造成望远镜***的有效集光面积和分辨率的下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，该装配方法能够更好地提高望远镜***的光学性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，将陶瓷垫片与物镜的背面贴合，在望远镜***的聚焦像面处放置X射线CCD图像传感器，打开X射线光源，观察CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度，通过调节压电陶瓷来对物镜的位置与面形进行精密控制，在线实时观测CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度变化，当光斑最小且强度最大时，此时物镜位置最佳，通过环氧树脂使物镜之间固化完成一层物镜的装配，然后由内而外，装配每一层的望远镜物镜。
具体而言，该装配方法具体包括以下步骤：
(1)将CCD图像传感器在望远镜***的聚焦像面处进行标定，所述的CCD图像传感器使用电动位移台进行控制，且在控制位移台的电脑中记录位移台的位置；
(2)在望远镜***的中心轴线上设置一中心轴，以中心轴由内而外，装配每一层的望远镜物镜；
(3)望远镜***的每一层物镜装配时分扇区进行装配，每一层物镜分成6个中心轴角度为60度的扇区；
(4)在第一层物镜的在每个扇区中，以中心轴角度间隔15度进行标记，分别通过环氧树脂将石墨垫片粘结在中心轴上按照光学设计结构的参数，使用精密研磨机床，对石墨垫片进行研磨，然后在其表面涂抹一层环氧树脂，在圆柱形望远镜物镜背面贴6个压电陶瓷，将圆柱形的望远镜物镜放置到涂抹环氧树脂的石墨垫片上；
(5)打开X射线光源，观察X射线CCD图像传感器上的光斑大小和强度，调节压电陶瓷，在线实时观测CCD图像传感器上的光斑大小和强度变化，当光斑最小且强度最大时，此时物镜的位置最佳，固定物镜位置，并记录下数据；
(6)对第一层物镜的其他扇区进行步骤(4)与步骤(5)，装配完一个扇区后，进行另一个扇区的装配时，根据上一个扇区的数据调节这个扇区的装配，在保证望远镜装配精度的同时，还可以重复性，提高了望远镜的装配效率；
(7)第一层物镜装配完成后，由内而外，装配其余每一层的望远镜物镜。
装配过程是在光学防振动平台上实施的。
本发明以X射线CCD图像传感器检测***焦斑大小和强度，使用压电陶瓷调节望远镜物镜的位置与面形，减小了传统气压方式造成的物镜面形误差。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
1、本发明嵌套式X射线天文望远镜***的物镜装配方法能精确调节望远镜物镜的位置，可以有效控制环氧树脂厚度的厚度，保证环氧树脂层的均匀性，保证每一层的望远镜物镜的掠入射角与望远镜光学设计的理论值相同。
2、本发明嵌套式X射线天文望远镜***的物镜装配方法可以保证环氧树脂层厚度的均匀性，提高望远镜***的力学性能，同时由于保证了每一层的望远镜物镜的掠入射角度相同，因此望远镜***的有效集光面积和分辨率不会下降，使其更好地达到光学设计指标。
3、本发明嵌套式X射线天文望远镜***的物镜装配方法通过X射线CCD图像传感器在线检测经过望远镜物镜反射聚焦到焦面上的X射线焦斑大小和强度，在环氧树脂固化过程中，使用压电陶瓷改进望远镜物镜的面形，可以弥补望远镜物镜的面形误差，以此提高望远镜***的光学性能。
附图说明
图1为X射线天文望远镜***的光路原理示意图；
图2为嵌套式X射线天文望远镜***的立体结构示意图；
图3为嵌套式X射线天文望远镜***的侧视结构示意图。
具体实施方式
为了使上述的本发明的结构及作用更加清楚，下面结合附图举例说明本发明的实施方式。
实施例
本实施例用于完成如表1所示初始结构参数的嵌套式X射线天文望远镜***的物镜装配。其中L1、L2为物镜(M1)-(M2)沿光轴方向上的镜长。为了降低成本，本实施例所用的物镜(M1)-(M2)完全相同，其具体尺寸如下，长度和厚度分别为200mm和0.2mm，表面粗糙度为0.5nm。
