CN111257357A - 用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及龙虾眼器件技术领域，公开一种用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法，包括X射线光管、光学狭缝、多轴位移台、探测器以及数据分析系统，其中龙虾眼光学器件设置在X射线光管与探测器之间，光学狭缝设置在X射线光管与龙虾眼光学器件之间，并且龙虾眼光学器件安装在上，X射线光管、龙虾眼光学器件、光学狭缝以及探测器的中心共轴且对应齐平。采用龙虾眼光学聚焦与小孔X射线成像方法相结合，测试不同龙虾眼光学器件的方孔结构缺陷，尤其是在高温制备环境下(热弯)的形变情况，以利于后期进行优化龙虾眼光学器件的聚焦成像质量。

Description

用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法

技术领域

本发明涉及龙虾眼透镜技术领域，具体而言涉及一种用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法。

背景技术

1979年，Angel根据龙虾眼结构，提出基于正方形阵列结构来研制龙虾眼型X射线天文望远镜。龙虾眼光学器件由于具有视野大、体积小、重量轻、灵敏度高、装调简单、聚焦效率高等优点，符合未来卫星载荷X射线天文观测发展的需求，因而在X射线聚焦成像领域拥有巨大的应用前景。但受制于当时的结构水平，始终无法取得突破性的进展。随着刻蚀技术和微加工技术的发展，直到20世纪90年代，哥伦比亚大学、墨尔本大学、莱斯特大学、捷克天文等研究机构才逐渐研制出龙虾眼X射线光学器件并开始相关的实验研究。

龙虾眼光学器件(MPO)由数百万个指向球心的微米尺度的方孔通道构成，在制作过程中，其复杂的通道指向难免会出现结构缺陷，进而对MPO的成像性能造成负面影响。Chapman et al等人详细计算了理想情况下的MPO器件的聚焦成像特性。Brunton et al等人构建了微通道不是正方形的蒙特卡洛光线追踪模型。Irving et al等人描述了方形微通道的存在的许多常见缺陷，例如平移，倾斜，锥度，旋转，扭曲，非正方形和粗糙度等等；Willingale等人介绍了限制MPO角分辨率的主要因素。李旭等人基于Tracepro蒙特卡洛软件分析三种结构缺陷对于成像性能的影响。

对MPO方孔阵列结构缺陷的检测和评估是对器件制造工艺和质量控制最重要的评价手段，也是发现质量问题、改进工艺参数的依据。限制MPO器件的聚焦成像特性几乎都是由方形微管道的结构缺陷决定的。文献报道的MPO结构缺陷大都为数值模拟和分析，目前国内、外尚无一套针对龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的检测装置和方法，导致对研制工序无法做到准确的定位和指导。

发明内容

本发明目的在于提供一种检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法，采用龙虾眼光学聚焦与小孔X射线成像方法相结合，测试不同龙虾眼光学器件的方孔结构缺陷，尤其是在高温制备环境下(热弯)的形变情况，以利于后期进行优化龙虾眼光学器件的聚焦成像质量。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，包括X射线光管、光学狭缝、多轴位移台、探测器以及数据分析系统，其中龙虾眼光学器件设置在X射线光管与探测器之间，光学狭缝设置在X射线光管与龙虾眼光学器件之间，并且龙虾眼光学器件安装在上，X射线光管、龙虾眼光学器件、光学狭缝以及探测器的中心共轴且对应齐平，其中：

所述X射线光管，用于向龙虾眼光学器件发射X射线；

所述光学狭缝，设置在光轴的正上方位置处，从X射线光管发出的入射X射线经过光学狭缝被限束到微小正方形光束，射入到龙虾眼光学器件；

所述探测器，设置于X射线设置在龙虾眼光学器件的焦平面处，用于收集聚焦光线与成像；

其中，所述多轴位移台用于调节龙虾眼光学器件的姿态，使龙虾眼光学器件、X射线光管的点光源、探测器三者的光轴齐平；并且，所述X射线光管的点光源到龙虾眼光学器件的物距等于探测器到平面龙虾眼光学器件的焦距；

