CN113972023B - 一种复合面型的x射线压电变形镜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种复合面型的X射线压电变形镜，包括基底和设于所述基底的上方的光学反射膜，所述光学反射膜的上表面划分为两个镜面，所述基底在其上表面、下表面和侧面中的至少一个总共设有至少两类压电陶瓷片，使得两个镜面各自在压电陶瓷片的带动下产生所需的两种不同的面型。本发明的复合面型的X射线压电变形镜将基于压电驱动的主动光学技术和多面型组合的掠入射X射线反射镜系统集成起来，当施加电压平行于每块压电陶瓷片的电极化方向时，压电陶瓷片的横向方向的压电伸缩可以带动随镜长变厚度的光学基底的伸缩来产生沿镜长子午方向所需的局部曲率，以弥补反射镜的面形难以调节的缺陷。最终通过两种面型的组合，实现消像差的聚焦效果，以用于全场成像和聚焦实现。
Description
技术领域
本发明属于主动式的X射线光学波前校正领域，具体涉及一种复合面型的X射线压电变形镜，用以掠入射X射线的聚焦，以达到减小像差、调控焦点光斑和位置的作用。
背景技术
在硬X射线波段，任何材料的折射率都接近于1。因此，只有在掠入射角很小时才能获得较高的反射率。故掠入射的反射元件是实现硬X射线成像和聚焦等功能的主要形式。常见的掠入射反射聚焦元件类型包括了Kirkpatrick-Baez型，Wolter I、II、III型和LobsterEye型等，其中前两种类型是最广泛应用在同步辐射显微镜和太空望远镜领域的。1952年Wolter提出使用两个同轴共焦的旋转圆锥曲面构成光学系统，包括Wolter I、II、III三种类型，主要表现为面形配置的不同。这类结构可以消除色差、减少慧差，并增大数值孔径。比如日本科学家使用Wolter型元件实现X射线的弧矢聚焦[1]和实现高分辨的全场成像[2]；美国高分辨X射线天文望远镜Lynx[3]利用嵌套的Wolter型镜面来实现与Chandra相当水平的角分辨率(0.5”)情况下获得30倍的视场。
类似Wolter型元件的复合曲面可以由包括抛物面、椭柱面或双曲柱面组成，这样的面型通常采用加工直接成型或者机械压弯产生。如图1所示为一种理想状况的Wolter-I型K-B聚焦系统的示例性示意图，其中示出了在同一镜面上加工出椭柱和双曲柱两种面型，从而使得光沿图1中所示方向的光路方向传播并实现聚焦。直接加工的固定面型镜虽然面形稳定精度较高，但是价格昂贵，对于光路复杂或稳定性较差的条件下几乎很难做出调节；机械压弯是比较常规的手段，但是其调节维度比较少，操控的面形并不能达到完美情况，类似马鞍形变等情况也会带来额外的波前误差。
日本大阪大学提出了一种压电变形镜的排布方式[4]，其中公开了压电驱动镜体的技术。目前的现有技术的缺点在于仅仅提供了单晶片压电陶瓷排布和驱动方式，并没有将这种压电变形技术的优势运用到复杂的光学系统的设计中。
因此，需要一种新的技术，以克服各类传统固定面型的如Wolter型或者LobsterEye型的掠入射反射元件在加工、装调方面的巨大难点，避免聚焦镜需要多组镜面组成，不易调节，且成本昂贵的缺陷。
[1]A.Takeuchia,Y.Suzukia,K.Uesugia,et al,Nuclear Instruments andMethods in Physics Research A467-468,302-304(2001)
[2]S.Matsuyama,Y.Emi,H.Kino,et al,Optics Express 23(8),9746-9752(2015)
[3]S.Bianca,B.Stefano,C.Marta,et al.Proc.SPIE,Adaptive X-Ray OpticsIV 9965:99650(2016)
[4]H.Mirura,S.Handa,T.Kimura,et al,Nature Physics 6,122-125(2010)
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合面型的压电变形镜，利用压电元件调节反射镜，以在同一镜体上形成所需的两种面型。
