CN106500965B - 基于ccd探测器的龙虾眼x射线光学元件聚焦性能测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，包括X射线光管、激光器、光阑、六维调整装置、CCD探测器、激光测距仪、模数转换卡、数模转换卡、水平调整装置以及计算机信号处理系统。在操作测试时，首先进行光路校准，校准后移出激光器将所述X射线光管移至光路中；调整所述龙虾眼X射线光学元件进行MPO全口径二维扫描，CCD X射线探测器记录成像结果，通过对记录图像进行拼接和处理，得到焦距、焦斑、光强分布和空间角分辨率等多个聚焦性能指标。本发明的测试装置的结构巧妙、实时性好、测试成本低，操作方便。

Description

基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置与 方法

技术领域

本发明涉及X射线探测和成像技术领域，尤其是一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置与方法。

背景技术

X射线的光学常数使其难以通过折射的方式实现聚焦，因此通常采用掠入射全反射的方式来进行聚焦。目前X射线掠入射全反射光学系统包括KB型光学系统，Wolter型光学系统和X射线毛细管透镜等，但它们仍然存在一些不足。例如：KB型光学系统因受到掠入射相差和结构等因素影响导致视野太小。Wolter型光学系统体积较大质量笨重，严重阻碍了其实用化。而X射线毛细管透镜在1-5keV等X射线波段的能量传输效率较低，且造价昂贵。而源于龙虾的视觉系统(lobster-eye，LE)的微孔光学元件(Micro-pore optics，MPO)，由于球面结构没有特定的光轴在任意方向上X射线会聚能力都相同，因此视野理论上能达到4π这是其他X射线光学系统无法企及的。

MPO作为一种新型X射线波段光学成像光学元件，因其具有大视场、高分辨率、聚焦效率高等优点，被广泛的应用于X射线天文、X射线探针、X射线显微镜、粉末衍射仪、小角散射以及X射线荧光谱仪等多个领域。而MPO聚焦性能是作为X射线探测和成像系统的核心器件的最重要的参数，因此发明一种可以测量MPO聚焦性能的方法和装置变得极为关键，而目前为止国内外检测都是基于同步辐射进行检测，但是操作麻烦，耗时太长，运行测试费极其昂贵，实用、实时性差，而且X射线光束作用区域较小，难于满足用户的实际测试需求。

发明内容

为了解决现有技术存在的缺陷和问题，本发明目的在于提供一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置与测试方法，可快速实现MPO X射线聚焦分析。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，包括X射线光管、激光器、光阑、六维调整装置、CCD探测器、激光测距仪、模数转换卡、数模转换卡、水平调整装置以及计算机信号处理系统，其中：

所述X射线光管、激光器布置在同一竖直方向的不同位置上，并且位置可调节地安装在水平调整装置上；

所述光阑、龙虾眼X射线光学元件、CCD探测器放置在同一光轴上，并且所述X射线光管、激光器均位置可调节地与光阑、龙虾眼X射线光学元件以及CCD探测器共光轴；

所述六维调整装置用于提供所述龙虾眼X射线光学元件的调整平台；

所述激光测距仪设置在CCD探测器的下方，并且朝向所述龙虾眼X射线光学元件的方向，用于探测龙虾眼X射线光学元件与该激光测距仪的距离；

所述模数转换卡与激光测距仪连接，用于对所述距离测量结果进行模数转换；

所述计算机信号处理系统连接至所述模数转换卡，根据所述距离发出控制信号调整六维调整装置的位置和状态使CCD探测器保持处于龙虾眼X射线光学元件的焦距位置处，使龙虾眼X射线光学元件聚焦效果最明显；

所述数模转换卡设置在计算机信号处理系统与六维调整装置之间，用于对所述控制信号进行数模转换以使所述六维调整装置运动；

所述水平调整装置还经由所述数模转换卡连接至所述计算机信号处理系统，并根据计算机信号处理系统的校准信号控制水平调整装置以实现X射线光管与激光器的布置位置的切换。

进一步的实施例中，所述龙虾眼X射线光学元件由500万～1000万根单通道构成的球面，每个通道为空心对称结构，通道指向球心，通道截面为正方形对称结构，边长尺寸可为10μm～1000μm，球面曲率半径可为100mm～1000mm。

