本發(fā)明涉及X射線探測(cè)和成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于CCD探測(cè)器的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦性能測(cè)試裝置與方法。

背景技術(shù)：

X射線的光學(xué)常數(shù)使其難以通過(guò)折射的方式實(shí)現(xiàn)聚焦，因此通常采用掠入射全反射的方式來(lái)進(jìn)行聚焦。目前X射線掠入射全反射光學(xué)系統(tǒng)包括KB型光學(xué)系統(tǒng)，Wolter型光學(xué)系統(tǒng)和X射線毛細(xì)管透鏡等，但它們?nèi)匀淮嬖谝恍┎蛔?。例如：KB型光學(xué)系統(tǒng)因受到掠入射相差和結(jié)構(gòu)等因素影響導(dǎo)致視野太小。Wolter型光學(xué)系統(tǒng)體積較大質(zhì)量笨重，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)用化。而X射線毛細(xì)管透鏡在1-5keV等X射線波段的能量傳輸效率較低，且造價(jià)昂貴。而源于龍蝦的視覺(jué)系統(tǒng)(lobster-eye，LE)的微孔光學(xué)元件(Micro-pore optics，MPO)，由于球面結(jié)構(gòu)沒(méi)有特定的光軸在任意方向上X射線會(huì)聚能力都相同，因此視野理論上能達(dá)到4π這是其他X射線光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法企及的。

MPO作為一種新型X射線波段光學(xué)成像光學(xué)元件，因其具有大視場(chǎng)、高分辨率、聚焦效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于X射線天文、X射線探針、X射線顯微鏡、粉末衍射儀、小角散射以及X射線熒光譜儀等多個(gè)領(lǐng)域。而MPO聚焦性能是作為X射線探測(cè)和成像系統(tǒng)的核心器件的最重要的參數(shù)，因此發(fā)明一種可以測(cè)量MPO聚焦性能的方法和裝置變得極為關(guān)鍵，而目前為止國(guó)內(nèi)外檢測(cè)都是基于同步輻射進(jìn)行檢測(cè)，但是操作麻煩，耗時(shí)太長(zhǎng)，運(yùn)行測(cè)試費(fèi)極其昂貴，實(shí)用、實(shí)時(shí)性差，而且X射線光束作用區(qū)域較小，難于滿足用戶的實(shí)際測(cè)試需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和問(wèn)題，本發(fā)明目的在于提供一種基于CCD 探測(cè)器的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦性能測(cè)試裝置與測(cè)試方法，可快速實(shí)現(xiàn)MPO X射線聚焦分析。

本發(fā)明的上述目的通過(guò)獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨(dú)立權(quán)利要求的技術(shù)特征。

為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提出一種基于CCD探測(cè)器的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦性能測(cè)試裝置，包括X射線光管、激光器、光闌、六維調(diào)整裝置、CCD探測(cè)器、激光測(cè)距儀、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡、水平調(diào)整裝置以及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，其中：

所述X射線光管、激光器布置在同一豎直方向的不同位置上，并且位置可調(diào)節(jié)地安裝在水平調(diào)整裝置上；

所述光闌、龍蝦眼X射線光學(xué)元件、CCD探測(cè)器放置在同一光軸上，并且所述X射線光管、激光器均位置可調(diào)節(jié)地與光闌、龍蝦眼X射線光學(xué)元件以及CCD探測(cè)器共光軸；

所述六維調(diào)整裝置用于提供所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的調(diào)整平臺(tái)；

所述激光測(cè)距儀設(shè)置在CCD探測(cè)器的下方，并且朝向所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的方向，用于探測(cè)龍蝦眼X射線光學(xué)元件與該激光測(cè)距儀的距離；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換卡與激光測(cè)距儀連接，用于對(duì)所述距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；

所述計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，根據(jù)所述距離發(fā)出控制信號(hào)調(diào)整六維調(diào)整裝置的位置和狀態(tài)使CCD探測(cè)器保持處于龍蝦眼X射線光學(xué)元件的焦距位置處，使龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦效果最明顯；

所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡設(shè)置在計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)與六維調(diào)整裝置之間，用于對(duì)所述控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換以使所述六維調(diào)整裝置運(yùn)動(dòng)；