为了实现上述目的，本发明提供了一种复合面型的X射线压电变形镜，其特征在于，包括基底和设于所述基底的上方的光学反射膜，所述光学反射膜的上表面划分为两个镜面，所述基底在其上表面、下表面和侧面中的至少一个总共设有至少两类压电陶瓷片，使得两个镜面各自在压电陶瓷片的带动下产生所需的两种不同的面型，并通过局部位置的压电陶瓷片进行局部面形的调整。
两个镜面的所需的面形还通过磁控、热力或者弹簧进行面形修正来产生。
所述压电陶瓷片包括设于基底在折角处的上表面和下表面中的至少一个的第一压电陶瓷片，用以两个镜面的夹角微调。
所述压电陶瓷片包括设于基底在折角处以外的位置的上表面和下表面的至少一个上的第二压电陶瓷片，第二压电陶瓷片的形状为长条状，且其延伸方向沿着X射线压电变形镜的镜长子午方向，用以镜面面型的产生。
所述基底的对应于每个镜面的上表面和/或下表面均采用至少一个与同一电压连接的第二压电陶瓷片，所述第二压电陶瓷片的上表面和下表面中的其中一个表面接地，另一个表面连接压电促动器，以与同一电压连接。
所述基底的厚度根据基底的上表面的沿着镜长子午方向的不同位置处的所需的面型的曲率确定，且基底11在折角处两侧的厚度均设置为沿着镜长子午方向线性变化，所需的面形是抛物线面型、椭柱面型或者双曲线面型。
所述第二压电陶瓷片采用叠堆式的压电陶瓷片来增加镜面曲率。
所述压电陶瓷片包括双列的第三压电陶瓷片，双列的第三压电陶瓷片设于基底在折角处以外的位置的上表面和下表面的至少一个上，每一列的第三压电陶瓷片的数量为多个且彼此间隔开，并通过局部位置的压电陶瓷片进行镜面局部面形误差的修正。
所述压电陶瓷片为单晶片形式或双晶片形式。
所述X射线压电变形镜的基底和光学反射膜的数量均为1个；或者，基底和光学反射膜的数量均为2个，使得所述X射线压电变形镜由两个平面镜拼接形成。
本发明的复合面型的X射线压电变形镜将基于压电驱动的主动光学技术和多面型组合的掠入射X射线反射镜系统集成起来，当施加电压平行于每块压电陶瓷片的电极化方向时，压电陶瓷片的横向方向(d31)或叠堆情况下的平行方向(d33)的压电伸缩可以带动随镜长变厚度的光学基底的伸缩来产生沿镜长子午方向所需的局部曲率，以弥补反射镜的面形难以调节的缺陷。由此，压电驱动可以产生较大的应力，并对在线产生的面形误差进行实时灵活的补偿。最终通过两种面型的组合，实现消像差的聚焦效果，以用于全场成像和聚焦实现。
本发明的复合面型的X射线压电变形镜将可以适用于X射线光束下不同工作距离、不同辐射面积需求的样品实验，可以根据所需的面形操控压电陶瓷片的电压变化，来满足不同实验的需求，显著提高了单一光束线或X射线设备的应用范围。
此外，本发明复合面型的X射线压电变形镜的基底采用渐变的厚度设计，从而压电变形镜带动其附着的基底进而带动光学反射膜的镜面沿镜长方向产生变化的曲率，以逼近所需的面形的曲率(例如抛物、椭柱或者双曲面形的曲率)。
附图说明
图1是理想状况的Wolter-I型K-B聚焦系统的示意图。
图2A-图2B是根据本发明的一个实施例的复合面型的X射线压电变形镜的结构示意图，其中图2A为三维示意图，图2B为侧面示意图。
图3是单个压电陶瓷在不加电压和施加一个正电压50V时镜体基底的形状的对比示意图。
图4是叠堆型压电陶瓷在施加150V电压对于60mm长，10mm厚的石英所产生的压弯效果图。
图5示出了基于本发明的复合面型的X射线压电变形镜所实现的Wolter-I型聚焦镜的结构示意图。
具体实施方式
如图2A-图2B所示为根据本发明的一个实施例的复合面型的X射线压电变形镜。所述X射线压电变形镜为反射镜，其基底表面为矩形，或者设计为特殊形状来补偿压弯所造成的面形畸变。
所述X射线压电变形镜包括基底11(即镜体基底)和设于所述基底11的上方的光学反射膜12，根据复合面型的要求，所述光学反射膜12的上表面划分为两个镜面(即两个光学表面)。在本实施例中，光学反射膜12设于所述基底11的上方的中央位置。其中，所述基底11的上表面、下表面和侧面中的至少一个设有压电陶瓷片，使得两个镜面各自在压电陶瓷片的带动下产生所需的两种不同的面形。在本实施例中，所述压电陶瓷片包括第一压电陶瓷片21、第二压电陶瓷片22和第三压电陶瓷片23。
