一种单毛细管内面形在线表征方法技术

本发明专利技术提供一种单毛细管的内面形的在线表征方法，包括：提供同步辐射光，对单毛细管在四个维度上进行调节，使光掠入射到单毛细管的内表面，形成环状聚焦光斑；在单毛细管的下游设置探测器，在单毛细管的上游或下游设置砂纸；对砂纸进行一维定步长扫描，采用探测器获取散斑图样；使单毛细管与砂纸的扫描方向发生相对旋转，且旋转角度为θ，重复上述步骤，直到获得对应于单毛细管的所有内表面的散斑图样；进行数据处理，并对单毛细管的内表面面形进行评估。本发明专利技术的方法通过使单毛细管与砂纸的扫描方向发生相对旋转，以适用于测量聚焦单毛细管的三维立体内表面面形，从而实现了对封闭三维的单毛细管的面形检测与评估。

【技术实现步骤摘要】
一种单毛细管内面形在线表征方法
本专利技术涉及一种面形的表征方法，具体涉及一种单毛细管的内面形的在线表征方法。
技术介绍
椭球聚焦镜是反射面为椭球面的单毛细管，具有反射效率高，体积小易于调节等特点，是透射X射线显微镜(TXM,TransmissionX-rayMicroscope)的关键光学元件。其主要作用是将次级光源点的X射线汇聚到样品点，提高样品点处的光通量密度；根据TXM成像系统要求，聚焦出射光的数值孔径应与照明波带片环状区域的数值孔径一致[1,2]。图1A-图1B为一种典型的椭球聚焦镜的示意图，其示出了椭球聚焦镜1的三维立体图和椭球聚焦镜1的圆环状的侧视图，其中H表示入口半径，h表示出口半径,L表示椭球聚焦镜1的长度，图中坐标x是沿着光路的方向，z垂直方向，y是左右水平方向。在TXM不同成像系统中使用的椭球聚焦镜1可能是一个长半轴为1m，短半轴为100-500微米的旋转椭球中长为100mm左右的一段。该椭球聚焦镜1的拉制难度很大，技术难点在于精确控制其内表面的面形误差[3]。椭球聚焦镜1的内表面是三维封闭的曲面，较难使用常规光学检测方法检测，目前还缺乏精确测量其内表面面形的方法。具体来说，常规镜子的内表面是开放的，因此对于常规镜子，其面形的测量仪器较多，例如：长程面形仪(LTP)和面形干涉仪等。但这些仪器需要镜子的表面是裸露的，并且只测量镜子一个维度的面形。椭球聚焦镜1是椭球的一段，其内表面是完全封闭三维的，常规的光学检测仪器无法实现对其内表面的三维检测。目前椭球聚焦镜1的内表面面形的检测方法主要是：假设拉伸过程中椭球聚焦镜1的外径与内径之比不变，检测椭球聚焦镜1的外径，推算其内径，得到内表面的面形。该方法假设条件一般难以满足，只能粗略检测椭球聚焦镜1的面形误差。此外另一种使用共聚焦与CT方法也实现了椭球聚焦镜1的内表面面形的测量，参见文献[4,5,6]。这两种方法的缺点是内表面的检测精度为微米级别，达不到适用纳米聚焦的椭球聚焦镜1的内表面检测要求。散斑测量法是近年来发展的一种新型的在线X射线光学元件面形检测方法。散斑测量法原理如下：一束具有一定空间相干性的X射线经过具有随机相位分布的散射体(例如砂纸)后，散射光与透射光的干涉叠加形成散斑。在菲涅尔衍射区域内，散斑的大小和形状不会改变，因此可以将其作为波前调制器对波前进行标记。在光路中安装待测元件后，标记波前的散斑将会产生形变，反应出了待测元件对波前的调制。按照固定步长移动散射体采集到的散斑图的不同位置记录了相应位置光束的波前畸变信息。因此，如图2A-图2D所示，在光源4的光入射至待测元件如椭球聚焦镜1时，采用砂纸2安装在待测元件如椭球聚焦镜1的上游扫描(如图2A、图2C所示)或者砂纸2安装在待测元件如椭球聚焦镜1的下游扫描(如图2B、图2D所示)的两种实验装置[7]，通过计算散斑图中散斑的形变可以来测量由待测元件引入的波前畸变，从而得到待测元件的面形误差[7]。用来计算散斑形变的通常是数字图像相关算法(DigitalImageCorrelationAlgorithm,DIC)算法[8]。现有技术提出了一种对散射体颗粒、探测器像素、噪声和相干性等因素对于散斑测量法精度的影响研究[9]，需要选择合适的探测器3与砂纸2之间的距离以确保散斑大小形状不变的特性不会改变，还需要选择合适的砂纸颗粒，以提高散斑法的测量精度和抗噪声性能。砂纸2安装在椭球聚焦镜1的上游扫描，计算得到椭球聚焦镜1的内表面面形的一阶导数，从而推导出椭球聚焦镜1的内表面面形的面形斜率；砂纸2安装在椭球聚焦镜1下游扫描，可以得到椭球聚焦镜1的内表面面形的曲率半径[10,11]。