Способ фокусировки волнового поля и устройство для его осуществления - RU2238576C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области оптики, а более конкретно к методам и средствам фокусировки электромагнитного излучения любой природы и спектра, т.е. излучения, которое распространяется по различным физическим средам, включая вакуум (в том числе ультразвуковых волн и рентгеновских лучей). Наиболее предпочтительно использовать заявленное изобретение для фокусировки жестких рентгеновских лучей, например, в запускаемых на орбиту Земли рентгеновских телескопах.

Известные из уровня техники методы фокусировки электромагнитного излучения приемлемы для относительно узкого диапазона длин волн и крайне не желательны с технологической точки зрения для фокусировки волновых пучков рентгеновского диапазона. В частности, к вышеупомянутым методам и средствам фокусировки рентгеновского излучения относятся методы с использованием решеток отражателей, выполненных из тонкой металлической фольги с покрытием из платины, золота, рутения и иных дорогостоящих материалов, или методы и средства с использованием природных кристаллов с правильной (совершенной) структурой кристаллической решетки, параметры которой соизмеримы с длиной волны рентгеновского излучения и в которых при определенных малых углах падения луча электромагнитного излучения возникает дифракция Брегга (что ограничивает их использование в широких масштабах по экономическим соображениям), а также методы и средства с использованием многослойных покрытий, каждый слой которых должен обладать строго регламентированным отличным один от другого коэффициентом преломления электромагнитного излучения (что ограничивает их использование в широких масштабах по технологическим соображениям, ввиду необходимости подбора множества материалов слоев покрытия с заданными в зависимости от угла падения и от длины волны электромагнитного излучения свойствами).

В настоящее время в отражательной оптике также используются методы фокусировки волнового поля при скользящем падении лучей одним асферическим отражателем. Так, для того чтобы исключить сферическую аберрацию в случае одного зеркала, можно использовать эллиптическое зеркало. Однако это не устраняет астигматизм, поэтому объект должен находиться в одном из фокусов элипсоида, в то время как его изображение будет формироваться в другом.

Методы улучшения качества изображения включают создание поверхностей с малыми отклонениями от параболической формы, дающих возможность уменьшить наклон поля изображений при небольшом увеличении сферической аберрации. Расчеты показывают, что оптимальный отражатель должен иметь поверхность третьего порядка. Но кома не может быть исправлена лишь одной поверхностью какой-либо формы. Кроме того, по мере того как форма поверхности становится все более сложной, допуски при ее изготовлении становятся все более строгими и изготовление таких зеркал в широком масштабе становится как экономически, так и технологически неэффективным.

Таким образом, известные из уровня техники методы и средства фокусировки рентгеновского излучения в большинстве случаев основаны на использовании эффекта полного внешнего отражения при скользящих углах падения лучей на отражающую поверхность, либо используют явление дифракции излучения на кристаллических решетках или многослойных покрытиях. К сожалению, значительные аберрации, возникающие при скользящем падении излучения на сферическую поверхность отражателя не позволяют обеспечить хорошей фокусировки. Кроме того, использование одиночных отражателей для фокусировки нецелесообразно в силу ограничений их полезной апертуры и поля зрения. По этим причинам в реальных современных системах скользящего падения более эффективными являются составные системы, выполненные в виде упорядоченных наборов фокусирующих элементов.

Составные системы, в которых излучение при скользящем падении (т.е. под очень малыми углами) отражается от двух и более сферических или асферических поверхностей, делятся на два типа. К первому типу, известному под названием Киркпатрика-Баеза, относятся отражатели, меридиональные плоскости которых взаимно перпендикулярны (скрещены). Во втором типе, известном под названием системы Вольтера, используют комбинации коаксиальных и конфокальных конических сечений.

Простейшая система Киркпатрика-Баеза состоит из двух цилиндрических зеркал с одинаковыми радиусами кривизны и формирует действительное точечное изображение точечного объекта, а следовательно, действительное протяженное изображение протяженного объекта. Таким образом, она исправляет астигматизм. На практике можно использовать также и сферические зеркала, так как сагиттальное фокусное расстояние намного превышает меридиональное (А.Мишетт, “Оптика мягкого рентгеновского излучения”, М., “Мир”, 1989г., стр.66-67, рис.2.13).

Но такая простая оптическая система обладает другим типом аберраций - анаморфизмом. Так как положения двух зеркал не совпадают, расстояние до объекта при меридиональном отражении от первого зеркала меньше, чем при сагиттальном отражении от второго зеркала. Таким образом, коэффициенты увеличения в двух взаимно перпендикулярных направлениях различны. Устранить это явление на практике можно несколькими способами: устанавливая приемник под углом к перпендикуляру к оптической оси или применяя третий отражатель, расположенный в той же плоскости, что и первый. Однако это усложняет систему как в конструктивном плане, так и с технологической точки зрения. В принципе теоретически можно разработать оптическую систему, в которой оба зеркала расположены на одинаковом расстоянии от объекта (там же, рис.2.14). Однако такой тип системы очень трудно изготовить с технологической точки зрения.