两个镜面在中心处的切平面之间的夹角为中心入射角的两倍(中心入射角是指X射线入射到X射线压电变形镜的每个镜面的中心时对应的入射角)，以保证入射的X射线可以先后在两个镜面反射。
所述X射线压电变形镜的每个镜面在其自然状态时均为平面，因而在初始的自然状态时，两个镜面在各自中心处的切平面之间的夹角就是两个镜面之间的夹角。所述X射线压电变形镜设有至少一组与压电促动器相连的压电陶瓷，每个镜面的面形是在其自然状态的基础上通过压电陶瓷的逆压电效应来补偿得到的，进而实现光束在所需焦点处的会聚。
所述X射线压电变形镜的基底11和光学反射膜12的数量均为1个，即所述X射线压电变形镜的两个镜面可采用单一平面镜(平面镜包括基底11和光学反射膜12)加工而形成；基底11和光学反射膜12的数量也可以均为2个，使得所述X射线压电变形镜也可以由两个平面镜(每个平面镜包括一个基底11和两个光学反射膜12)高精度拼接形成，以得到两个镜面。为了保证这种复合面型的反射镜的聚焦效果，两个镜面的夹角精度和滚角误差往往需要小于几十微弧度的水平，滚角的标准数值和具体焦距镜长等要求有关。
两个镜面的靠近彼此的一端为所述X射线压电变形镜的折角处，第一压电陶瓷片21设于基底11在折角处的上表面和下表面中的至少一个，所述第一压电陶瓷片21用于折角校正。所述第一压电陶瓷片21与压电促动器相连。在本实施例中，折角处的基底11的下表面黏贴有第一压电陶瓷片21；第一压电陶瓷片21的上表面和下表面中的其中一个表面接地，另一个表面连接压电促动器。由此，折角处的两个镜面之间的夹角可以在压电促动器的带动下发生改变，进而带动两个镜面在中心处的切平面之间的夹角发生小范围的修正调节。
第二压电陶瓷片22设于基底11在折角处以外的位置的下表面上，所述第二压电陶瓷片22用于整体曲率校正。此外，在其他实施例中，第二压电陶瓷片22也可以同时设于基底11在折角处以外的位置的上表面和下表面上，或者仅仅设置于基底11在折角处以外的上表面上。
第二压电陶瓷片22与压电促动器相连，以与电压连接。在本实施例中，第二压电陶瓷片22的上表面和下表面中的其中一个表面接地，另一个表面连接压电促动器，以与同一电压连接。第二压电陶瓷片的形状为长条矩形，厚度小于1毫米，长度覆盖所需的镜长，且压电促动器(即电极)的形状与第二压电陶瓷片的形状一致。第二压电陶瓷片22也是双列的。
在本发明中，基底11的对应于每个镜面的下表面均采用至少一个与同一电压连接的第二压电陶瓷片22，来产生所需的面形的曲率。在其他实施例中，基底11的对应于每个镜面的下表面也可以替换成基底11的对应于每个镜面的上表面和下表面或者仅仅上表面。由此，两个镜面上利用不同的叠堆式压电促动可以产生两种不同的曲面面形，X射线掠入射进入镜面，前后在两个面形的镜面上反射，最终实现聚焦。第二压电陶瓷片22的形状为长条状，且其延伸方向沿着X射线压电变形镜的镜长子午方向。在本实施例中，第二压电陶瓷片22分布于基底11的下表面的两侧。
如图3所示，为了增大压电陶瓷对于曲面的调制幅度，所述第二压电陶瓷片22可以使用叠堆式的压电陶瓷片来增加位移输出，即该第二压电陶瓷片22为叠堆式压电陶瓷片。使用叠堆式的压电陶瓷，这种情况下电压作用于叠堆后的陶瓷片两端，而侧面与反射镜黏贴，利用压电陶瓷沿着电压方向的变形叠加来驱动镜面变形，具体来说，在150V的输入电压下对于1cm厚度的石英镜可以产生如如图4的右侧部分所示的压弯效果，深度超过10微米，最小曲率半径可以达到300米左右，单镜可以产生约40mm焦距的聚焦，远远大于常规的压电陶瓷片所可以产生的曲率。因此，当用作复合面型聚焦时，可以获得较大的曲率变化。需要说明的是，所述的第二压电陶瓷不仅限于叠堆式的压电陶瓷结构，也可以采用常规的横向变形的压电陶瓷。
对于一个需要满足聚焦镜的聚焦条件的X射线压电变形镜而言，其沿着镜长子午方向的各个不同位置处的入射角和曲率半径都是不同的。其中，两个镜面包括第一镜面和第二镜面，镜长子午方向包括第一镜面所对应的第一镜长子午方向100和第二镜面所对应的第二镜长子午方向200。
而为了使得第二压电陶瓷片22在同一电压施加条件下X射线压电变形镜的镜面在各个位置产生设计为满足所需的面形的曲率分布，需要基底11沿着镜长子午方向的各个不同位置处的厚度不同。