所述数据分析系统与所述探测器数据连接，用于根据聚焦光线和成像处理获得方孔阵列结构缺陷测试。

其中，优选地，所述多轴位移台以及龙虾眼光学器件设置在一密闭腔体内，所述密闭腔体的一端通过第一真空管道连接到X射线光管，使得X射线光管发射的X射线经由第一真空管道入射到龙虾眼光学器件，并且，密闭腔体的另一端通过第二真空管道连接到探测器，使得经由龙虾眼光学器件聚焦的光线经由第二真空管道而到达探测器。

优选地，所述龙虾眼光学器件为平板状光学器件，厚度为1mm～10mm，其内部包括若干根相同的单通道，单通道的截面为正方形。

优选地，所述数据分析系统被设置成按照下述方式进行方孔阵列结构缺陷测试：

1)通过X射线聚焦得到一次反射光的强度f(x_i)以及对标的坐标x_i位置，继而通过高斯公式拟合得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ：

f(x_i)＝a*exp(-x_i/σ)^2

其中，a为线性拟合的系数；σ为拟合得到的均方差；

2)通过对一次反射光的横线和竖线，计算两条直线的夹角，得到通道内壁的垂直度θ：

tan(θ)＝(k₂-k₁)/(1+k₁*k₂)

其中，k₁、k₂分别为横线和竖线的斜率；

3)通过对二次焦斑进行高斯拟合，得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re：

FWHM＝2.335×σ；re＝FWHM/f

其中f为龙虾眼光学器件的焦距；

4)根据多个不同位置处的二次焦斑位置的参数(x_i,y_i)，得到MPO的非线性响应m(m_x,m_y)：

m_x＝(x_max-x_min)/f；

m_y＝(y_max-y_min)/f；

其中，x_max为二次焦斑横向位置的最大值；x_min为二次焦斑横向位置的最小值；y_max为二次焦斑竖向位置的最大值；y_min为二次焦斑竖向位置的最小值。

根据本发明的第二方面提出一种龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷检测的方法，包括以下步骤：

步骤1、将X射线光管、光学狭缝、龙虾眼光学器件及探测器调整为统一的共轴光学系统；

步骤2、调整光学狭缝将入射的X射线光束限束至一定口径；

步骤3、X射线光管发出的X射线经光学狭缝照射到龙虾眼光学器件上并汇聚在焦距位置处；

步骤4、调节六轴位移台的姿态，使聚焦光线照射在探测器的靶面上；

步骤5、通过数据分析系统得到通道指向分布σ、垂直度θ、半高宽FWHM、成像空间分辨率re以及非线性响应测试结果。

由以上技术方案，与现有技术相比，本发明提出的检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置及方法，具有如下显著的有益效果：

(1)本发明提供了一种可以检测MPO结构缺陷信息的整体方案，能够实现定性和定量分析；

(2)测试精度高，同时操作简单，并能准确获得MPO不同位置处的结构缺陷信息；

(3)有助于发现MPO研制过程存在的质量和工艺问题，为改进工艺参数提供测试依据。

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为检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置的示意图。

图中，各附图标记的含义如下：

X射线光源1；入射X射线光线2；光学狭缝3；MPO4；出射X射线光线5；探测器6；水平光轴7和光学器件的中心轴8

图2为MPO微孔通道指向弥散程度的均方差σ结果示意；

图3为MPO通道内壁的垂直度θ结果示意；

图4A-4B为MPO半高宽FWHM和成像空间分辨率re结果示意；

图5为MPO非线性响应m结果示意。

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所示，根据本发明的示例性实施例的一种用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，包括X射线光管1、光学狭缝3、多轴位移台、探测器6以及数据分析系统(未标示)。数据分析系统用来进行数据处理和分析。

如图1，龙虾眼光学器件4(MPO)设置在X射线光管1与探测器6之间，光学狭缝3设置在X射线光管1与龙虾眼光学器件4之间，并且龙虾眼光学器件安装在上。在测试过程中，X射线光管、龙虾眼光学器件、光学狭缝以及探测器的中心共轴且对应齐平。