所述水平調(diào)整裝置還經(jīng)由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡連接至所述計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)，并根據(jù)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的校準(zhǔn)信號(hào)控制水平調(diào)整裝置以實(shí)現(xiàn)X射線光管與激光器的布置位置的切換。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件由500萬(wàn)～1000萬(wàn)根單通道構(gòu)成的球面，每個(gè)通道為空心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通道指向球心，通道截面為正方形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)尺寸可為10μm～1000μm，球面曲率半徑可為100mm～1000mm。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述通道內(nèi)表面均鍍有一層金屬反射膜，鍍膜后微孔內(nèi)壁表面粗糙度小于1nm，用于增加X(jué)射線反射率。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述金屬反射膜采用金屬銅、鎢、銥、鉑、金中的一種或者多種。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述激光測(cè)距儀位于CCD探測(cè)器正下方，并與所述光軸成45°夾角。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述激光器為可見(jiàn)光激光器，例如紅外He-Ne激光器。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的焦距f，由所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的曲率半徑與所述X射線光管到龍蝦眼X射線光學(xué)元件的距離共同決定，即S為X射線光管點(diǎn)光源到龍蝦眼X射線光學(xué)元件的距離，R為龍蝦眼X射線光學(xué)元件的曲率半徑。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

1、提供了一種可以測(cè)試MPO聚焦性能的裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)定性定量分析；

2、整個(gè)測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好、測(cè)試成本低，使用方便，能滿足用戶的實(shí)際要求；

3、可實(shí)現(xiàn)對(duì)MPO不同區(qū)域聚焦分析；

應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細(xì)地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開(kāi)的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護(hù)的主題的所有組合都被視為本公開(kāi)的發(fā)明主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導(dǎo)的前述和其他方面、實(shí)施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實(shí)施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見(jiàn)，或通過(guò)根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具體實(shí)施方式的實(shí)踐中得知。

附圖說(shuō)明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個(gè)圖中示出的每個(gè)相同或近似相同的組成部分可以用相同的標(biāo)號(hào)表示。為了清晰起見(jiàn)，在每個(gè)圖中，并非每個(gè)組成部分均被標(biāo)記。現(xiàn)在，將通過(guò)例子并參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的各個(gè)方面的實(shí)施例，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的基于CCD探測(cè)器的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦性能測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)水平調(diào)整裝置和六維調(diào)整裝置的調(diào)整過(guò)程示意圖。

圖3是本發(fā)明某些實(shí)施例的龍蝦眼X射線光學(xué)元件示意圖。

圖4為本發(fā)明某些實(shí)施例的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦的原理示意圖。

圖5為本發(fā)明某些實(shí)施例的龍蝦眼X射線光學(xué)元件不同位置處的光強(qiáng)圖。

具體實(shí)施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說(shuō)明如下。

在本公開(kāi)中參照附圖來(lái)描述本發(fā)明的各方面，附圖中示出了許多說(shuō)明的實(shí)施例。本公開(kāi)的實(shí)施例不必定意在包括本發(fā)明的所有方面。應(yīng)當(dāng)理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實(shí)施例，以及下面更加詳細(xì)地描述的那些構(gòu)思和實(shí)施方式可以以很多方式中任意一種來(lái)實(shí)施，這是因?yàn)楸景l(fā)明所公開(kāi)的構(gòu)思和實(shí)施例并不限于任何實(shí)施方式。另外，本發(fā)明公開(kāi)的一些方面可以單獨(dú)使用，或者與本發(fā)明公開(kāi)的其他方面的任何適當(dāng)組合來(lái)使用。

結(jié)合圖1和圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種基于CCD探測(cè)器的龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦性能測(cè)試裝置，包括X射線光管1、激光器2、光闌3、六維調(diào)整裝置10、CCD探測(cè)器5、激光測(cè)距儀6、模數(shù)轉(zhuǎn)換卡7、數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9、水平調(diào)整裝置11以及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8。

計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8作為主控單元，與所述水平調(diào)整裝置11和六維調(diào)整裝置10之間分別通過(guò)所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9連接，與激光測(cè)距儀6之間通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡7連接，并且與所述CCD探測(cè)器5連接。

所述被檢測(cè)的龍蝦眼X射線光學(xué)元件放置在六維調(diào)整裝置10上。

結(jié)合圖1所示，所述X射線光管1、激光器2布置在同一豎直方向的不同位置上，并且位置可調(diào)節(jié)地安裝在水平調(diào)整裝置11上。

所述光闌3、龍蝦眼X射線光學(xué)元件4、CCD探測(cè)器5放置在同一光軸上，并且所述X射線光管1、激光器2均位置可調(diào)節(jié)地與光闌3、龍蝦眼X射線光學(xué)元件4以及CCD探測(cè)器5共光軸。光闌3用以限制X射線照射區(qū)域。