具体来说，在压电压弯条件下，基底11的上表面的曲率1/R和基底11的厚度平方t2存在反比关系，即，R＝t2/(αd31/33V)，
其中，α为常数，d31/33和V分别为第二压电陶瓷的压电系数和输入电压。
因此，基底11的厚度t根据基底11的上表面的沿着镜长子午方向的不同位置处的所需的面形的曲率1/R确定。在本实施例中，基底11的厚度设置为沿着镜长子午方向渐变的，从而使同一外加电压下不同厚度区域的镜体可以被第二压电陶瓷片22弯曲出沿着镜长子午方向渐变的曲率。为了加工方便，这种渐变厚度可以近似为线性变化，即基底11在折角处两侧的厚度均设置为沿着镜长子午方向线性变化。
在上述这种厚度设计下，第二压电陶瓷片22在外加电压作用下，其垂直于电压方向(即沿镜长子午方向)会发生延长或缩短，从而带动其附着的基底11进而带动光学反射膜12的镜面沿镜长方向产生变化的曲率，以逼近所需的面形的曲率(例如抛物、椭柱或者双曲面形的曲率)。
在本实施例中，X射线压电变形镜的两个镜面包括第一镜面和第二镜面，X射线掠入射第一镜面后产生反射并入射到第二镜面，再反射在焦点处产生聚焦。第一镜面和第二镜面这两个曲面最终需满足聚焦所需的面形的曲率分布。所需的面形例如可以是抛物线面形、椭柱面形或者双曲线面形。
在本实施例中，对于常见的等长双镜Wolter-I型复合面型镜的两个镜面，其第一镜面为抛物面，该第一镜面的横截面的曲线方程(即抛物线方程)为：
X12＝-2(1-cos2θ)f1[Y1-(1-cos2θ)f1/2]，
而第二镜面为双曲面，该第二镜面的横截面的曲线方程(即双曲线方程)为：
(Y2+f2/2)2/[(2cos2θ-1)f2]2-X22/{f2 2/4-[(2cos2θ-1)f2]2}，
其中，X1、Y1分别是第一镜面在横截面上的横坐标和纵坐标，X2、Y2分别是第二镜面在横截面上的横坐标和纵坐标，f1、f 2分别是第二镜面和第二镜面的焦距，θ是反射镜的掠入射角。
由此，本发明建立起两组面形方程和目标焦点的关系，利用先进的优化算法对面形进行优化来达到消除系统像差的目的，显著提高系统聚焦性能。
双列的第三压电陶瓷片23设于基底11在折角处以外的位置的上表面上，所述第三压电陶瓷片用于局部曲率校正。每一列的第三压电陶瓷片23的数量为多个且彼此间隔开。此外，在其他实施例中，第三压电陶瓷片23也可以同时设于基底11在折角处以外的位置的上表面和下表面上，或者仅仅设置于基底11在折角处以外的下表面上。
每一列第三压电陶瓷片23上均间隔排布有17-33个电极，即，每一列第三压电陶瓷片23在每个镜面(第一镜面或者第二镜面)的上表面上都设有8-16组电极，并且这些电极分别与不同电压相连以作为压电促动器，根据需求，这些电极会施加不同的电压来带动其下方的第三压电陶瓷片23局部产生凹或者凸的弯曲，通过局部位置的压电陶瓷片进行镜面局部面形误差的修正，从而来控制每个电极对应的压电陶瓷产生不同的变形量，产生亚纳米级的面形控制，来补偿第一镜面和第二镜面的当前面形相对于其目标面形的面形误差，进而补偿镜面的面形误差所导致的波前误差。在聚焦过程中先对上游面形的第三压电陶瓷片23的促动器进行调节，而下游面形的第三压电陶瓷片23的促动器则对于残余波前误差进行第二次补偿，以最终实现波前误差的校正，实现完美的聚焦效果。需要说明的是，这里的上游、下游指的是相对于光束入射和反射的方向的上游、下游。
在本实施例中，每一列第三压电陶瓷片23的形状和排布方式与电极的形状和排布方式相同，均为一块一块等间隔排布的，然而在其他实施例中，每一列第三压电陶瓷片23的形状也可以是长条状，与其上分布的17-33个电极的形状和排布方式不同(即电极是彼此间隔开的)。由于只有电极区域的压电陶瓷会产生变形作用，所以实际效果就是面型是一块一块独立变化的。
在本实施例中，位于转角处的第一压电陶瓷片21以及位于转角处以外的区域的第二压电陶瓷片22和第三压电陶瓷片23均采用单晶片形式，即压电陶瓷片的陶瓷结构仅仅设置在压电陶瓷片的基板的其中一个表面，没有叠加效果。此外，第一压电陶瓷片21、第二压电陶瓷片22和第三压电陶瓷片23也可以改为实现了双晶片形式，即压电陶瓷片的陶瓷结构黏贴在压电陶瓷片的基板的上表面和下表面，且上下表面的电压方向相反以到达叠加压弯作用。
