CN104819828B - 一种针对x射线龙虾眼物镜的装调装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置及其应用，该装调装置基于色散共焦检测，包括镜片装配单元、位移传感单元及垫片研磨单元，镜片装配单元包括用于放置待装调镜片的物镜底座，以及带动物镜底座上下、左右、前后移动的六维电控位移平台；位移传感单元包括一维调节平台、与一维调节平台连接的位移传感器定位支架、以及夹持在位移传感器定位支架上的色散共焦位移传感器；垫片研磨单元包括U型支架、设在U型支架上的气浮轴，以及与气浮轴连接的研磨头。与现有技术相比，本发明通过色散共焦位移传感器对镜面的扫描，可以实现高精度的镜片装调，也能够对已经安装完毕的物镜进行定标，克服了原先龙虾眼物镜间隔难以控制的难点。

Description

一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置及其应用

技术领域

本发明涉及X射线成像系统的装调领域，尤其是涉及一种基于色散共焦检测的针对X射线龙虾眼物镜的装调装置及其应用。

背景技术

X射线的光学常数决定其难以通过折射的方式实现聚焦，通常采用掠入射反射的方式。龙虾眼(lobster-eye，LE)型光学系统源于模仿龙虾的视觉系统，由多个通道的掠入射反射镜构成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它X射线光学系统无法企及的大视场特性。Schmidt与Angel分别提出了两种不同结构的龙虾眼系统：Schmidt结构适合于大型、高集光面积的系统，其结构示意图如图1～图3所示；Angel结构适合于小型轻便的系统，其结构示意图如图4～图6所示。从结构上看，虽然Angel结构紧凑，成像质量较高，但是其方形通道的加工难度很高，难以在高能X射线领域应用。

目前，捷克科技大学采用Schmidt型龙虾眼结构研发龙虾眼天文望远镜，但其针对的X射线能点不高，装配难度相对较低；美国物理光学公司正在研制基于Angel型龙虾眼光学系统的便携式X射线安检设备，其结构装调难度极高，安装极其困难，镜片易损坏。

在安全检查仪器领域，由于X射线工作能点较高，为了增加集光面积，就需要采用长且薄的镜片，安装难度大；同时，要保证成像系统有高的增益，镜片之间的间隔仅为几百微米，因此装配的公差需要控制在微米量级。目前，在国内X射线龙虾眼光学系统的应用不多，最主要的原因是没有可靠的装调技术，难以对高能量的X射线实现可靠的成像。

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针对X射线龙虾眼物镜的装调装置及其应用，本发明可以对采用垫片结构的Schmidt型龙虾眼物镜(即镜片-垫片-镜片的周期结构，镜片垫片通过环氧树脂连接)进行高精度、实时监测装调，使装调精度满足设计指标；本发明也能对卡槽结构的龙虾眼物镜进行定标，检测其是否满足设计指标。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，该装调装置包括：

镜片装配单元：包括用于放置待装调镜片的物镜底座，以及与物镜底座连接的六维电控位移平台，六维电控位移平台带动物镜底座上下、左右、前后移动；

位移传感单元：包括位于六维电控位移平台一侧的一维调节平台、与一维调节平台连接的位移传感器定位支架、以及夹持在位移传感器定位支架上的色散共焦位移传感器，所述的色散共焦位移传感器通过光纤连接色散共焦位移计控制器，通过色散共焦位移计控制器控制色散共焦位移传感器；

垫片研磨单元：包括位于六维电控位移平台另一侧的U型支架、设在U型支架上的气浮轴，以及与气浮轴连接的研磨头。

所述的一维调节平台为一维丝杠调节平移台，所述的一维调节平台竖直放置，沿垂直方向调节位移传感器定位支架上下移动。

所述的六维电控位移平台包含3台超精密滚珠螺杆传动线性滑块导轨电控平移台、1台360°电动精密转台及1台二维电动精密弧摆台；

3台电控平移台通过螺钉连接且相互正交，分别沿x、y、z轴设置，沿x轴方向安装的电控平移台固定在光学平台上，其余两个电控平移台依次互相连接，360°电动精密转台安装在沿z轴设置的电控平移台上，二维电动精密弧摆台安装在360°电动精密转台上。