Системы Киркпатрика - Баеза могут быть сконструированы таким образом, что кома оказывается в значительной степени исправленной. Но для этого необходимо использовать, по крайней мере, две пары скрещенных зеркал. Эти системы должны быть сформированы так, чтобы в них выполнялось условие синусов Аббе, которое эквивалентно требованию, что все геометрические пути через оптическую систему дают одинаковый коэффициент увеличения. Однако указанное условие не может быть выполнено при одном отражении от двумерного зеркала. Для выполнения условия Аббе необходимо два отражения, так что в трехмерной системе Киркпатрика-Баеза всего необходимо обеспечить четыре отражения, по два в каждом направлении (см. там же, стр.68, рис.2.15). Но даже в этом случае нельзя полностью устранить кому при использовании сферических зеркал - для этого необходимо использование асферических отражающих поверхностей.

Таким образом, системы Киркпатрика-Баеза могут быть сконструированы так, что аберрации при скользящем падении лучей в значительной мере компенсируются. Но для обеспечения этой задачи, как правило, требуются довольно сложные оптические системы, не допускающие погрешностей геометрической формы отражающих поверхностей и взаимной разориентации компонентов составных систем.

На практике отдают предпочтение системам Вольтера. В системах Вольтера используются хорошо известные свойства поверхностей второго порядка (невырожденных) формировать изображения (см. там же, стр.69-70), которые иллюстрируются на рис.2.16. С помощью последовательных отражений от двух участков таких поверхностей могут быть получены изображения очень высокого качества. В системе Вольтера I типа оба отражения происходят на внутренних (рис. 2.17), в то время как в системе II типа первое отражение происходит на внутренней, а второе - внешней поверхности (рис.2.18), а в системе III типа наоборот: первое отражение - на внешней поверхности, а второе - на внутренней (рис. 2.19).

Вследствие осевой симметрии для лучей, проходящих через фокус, в таких системах полностью отсутствует астигматизм и сферическая аберрация, при этом условие Аббе выполняется с высокой точностью и кома относительно мала. Кому можно полностью устранить в модифицированной системе Вольтера (т.е. системе Вольтера-Шварцшильда), скомпоновав две коаксиальные поверхности таким образом, чтобы в точности выполнялось условие синусов Аббе. Вольтер применил этот метод к системам скользящего падения и рассмотрел малые отклонения от формы поверхностей второго порядка. Устранение комы дает соответствующее улучшение разрешения.

Разрешение фокусирующих систем скользящего падения ухудшается для внеосевых точек изображения. Так как простых аналитических методов расчета фокусирующих свойств не существует, обычно для этой цели используются методы расчета хода лучей, в которых используются соответствующие параметры конкретных оптических систем, что также является одним из недостатков этих систем.

Кроме того, при оценке характеристик реальных оптических систем скользящего падения помимо эффектов, связанных с поверхностными шероховатостями и рассмотренных выше, необходимо принимать во внимание и такие факторы, как погрешности формы поверхностей и взаимная разориентация компонентов составных систем. При этом следует учитывать, что каждый отражательный компонент составной оптической системы имеет свою, строго индивидуальную форму, что делает нецелесообразным использование таких систем в широкомасштабном производстве соответствующих фокусирующих устройств как в технологическом, так и в экономическом плане.

Наиболее близким к заявленному объекту изобретения “способ” является способ фокусировки волнового поля, состоящий в следующем.

Выделенные из волнового поля (генерируемого неким источником излучения) лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы, по крайней мере в двух, следующих друг за другом сечениях этого волнового поля. Упомянутые выделение и отклонение лучей осуществляют посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов, размещенных в указанных сечениях с обеспечением инвариантности относительно вращения вокруг оси, проходящей через центры сечений. (А.Мишетт, “Оптика мягкого рентгеновского излучения”, М., “Мир”,1989г., стр.287-289, рис.10.276; US, №6285737 В1, 2001г.)

Наиболее близким к заявленному объекту изобретения “устройство” является устройство фокусировки волнового поля (генерируемого неким источником излучения), содержащее, по крайней мере, два установленных последовательно друг за другом по ходу волнового поля, упорядоченных набора из равного числа фокусирующих элементов, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры оптической системы со свойствами вращательной симметрии (А.Мишетт, “Оптика мягкого рентгеновского излучения”, М., “Мир”, 1989г., стр.287-289, рис.10.276; US, №6285737 В1, 2001г.)