进一步的实施例中，所述通道内表面均镀有一层金属反射膜，镀膜后微孔内壁表面粗糙度小于1nm，用于增加X射线反射率。

进一步的实施例中，所述金属反射膜采用金属铜、钨、铱、铂、金中的一种或者多种。

进一步的实施例中，所述激光测距仪位于CCD探测器正下方，并与所述光轴成45°夹角。

进一步的实施例中，所述激光器为可见光激光器，例如红外He-Ne激光器。

进一步的实施例中，所述龙虾眼X射线光学元件的焦距f，由所述龙虾眼X射线光学元件的曲率半径与所述X射线光管到龙虾眼X射线光学元件的距离共同决定，即S为X射线光管点光源到龙虾眼X射线光学元件的距离，R为龙虾眼X射线光学元件的曲率半径。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1、提供了一种可以测试MPO聚焦性能的装置，能够实现定性定量分析；

2、整个测试装置结构简单，实时性好、测试成本低，使用方便，能满足用户的实际要求；

3、可实现对MPO不同区域聚焦分析；

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是根据本发明某些实施例的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置的结构示意图。

图2是根据本发明某些实施例的计算机信号处理系统对水平调整装置和六维调整装置的调整过程示意图。

图3是本发明某些实施例的龙虾眼X射线光学元件示意图。

图4为本发明某些实施例的龙虾眼X射线光学元件聚焦的原理示意图。

图5为本发明某些实施例的龙虾眼X射线光学元件不同位置处的光强图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1和图2所示，根据本发明的实施例，一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，包括X射线光管1、激光器2、光阑3、六维调整装置10、CCD探测器5、激光测距仪6、模数转换卡7、数模转换卡9、水平调整装置11以及计算机信号处理系统8。

计算机信号处理系统8作为主控单元，与所述水平调整装置11和六维调整装置10之间分别通过所述数模转换卡9连接，与激光测距仪6之间通过模数转换卡7连接，并且与所述CCD探测器5连接。

所述被检测的龙虾眼X射线光学元件放置在六维调整装置10上。

结合图1所示，所述X射线光管1、激光器2布置在同一竖直方向的不同位置上，并且位置可调节地安装在水平调整装置11上。

所述光阑3、龙虾眼X射线光学元件4、CCD探测器5放置在同一光轴上，并且所述X射线光管1、激光器2均位置可调节地与光阑3、龙虾眼X射线光学元件4以及CCD探测器5共光轴。光阑3用以限制X射线照射区域。

所述六维调整装置10用于提供所述龙虾眼X射线光学元件的调整平台。

所述激光测距仪6设置在CCD探测器5的下方，并且朝向所述龙虾眼X射线光学元件4的方向，用于探测龙虾眼X射线光学元件4与该激光测距仪6的距离。

所述模数转换卡7与激光测距仪6连接，用于对所述距离测量结果进行模数转换。

所述计算机信号处理系统8连接至所述模数转换卡7，根据所述距离发出控制信号调整六维调整装置10的位置和状态使CCD探测器5保持处于龙虾眼X射线光学元件4的焦距位置处，使龙虾眼X射线光学元件聚焦效果最明显。

所述数模转换卡9设置在计算机信号处理系统8与六维调整装置10之间，用于对所述控制信号进行数模转换以使所述六维调整装置运动。

所述水平调整装置11还经由所述数模转换卡9连接至所述计算机信号处理系统8，并根据计算机信号处理系统的校准信号控制水平调整装置以实现X射线光管与激光器的布置位置的切换。

结合图1、图2所示，在进行测试时，按照下述方式进行MPO聚焦效率的测试：

(1)依次将所述激光器2、光阑3、龙虾眼X射线光学元件4、CCD探测器5放置在光轴上；

(2)调整所述激光器2与光阑3、龙虾眼X射线光学元件4、以及CCD探测器5，使其中心都在光轴上，校准后将所述X射线光管移动至光路中，移出激光器；

(3)将所述激光测距仪6放置于所述CCD探测器的正下方H处，测定与龙虾眼X射线光学元件的距离，计算得出龙虾眼X射线光学元件的焦距f；前述H为激光测距仪与CCD探测器的垂直距离；

(4)通过模数转换和数模转换，移动所述六维调整装置10的位置和状态，保持CCD探测器处于MPO焦距f位置处,使龙虾眼X射线光学元件聚焦效果最明显；

(5)移动所述龙虾眼X射线光学元件进行全口径二维扫描，CCD探测器记录成像结果，计算机信号处理系统8通过对记录图像进行拼接和处理，得到焦距、焦斑、空间角分辨率等多个聚焦性能指标。这样的图像拼接和处理，可以按照现有的一些性能指标公式来计算得到。