表1
如图2、图3所示，本实施例确定的中心轴1外口径直径为50mm，使用宽度和厚度为别为1.6mm×1.2mm，长度为200mm的石墨垫片2，环氧树脂选择F131型号。装配是在光学防振动平台上实施，***的焦距为3m，CCD图像传感器使用电动位移台进行控制，控制精度在微米级别，首先CCD图像传感器在***聚焦位置进行标定，在控制位移台的电脑中记录位移台的位置。望远镜镜装配要分别对每一个扇区4进行装配，在中心轴角度为60度的扇区内，在中心轴角度间隔15度进行标记，分别涂抹5个F131环氧树脂，将石墨垫片2粘结上去，保持石墨垫片2与中心轴1交接处有一定的环氧树脂溢出，能加强粘结效果，待其环氧树脂固化。环氧树脂固化后，按照光学设计结构的参数，使用精密研磨机床，开始对石墨垫片2进行研磨，研磨完成后，在其上面涂抹一层环氧树脂，圆柱形望远镜物镜3背面贴6个压电陶瓷，将圆柱形望远镜物镜3放置到涂抹环氧树脂的石墨垫片上，打开X射线光源，观察X射线CCD图像传感器上的光斑大小和强度，调节压电陶瓷，在线时时观测CCD图像传感器上的光斑大小和强度变化，当光斑大小最小且强度最大时，此时物镜的位置最佳，记录下数据。由于每个扇区的同一层物镜的曲率半径和掠入射角是一致的，当装配完一个扇区后，进行另一个扇区的装配时，可以根据上一个扇区的数据调节这个扇区的装配，所以在保证望远镜装配精度的同时，还可以重复性，提高了望远镜的装配效率。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，其特征在于，将陶瓷垫片与物镜的背面贴合，在望远镜***的聚焦像面处放置X射线CCD图像传感器，打开X射线光源，观察CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度，通过调节压电陶瓷来对物镜的位置与面形进行精密控制，在线实时观测CCD图像传感器上的聚焦斑大小和强度变化，当光斑最小且强度最大时，此时物镜位置最佳，通过环氧树脂使物镜之间固化完成一层物镜的装配，然后由内而外，装配每一层的望远镜物镜，该装配方法具体包括以下步骤：
(1)将CCD图像传感器在望远镜***的聚焦像面处进行标定；
(2)在望远镜***的中心轴线上设置一中心轴，以中心轴由内而外，装配每一层的望远镜物镜；
(3)望远镜***的每一层物镜装配时分扇区进行装配，每一层物镜分成6个中心轴角度为60度的扇区；
(4)在第一层物镜的一个扇区将石墨垫片粘结在中心轴上，按照光学设计结构的参数，使用精密研磨机床，对石墨垫片进行研磨，然后在其表面涂抹一层环氧树脂，在圆柱形望远镜物镜背面贴压电陶瓷，将圆柱形的望远镜物镜放置到涂抹环氧树脂的石墨垫片上；
(5)打开X射线光源，观察X射线CCD图像传感器上的光斑大小和强度，调节压电陶瓷，在线实时观测CCD图像传感器上的光斑大小和强度变化，当光斑最小且强度最大时，此时物镜的位置最佳，固定物镜位置，并记录下数据；
(6)对第一层物镜的其他扇区进行步骤(4)与步骤(5)；
(7)第一层物镜装配完成后，由内而外，装配其余每一层的望远镜物镜；
步骤(4)中，在每个扇区中，以中心轴角度间隔15度进行标记，分别通过环氧树脂将石墨垫片粘结在中心轴上，步骤(4)中，每个圆柱形望远镜物镜背面贴6个压电陶瓷；
进行步骤(6)时，装配完一个扇区后，进行另一个扇区的装配时，根据上一个扇区的数据调节这个扇区的装配。
2.根据权利要求1所述的一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，其特征在于，所述的CCD图像传感器使用电动位移台进行控制，且在控制位移台的电脑中记录位移台的位置。
3.根据权利要求1所述的一种嵌套式X射线天文望远镜***在线精密装配方法，其特征在于，装配过程是在光学防振动平台上实施的。
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