所述的物镜底座设置在物镜转接板上，所述的物镜转接板设置在六维电控位移平台上的二维电动精密弧摆台上。

所述的垫片研磨单元还包括与真空泵连接的真空抽气软管，在垫片研磨过程中，所述的真空抽气软管安置在物镜侧面，用于去除研磨过程中的垫片粉屑。

所述的研磨头为金刚石磨头，采用高品位多棱角金刚石电镀而成。且研磨头具有多种形状及大小，根据所加工的垫片大小、厚度选用不同磨头。

所述的物镜底座底面为水平的厚平板玻璃，两侧为水平固定镜片的框架。

该装调装置还包括在装配时与镜片装配单元配合使用的镜片施压件及配重块，所述镜片施压件为高分子聚合物材质，其与镜片接触部分的材质为橡胶，所述镜片施压件上方中空，所述镜片施压件在镜片安装完毕后置于镜片上方，所述的配重块叠放在镜片施压件上。

一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置的应用，包括以下步骤：

1)将物镜底座安装在六维电控位移平台上的物镜转接板上，并将工作距离、量程适当的色散共焦位移传感器安装在物镜正上方的位移传感器定位支架上；

2)将镜片安装在物镜底座上，在镜片的4个边角处涂上环氧树脂，粘贴上石墨垫片；

3)调节六维电控位移平台在竖直方向移动，使镜片表面与色散共焦位移传感器工作面精确匹配，并检测其距离的数值；

4)通过调节六维电控位移平台，使物镜底座水平移动至研磨头下方；

5)设定研磨头的高度参数，以及研磨厚度，并将真空抽气软管对准镜片的侧面，启动研磨头，对石墨垫片进行研磨；

6)研磨完毕后，将研磨头退回，平移物镜底座至色散共焦位移传感器下方，并在石墨垫片上点上环氧树脂，安装上层镜片；

7)将镜片施压件置于镜片之上，同时打开色散共焦位移传感器，此时由于色散共焦检测的特性，不需要调节物镜与色散共焦位移传感器之间的竖直距离，可以直接检测；

8)根据色散共焦位移传感器检测的数据，调整镜片施压件上配重块的数量，直至镜片间距满足设计值；

9)重复步骤2)-8)，逐层安装镜片。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、采用的色散共焦位移传感器，是一种新型的超高精度和超高稳定性的非接触光学位移传感器，本发明中采用的色散共焦位移计的检测精度达到1μm。包含两种检测模式：厚度模式，基本功能为测量透明镜片的厚度，针对采用透明镜片的龙虾眼物镜结构(由一层层镜片组成，彼此分离，具有间隔)，能够反映每一个反射面所对应的位置，能够通过一次检测，标定已经完成装配的龙虾眼物镜的镜片间距；距离模式，仅反映最上层镜片在该测量位置的距离参数，主要针对镀膜后的不透明镜片的间距检测，在安装一片镜片后反馈一个位置数据，在此镜片之上再安装一片镜片，沿着镜面进行扫描，能够给出镜片的间距及倾角，能够应用于非平行式的龙虾眼物镜装调。

2、本发明的一维调节平移台沿竖直方向调节色散共焦位移传感器到镜片表面的工作距离，可以进行大范围的调节，以更换针对不同工作距离，不同检测厚度，不同检测精度的位移传感器。

3、本发明中的六维电控位移平台，六个维度的调节互不影响，竖直方向调节以保证位移传感器的工作面精确匹配；水平方向的调节使物镜平台在研磨加工区域与位移传感器检测区域转换，同时能够实现在镜片表面的扫描检测；倾角的调节以保证施压件施加的压力始终沿竖直方向。