X射线光管1，用于向龙虾眼光学器件发射X射线。

光学狭缝3，设置在光轴的正上方位置处，从X射线光管发出的入射X射线经过光学狭缝被限束到微小正方形光束，射入到龙虾眼光学器件，由此通过限束以便于进行细致的测试与分析。优选地，微小正方形光束的边长尺寸在3mm至5mm。

探测器6，优选为CMOS成像探测器，设置于X射线设置在龙虾眼光学器件的焦平面处，用于收集聚焦光线与成像。

其中，本发明涉及的MPO为平板状，厚度为1mm～10mm；其内部包括若干根相同的单通道，单通道的截面为正方形。通过其点对点聚焦成像的成像原理，结合X射线光源的点光源到平面MPO的物距等于X射线探测器到平面龙虾眼光学器件的焦距的设计，通过X射线的入射和聚焦成像实现检测和测试。

多轴位移台，优选采用现有的六轴位移台，调节龙虾眼光学器件的姿态。龙虾眼光学器件(MPO)竖直方向地夹持在六轴位移台上，通过上下、左右和前后多姿态的调节，使龙虾眼光学器件、X射线光管的点光源、探测器三者的光轴齐平。优选地，夹持龙虾眼光学器件的家具贴有聚酰亚胺膜，用于减少光学器件固定时挤压产生的形变。

其中，X射线光管1的点光源到龙虾眼光学器件4的物距等于探测器6到龙虾眼光学器件的焦距。

优选地，本发明的测试环境整体上在真空环境下进行。可选地，多轴位移台以及龙虾眼光学器件设置在一密闭腔体内，所述密闭腔体的一端通过第一真空管道连接到X射线光管，使得X射线光管发射的X射线经由第一真空管道入射到龙虾眼光学器件，并且，密闭腔体的另一端通过第二真空管道连接到探测器，使得经由龙虾眼光学器件聚焦的光线经由第二真空管道而到达探测器。

优选地，X射线光管1一侧的第一真空管道的内部真空度小于10^-4Pa，密闭腔体的真空度小于10^-3Pa，X射线光管的测试电压为5kV，电流为200μA。

X射线光管1的出射X射线的光子的能量为1keV～20keV，焦斑直径大小10μm～80μm。

本发明的数据分析系统，可采用计算机系统实现，例如平板式、膝上型或者台式计算机系统，装载有硬盘、处理器、数据总线和数据接口，通过数据总线实现计算机系统内部的数据通信，并通过数据接口(例如485或者232等有线连接方式，或者无线传输方式)，实现与探测器的数据连接，用于根据聚焦光线和成像处理获得方孔阵列结构缺陷测试。

本发明的缺陷测试，包括进行下述4个方向的测试：

通过高斯函数拟合一次反射光的线宽，可以得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ。

通过对一次反射光的横线和竖线计算两条直线的夹角，可以得到通道内壁的垂直度θ。

通过对二次焦斑进行高斯拟合，可以得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re。

通过计算不同位置处的二次焦斑位置，可以得到MPO的非线性响应m。

结合图1所示，本发明提出的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，利用其龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将X射线光管、光学狭缝、龙虾眼光学器件及探测器调整为统一的共轴光学系统；

步骤2、调整光学狭缝将入射的X射线光束限束至一定口径；

步骤3、X射线光管发出的X射线经光学狭缝照射到龙虾眼光学器件上并汇聚在焦距位置处；

步骤4、调节六轴位移台的姿态，使聚焦光线照射在探测器的靶面上；

步骤5、通过数据分析系统得到通道指向分布σ、垂直度θ、半高宽FWHM、成像空间分辨率re以及非线性响应测试结果。

尤其优选的是，通过下述方式获得各个测试结果：

1)通过X射线聚焦得到一次反射光的强度f(x_i)以及对标的坐标x_i位置，继而通过高斯公式拟合得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ：

f(x_i)＝a*exp(-x_i/σ)^2

其中，a为线性拟合的系数；σ为拟合得到的均方差；

2)通过对一次反射光的横线和竖线，计算两条直线的夹角，得到通道内壁的垂直度θ：

tan(θ)＝(k₂-k₁)/(1+k₁*k₂)

