一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于D‑H坐标系的KB镜成像优化方法，可以提高KB镜的成像效果。一种基于D‑H坐标系的KB镜成像优化方法，包括：S1、设计KB显微成像系统；S2、KB镜结构仿真；S3、KB镜光学仿真，通过仿真获得光线像差，并分析得到：子午方向的成像质量随着视场角度的变化规律；弧矢方向的成像质量随着视场角度的变化规律；S4、基于步骤S3的仿真结果，通过调整前镜M

【技术实现步骤摘要】
一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法
本专利技术涉及KB显微镜
，特别是涉及一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法。
技术介绍
1948年，Kirkpatrick和Baez最早设计的KB结构显微镜，其特点是通过子午和弧矢方向的像散补偿，有效地解决了点对点成像的问题。目前，镀膜KB显微镜已广泛用于同步辐射。Seward等于1976年最早将其应用在激光等离子体中诊断热等离子体成像和软X射线Kα辐射，之后Fleurot等配合条纹相机和Richardson等配合光栅谱仪进一步优化了KB镜的应用，已在美国OMEGA、Z-beamlet、NIF激光器以及在法国(LMJ)装置上应用于惯性约束聚变(ICF)诊断，甚至Ren′eHudec将KB显微镜与“虾眼”结合应用做了评述。GiacomoResta等论证了基于12cm长的抛物面嵌套KB显微镜。而在“神光Ⅱ”装置诊断中已建立的国内首套“四通道KB+分幅相机”。针对流体力学不稳定性增长、烧蚀演化、等离子压缩均匀性等一系列ICF物理实验，多色KB镜获得了丰富的表征等离子体温度和面密度的定量化诊断信息。KB镜系统也是上海光源梦之线的关键部件，直接影响到光束线的整体性能。此外，KB镜也是神光激光装置的重要诊断工具，以多层膜技术的ICF用KB显微镜的空间分辨率约3～5μm，但掠入射角非常小，只有2°左右。而我国神光系列ICF装置上的内爆成像诊断对KB显微镜的高光谱分辨和高空间分辨要求，且单色光聚焦光斑尺寸非常小，KB镜姿态对于聚焦光斑的大小至关重要。因此，对KB镜系统的设计、加工、安装和调试都提出了非常高的要求。目前，在高能等离子体X射线诊断中的Kirkpatrick-Baez(KB)高分辨显微控制非常困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法，可以提高KB镜的成像效果。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法，包括：S1、设计KB显微成像系统包括两KB镜：前镜M1、后镜M2，前镜M1、后镜M2相互独立，非耦合式，且具有相同的聚焦模式，前镜M1将水平面的X射线汇聚成一条竖直的线；后镜M2再将竖直的线汇聚成一点，O1和O2是它们的顶点和坐标泵x1η1z′1和x2η2z′2的原点，O0O1O2O和分别是系统的基光线和主光线，α1，β1，α2，β2分别表示M1，M2上的入射角和反射角，M1和M2的中心距为d，u1，v1分别为光源S0在垂直和水平方向的物方视场角，u′1、v′1分别为垂直和水平方向的像方视场角，∑1，∑2分别是M1，M2在像距为γ′m1，γ′0的像面，S1为主光线在∑1上的虚投影点，B2为基光线在∑2上的实投影点；忽略前镜M1、后镜M2的成像关系相互影响，KB镜子午方向的聚焦方程为：式中：p与q分别为光源到M1中心的物距和M2中心到理想像面的像距；R1和R2为两镜面曲率半径，α1和α2分别是物距和像距的入射角；S2、KB镜结构仿真将前镜M1、后镜M2分别安装在5自由度支架上，所述5自由度支架可以X轴向平移、Y轴向平移、Z轴向旋转、Z轴向升降以及调整KB镜的倾斜角度，将5自由度支架设为视为5关节机械手，相邻关节之间视为机械手的连杆，采用DH表示法建立前镜M1、后镜M2的逆运动学方程，进而推导支架各关节的位置及角度，按照DH坐标系，根据空间矩阵的位姿关系，5自由度运动学方程如下：采用标准DH坐标系，{i}的Z轴与机械手关节i+1的轴线重合，X轴沿两个关节i+1与i+2轴线的公垂线，二者交点为原点，Y轴满足右手定则；双系统则为两套D-H算法复合，连杆与相邻连杆之间的关系用4个参数表示，即：用来表示连杆的参数是连杆长度ai和连杆扭角αi，用来描述相邻连杆关系的参数是连杆距离di和连杆夹角θi；给定机械手各杆件的几何参数和关节变量后，求解末端连杆坐标系相对于基坐标系的位姿，为建立运动学方程，用齐次变换矩阵来表示连杆i坐标系在连杆i-1坐标系中的位姿关系，根据改进型DH算法，建立坐标系可得：式中，s表示正弦函数sin，c表示余项函数，本结构中，i值取1～5，依次可得：于是各KB镜的运动学方程为：式中，m＝α1+α2+α3cθ+α4cθ+α5cθ，n＝α3sθ+α4sθ+α5sθ。设前镜M1、后镜M2的距离为d,其在坐标系中与x\y\z分别为α\β\γ,于是平移算子：式中：满足Δx＝dcosα,Δy＝dcosβ,Δz＝dcosγ；然后根据双5自由度进行计算，得到10自由度,假定TM1与TM2是前镜M1、后镜M2的5自由度运动方程，两者的空间距离为平移算子，按照右乘法则，推导出双5自由度的KB镜的复合运动方程为：Tkb＝TM1trans(Δx，Δy，Δz)TM2.(7)S3、KB镜光学仿真通过仿真获得光线像差，并分析得到：子午方向的成像质量随着视场角度的变化规律；弧矢方向的成像质量随着视场角度的变化规律；S4、基于步骤S3的仿真结果，通过调整前镜M1、后镜M2的位姿和距离，提高KB镜的成像效果。优选地，所述5自由度支架包括从下到上分别安装的X轴向平移台、Y轴向平移台、Z轴向旋转台、Z轴向升降台，以及用于调整KB镜倾斜角度的倾斜台。优选地，步骤S3中，运用光学软件进行仿真。优选地，步骤S3中，子午方向的成像质量随着视场角度的增大而逐渐变低；弧矢方向的成像质量随着视场角度的增大而逐渐变高。由于采用了上述技术方案，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术基于KB镜系统的设计，提出了基于双5自由度结构和调试方法，其中非球面KB镜系统由两块正交布置的掠入射椭圆柱面的反射镜构成，分别在子午和弧矢方向实现聚焦，为我国大装置高分辨诊断提供实验参考。本专利技术基于Denauit–Hartenbery(DH)原理，率先提出了双5自由度KB镜成像结构，分析了双机械手的各个连杆坐标系和位姿结构的运动学方程，从理论上分析双5自由度KB镜的像差。在此基础上搭建双5自由度KB镜光路系统，编制了KB镜控制流程，并获取了清晰的十字成像。实验结果表明，该方法设计的双5自由度机械手控制方法可以实现KB镜的精确控制从而得到高精度分辨成像效果。本专利技术通过光学系统设计，分析球面晶体KB显微镜的像散、像面倾斜、球差和彗差等像差，探索物方视场与像面倾斜、球差和彗差的响应规律，建立椭圆晶体KB显微成像系统的最佳像差校正方案附图说明图1为X射线衍射晶体KB显微镜模型图2为球面KB镜多刚体复合运动示意图及D-H坐标；图3为光线像差示意图；图4为调节KB镜成像控制实验流程；图5为实验成像效果图。具体实施方式1.KB显微镜设计1.1.椭圆晶体KB显微成像系统结构理论系统如图1所示：前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法，其特征在于，包括：/nS1、设计KB显微成像系统/n包括两KB镜：前镜M