К недостаткам вышеописанных известных из уровня техники решений (как в части объекта “устройство”, так и в части объекта “способ”) необходимо отнести все ранее описанные недостатки фокусирующих систем скользящего падения Вольтера. В особенности следует подчеркнуть, что каждый фокусирующий элемент (элементарная апертура) упомянутых упорядоченных наборов в данной составной оптической системе должен быть не только строго пространственно-ориентирован относительно остальных фокусирующих элементов (элементарных апертур), но и выполнен с определенной строго индивидуальной формой, что усложняет конструкцию системы в целом и, соответственно, технологию его изготовления и использования.

Еще одним недостатком данной рассматриваемой оптической фокусирующей системы является то, что в ней угол падения излучения на различные составляющие ее фокусирующие элементы (элементарные апертуры) изменяется от центра к периферии. Поэтому меняется коэффициент отражения фокусирующих элементов, эффективная апертура системы, и для улучшения характеристик оптической системы в целом необходимо на каждый фокусирующий элемент нанести многослойное покрытие, при этом толщины составляющих слоев этого покрытия должны быть выбраны индивидуально для каждого из упомянутых элементов. То есть изменяться в сторону уменьшения от центра оптической системы к ее периферии и от входа к выходу. Если известная из уровня техники система формируется из кристаллических материалов, то и в этом случае необходимо подбирать кристаллы с различньми параметрами кристаллических структур (т.е. с различными атомными решетками). Следовательно, такие системы с технологической точки зрения приемлемы лишь для их индивидуального исполнения и не могут быть использованы в широких масштабах как экономически нецелесообразные.

В основу заявленного изобретения была положена задача создания такого способа фокусировки волнового поля, а также устройства для его промышленной реализации, посредством которых, наряду с расширением области применения путем обеспечения возможности использования для фокусировки электромагнитного излучения любой природы и, соответственно, диапазона длин волн, обеспечивалось бы повышение качества фокусировки, технологичности изготовления и упрощение конструкции непосредственно устройства за счет использования в нем конструктивно идентичных фокусирующих элементов, формирующих как входную, так и выходную апертуры, что позволяет использовать заявленное изобретение в различных областях науки и техники в широких масштабах.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения “способ” достигается посредством того, что в способе фокусировки волнового поля, состоящем в том, что выделенные из него лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом сечениях волнового поля, посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов, размещенных в указанных сечениях с обеспечением инвариантности относительно вращения вокруг оси, проходящей через центры упомянутых сечений, согласно изобретению в каждом вышеуказанном сечении согласованно меняют модуль и направление угла отклонения лучей, обеспечивая пропорциональность его меридиональной составляющей расстоянию от луча до центра этого сечения посредством одинаковых, симметрично размещенных относительно оси вращательной симметрии фокусирующих элементов, действующие апертуры которых ограничивают в каждом сечении отрезками одинаковых криволинейных дуг, распределенных по сечениям с постоянным по углу шагом.

Допустимо фокусировку осуществлять с обеспечением постоянства модуля угла отклонения лучей в каждом из упомянутых сечений.

Возможно фокусировку осуществлять с обеспечением постояной фазовой задержки лучей между выделенными сечениями.

Также возможно фокусировку осуществлять с обеспечением постоянной, отличной от нуля, фазовой задержки лучей между выделенными сечениями, образуя в пространстве между сечениями промежуточный фокус кольцевой формы с центром на оси вращательной симметрии, а действующие апертуры фокусирующих элементов первого и второго выделенных сечений оптически отображать друг на друга посредством дополнительного упорядоченного набора фокусирующих элементов, помещенных вблизи промежуточного фокуса так, что для координат лучей в первом и втором сечениях выполняется условие

(ρ₁/R₁)²+(ρ₂/R₂)²=1,

где ρ₁ и ρ₂ - полярные координаты лучей в первом и втором сечениях, соответственно;

R₁ и R₂ - радиусы входной и выходной апертур в первом и втором сечениях, соответственно.

Разумно в области промежуточного фокуса преобразовывать амплитуду, и/или фазу, и/или частоту, и/или природу волнового поля.

В последнем случае (в целях расширения области использования) целесообразно предварительно фокусировать волновое поле на отражательную поверхность, перпендикулярную направлению его распространения, а затем осуществлять фокусировку зеркальной составляющей отраженного пучка заявляемым способом с коэффициентом продольного увеличения, равным 0.5 ω₁/ω₂ (где ω₁ и ω₂ соответствующие частоты до и после упомянутого преобразования), при этом необходимо направлять фокусируемое волновое поле на указанную зеркальную поверхность в направлении его предварительной фокусировки.