所述龙虾眼X射线光学元件与所述CCD探测器之间的焦距f，并将距离H＝f的信号通过模数转换卡变成数字信号传递给计算机信号处理系统8。

通过所述计算机信号处理系统8的光强与焦距的分析计算，将调整信息通过数模转换卡9传递给所述六维调整装置10。优选地，六维调整装置的步进精度小于1um，角位移精度小于1弧分，有助于减少X射线二维扫描时所带来的系统误差。

优选地，水平调整装置11的步进精度小于1um，所述X射线光管和激光器安置在上面。

优选地，结合图3，所述龙虾眼X射线光学元件由500万～1000万根单通道构成的球面，每个通道为空心对称结构，通道指向球心，通道截面为正方形对称结构，边长尺寸可为10μm～1000μm，球面曲率半径可为100mm～1000mm。

在一些具体的例子中，龙虾眼X射线光学元件(MPO)的成分为玻璃材质，其外形呈球面，曲率半径可为100mm-5000mm，面型精度优于200nm，外形尺寸可为20mm-200mm，厚度可为0.5mm-5mm，内由500万-1000万根单通道构成，通道为空心对称结构，贯穿元件厚度，通道截面为正方形对称结构。

所述通道内表面均镀有一层金属反射膜，镀膜后微孔内壁表面粗糙度小于1nm，用于增加X射线反射率。

结合图4所示，X射线光源即X射线光管1发出的X射线光束经过MPO会聚于焦平面位置CCD探测器B，R为曲率半径，S为点光源到MPO得距离，f为探测器到MPO的距离。由图4中几何关系可以得到：

∵

∴α＝∠EBA＝∠BEC+∠EBC

在X射线全反射情况下α,θ,都非常小，，则由数值几何关系可以得到：

所述金属反射膜采用金属铜、钨、铱、铂、金中的一种或者多种。

结合图1，所述激光测距仪6位于CCD探测器正下方，并与所述光轴成45°夹角。

由于X射线不可见，不方便操作人员调节，且对人体有伤害，所以我们先用激光器进行校准寻找光轴。激光器2优选为可见光激光器，波段为可见光，例如红外He-Ne激光器，用于代替X射线进行校准，可较少对人体的伤害。

所述X射线光管1和激光器2被放置在水平调整装置上，通过精密的机械调整，使得X射线光管1和激光器2交替进入光路，当激光器2进入导轨上，是校准状态，当X射线光管1移入光轴中，是对MPO进行聚焦测试的状态。

所述X射线光管1移入导轨内，发出X射线束，经过所述光阑照射到所述MPO上，X射线束聚焦后成十字图像被放置在焦距处所述CCD探测器所探测，移动所述MPO进行全口径二维扫描，探测不同位置处的聚焦情况。

所述CCD探测器5记录图像数据，通过MATLAB等数据处理软件进行函数拟合，得到焦距、焦斑、光强分布和空间角分辨率等多个聚焦性能指标。

图像记录的方式为离线记录图像文件或在线实时显示图像并保存。

X射线光管1的X射线光子能量可为5-20keV。

所述龙虾眼X射线光学元件的焦距f，由所述龙虾眼X射线光学元件的曲率半径与所述X射线光管到龙虾眼X射线光学元件的距离共同决定，即S为X射线光管点光源到龙虾眼X射线光学元件的距离，R为龙虾眼X射线光学元件的曲率半径。

结合图1所示，激光测距原理：调整所述MPO 4与CCD探测器5的之间的水平距离，使得该位移等于所述MPO的焦距f，将激光测距仪6与CCD探测器5之间垂直距离H记为h1，储存在计算机信号处理系统8中。运行后，激光测距仪6实时测定垂直距离H，通过模数转换卡7将信号变成数字信息传递给所述信号处理系统8；系统将测定距离结果与h1比较计算得出偏差，通过数模转换卡9将偏差信息传递给六维调整装置10以调整距离H，保持所述CCD探测器5处于所述MPO焦距f位置处。

