CN112461260A - 用于mso光学系统的测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于MSO光学系统的测试装置与测试方法，包括经纬仪、半反半透镜、MSO光学系统、真空管道、X射线光源、测试腔体、六轴调整机构、上下调整结构以及CCD探测器。经纬仪发射激光束，激光束经半反半透镜照射到MSO光学系统上，经反射后在CCD探测器光学成像中心位置处，进行可见光光路测试。测试结束后移除半反半透镜并抽真空；再驱动所述X射线光源发射X射线束，经MSO光学系统汇聚后，通过调整MSO的姿态和位置，在CCD探测器的成像最佳位置，通过计算X射线焦斑大小和焦距的比值，得到MSO光学系统的成像角分辨率；通过有无MSO光学系统情况下对X射线光强的聚焦对比，得到MSO光学系统的传输效率。

Description

用于MSO光学系统的测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及X射线测试技术领域，具体而言涉及一种用于MSO光学系统的测试装置与测 试方法。

背景技术

深空导航对X射线脉冲星导航探测器提出新的研制需求，对于深空和行星际空间探测任 务航天器，脉冲星导航是目前正在发展中已知性能最好，最具竞争力的导航手段。相较传统 导航方式有诸多优点，例如自主导航、战时生存能力强，可在完全没有地面系统的支持下提 供导航服务；可使用空域广泛，从近地轨道空间到整个太阳系乃至恒星际空间都可使用；采 用脉冲星导航的定位精度可以达到公里级别，相较于传统天文导航可提高一到两个数量级。

环形微孔X射线聚焦光学系统(Micro Pore Sector Optical System，简称MSO)作为 一种新型的X射线成像系统，其中关键涉及MSO聚焦成像器件。应用于脉冲星导航的XX射线 聚焦光学系统主要为Wolter型和龙虾眼型。与传统金属聚焦X射线Wolter型系统相比，MSO 光学单位采用玻璃基底，有效面积质量比低一个数量级，符合脉冲星导航轻量化的要求。龙 虾眼MPO光学系统虽然质量较小，但采用的为龙虾眼仿生学原理，主要利用二次反射光线进 行聚焦成像，一次反射光线聚焦在十字线，探测效率较低。

而MSO光学系统采用类Wolter型反射原理和龙虾眼制作工艺，主要利用一次反射光线进 行聚焦，传输效率会提高一倍，并且结构为玻璃基底的球面蜂窝结构，更适用于脉冲星X射 线导航。而MSO聚焦性能作为脉冲星导航系统的最重要技术参数，因此发明一种可以测试MSO 聚焦性能的测试装置变得极为关键。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于MSO光学系统的测试装置与测试方法，能够实现快速对MSO 光学系统X射线性能的完成检测，有助于指导MSO光学系统的研制。

为实现上述目的，本发明提出一种用于MSO光学系统的测试装置，包括经纬仪、半反半 透镜、MSO光学系统、真空管道、X射线光源、测试腔体、六轴调整机构、上下调整结构以及 CCD探测器；

所述半反半透镜、MSO光学系统、六轴调整机构、上下调整机构分别设置在测试腔体内 部，测试腔体的一侧的外部设置所述CCD探测器，相对另一侧的外部设置真空管道，真空管 道与所述测试腔体连接；

所述MSO光学系统由6个外形为扇形、并且曲率半径相同的球面MSO光学器件组成的环 形微孔光学系统并安装在六轴调整机构上，通过六轴调整机构调整MSO光学系统的姿态和位 置；

所述半反半透镜安装在上下调整机构上，通过上下调整机构调整半反半透镜的高度；

所述X射线光源设置在真空管道的自由端部；

所述X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜以及CCD探测器共轴齐平；

所述经纬仪位于半反半透镜90度垂直的正下方1m位置处；

所述X射线光源位于距离MSO光学系统凸面一侧的15m位置处；

所述CCD探测器位于MSO光学系统后端面后端曲率半径一半位置处，用于收集聚焦X射 线；

其中，所述经纬仪发出的激光束经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统上，经反射 后在CCD探测器光学成像中心位置处，进行可见光光路测试，并在测试结束后，移除半反半 透镜；

然后关闭测试腔体进行抽真空使得测试腔体内的真空度达到10^-3Pa；

再驱动所述X射线光源发射X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学 系统汇聚后，通过调整MSO的姿态和位置，在焦距f＝R/2位置处的CCD探测器的成像最佳位置，通过计算X射线焦斑大小和焦距的比值，得到MSO光学系统的成像角分辨率；以及