Поставленная задача в отношении объекта изобретения “устройство” достигается посредством того, что в устройстве фокусировки волнового поля, содержащем, по крайней мере, два установленных последовательно друг за другом по ходу волнового поля, упорядоченных набора из равного числа фокусирующих элементов, образующих своими действующими апертурами входную и выходную апертуры со свойствами вращательной симметрии, согласно изобретению каждый из указанных наборов сформирован из одинаковых фокусирующих элементов, симметрично размещенных относительно оси вращательной симметрии и равномерно, с постоянным по углу шагом распределенных по входной и выходной апертурам, а их действующие апертуры ограничены отрезками одинаковых криволинейных дуг, форма которых задана из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенный участок действующей апертуры выделенных из волнового поля лучей расстоянию от указанного участка до центра соответствующей апертуры.

Допустимо указанные наборы фокусирующих элементов выполнять из преломляющих фокусирующих элементов, из волноводных фокусирующих элементов, из отражающих фокусирующих элементов или из дифракционных фокусирующих элементов.

Оптимально действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивать дугами окружностей, центры которых смещены с оси вращательной симметрии в том же направлении, что и сами фокусирующие элементы, на постоянную величину, равную радиусу этих дуг.

В последнем случае целесообразно действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивать дугами, коаксиальными самим фокусирующим элементам.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где

фиг.1 - общая структурная схема устройства для фокусировки волнового поля в аксонометрии (входная и выходная апертуры условно ограничены штриховыми замкнутыми кривыми в виде эллипсов, а фокусирующие элементы /т.е., действующие или элементарные апертуры/ входной и выходной апертур условно показаны в единственном числе).

фиг.2 - реальная форма входной апертуры (в плане) устройства для реализации способа фокусировки волнового поля.

фиг.3 - показано изображение точечного объекта в фокусе оптической системы (т.е. устройства для фокусировки волнового поля).

фиг.4 - показано изображение пространственно протяженного объекта в фокусе оптической системы (т.е. устройства для фокусировки волнового поля).

фиг.5 - принципиальная схема оптической системы для численного моделирования фокусирующего устройства, на основе которой произведен расчет формируемых изображений (фиг.3 и фиг.4) различных источников излучения.

Сущность заявленного способа фокусировки волнового поля с физической точки зрения заключается в следующем (см.фиг.1).

Из волнового поля 1 (генерируемого неким источником излучения) выделяют лучи 2 и отклоняют эти лучи 2 на заданные из условия фокусировки углы. Упомянутое выделение и отклонение лучей 2 осуществляют, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом сечениях 3 и 4 волнового поля 1, посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов 5 и 6, размещенных в указанных сечениях 3 и 4, соответственно, с обеспечением инвариантности (т.е. вращательной симметрии) относительно вращения вокруг оси 7 вращательной симметрии, проходящей через центры О и О¹ упомянутых сечений 3 и 4. При этом в каждом вышеуказанном сечении 3 и 4 согласованно меняют модуль и направление угла отклонения лучей 2 и 2¹, соответственно, обеспечивая пропорциональность их меридиональных составляющих расстояниям ρ₁ и ρ от лучей 2 и 2¹ до центров О и О¹ этих сечений 3 и 4, соответственно. Данное условие осуществляют посредством одинаковых (для каждого сечения 3 и 4), симметрично размещенных относительно оси 7 вращательной симметрии, фокусирующих элементов 5 и 6. При этом действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничивают в каждом сечении 3 и 4, соответственно, отрезками одинаковых криволинейных дуг, распределенных по сечениям 3 и 4 с постоянным по углу (т.е. в окружном направлении) шагом. Иными словами, из волнового поля 1 выделяют пучки с одинаковыми поперечными сечениями, протяженными в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. А фокусируют указанные пучки таким образом, что для любого набора лучей 2, выделяемых на входной (сформированной первым набором фокусирующих элементов 5) апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии, касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10, соответственно, (последняя из которых сформирована вторым набором фокусирующих элементов 5) образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов, имеющих, по крайней мере, одну общую перетяжку (каустику) в виде кольца (в конкретной реализации по фиг.1 являющегося промежуточным фокусом 8). При этом для обеспечения условия фокусировки в точку модуль и направление углов отклонения лучей устанавливают таким, что сагиттальные составляющие углов отклонения результирующих лучей обращаются в нуль. Условием фокусировки может быть также формирование изображения точечного объекта (источника излучения) в виде некоторой осесимметричной фигуры, например кольца. В этом случае допускается неполная компенсация упомянутой сагиттальной составляющей.

Допустимо фокусировку осуществлять с обеспечением постоянства модуля угла отклонения лучей 2 и 2¹ в каждом из упомянутых сечений 3 и 4, соответственно. Это условие позволяет использовать фокусирующие элементы 5 и 6 любой природы (т.е. преломляющие, отражательные, дифракционные, волноводные и т.п.) с одинаковыми по всей структуре (т.е. соответствующему набору фокусирующих элементов) свойствами. Например, можно использовать набор из фокусирующих элементов 5 и 6 в виде зеркал с многослойными покрытиями одинаковой толщины.