通过对砂纸前置测量得到的面形斜率积分，可以得到椭球聚焦镜1的面形分布。对比椭球聚焦镜1的实际测量面形与理论的面形，即可得到面形误差。由此即可分析椭球聚焦镜1的中心准直度等参数，评估椭球聚焦镜1的质量[11]；在同步辐射掠入射的条件下，椭球聚焦镜1局部面形的曲率半径近似等于该面形的二阶导数。因此，根据砂纸后置测量得到的椭球聚焦镜1面形局部的曲率半径的变化，可以评估和优化椭球聚焦镜1。在现有技术中，测量椭球聚焦镜1的波前斜率的具体过程如下：椭球聚焦镜1安装到光路中，砂纸2安装在椭球聚焦镜1前并沿着垂直于光路方向进行一维定步长扫描，光路最后放置探测器3记录扫描砂纸的散斑图样。为了定量推倒出光学元件的特性，根据入射光和出射光的转换关系，有如下线性关系式[7]：ψdet(m,ε)＝Γψin(ri,ε),ψdet(m′,ε)＝Γψin(rj,ε),ψdet(m′,ε)＝ψdet(m,ε+δε),其中，ψin(r,ε)表示入射光强度，ε表示扫描步长，ψdet(m,ε)表示探测器平面的光强，m表示探测器3的像素点序数，ri,rj表示砂纸的坐标，Γ是砂纸的几何放大倍率，δε表示探测器3上的第m与m′个像素点信号延迟。使用DIC算法计算砂纸扫描过程中探测器3上第m与m′个像素点最大相关位置的变化，可以得到信号延迟δε[10]：δε＝argmax∑ψdet(m,ε)ψdet(m′,ε)对于砂纸在前置测量装置，探测器3上像素点信号延迟与入射波相邻位置ri,rj之间距离成正比，即δr＝Γ-1δε，其中δr表示波前在镜面位置的变化。由合适的几何关系，对δr积分，得到入射光的波前位置，从而得到椭球聚焦镜1的波前斜率[10]。在现有技术中，测量椭球聚焦镜1的波前的局部曲率半径的，具体过程如下：将砂纸2放在椭球聚焦镜1的后端测量时，在小角近似的情况下，波前斜率与波前的局部曲率半径有如下关系[11]：φ是椭球聚焦镜1的镜面面上的波前相位，λ是波长，θ是波前斜率，l是砂纸扫描方向(扫描方向可以为y或者z方向)。同样定长扫描砂纸，可获得一系列砂纸的移动步长等间距的散斑序列图。再利用数字图像相关算法(DIC)计算出由散射体标记的波前的局部畸变所导致的散斑位移，则探测器平面所在平面测量到的局部波前曲率半径R可以被表示为[10,11]：其中，p是像素尺寸，μmm′是DIC计算的偏移量，ε是砂纸的扫描步长，d是砂纸到探测器3的距离。由于实验测量的为探测器平面所在的波阵面的局部曲率半径与镜面的局部曲率半径是相等的，因此得到曲率半径后，结合实际的几何关系，积分得到椭球聚焦镜1的面形分布，对比理论面形，可以得到椭球聚焦镜1的面形误差。然而，现有技术中的散斑追踪形成成像法和单个面形检测的原理不能直接用来测量椭球聚焦镜的面形，只能用来测量椭球聚焦镜的一个维度的面形。对于单毛细管的内面形，由于其形状如椭球聚焦镜、锥形管、抛物面管均是一个封闭的三维曲面，需要一种进一步改善的新技术才可以测量出单毛细管的如椭球聚焦镜的全部完整面形。参考文献：[1]RongHuang,DonaldH.Bilderback.Single-bouncemonocapillariesforfocusingsynchrotronradia本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单毛细管的内面形的在线表征方法，其用于表征一单毛细管的内表面面形，其特征在于，包括：/n步骤S1：提供一同步辐射光，将一单毛细管安装在一单毛细管调节机构上，采用所述单毛细管调节机构对所述单毛细管在四个维度上进行调节，使光掠入射到单毛细管的内表面，形成环状聚焦光斑；/n步骤S2：在所述单毛细管的下游设置一探测器，在所述单毛细管和所述同步辐射光源之间或在所述单毛细管和所述探测器之间设置一砂纸，并将该砂纸放置在一砂纸平移台上；/n步骤S3：采用所述砂纸平移台对砂纸进行一维的定步长的扫描，采用所述探测器获取砂纸在各个扫描位置上的散斑图样，该散斑图样对应于所述单毛细管的单维度上的内表面；/n步骤S4：使得所述单毛细管与砂纸的扫描方向发生相对旋转，且旋转角度为θ，随后重复所述步骤S3；/n步骤S5：重复所述步骤S4，直到获得对应于所述单毛细管的所有内表面的散斑图样；/n步骤S6：进行数据处理，并对单毛细管的内表面面形进行评估。/n