其中，k₁、k₂分别为横线和竖线的斜率；

3)通过对二次焦斑进行高斯拟合，得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re：

FWHM＝2.335×σ；re＝FWHM/f

其中f为龙虾眼光学器件的焦距；

4)根据多个不同位置处的二次焦斑位置的参数(x_i,y_i)，得到MPO的非线性响应m(m_x,m_y)：

m_x＝(x_max-x_min)/f；

m_y＝(y_max-y_min)/f；

其中，x_max为二次焦斑横向位置的最大值；x_min为二次焦斑横向位置的最小值；y_max为二次焦斑竖向位置的最大值；y_min为二次焦斑竖向位置的最小值。

下面结合附图2-5所示，示例性地进行具体测试过程的实现。

参考附图1搭建测试系统，所有测试均需要在光源管道真空度小于10^-4Pa，测试腔体小于10^-3Pa条件下进行，测试电压为5kV，电流为200μA，曝光时间为205ms。

首先将MPO(尺寸40mm，厚度1.25mm，方孔直径20μm)放置于的夹具上，四周贴有厚度聚酰亚胺膜，用于减少光学器件固定时挤压产生的形变。

其次，将装有MPO的夹具安置于PI六轴位移系统上，其中六轴位移台(PI)用于调节平面MPO的姿态。

X射线光源(Ti靶，4.5keV能量特征峰)需放置于距离MPO前端为3650mm位置处。3650mm为待测试的MPO的焦距值。

然后，将X射线光管、光学狭缝、MPO及X射线探测器调整为一个共轴光学系统；

利用光学狭缝，将光束限制为40mm×40mm的方形区域，便于X射线成像测试，CMOS探测器位于MPO后端3650mm处，用于收集聚焦光线。

最后，通过数据分析系统进行数据处理和分析，得到通道指向分布σ、垂直度θ、半高宽FWHM、成像空间分辨率re以及非线性响应m等结构缺陷信息，实验结果如下所示。

通过高斯函数拟合一次反射光的线宽，可以得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ，如图2所示。

通过对一次反射光的横线和竖线计算两条直线的夹角，可以得到通道内壁的垂直度θ，如图3所示。

通过对二次焦斑进行高斯拟合，可以得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re，如图4A-4B所示，其中4A为半高宽测试结果，4B为成像空间分辨率测试结果。

通过计算不同位置处的二次焦斑位置，可以得到MPO的非线性响应m，如图5所示。

由此，我们可通过整体测试，得到龙虾眼光学器件(MPO)的通道中的方孔阵列结构测试的结果，通过这些测试结果可以反映出MPO在制备过程的高温热弯过程中对方孔阵列结构的影响，例如造成的形变，从而影响到前述的测试性能，通过这些测试结果进行后期优化龙虾眼光学器件的聚焦成像质量。

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 (9)

1.一种用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，包括X射线光管、光学狭缝、多轴位移台、探测器以及数据分析系统，其中龙虾眼光学器件设置在X射线光管与探测器之间，光学狭缝设置在X射线光管与龙虾眼光学器件之间，并且龙虾眼光学器件安装在上，X射线光管、龙虾眼光学器件、光学狭缝以及探测器的中心共轴且对应齐平，其中：

所述X射线光管，用于向龙虾眼光学器件发射X射线；

所述光学狭缝，设置在光轴的正上方位置处，从X射线光管发出的入射X射线经过光学狭缝被限束到微小正方形光束，射入到龙虾眼光学器件；

所述探测器，设置于X射线设置在龙虾眼光学器件的焦平面处，用于收集聚焦光线与成像；

其中，所述多轴位移台用于调节龙虾眼光学器件的姿态，使龙虾眼光学器件、X射线光管的点光源、探测器三者的光轴齐平；并且，所述X射线光管的点光源到龙虾眼光学器件的物距等于探测器到龙虾眼光学器件的焦距；