Возможно фокусировку осуществлять с обеспечением постоянной фазовой задержки лучей 2 между выделенными сечениями 3 и 4, в том числе с фазовой задержкой, близкой к нулю.

Также возможно фокусировку осуществлять с обеспечением постоянной, отличной от нуля, фазовой задержки лучей 2 между выделенными сечениями 3 и 4, образуя в пространстве между сечениями 3 и 4 промежуточный фокус 8 кольцевой формы с радиусом R_к и центром О¹¹на оси 7 вращательной симметрии. При этом действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 первого и второго выделенных сечений 3 и 4, соответственно, должны оптически отображаться друг на друга посредством дополнительного упорядоченного набора фокусирующих элементов (на фиг.1 условно не показаны), помещенных вблизи промежуточного фокуса 8 так, что для координат лучей 2 и 2¹ в первом и втором сечениях 3 и 4, соответственно, выполняется условие (ρ₁/R₁)²+(ρ₂/R₂)²=1, где ρ₁ и ρ₂ - полярные координаты лучей 2 и 2¹ в первом и втором сечениях 3 и 4, соответственно; R₁ и R₂ - радиусы входной и выходной апертур в первом и втором сечениях 3 и 4.

Как правило, практически все известные используемые в рентгеновском диапазоне средства и методы фокусировки не обеспечивают синфазного сложения излучения, проходящего через различные участки апертуры. Исключение составляют линзы Френеля, и то лишь для определенных длин волн. При выполнении условий п.4 формулы изобретения общая длина пути любого луча от источника волнового поля до изображения S¹ будет постоянна (в параксиальном приближении). Следовательно, все лучи складываются в фазе независимо от длины волны излучения. В результате получается изображение дифракционного качества, а геометрические размеры фокуса становятся соизмеримыми с длиной волны фокусируемого излучения.

Разумно в области промежуточного фокуса 8 преобразовывать амплитуду и/или фазу, и/или частоту, и/или природу волнового поля 1.

В последнем случае (в целях расширения области использования) целесообразно предварительно фокусировать волновое поле 1 на отражательную поверхность (на чертежах условно не показана), перпендикулярную направлению его распространения, а затем осуществлять фокусировку зеркальной составляющей отраженного пучка заявляемым способом с коэффициентом продольного увеличения, равным 0.5 ω₁/ω₂ (где ω₁ и ω₂ соответствующие частоты до и после упомянутого преобразования). При этом необходимо направлять фокусируемое волновое поле 1 на указанную зеркальную поверхность в направлении его предварительной фокусировки (т.е. первоначального распространения). Данный вариант реализации способа фокусировки волнового поля обеспечивает повышение качества фокусировки на движущуюся поверхность, что полезно, например, при записи-считывании информации, преимущественно, в области рентгеновской фотолитографии.

Более подробно сущность заявленного способа фокусировки волнового поля раскрывается ниже на примере работы устройства для его реализации.

Устройство для реализации способа фокусировки волнового поля 1 (генерируемого неким источником излучения) включает, по крайней мере, два установленных последовательно друг за другом по ходу волнового поля 1 упорядоченных набора из равного числа фокусирующих элементов 5 и 6. Упорядоченные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 образуют своими действующими (элементарными) апертурами входную и выходную апертуры 9 и 10, соответственно, обладающие свойствами вращательной симметрии относительно оси 7 вращательной симметрии. Каждый из указанных наборов сформирован из одинаковых фокусирующих элементов 5 и 6, которые симметрично размещены относительно оси 7 вращательной симметрии и равномерно (с постоянным по углу шагом) распределены по входной и выходной апертурам 9 и 10, соответственно. Действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничены отрезками одинаковых криволинейных дуг, форма которых задана из условия обеспечения пропорциональности меридиональной составляющей угла отклонения проходящих через определенный участок упомянутой действующей (элементарной) апертуры выделенных из волнового поля 1 лучей 2 и 2¹ расстоянию ρ и ρ¹ от указанного участка до центра соответствующей апертуры 9 и 10.

Иными словами, входная и выходная апертуры 9 и 10, соответственно, сформированы таким образом, что для любого набора лучей 2 (выделяемых на входной апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии даже в том случае, когда среда в пространстве между апертурами 9 и 10 имеет переменный по радиусу показатель преломления) касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10, соответственно, образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов, имеющих, по крайней мере, одну общую перетяжку (каустику) в виде кольца (функционально являющегося промежуточным фокусом 8). Для обеспечения указанных свойств каждая из упомянутых апертур 9 и 10 сформирована из набора идентичных по форме криволинейных фокусирующих элементов 5 и 6, соответственно. На фиг.1 форма одного из элементов 5 соответствует дуге A_iB_iC_iD_i, а форма одного из элементов 6 соответствует дуге ABCD, протяженных в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. Количество упомянутых фокусирующих элементов 5 в апертуре 9 соответствует количеству аналогичных элементов 6 в апертуре 10.