【技术特征摘要】
1.一种单毛细管的内面形的在线表征方法，其用于表征一单毛细管的内表面面形，其特征在于，包括：
步骤S1：提供一同步辐射光，将一单毛细管安装在一单毛细管调节机构上，采用所述单毛细管调节机构对所述单毛细管在四个维度上进行调节，使光掠入射到单毛细管的内表面，形成环状聚焦光斑；
步骤S2：在所述单毛细管的下游设置一探测器，在所述单毛细管和所述同步辐射光源之间或在所述单毛细管和所述探测器之间设置一砂纸，并将该砂纸放置在一砂纸平移台上；
步骤S3：采用所述砂纸平移台对砂纸进行一维的定步长的扫描，采用所述探测器获取砂纸在各个扫描位置上的散斑图样，该散斑图样对应于所述单毛细管的单维度上的内表面；
步骤S4：使得所述单毛细管与砂纸的扫描方向发生相对旋转，且旋转角度为θ，随后重复所述步骤S3；
步骤S5：重复所述步骤S4，直到获得对应于所述单毛细管的所有内表面的散斑图样；
步骤S6：进行数据处理，并对单毛细管的内表面面形进行评估。


2.根据权利要求1所述的单毛细管的内面形的在线表征方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述砂纸的扫描方向为沿水平方向y和竖直方向z，且在所述步骤S4中，通过采用所述单毛细管调节机构的第一旋转台转动角度θ，以带动所述单毛细管随之绕自身的轴心线转动θ角，来使得所述单毛细管与砂纸的扫描方向发生相对旋转，且旋转角度为θ。


3.根据权利要求2所述的单毛细管的内面形的在线表征方法，其特征在于，所述单毛细管调节机构包括一个四维平台和安装于所述四维平台上方的一个第一旋转台，所述单毛细管固定在所述第一旋转台上，所述第一旋转台设置为带动所述单毛细管绕自身的轴心线转动。


4.根据权利要求3所述的单毛细管的内面形的在线表征方法，其特征在于，所述四维平台为一个具有所述步骤S1中的四个维度的调节方向的样品台，所述四个维度为左右方向y、上下方向z、第二旋转方向R和俯仰方向u。


5.根据权利要求1所述的单毛细管的内面形的在线表征方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述砂纸的扫描方向与水平面夹角为α，α为任意大小，且在所述步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶芬，邓彪，田纳玺，杜国浩，谢红兰，肖体乔，
申请(专利权)人：中国科学院上海应用物理研究所，中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31