所述六維調(diào)整裝置10用于提供所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的調(diào)整平臺(tái)。

所述激光測(cè)距儀6設(shè)置在CCD探測(cè)器5的下方，并且朝向所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件4的方向，用于探測(cè)龍蝦眼X射線光學(xué)元件4與該激光測(cè)距儀6的距離。

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換卡7與激光測(cè)距儀6連接，用于對(duì)所述距離測(cè)量結(jié)果進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

所述計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8連接至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換卡7，根據(jù)所述距離發(fā)出控制信號(hào)調(diào)整六維調(diào)整裝置10的位置和狀態(tài)使CCD探測(cè)器5保持處于龍蝦眼X射線光學(xué)元件4的焦距位置處，使龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦效果最明顯。

所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9設(shè)置在計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8與六維調(diào)整裝置10之間，用于對(duì)所述控制信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換以使所述六維調(diào)整裝置運(yùn)動(dòng)。

所述水平調(diào)整裝置11還經(jīng)由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9連接至所述計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8，并根據(jù)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)的校準(zhǔn)信號(hào)控制水平調(diào)整裝置以實(shí)現(xiàn)X射線光管與激光器的布置位置的切換。

結(jié)合圖1、圖2所示，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，按照下述方式進(jìn)行MPO聚焦效率的測(cè)試：

(1)依次將所述激光器2、光闌3、龍蝦眼X射線光學(xué)元件4、CCD探測(cè)器5放置在光軸上；

(2)調(diào)整所述激光器2與光闌3、龍蝦眼X射線光學(xué)元件4、以及CCD探測(cè)器5，使其中心都在光軸上，校準(zhǔn)后將所述X射線光管移動(dòng)至光路中，移出激光器；

(3)將所述激光測(cè)距儀6放置于所述CCD探測(cè)器的正下方H處，測(cè)定與龍蝦眼X射線光學(xué)元件的距離，計(jì)算得出龍蝦眼X射線光學(xué)元件的焦距f；前述H為激光測(cè)距儀與CCD探測(cè)器的垂直距離；

(4)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，移動(dòng)所述六維調(diào)整裝置10的位置和狀態(tài)，保持CCD探測(cè)器處于MPO焦距f位置處,使龍蝦眼X射線光學(xué)元件聚焦效果最明顯；

(5)移動(dòng)所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件進(jìn)行全口徑二維掃描，CCD探測(cè)器記錄成像結(jié)果，計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8通過(guò)對(duì)記錄圖像進(jìn)行拼接和處理，得到焦距、焦斑、空間角分辨率等多個(gè)聚焦性能指標(biāo)。這樣的圖像拼接和處理，可以按照現(xiàn)有的一些性能指標(biāo)公式來(lái)計(jì)算得到。

所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件與所述CCD探測(cè)器之間的焦距f，并將距離H＝f的信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡變成數(shù)字信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8。

通過(guò)所述計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8的光強(qiáng)與焦距的分析計(jì)算，將調(diào)整信息通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9傳遞給所述五維調(diào)整裝置10。優(yōu)選地，六維調(diào)整裝置的步進(jìn)精度小于1um，角位移精度小于1弧分，有助于減少X射線二維掃描時(shí)所帶來(lái)的系統(tǒng)誤差。

優(yōu)選地，水平調(diào)整裝置11的步進(jìn)精度小于1um，所述X射線光管和激光器安置在上面。

優(yōu)選地，結(jié)合圖3，所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件由500萬(wàn)～1000萬(wàn)根單通道構(gòu)成的球面，每個(gè)通道為空心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通道指向球心，通道截面為正方形對(duì)稱結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)尺寸可為10μm～1000μm，球面曲率半徑可為100mm～1000mm。

在一些具體的例子中，龍蝦眼X射線光學(xué)元件(MPO)的成分為玻璃材質(zhì)，其外形呈球面，曲率半徑可為100mm-5000mm，面型精度優(yōu)于200nm，外形尺寸可為20mm-200mm，厚度可為0.5mm-5mm，內(nèi)由500萬(wàn)-1000萬(wàn)根單通道構(gòu)成，通道為空心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，貫穿元件厚度，通道截面為正方形對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

所述通道內(nèi)表面均鍍有一層金屬反射膜，鍍膜后微孔內(nèi)壁表面粗糙度小于1nm，用于增加X(jué)射線反射率。

結(jié)合圖4所示，X射線光源即X射線光管1發(fā)出的X射線光束經(jīng)過(guò)MPO會(huì)聚于焦平面位置CCD探測(cè)器B，R為曲率半徑，S為點(diǎn)光源到MPO得距離，f為探測(cè)器到MPO的距離。由圖4中幾何關(guān)系可以得到，：