结合图4、图5，本发明的性能测试装置的工作原理如下：首先利用激光器校准实验光路，确保光源、MPO、光阑以及CCD探测器四者在同一光轴上，其次将X射线光源移入光路中，通过激光测距仪测定MPO的焦距f，如果符合CCD探测器开始记录数据保存在电脑中，如果不符合则通过计算机控制系统调整六维调整装置的状态，使其CCD探测器的位置处于其处；调整结束后，CCD开始记录X射线聚焦成像数据。记录此刻数据后，移动移动六维调整装置进行二维扫描，观测并保存不同位置处的X射线聚焦成像情况便于后续处理。

假设X射线光源离球面方孔MPO的距离为S＝450mm，球面方孔的曲率为R＝500mm，实验结构如图5所示，X射线探测的焦距为f＝161mm，与理论推导的结果基本相符f＝160.7mm。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，包括X射线光管、激光器、光阑、六维调整装置、CCD探测器、激光测距仪、模数转换卡、数模转换卡、水平调整装置以及计算机信号处理系统，其中：

所述X射线光管、激光器布置在同一竖直方向的不同位置上，并且位置可调节地安装在水平调整装置上；

所述光阑、龙虾眼X射线光学元件、CCD探测器放置在同一光轴上，并且所述X射线光管、激光器均位置可调节地与光阑、龙虾眼X射线光学元件以及CCD探测器共光轴；

所述六维调整装置用于提供所述龙虾眼X射线光学元件的调整平台；

所述激光测距仪设置在CCD探测器的下方，并且朝向所述龙虾眼X射线光学元件的方向，用于探测龙虾眼X射线光学元件与该激光测距仪的距离；

所述模数转换卡与激光测距仪连接，用于对所述距离测量结果进行模数转换；

所述计算机信号处理系统连接至所述模数转换卡，根据所述距离发出控制信号调整六维调整装置的位置和状态使CCD探测器保持处于龙虾眼X射线光学元件的焦距位置处，使龙虾眼X射线光学元件聚焦效果最明显；

所述数模转换卡设置在计算机信号处理系统与六维调整装置之间，用于对所述控制信号进行数模转换以使所述六维调整装置运动；

所述水平调整装置还经由所述数模转换卡连接至所述计算机信号处理系统，并根据计算机信号处理系统的校准信号控制水平调整装置以实现X射线光管与激光器的布置位置的切换。

2.根据权利要求1所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述龙虾眼X射线光学元件由500万～1000万根单通道构成的球面，每个通道为空心对称结构，通道指向球心，通道截面为正方形对称结构，边长尺寸为10μm～1000μm，球面曲率半径为100mm～1000mm。

3.根据权利要求2所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述通道内表面均镀有一层金属反射膜，镀膜后微孔内壁表面粗糙度小于1nm，用于增加X射线反射率。

4.根据权利要求3所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述金属反射膜采用金属铜、钨、铱、铂、金中的一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述激光测距仪位于CCD探测器正下方，并与所述光轴成45°夹角。

6.根据权利要求1所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述激光器为可见光激光器。

7.根据权利要求1所述的基于CCD探测器的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试装置，其特征在于，所述龙虾眼X射线光学元件的焦距f，由所述龙虾眼X射线光学元件的曲率半径与所述X射线光管到龙虾眼X射线光学元件的距离共同决定，即S为X射线光管点光源到龙虾眼X射线光学元件的距离，R为龙虾眼X射线光学元件的曲率半径。

8.一种根据权利要求1所述性能测试装置实现的龙虾眼X射线光学元件聚焦性能测试方法，其特征在于，包括：

(1)依次将所述激光器、光阑、龙虾眼X射线光学元件、CCD探测器放置在光轴上；

(2)调整所述激光器与光阑、龙虾眼X射线光学元件以及CCD探测器，使其中心都在光轴上，校准后移出激光器，将所述X射线光管移动至光路中；

(3)将所述激光测距仪放置于所述CCD探测器的正下方H处，测定与龙虾眼X射线光学元件的距离，计算得出龙虾眼X射线光学元件的焦距f；前述H为激光测距仪与CCD探测器的垂直距离；

(4)通过模数转换和数模转换，移动所述六维调整装置的位置和状态，保持CCD探测器处于龙虾眼X射线光学元件的焦距f位置处，使龙虾眼X射线光学元件聚焦效果最明显；

(5)移动所述龙虾眼X射线光学元件进行全口径二维扫描，CCD探测器记录成像结果，计算机信号处理系统通过对记录图像进行拼接和处理，得到焦距、焦斑、空间角分辨率多个聚焦性能指标。