通过有无MSO光学系统情况下对X射线光强的聚焦对比，得到MSO光学系统的传输效率。

优选地，所述X射线光源的出射X射线光子的能量为1keV～10keV。

优选地，所述球面MSO光学器件的内径为10mm～50mm，外径为60mm～200mm,厚度为1mm～ 10mm，曲率半径为1000mm～3000mm。

优选地，所述球面MSO光学器件包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸 为10μm～1000μm，每个单通道均是沿环线进行环形排列，球面MSO光学器件的夹角为50° ～60°，球面的球心位于环型的中心光轴处。

优选地，所述CCD探测器位于MSO光学系统的凹面一侧。

优选地，所述半反半透镜用于在进行可见光光路测试时实现对可光光的反射和透射，其 口径大小为10mm～60mm。

优选地，所述CCD探测器的制冷温度为-30℃，单像素大小为10μm，制冷温度较低是为了降低电子学热噪声，提高探测效率。

根据本发明还提出一种基于前述测试装置的MSO光学系统测试方法，包括以下测试流程：

(1)利用经纬仪发射可见光激光束，将X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜、CCD探 测器调整为一个共轴齐平的光学系统，所述经纬仪位于半反半透镜的90度垂直的正下方1m 处；

(2)驱动所述经纬仪发出可见光束，经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统中心光 轴，照射到X射线光源中心反射，照射到CCD探测器中心位置处，完成光轴的校准，完成可 见光光路测试；

(3)可见光路测试结束后，移除半反半透镜，开始抽真空，当真空度优于10^-3Pa，驱动X 射线光源发射X射线，开始进行X射线聚焦成像测试；

(4)所述X射线光源发出的X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学 系统汇聚后，在焦距f位置处的CCD探测器的成像位置，利用六轴调整装置实现MSO光学系 统姿态和位置的调节，使得X射线焦斑最小，亮度最大，记录成像点扩散函数；其中：

其中x为焦斑大小，f为焦距，re为角分辨率；

(5)通过对比有无MSO光学系统的聚焦光强，得到MSO光学系统的传输效率，其中：

其中，添加MSO光学系统的光强表示为I₁，未添加MSO光学系统的光强表示为I₀，η为传输效率。

与现有技术相比，本发明提出一种全新的MSO光学系统的测试方法，测量精度高，便于 实现，能够快速对MSO光学系统X射线性能进行检测；通过本发明的实施例有助于发现MSO 光学系统存在的工艺缺陷，指导工艺研究。

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是本发明示例性实施例的MSO光学系统的测试装置的示意图。

图2是本发明示例性实施例的MSO光学系统的反射光路示意图。

图3是本发明示例性实施例的MSO光学系统中球面MSO光学器件与MSO光学系统示意图。

图4是本发明示例性实施例的MSO光学系统的产品结构示意图。

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1-4所示，本发明示例性实施例提出一种用于MSO光学系统的测试装置，包括经 纬仪1、半反半透镜2、MSO光学系统3、真空管道4、X射线光源5、测试腔体7、六轴调整机构8、上下调整结构9以及CCD探测器10。

半反半透镜2、MSO光学系统3、六轴调整机构8、上下调整机构9分别设置在测试腔体 7的内部。

经纬仪可朝向MSO光学系统发射可见光激光光束，尤其是绿光激光束。

测试腔体7的一侧的外部设置CCD探测器10，相对另一侧的外部设置真空管道4，真空 管道与测试腔体连接。

MSO光学系统8安装在六轴调整机构8上，通过六轴调整机构调整MSO光学系统的姿态 和位置。六轴调整机构可以采用现有的多轴运动平台实现。

半反半透镜2安装在上下调整机构9上，通过上下调整机构调整半反半透镜的高度。

如图1，X射线光源5设置在真空管道4的自由端部，并且X射线光源位于距离MSO光学 系统的凸面31一侧的15m位置处。

CCD探测器10，位于MSO光学系统后端面后端曲率半径一半位置处，例如在图示实施例， CCD探测器10位于MSO后端面后端1000mm位置处，位于MSO光学系统的凹面32一侧。探测 器10，在可见光测试过程以及X射线探测过程中，通过调整MSO的姿态和位置，在焦距f＝R/2 位置处的CCD探测器的成像最佳位置，用于收集聚焦的X射线和反射的可见光。