需要说明的是，在其他实施例中，压电陶瓷(如第一压电陶瓷片21、第二压电陶瓷片22、第三压电陶瓷片23)的布局可以是单晶片形式或双晶片形式，也可以在侧边放置压电陶瓷或者在底部通过叠堆陶瓷进行高度变化来使得镜面的面形发生变化。
图5示出了基于本发明的复合面型的X射线压电变形镜所实现的最为常见的复合面型结构聚焦镜——Wolter-I型聚焦镜的具体结构。具体来说，通过对于第一镜面和第二镜面使用下表面的叠堆型压电陶瓷产生凹面形。利用第一镜面和第二镜面上表面的离散的压电陶瓷和电极进行调节逼近理论设计的面形，并通过X射线在线聚焦测试，微调离散的电极的电压以修正波前误差，最终获得所需的聚焦光斑。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (7)
1.一种复合面型的X射线压电变形镜，其特征在于，包括基底和设于所述基底的上方的光学反射膜，所述光学反射膜的上表面划分为两个镜面，所述基底在其上表面、下表面和侧面中的至少一个总共设有至少两类压电陶瓷片，使得两个镜面各自在压电陶瓷片的带动下产生所需的两种不同的面型，并通过局部位置的压电陶瓷片进行局部面形的调整；
所述压电陶瓷片包括设于基底在折角处以外的位置的上表面和下表面的至少一个上的第二压电陶瓷片，第二压电陶瓷片的形状为长条状，且其延伸方向沿着X射线压电变形镜的镜长子午方向，用以镜面面型的产生；
所述基底的对应于每个镜面的上表面和/或下表面均采用至少一个与同一电压连接的第二压电陶瓷片，所述第二压电陶瓷片的上表面和下表面中的其中一个表面接地，另一个表面连接压电促动器，以与同一电压连接；
基底沿着镜长子午方向的各个不同位置处的厚度不同，使得第二压电陶瓷片在同一电压施加条件下X射线压电变形镜的镜面在各个位置产生设计为满足所需的面形的曲率分布；
所述基底在折角处两侧的厚度均设置为沿着镜长子午方向线性变化，使同一外加电压下不同厚度区域的镜体可以被第二压电陶瓷片弯曲出沿着镜长子午方向渐变的曲率；
所述基底的厚度根据基底的上表面的沿着镜长子午方向的不同位置处的所需的面型的曲率确定，所需的面形是抛物线面型、椭柱面型或者双曲线面型；
在压电压弯条件下，基底的上表面的曲率1/R和基底的厚度平方t 2存在反比关系，即，R=t 2/(αd 31/33 V)，
其中，α为常数，d 31/33和V分别为第二压电陶瓷的压电系数和输入电压。
2.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，两个镜面的所需的面形还通过磁控、热力或者弹簧进行面形修正来产生。
3.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，所述压电陶瓷片包括设于基底在折角处的上表面和下表面中的至少一个的第一压电陶瓷片，用以两个镜面的夹角微调。
4.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，所述第二压电陶瓷片采用叠堆式的压电陶瓷片来增加镜面曲率。
5.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，所述压电陶瓷片包括双列的第三压电陶瓷片，双列的第三压电陶瓷片设于基底在折角处以外的位置的上表面和下表面的至少一个上，每一列的第三压电陶瓷片的数量为多个且彼此间隔开，并通过局部位置的压电陶瓷片进行镜面局部面形误差的修正。
6.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，所述压电陶瓷片为单晶片形式或双晶片形式。
7.根据权利要求1所述的X射线压电变形镜，其特征在于，所述X射线压电变形镜的基底和光学反射膜的数量均为1个；或者，基底和光学反射膜的数量均为2个，使得所述X射线压电变形镜由两个平面镜拼接形成。
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