∴α＝∠EBA＝∠BEC+∠EBC

在X射線全反射情況下都非常小，，則由數(shù)值幾何關(guān)系可以得到：

所述金屬反射膜采用金屬銅、鎢、銥、鉑、金中的一種或者多種。

結(jié)合圖1，所述激光測(cè)距儀6位于CCD探測(cè)器正下方，并與所述光軸成45°夾角。

由于X射線不可見(jiàn)，不方便操作人員調(diào)節(jié)，且對(duì)人體有傷害，所以我們先用激光器進(jìn)行校準(zhǔn)尋找光軸。激光器2優(yōu)選為可見(jiàn)光激光器，波段為可見(jiàn)光，例如紅外He-Ne激光器，用于代替X射線進(jìn)行校準(zhǔn)，可較少對(duì)人體的傷害。

所述X射線光管1和激光器1被放置在水平調(diào)整裝置上，通過(guò)精密的機(jī)械調(diào)整，使得X射線光管1和激光器2交替進(jìn)入光路，當(dāng)激光器2進(jìn)入導(dǎo)軌上，是校準(zhǔn)狀態(tài)，當(dāng)X射線光管1移入光軸中，是對(duì)MPO進(jìn)行聚焦測(cè)試的狀態(tài)。

所述X射線光管1移入導(dǎo)軌內(nèi)，發(fā)出X射線束，經(jīng)過(guò)所述光闌照射到所述MPO上，X射線束聚焦后成十字圖像被放置在焦距處所述CCD探測(cè)器所探測(cè)，移動(dòng)所述MPO進(jìn)行全口徑二維掃描，探測(cè)不同位置處的聚焦情況。

所述CCD探測(cè)器5記錄圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行函數(shù)擬合，得到焦距、焦斑、光強(qiáng)分布和空間角分辨率等多個(gè)聚焦性能指標(biāo)。

圖像記錄的方式為離線記錄圖像文件或在線實(shí)時(shí)顯示圖像并保存。

X射線光管1的X射線光子能量可為5-20keV。

所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的焦距f，由所述龍蝦眼X射線光學(xué)元件的曲率半徑與所述X射線光管到龍蝦眼X射線光學(xué)元件的距離共同決定，即S為X射線光管點(diǎn)光源到龍蝦眼X射線光學(xué)元件的距離，R為龍蝦眼X射線光學(xué)元件的曲率半徑。

結(jié)合圖1所示，激光測(cè)距原理：調(diào)整所述MPO 4與CCD探測(cè)器5的之間的水平距離，使得該位移等于所述MPO的焦距f，將激光位移傳感器6與CCD探測(cè)器5之間垂直距離H記為h1，儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)8中。運(yùn)行后，激光測(cè)距儀6實(shí)時(shí)測(cè)定垂直距離H，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換卡7將信號(hào)變成數(shù)字信息傳遞給所述信號(hào)處理系統(tǒng)8；系統(tǒng)將測(cè)定距離結(jié)果與h1比較計(jì)算得出偏差，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換卡9將偏差信息傳遞給維精密調(diào)整裝置10以調(diào)整距離H，保持所述CCD探測(cè)器5處于所述MPO焦距f位置處。

結(jié)合圖4、圖5，本發(fā)明的性能測(cè)試裝置的工作原理如下：首先利用激光器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)光路，確保光源、MPO、光闌以及CCD探測(cè)器四者在同一光軸上，其次將X射線光源移入光路中，通過(guò)激光測(cè)距儀測(cè)定MPO的焦距f，如果符合CCD探測(cè)器開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)保存在電腦中，如果不符合則通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)整六維調(diào)整裝置的狀態(tài)，使其CCD探測(cè)器的位置處于其處；調(diào)整結(jié)束后，CCD開(kāi)始記錄X射線聚焦成像數(shù)據(jù)。記錄此刻數(shù)據(jù)后，移動(dòng)移動(dòng)六維調(diào)整裝置進(jìn)行二維掃描，觀測(cè)并保存不同位置處的X射線聚焦成像情況便于后續(xù)處理。

假設(shè)X射線光源離球面方孔MPO的距離為S＝450mm，球面方孔的曲率為R＝500mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示，X射線探測(cè)的焦距為f＝161mm，與理論推導(dǎo)的結(jié)果基本相符f＝160.7mm。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。