所述数据分析系统与所述探测器数据连接，用于根据聚焦光线和成像处理获得方孔阵列结构缺陷测试。

2.根据权利要求1所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述多轴位移台以及龙虾眼光学器件设置在一密闭腔体内，所述密闭腔体的一端通过第一真空管道连接到X射线光管，使得X射线光管发射的X射线经由第一真空管道入射到龙虾眼光学器件，并且，密闭腔体的另一端通过第二真空管道连接到探测器，使得经由龙虾眼光学器件聚焦的光线经由第二真空管道而到达探测器。

3.根据权利要求2所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述X射线光管一侧的第一真空管道的内部真空度小于10^-4Pa，密闭腔体的真空度小于10^-3Pa，X射线光管的测试电压为5kV，电流为200μA。

4.根据权利要求2所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述X射线光管出射X射线的光子的能量为1keV～20keV，焦斑直径大小10μm～80μm。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述龙虾眼光学器件为平板状光学器件，厚度为1mm～10mm，其内部包括若干根相同的单通道，单通道的截面为正方形。

6.根据权利要求2所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述探测器为CMOS成像探测器。

7.根据权利要求2所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置，其特征在于，所述数据分析系统被设置成按照下述方式进行方孔阵列结构缺陷测试：

1)通过X射线聚焦得到一次反射光的强度f(x_i)以及对标的坐标x_i位置，继而通过高斯公式拟合得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ：

f(x_i)＝a*exp(-x_i/σ)^2

其中，a为线性拟合的系数；σ为拟合得到的均方差；

2)通过对一次反射光的横线和竖线，计算两条直线的夹角，得到通道内壁的垂直度θ：

tan(θ)＝(k₂-k₁)/(1+k₁*k₂)

其中，k₁、k₂分别为横线和竖线的斜率；

3)通过对二次焦斑进行高斯拟合，得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re：

FWHM＝2.335×σ；re＝FWHM/f

其中f为龙虾眼光学器件的焦距；

4)根据多个不同位置处的二次焦斑位置的参数(x_i,y_i)，得到MPO的非线性响应m(m_x,m_y)：

m_x＝(x_max-x_min)/f；

m_y＝(y_max-y_min)/f；

其中，x_max为二次焦斑横向位置的最大值；x_min为二次焦斑横向位置的最小值；y_max为二次焦斑竖向位置的最大值；y_min为二次焦斑竖向位置的最小值。

8.一种根据权利要求1所述的用于检测龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷的装置进行龙虾眼光学器件方孔阵列结构缺陷检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将X射线光管、光学狭缝、龙虾眼光学器件及探测器调整为统一的共轴光学系统；

步骤2、调整光学狭缝将入射的X射线光束限束至一定口径；

步骤3、X射线光管发出的X射线经光学狭缝照射到龙虾眼光学器件上并汇聚在焦距位置处；

步骤4、调节六轴位移台的姿态，使聚焦光线照射在探测器的靶面上；

步骤5、通过数据分析系统得到通道指向分布σ、垂直度θ、半高宽FWHM、成像空间分辨率re以及非线性响应测试结果。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，通过下述方式获得各个测试结果：

1)通过X射线聚焦得到一次反射光的强度f(x_i)以及对标的坐标x_i位置，继而通过高斯公式拟合得到微孔通道指向弥散程度的均方差σ：

f(x_i)＝a*exp(-x_i/σ)^2

其中，a为线性拟合的系数；σ为拟合得到的均方差；

2)通过对一次反射光的横线和竖线，计算两条直线的夹角，得到通道内壁的垂直度θ：

tan(θ)＝(k₂-k₁)/(1+k₁*k₂)

其中，k₁、k₂分别为横线和竖线的斜率；

3)通过对二次焦斑进行高斯拟合，得到其半高宽FWHM及成像空间分辨率re：

FWHM＝2.335×σ；re＝FWHM/f

其中f为龙虾眼光学器件的焦距；

4)根据多个不同位置处的二次焦斑位置的参数(x_i,y_i)，得到MPO的非线性响应m(m_x,m_y)：

m_x＝(x_max-x_min)/f；

m_y＝(y_max-y_min)/f；

其中，x_max为二次焦斑横向位置的最大值；x_min为二次焦斑横向位置的最小值；y_max为二次焦斑竖向位置的最大值；y_min为二次焦斑竖向位置的最小值。

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