4、本发明中的垫片研磨装置是由高速气浮轴、研磨头以及真空抽气软管组成，能够实现对石墨垫片高达1微米的精确研磨，加工的同时由真空抽气软管抽去垫片研磨期间所产生的碎屑。由于采用气浮装置，研磨过程中对镜片的冲击非常小。

5、本发明中的镜片施压件，采用高分子聚合物制成，由4根支柱对矩形镜片边角处的垫片位置施加压力，与镜片接触部分的材质为橡胶，镜片施压件上方中空，不影响位移传感器对镜片的检测，镜片施压件顶部可叠放方框形状的配重块。

6、本发明中，固定垫片与镜片采用的是环氧树脂，施压后厚度可达微米量级，对镜片整体厚度影响不大。环氧树脂固化需要一定时间，若检测结果显示镜片厚度无法符合要求，可立即除去垫片，重新装配。

附图说明

图1为Schmidt型龙虾眼光学系统结构示意图一；

图2为Schmidt型龙虾眼光学系统结构示意图二；

图3为Schmidt型龙虾眼光学系统结构示意图三；

图4为Angel型龙虾眼光学系统结构示意图一；

图5为Angel型龙虾眼光学系统结构示意图二；

图6为Angel型龙虾眼光学系统结构示意图三；

图7为本发明装调装置的平面结构示意图；

图8为本发明装调装置的立体结构示意图；

图9为Schmidt型龙虾眼物镜的镜片装配及检测流程图；

图10为本发明的镜片施压件及其配套配重块的示意图。

图中：1为色散共焦位移传感器、2为位移传感器定位支架、3为一维调节平移台、4为六维电控位移平台、5为物镜底座、6为物镜转接板、7为U型支架、8为气浮轴、9为研磨头、10为真空抽气软管、11为镜片施压件、12为配重块。

图7中x，z为坐标轴，y方向垂直平面xoz。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本实施方式用于完成如表1所示参数的X射线龙虾眼的物镜装配。

表1

镜片材料	D263(SiO2)
		物镜层数	2x30
镜片长度	100mm
		镜片宽度	24mm
镜片厚度	0.21mm
		镜片间距	0.4mm

一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，如图7、图8所示，该装调装置包括镜片装配单元、位移传感单元及垫片研磨单元；

镜片装配单元：包括用于放置待装调镜片的物镜底座5与六维电控位移平台4，六维电控位移平台4带动物镜底座5上下、左右、前后移动；六维电控位移平台4包含3台超精密滚珠螺杆传动线性滑块导轨电控平移台、1台360°电动精密转台及1台二维电动精密弧摆台；3台电控平移台通过螺钉连接且相互正交，分别沿x、y、z轴设置，如图7所示坐标轴，沿x轴方向安装的电控平移台固定在光学平台上，其余两个电控平移台依次互相连接，360°电动精密转台安装在沿z轴设置的电控平移台上，二维电动精密弧摆台安装在360°电动精密转台上。物镜底座5设置在物镜转接板6上，物镜转接板6设置在六维电控位移平台4上的二维电动精密弧摆台上。3台超精密滚珠螺杆传动线性滑块导轨电控平移台，x、y、z轴方向的行程分别为200mm、150mm、150mm。六维电控位移平台4能够使物镜在x轴方向平移，在检测区域与研磨区域间切换；在y轴方向平移，研磨不同垫片；z轴方向精确平移，与位移传感器工作面匹配。通过360°电动精密转台及二维电动精密弧摆台的调节，使得在装调镜片有一定倾角的龙虾眼物镜时，最上方镜片始终水平，从而使施压件对镜片的压力始终沿竖直方向。物镜底座5底面为水平的平面度很好的厚平板玻璃，用于安装第一片镜片，两侧为水平固定镜片的框架，防止镜片晃动。