Указанные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 могут быть выполнены из преломляющих фокусирующих элементов, из волноводных фокусирующих элементов, из отражающих фокусирующих элементов или из дифракционных фокусирующих элементов, с ограничением их действующих апертур соответствующими парами одинаковых дуг.

Оптимально, чтобы действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 были ограничены дугами A_iB_iC_iD_i ABCD окружностей 11 и 12, соответственно, центры O₂ и О₃ которых смещены с оси 7 вращательной симметрии в том же направлении, что и сами фокусирующие элементы 5 и 6, на постоянную величину r, равную радиусу этих дуг.

В последнем случае целесообразно упомянутые действующие апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничивать соответствующими дугами, которые коаксиальны самим фокусирующим элементам 5 и 6.

Работа устройства для реализации заявленного способа фокусировки волнового поля с физической точки зрения заключается в следующем.

Из волнового поля 1 (генерируемого неким источником излучения) выделяют лучи 2 и отклоняют эти лучи 2 на заданные из условия фокусировки углы. Упомянутое выделение лучей 2 осуществляют, по крайней мере, в двух, следующих друг за другом сечениях 3 и 4 волнового поля 1, посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов 5 и 6, размещенных в указанных сечениях 3 и 4, соответственно, с обеспечением инвариантности (т.е. вращательной симметрии) относительно вращения вокруг оси 7 вращательной симметрии, проходящей через центры О и О¹ упомянутых сечений 3 и 4. Вышеуказанные упорядоченные наборы фокусирующих элементов 5 и 6 образуют входную и выходную апертуры 9 и 10, соответственно, оптической системы. При этом в каждом вышеуказанном сечении 3 и 4 согласованно меняют модуль и направление угла отклонения лучей 2 и 2¹, соответственно, обеспечивая пропорциональность их меридиональных составляющих расстояниям ρ_i и ρ от лучей 2 и 2¹ до центров О и О¹ этих сечений 3 и 4, соответственно. Данное условие осуществляют посредством одинаковых (для каждого сечения 3 и 4), симметрично размещенных относительно оси 7 вращательной симметрии, фокусирующих элементов 5 и 6. При этом действующие (элементарные) апертуры фокусирующих элементов 5 и 6 ограничивают в каждом сечении 3 и 4, соответственно, отрезками одинаковых криволинейных дуг, распределенных по сечениям 3 и 4 с постоянным по углу (т.е. в окружном направлении) шагом. Иными словами, из волнового поля 1 выделяют пучки с одинаковыми поперечными сечениями, протяженными в направлении от оси 7 вращательной симметрии к периферии. А фокусируют указанные пучки таким образом, что для любого набора лучей 2, выделяемых на входной (сформированной первым набором фокусирующих элементов 5) апертуре 9 семейством кольцевых зон с центром на оси 7 вращательной симметрии, касательные к выделенным лучам 2 на любом участке пути волнового поля 1 от входной до выходной апертур 9 и 10, соответственно (последняя из которых сформирована вторым набором фокусирующих элементов 5), образуют семейство соосных однополостных гиперболоидов, имеющих, по крайней мере, одну общую перетяжку (каустику) в виде кольца (функционально являющегося промежуточным фокусом 8).