可选地，CCD探测器的制冷温度为-30℃，单像素大小为10μm，靶面像素大小为1024×1024。

探测器为CCD成像探测器位于MSO光学系统凹面一侧，具备X射线的聚焦成像能力。

X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜以及CCD探测器共轴齐平。

经纬仪1可发出平行可见光。尤其优选地，经纬仪采用绿光经纬仪，并位于半反半透镜 90度垂直的正下方1m位置处。

结合图1，X射线光源5，用于朝向MSO光学系统发射X射线。X射线光源的出射X射线光子的能量为1keV～10keV。

半反半透镜2，用于在进行可见光光路测试时实现对可光光的反射和透射，其口径大小 为10mm～60mm，从而校准X射线光源、MSO光学系统以及CCD探测器的光轴。

其中，MSO光学系统的外型为圆环形，主要由6个扇形MSO光学器件构成，其中扇形MSO 光学器件的内径为10mm～50mm，外径为60mm～200mm,厚度为1mm～10mm，曲率半径为100mm～3000mm，球心位于环型的中心光轴处；其内部包括若干根相同的单通道，用于会聚X射线光线。

优选地，所述扇形MSO光学器件包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸 为10μm～1000μm，每个单通道均是沿环线进行环形排列。

结合图1所示，经纬仪1用于发射激光束，发出的激光束经所述半反半透镜照射到所述 MSO光学系统上，经反射后在CCD探测器光学成像中心位置处，进行可见光光路测试，并在 测试结束后，移除半反半透镜。

然后关闭测试腔体进行抽真空使得测试腔体内的真空度达到10^-3Pa。

再驱动所述X射线光源发射X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学 系统汇聚后，通过调整MSO的姿态和位置，在焦距f＝R/2位置处的CCD探测器的成像最佳位置，通过计算X射线焦斑大小和焦距的比值，得到MSO光学系统的成像角分辨率；以及通过有无MSO光学系统情况下对X射线光强的聚焦对比，得到MSO光学系统的传输效率。

在具体的测试过程中，MSO光学系统测试方法包括以下测试流程：

(1)利用经纬仪发射可见光激光束，将X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜、CCD探 测器调整为一个共轴齐平的光学系统，所述经纬仪位于半反半透镜的90度垂直的正下方1m 处；

(2)驱动所述经纬仪发出可见光束，经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统中心光 轴，照射到X射线光源中心反射，照射到CCD探测器中心位置处，完成光轴的校准，完成可 见光光路测试；

(3)可见光路测试结束后，移除半反半透镜，开始抽真空，当真空度优于10^-3Pa，驱动X 射线光源发射X射线，开始进行X射线聚焦成像测试；

(4)所述X射线光源发出的X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学 系统汇聚后，在焦距f位置处的CCD探测器的成像位置，利用六轴调整装置实现MSO光学系 统姿态和位置的调节，使得X射线焦斑最小，亮度最大，记录成像点扩散函数；其中：

其中x为焦斑大小，f为焦距，re为角分辨率；

(5)通过对比有无MSO光学系统的聚焦光强，得到MSO光学系统的传输效率，其中：

其中，添加MSO光学系统的光强表示为I₁，未添加MSO光学系统的光强表示为I₀，η为传输效率

在一个具体的测试实例中，上述测试过程包括：

本发明实施例的步骤为：

(1)首先将X射线光源(特征峰能量为4.5keV，微焦斑直径约为35μm)、MSO光学系统(6个扇形MSO光学器件厚度均为2.5mm，内径为30mm，外径为100mm，方孔边长为40μm， 壁厚为8μm，曲率半径为2000mm，夹角为57.3°，示意图如图2所示)、半反半透镜、CCD 探测器(制冷温度-30℃，单像素大小为10μm，靶面像素大小为1024×1024)调整为一个 共轴齐平的光学系统，经纬仪位于半反半透镜90度垂直的正下方1m位置处，测试光路如图 1所示。

(2)所述经纬仪可为红光，发出的可见光束经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统 上，经反射后在CCD探测器光学成像中心位置处。

(3)可见光路测试结束后，移除半反半透镜。

(4)X射线光源需放置于距离平面MSO凸面一侧为15m位置处。CCD探测器位于MSO后端 面1000mm位置处，用于收集聚焦X射线。关闭测试腔体，开启真空系统的机械泵和分子泵使 得测试腔体的真空度优于10^-3pa，测试光源的电压为6kV，电流为0.5mA，CCD曝光时间为2s。

(5)所述X射线光源发出的X射线束，经所述MSO光学系统汇聚后，调整MSO的姿态和位置，在焦距f＝R/2位置处的探测器的成像最佳位置，通过计算X射线焦斑大小和焦距的比值，可以得到MSO光学系统的成像角分辨率。