位移传感单元：包括位于六维电控位移平台4一侧的一维调节平台3、与一维调节平台3连接的位移传感器定位支架2、以及夹持在位移传感器定位支架2上的色散共焦位移传感器1，色散共焦位移传感器1通过光纤连接色散共焦位移计控制器，通过色散共焦位移计控制器控制色散共焦位移传感器1于两种工作模式间切换；色散共焦位移传感器1由光源(集成在色散共焦位移传感器1内部)射出一束宽光谱的复色光(呈白色)，通过色散镜头(集成在色散共焦位移传感器1内部)发生光谱色散，在一条轴线上形成一系列不同波长的单色光，每一个波长都对应一个到被测物体的距离值，通过上述方式检测各反射面之间的距离，从而进行装调。所述的一维调节平台3为一维丝杠调节平移台，一维调节平台3竖直放置，沿垂直方向调节位移传感器定位支架2上下移动，能够沿竖直方向调节色散共焦位移传感器1到镜片表面的距离。本实施例所采用的一维调节平移台为400mm行程方轨一维梯形丝杠调节平移台，其基本参数为：行程400mm，最大负载50kg，最小读数0.01mm，定位精度0.008mm，并且可以定位锁定。

垫片研磨单元包括位于六维电控位移平台4另一侧的U型支架7、设在U型支架7上的气浮轴8，以及与气浮轴8连接的研磨头9。还包括与真空泵连接的真空抽气软管10，在垫片研磨过程中，真空抽气软管10安置在物镜侧面，用于去除研磨过程中的垫片粉屑，防止对镜面的污染。本实施例所采用的高速气浮轴8的转速达10000PRM，对应的平衡精度达G0.4，运动误差小于0.025μm，对垫片的加工精度可达1μm。研磨头9为金刚石磨头，采用高品位多棱角金刚石电镀而成。且研磨头9具有多种形状及大小，根据所加工的垫片大小、厚度选用不同磨头，本实施例中，研磨头9选用直径为3mm的锥形头金刚石磨头。

如图10所示，该装调装置还包括在装配时与镜片装配单元配合使用的镜片施压件11及配重块12，所述镜片施压件11为高分子聚合物材质，其与镜片接触部分的材质为软质橡胶，保护镜片不受损伤，所述镜片施压件11上方中空，其中空开口与镜片大小对应，在施压的同时，能够用色散共焦位移传感器1，对镜面进行检测，通过实时的数据调节配重块12的数量，从而使镜片的间距满足要求。所述镜片施压件11在镜片安装完毕后置于镜片上方，配重块12叠放在镜片施压件11上，通过控制配重块12的数量能够对镜片施加不同的力。

一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置的应用，包括以下步骤：

1)将物镜底座5安装在六维电控位移平台4上的物镜转接板6上，并将工作距离、量程适当的色散共焦位移传感器1安装在物镜正上方的位移传感器定位支架2上；

2)将镜片安装在物镜底座5上，在镜片的4个边角处涂上环氧树脂，粘贴上DS-4石墨垫片；

3)调节六维电控位移平台4在竖直方向移动，使镜片表面与色散共焦位移传感器1工作面精确匹配，并检测其距离的数值，如图9a所示；

4)通过调节六维电控位移平台4，使物镜底座5水平移动至研磨头9下方；

5)设定研磨头9的高度参数，以及研磨厚度，并将真空抽气软管10对准镜片的侧面，启动研磨头9，对石墨垫片进行研磨，如图9b所示；

6)研磨完毕后，将研磨头9退回，平移物镜底座5至色散共焦位移传感器1下方，并在石墨垫片上点上环氧树脂，安装上层镜片；

7)将镜片施压件11置于镜片之上，同时打开色散共焦位移传感器1，此时由于色散共焦检测的特性，不需要调节物镜与色散共焦位移传感器之间的竖直距离，可以直接检测，反馈第二块镜片的距离，如图9c所示；

8)根据色散共焦位移传感器1检测的数据，调整镜片施压件11上配重块12的数量，直至镜片间距满足设计值，经过一定时间的固化后，进行下一步骤，如图9d所示；

9)重复步骤2)-8)，逐层安装镜片。

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 (6)

1.一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，其特征在于，该装调装置包括：

镜片装配单元：包括用于放置待装调镜片的物镜底座(5)，以及与物镜底座(5)连接的六维电控位移平台(4)，六维电控位移平台(4)带动物镜底座(5)上下、左右、前后移动；

