利用全反射的原理进行聚焦,但“龙虾”结构(Lobster eye optics)不是全反射,而是掠反射,当 x 射线沿着很小的角度射向光滑的金属表面(比如金、铂等),就会被反射出来,这种情况叫做掠入射。也就是说,x 射线只能几乎贴着金属表面入射,才能被改变一点点方向,反射出来。 “龙虾”结构基本原理,利用两个精心设计的曲面(各自取一部分)对 x 射线进行掠入射反射,然后聚焦到一个点上。 现在这个理论的研究已经很多了,传统的X-Ray成像系统有很多,较早也较著名的是 Wolter X-ray lenses system 需要注意的是,这里为了示意原理,省略了细节的东西,事实上为了实现非常小的严格的掠入射,处理X-Ray的强穿透性,消除各种像差等影响成像质量的问题,传统的这些系统很复杂,很庞大,当然也很重。龙虾眼类的X-Ray镜片得益于其精巧的成像系统,能够以精密的镜片设计来避免笨重的传统成像系统。但重量轻只是它的一个优势,另外一个重要的优势是,它几乎能实现全视野成像。注意看图中的黑色粗线,分别是两条圆锥曲线的一部分,利用圆锥曲线的光学性质,对 x 射线进行反射聚焦。当然严格说来上面这种共焦点(Confocal)的设计并不是最优的,只消除了球差而没有消除其他像差。通过合理设计,可以同时做到消除球差和彗差。在可见光波段,有一个很著名的设计 RC 系统,其实就对应上面的第二种设计,仍然是两个双曲面,只不过不再是共焦点了。 大名鼎鼎的哈勃望远镜采用的就是这种设计,图中 M1 和 M2 两个镜片都是双曲面,相当于前面图中第二个设计的对称轴附近的部分。图中 M1 和 M2 两个镜片都是双曲面,相当于前面图中第二个设计的对称轴附近的部分。可以看到对于可见光,反射镜的入射角可以做到很大,所以整个镜片都可以用来反射光线,收集光的能力很高。而 x 射线只能掠入射,因此镜片只能有很窄的一个环带能被用来收集光线,效率较低。为了弥补这个事实,Wolter 望远镜通常都会设计成层层叠叠的形式,每一层都是曲面的一个环带。 这是另一种著名的 x 射线光学系统,KB 系统。这种层层叠叠的镜片形式和 Wolter 系统是类似的。Wolter 系统就是传统的 x 射线望远镜,这种层叠的结构是所有 x 射线望远镜的特色,这是由我开头提到的 x 射线只能通过掠入射来改变角度这个根本原因所决定的。 龙虾眼睛的结构,其中关键的光路如下,这里每一个条状物体就是一个反射面,将很小角度入射的 x 射线反射向焦点。从这个截面看,也许大家会以为它是和 KB 系统或者 Wolter 系统一样的层叠状,但实际上它是方格状的。 这种结构比起透镜或者反射镜而言,当然是有缺点的,它不能连续地汇聚光线。由于在两片反射面之间存在多次反射,所以入射光线差一点,出射光线就可能差很多。比如下图最上面两条光线,出射角度相差很大。 这张图用光线追迹形象地展示了龙虾眼系统的几何像差。 这种系统的像差是很大的,简言之,用它拍出来的 x 射线照片上,一个星星不是一个点,而是糊成一团的正方形光斑,旁边还有星星点点的其他光斑和光晕,比如上图这样,图中颜色深度与光强成正比。这么十字架一样的一坨东西,就是一颗星星,虽然系统像差很大,但是,由于这种系统结构上完全对称,从任何方向过来的 x 射线对它来说都是一样成像的,所以理论上来说,它能够对 360 度的视野进行无差别成像,这也是这个系统的一大优势,几乎是可以实现全视野成像的。 |






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