(6)通过对比有无MSO光学系统的聚焦X射线光强，可以得到MSO光学系统的传输效率。

由此，可实现快速对MSO光学系统X射线性能的测试，准确获取X射线信息，结构简单， 在X射线检测领域有广阔的应用前景。

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)

1.一种用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，包括经纬仪、半反半透镜、MSO光学系统、真空管道、X射线光源、测试腔体、六轴调整机构、上下调整结构以及CCD探测器；

所述半反半透镜、MSO光学系统、六轴调整机构、上下调整机构分别设置在测试腔体内部，测试腔体的一侧的外部设置所述CCD探测器，相对另一侧的外部设置真空管道，真空管道与所述测试腔体连接；

所述MSO光学系统由6个外形为扇形、并且曲率半径相同的球面MSO光学器件组成的环形微孔光学系统并安装在六轴调整机构上，通过六轴调整机构调整MSO光学系统的姿态和位置；

所述半反半透镜安装在上下调整机构上，通过上下调整机构调整半反半透镜的高度；

所述X射线光源设置在真空管道的自由端部；

所述X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜以及CCD探测器共轴齐平；

所述经纬仪位于半反半透镜90度垂直的正下方1m位置处；

所述X射线光源位于距离MSO光学系统凸面一侧的15m位置处；

所述CCD探测器位于MSO光学系统后端面后端曲率半径一半位置处，用于收集聚焦X射线；

其中，所述经纬仪发出的激光束经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统上，经反射后在CCD探测器光学成像中心位置处，进行可见光光路测试，并在测试结束后，移除半反半透镜；

然后关闭测试腔体进行抽真空使得测试腔体内的真空度达到10^-3Pa；

再驱动所述X射线光源发射X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学系统汇聚后，通过调整MSO的姿态和位置，在焦距f＝R/2位置处的CCD探测器的成像最佳位置，通过计算X射线焦斑大小和焦距的比值，得到MSO光学系统的成像角分辨率；以及

通过有无MSO光学系统情况下对X射线光强的聚焦对比，得到MSO光学系统的传输效率。

2.根据权利要求1所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述X射线光源的出射X射线光子的能量为1keV～10keV。

3.根据权利要求1所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述球面MSO光学器件的内径为10mm～50mm，外径为60mm～200mm,厚度为1mm～10mm，曲率半径为1000mm～3000mm。

4.根据权利要求3所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述球面MSO光学器件包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸为10μm～1000μm，每个单通道均是沿环线进行环形排列，球面MSO光学器件的夹角为50°～60°，球面的球心位于环型的中心光轴处。

5.根据权利要求1所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述CCD探测器位于MSO光学系统的凹面一侧。

6.根据权利要求1所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述半反半透镜用于在进行可见光光路测试时实现对可光光的反射和透射，其口径大小为10mm～60mm。

7.根据权利要求1所述的用于MSO光学系统的测试装置，其特征在于，所述CCD探测器的制冷温度为-30℃，单像素大小为10μm。

8.一种基于权利要求1所述用于MSO光学系统的测试装置的MSO光学系统测试方法，其特征在于，包括以下测试流程：

(1)利用经纬仪发射可见光激光束，将X射线光源、MSO光学系统、半反半透镜、CCD探测器调整为一个共轴齐平的光学系统，所述经纬仪位于半反半透镜的90度垂直的正下方1m处；

(2)驱动所述经纬仪发出可见光束，经所述半反半透镜照射到所述MSO光学系统中心光轴，照射到X射线光源中心反射，照射到CCD探测器中心位置处，完成光轴的校准，完成可见光光路测试；

(3)可见光路测试结束后，移除半反半透镜，开始抽真空，当真空度优于10^-3Pa，驱动X射线光源发射X射线，开始进行X射线聚焦成像测试；

(4)所述X射线光源发出的X射线束，经由真空管道达到测试腔体内，经所述MSO光学系统汇聚后，在焦距f位置处的CCD探测器的成像位置，利用六轴调整装置实现MSO光学系统姿态和位置的调节，使得X射线焦斑最小，亮度最大，记录成像点扩散函数；其中：

其中x为焦斑大小，f为焦距，re为角分辨率；

(5)通过对比有无MSO光学系统的聚焦光强，得到MSO光学系统的传输效率，其中：

其中，添加MSO光学系统的光强表示为I₁，未添加MSO光学系统的光强表示为I₀，η为传输效率。

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