位移传感单元：包括位于六维电控位移平台(4)一侧的一维调节平台(3)、与一维调节平台(3)连接的位移传感器定位支架(2)、以及夹持在位移传感器定位支架(2)上的色散共焦位移传感器(1)，所述的色散共焦位移传感器(1)通过光纤连接色散共焦位移计控制器，通过色散共焦位移计控制器控制色散共焦位移传感器(1)；

垫片研磨单元：包括位于六维电控位移平台(4)另一侧的U型支架(7)、设在U型支架(7)上的气浮轴(8)，以及与气浮轴(8)连接的研磨头(9)；

所述的六维电控位移平台(4)包含3台超精密滚珠螺杆传动线性滑块导轨电控平移台、1台360°电动精密转台及1台二维电动精密弧摆台，3台电控平移台通过螺钉连接且相互正交，分别沿x、y、z轴设置，沿x轴方向安装的电控平移台固定在光学平台上，其余两个电控平移台依次互相连接，360°电动精密转台安装在沿z轴设置的电控平移台上，二维电动精密弧摆台安装在360°电动精密转台上；

所述的物镜底座(5)设置在物镜转接板(6)上，所述的物镜转接板(6)设置在六维电控位移平台(4)上的二维电动精密弧摆台上；

该装调装置还包括在装配时与镜片装配单元配合使用的镜片施压件(11)及配重块(12)，所述镜片施压件(11)为高分子聚合物材质，其与镜片接触部分的材质为橡胶，所述镜片施压件(11)上方中空，所述镜片施压件(11)在镜片安装完毕后置于镜片上方，所述的配重块(12)叠放在镜片施压件(11)上。

2.根据权利要求1所述的一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，其特征在于，所述的一维调节平台(3)为一维丝杠调节平移台，所述的一维调节平台(3)竖直放置，沿垂直方向调节位移传感器定位支架(2)上下移动。

3.根据权利要求1所述的一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，其特征在于，所述的垫片研磨单元还包括与真空泵连接的真空抽气软管(10)，在垫片研磨过程中，所述的真空抽气软管(10)安置在物镜侧面，用于去除研磨过程中的垫片粉屑。

4.根据权利要求1所述的一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，其特征在于，所述的研磨头(9)为金刚石磨头，采用高品位多棱角金刚石电镀而成。

5.根据权利要求1所述的一种针对X射线龙虾眼物镜的装调装置，其特征在于，所述的物镜底座(5)底面为水平的厚平板玻璃，两侧为水平固定镜片的框架。

6.一种如权利要求1所述的针对X射线龙虾眼物镜的装调装置的应用，其特征在于，该应用包括以下步骤：

1)将物镜底座(5)安装在六维电控位移平台(4)上的物镜转接板(6)上，并将色散共焦位移传感器(1)安装在位移传感器定位支架(2)上；

2)将镜片安装在物镜底座(5)上，在镜片的4个边角处涂上环氧树脂，粘贴上石墨垫片；

3)调节六维电控位移平台(4)在竖直方向移动，使镜片表面与色散共焦位移传感器(1)工作面精确匹配，并检测其距离的数值；

4)通过调节六维电控位移平台(4)，使物镜底座(5)水平移动至研磨头(9)下方；

5)设定研磨头(9)的高度参数，以及研磨厚度，并将真空抽气软管(10)对准镜片的侧面，启动研磨头(9)，对石墨垫片进行研磨；

6)研磨完毕后，将研磨头(9)退回，平移物镜底座(5)至色散共焦位移传感器(1)下方，并在石墨垫片上点上环氧树脂，安装上层镜片；

7)将镜片施压件(11)置于镜片之上，打开色散共焦位移传感器(1)，直接检测；

8)根据色散共焦位移传感器(1)检测的数据，调整镜片施压件(11)上配重块(12)的数量，直至镜片间距满足设计值；

9)重复步骤2)-8)，逐层安装镜片。