【技术特征摘要】
1.一种基于D-H坐标系的KB镜成像优化方法，其特征在于，包括：
S1、设计KB显微成像系统
包括两KB镜：前镜M1、后镜M2，前镜M1、后镜M2相互独立，非耦合式，且具有相同的聚焦模式，前镜M1将水平面的X射线汇聚成一条竖直的线；后镜M2再将竖直的线汇聚成一点，O1和O2是它们的顶点和坐标系x1η1z′1和x2η2z′2的原点，O0O1O2O′和分别是系统的基光线和主光线，α1,β1,α2,β2分别表示M1,M2上的入射角和反射角，M1和M2的中心距为d,u1,v1分别为光源S0在垂直和水平方向的物方视场角，u′1、υ′1分别为垂直和水平方向的像方视场角，∑1,∑2分别是M1,M2在像距为γ′m1,γ′0的像面，S1为主光线在∑1上的虚投影点，B2为基光线在∑2上的实投影点；
忽略前镜M1、后镜M2的成像关系相互影响，KB镜子午方向的聚焦方程为：






式中：p与q分别为光源到M1中心的物距和M2中心到理想像面的像距；R1和R2为两镜面曲率半径，α1和α2分别是物距和像距的入射角；
S2、KB镜结构仿真
将前镜M1、后镜M2分别安装在5自由度支架上，所述5自由度支架可以X轴向平移、Y轴向平移、Z轴向旋转、Z轴向升降以及调整KB镜的倾斜角度，将5自由度支架设为视为5关节机械手，相邻关节之间视为机械手的连杆，采用DH表示法建立前镜M1、后镜M2的逆运动学方程，进而推导支架各关节的位置及角度，按照DH坐标系，根据空间矩阵的位姿关系，5自由度运动学方程如下：



采用标准DH坐标系，{i}的Z轴与机械手关节i+1的轴线重合，X轴沿两个关节i+1与i+2轴线的公垂线，二者交点为原点，Y轴满足右手定则；双系统则为两套D-H算法复合，连杆与相邻连杆之间的关系用4个参数表示，即：
用来表示连杆的参数是连杆长度ai和连杆扭角αi，用来描述相邻连杆关系的参数是连杆距离di和连杆夹角θi；
给定机械手各杆件的几何参数和关节变量后，求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王洪建，蒋昀赟，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50