Вышеупомянутые фокусирующие элементы 5 и 6 (элементарные апертуры) могут иметь, например, форму отрезков спиралей или колец и образуют в совокупности соответствующие входную и выходную апертуры 9 и 10, обладающие свойством вращательной симметрии относительно оси 7 вращательной симметрии. Основным новым качеством в заявленном объекте является то, что каждая из апертур 9 и 10 сформирована из однотипных (т.е. взаимозаменяемых в каждой апертуре 9 и 10) фокусирующих элементов 5 и 6, соответственно. На каждом из фокусирующих элементов 5 входной апертуры 9 упомянутые выделенные лучи 2 отклоняются на соответствующие (заданные из условия фокусировки волнового поля 1) углы и затем посредством подобного набора элементов 10 (формирующих выходную апертуру 7) снова преобразуются в волну, сходящуюся в некоторой точке “S¹”. Особенность заявленной оптической системы состоит в том, что в процессе фокусировки на входной и выходной апертурах 9 и 10, соответственно, отклонение лучей идет не только в меридиональной плоскости (как в известных из уровня техники оптических системах того же назначения), но и в сагиттальной плоскости (то есть имеется некая тангенциальная компонента). Однако заявленная оптическая система (устройство, реализующее способ фокусировки волнового поля) построена таким образом, что те составляющие отклонений, которые происходят в меридиональной плоскости, складываются (суммируются), а соответствующие составляющие отклонений, которые происходят в сагиттальной плоскости, взаимно компенсируются. При этом генерируемое источником излучения волновое поле 1 преобразуется таким образом, что если на входе мы имеем сферическую волну, то в промежутке между входной и выходной апертурами 9 и 10, соответственно, мы уже получаем набор неких пучков лучей в виде однополостных гиперболоидов. То есть каждый луч соответствующего пучка, если рассмотреть его пространственное положение относительно какой-то меридиональной плоскости, будет отклоняться от этой плоскости под определенным углом. И если брать, допустим, кольцевое сечение на входной апертуре 9, то для всех этих лучей угол отклонения в тангенциальном направлении будет одинаковым. Таким образом между апертурами 9 и 10 мы будем иметь набор неких лучей, которые распространяются по поверхности соответствующего однополостного гиперболоида с образованием перетяжки (каустики, являющейся промежуточным фокусом 8) в определенной зоне, после чего снова начинают расходиться. Причем если оптическая система построена так, что рассматриваемые лучи имеют общую перетяжку (каустику, т.е совокупность элементарных фокусов для каждого участка элемента 5, ограниченного соответствующим кольцевым сечением на входной апертуре 9) для входной и выходной апертуры 9 и 10, соответственно, то и будет реализована полная компенсация тангенциальных (сагиттальных) составляющих отклонения лучей.

При этом возможны два варианта: когда упомянутая перетяжка (т.е. промежуточный фокус 8 кольцевой формы) пространственно расположена между апертурами 9 и 10 и когда упомянутая перетяжка пространственно расположена за пределами апертур 9 и 10. В первом случае, когда перетяжка расположена между апертурами 9 и 10, возможны некоторые дополнительные (раскрытые ниже) эффекты в рассматриваемой оптической системе. Во втором случае, когда перетяжка расположена за пределами апертур 9 и 10, необходимо упомянутые апертуры 9 и 10 размещать как можно ближе одна к другой. В этом случае оптическая система будет работать наиболее эффективно и с минимальными погрешностями.

Для первого из рассматриваемых случаев имеется возможность разместить в зоне перетяжки определенные дополнительные известные из уровня техники оптические элементы (например, средства для преобразования длины волны излучения, вплоть до изменения природы этого излучения, средства для управления фазой волны и т.п.). В этом случае в зоне перетяжки необходимо размещать дополнительные элементы (по кольцу), количество которых равно количеству упомянутых фокусирующих элементов 5 и 6 в каждой из апертур 9 и 10, соответственно, а порядок их размещения по периметру перетяжки должен соответствовать порядку размещения упомянутых элементов 5 и 6 в апертурах 9 и 10, соответственно. В этом случае оптическая система позволяет эффективно работать в некотором ограниченном поле зрения. Однако следует учитывать, что при расположении в зоне перетяжки (промежуточного фокуса 8) дополнительных оптических элементов образованная ими система должна обладать свойством вращательной симметрии относительно соответствующей оси 7 вращательной симметрии, а каждый из составляющих эту систему дополнительных оптических элементов должен иметь протяженность от оси 7 вращательной симметрии рассматриваемой системы к ее периферии.

В том случае, когда упомянутая перетяжка (промежуточный фокус 8) расположена за пределами апертур 9 и 10, эти апертуры 9 и 10 должны быть расположены достаточно близко одна к другой, за счет чего автоматически обеспечивается постоянная, близкая к нулю фазовая задержка.

В случае, когда упомянутая перетяжка (промежуточный фокус 7) расположена между апертурами 9 и 10, тоже можно получить ряд структур, для которых фазовая задержка является величиной постоянной. Такие системы всегда формируют действительное изображение источника излучения в определенном масштабе, определяемом параметрами оптической системы и расстоянием до источника. Данный эффект можно использовать, например, для автофокусировки в системах записи-считывания оптической информации при одностороннем доступе к рабочей поверхности оптического носителя информации.

Одним из заслуживающих внимания вариантов построения оптической системы (устройства) для реализации патентуемого способа является вариант, когда мы получаем для любого падающего на входную апертуру 9 луча постоянные по модулю углы их падения и отклонения. Это возможно реализовать, например, в том случае, если все фокусирующие элементы 5 (элементарные апертуры) входной апертуры 9 выполняются в виде дуг A_iB_iC_iD_i окружностей 11, центры О₂ которых смещены относительно оси 7 на величину r, равную радиусу этих окружностей 11, а источник излучения и его изображение “S¹” находятся вблизи оси 7 вращательной симметрии входной апертуры 9. В этом случае, если промежуточный фокус фокусирующих элементов 5 и 6 апертур 9 и 10, соответственно, разместить на расстоянии, равном диаметру этих окружностей 11, то получим ранее упомянутый эффект отклонения всех входящих лучей под одним и тем же вполне определенным углом. В этом случае возможно реализовать оптическую систему, например, у которой на фокусирующие элементы 5 (элементарные апертуры) входной апертуры 9 нанесено многослойное покрытие (например, для фокусировки жесткого рентгеновского излучения) одинаковых для всех упомянутых элементарных апертур толщин и из одних и тех же материалов (поскольку угол отклонения для всех элементарных апертур имеет одинаковую величину). То есть с технологической точки зрения процесс нанесения многослойных покрытий будет идентичным для всех фокусирующих элементов 5 (элементарных апертур), что делает заявленную оптическую систему (устройство) для фокусировки волнового поля вполне приемлемой (с технологической и экономической точки зрения) для широкомасштабного производства и использования в различных областях науки и народного хозяйства. Кроме того, в рассматриваемом случае упомянутые фокусирующие элементы 5 и 6 (элементарные апертуры) могут быть выполнены из одинаковых и одинаково изогнутых кристаллов.

Кроме того, для реализации этого варианта рассматриваемой оптической системы фокусирующие элементы 5 и 6 (элементарные апертуры) могут быть выполнены в виде волноводов, обеспечивающих постоянный угол отклонения по всей апертуре рассматриваемой оптической системы и с постоянной задержкой излучения по фазе.

Для реализации этого варианта рассматриваемой оптической системы фокусирующие элементы 5 и 6 (элементарные апертуры) могут быть выполнены и в виде преломляющих структур, обеспечивающих равномерное пропускание энергии падающего излучения по всей площади входной апертуры 3, так как толщина каждого фокусирующего элемента 5 будет постоянной по всей его элементарной апертуре и затухание также будет постоянным.

Дополнительным преимуществом фокусирующих элементов в виде преломляющих структур является также то, что обеспечивается возможность их использования для фокусировки в жестком рентгеновском диапазоне (энергия более 10 кэВ) для широкого диапазона длин волн в силу увеличения прозрачности известных материалов. Так, например, по предложенной схеме может быть изготовлена составная линза из поликарбоната для диапазона от 20 кэВ толщиной 40 мм, диаметром 200 мм с фокусным расстоянием примерно 10 м. При этом ее вес составит всего несколько килограммов.

Принципиальная схема оптической системы для численного моделирования фокусирующего устройства, на основе которой произведен расчет формируемых изображений (фиг.3 и фиг.4) различных источников излучения, приведена на фиг.3. Она включает источник излучения в виде лазера 13, телескоп 14, экран 15 с точечными отверстиями, коллиматор 16, кольцевую диафрагму 17, наборы 18 фокусирующих элементов 5 и 6 и приемник 19 изображения S¹ источника излучения. Расчет проведен для линзы с относительным отверстием 1:50 (см. выше) на длине волны 1 А⁰. Изображения набора точечных источников в линейном поле энергии 90 мм приведено на фиг.4.

Таким образом, заявленный способ фокусировки волнового поля и устройство для его реализации могут быть широко использованы в различных областях науки и техники, где необходимо обеспечить фокусировку электромагнитного излучения любой природы и спектра, которое распространяется по различным физическим средам, включая вакуум (в том числе ультразвуковых волн и рентгеновских лучей), с наиболее предпочтительным использованием для фокусировки жестких рентгеновских лучей, например, посредством рентгеновских телескопов, что подтверждает соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности “промышленная применимость”.

Реферат

Способ фокусировки волнового поля состоит в том, что лучи отклоняют на заданные из условия фокусировки углы по крайней мере в двух следующих друг за другом сечениях волнового поля посредством упорядоченных наборов из равного числа фокусирующих элементов, размещенных в указанных сечениях с обеспечением инвариантности относительно вращения вокруг оси, проходящей через центры сечений. В каждом сечении согласованно меняют модуль и направление угла отклонения лучей, обеспечивая пропорциональность его меридиональной составляющей расстоянию от луча до центра сечения посредством одинаковых, симметрично размещенных относительно оси вращательной симметрии фокусирующих элементов. Действующие апертуры фокусирующих элементов ограничивают в каждом сечении отрезками одинаковых криволинейных дуг, распределенных по сечениям с постоянным по углу шагом. Фокусировку можно осуществлять с обеспечением постоянства модуля угла отклонения лучей в каждом из сечений или постоянной фазовой задержки лучей между выделенными сечениями. В пространстве между сечениями может быть образован промежуточный фокус кольцевой формы с центром на оси вращательной симметрии. Обеспечивается повышение качества фокусировки и технологичности изготовления. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула