一种X射线双镜系统的相对角度振动高精度测量装置及方法

本发明属于光学系统，涉及一种x射线双镜系统的相对角度振动高精度测量装置及方法。

背景技术：

1、以角度量为代表的精密测量是精密制造装配领域的重要组成部分，在大型光学镜面制造装配中发挥重要作用。如在大型光学镜面制造装配中，巨型口径太阳望远镜反射镜面由多个镜面拼接得到，通过位移与倾斜角的检测可实现镜位姿的矫正。角度测量在同步辐射的镜面制造装配中应用广泛，同步辐射束线站分布着大量的光学元件，如欧洲同步辐射装置(european synchrotron radiation facility，esrf)的id16b光束线站包含调整光路位置的双白光镜(double white beam mirror,dwm)、将光源变为所需单色光的双晶单色器(double crystal monochromator,dcm)以及聚焦用的kb镜(krikpatrick-baezmirror)。为得到高纯度光谱，上海光源xafs光束线站包含高次谐波抑制镜。对于长度可达几十米的线站，微小的角度差异可导致出射光方向产生巨大偏移或光束效果产生剧烈偏差，因此高精度的角度测量对同步辐射线站光学仪器的装调具有重要意义。

2、现有的基于光学的成熟商业角度测量仪器，如自准直仪、激光干涉仪被广泛应用于光学元件的角度测量中，如德国moller wedel公司生产的型号为elcomat hr的高精度光电自准直仪，其分辨率可达0.005角秒，10角秒内的测量精度达±0.01角秒。国产的奥特梅尔高精度光电自准直仪，分辨率可达0.01角秒，±100角秒内的测量精度可达0.1角秒。雷尼绍的xl-80激光干涉仪以及是德科技的5530激光校准系统，配合测角光学元件也可实现高精度的角度测量。这些仪器被广泛应用于线站光学仪器的装调中，如上海同步辐射装置软x射线谱学显微光束线站利用自准直仪对包含角平面光栅单色仪中的平面镜与光栅转角的重复性进行测量；德国第三代同步辐射光源petra iii也利用激光干涉仪对单个晶体的角度振动进行测量。自准直仪角度测量原理如图1(a)所示，光经过光阑、分光棱镜以及物镜后，形成投射至无穷远的准直出射光，经平面镜反射与物镜聚焦后，像点落于光电接收器平面上，通过测量光电接收器上像点位移的距离△y，可求出反射镜的旋转角。刘楷等人提出将反射镜安装在上待测镜上进行测量(参考刘楷，薛松，卢启鹏等.变包含角平面光栅单色仪的机械精度分析与测试[j].核技术.2009,32(12),881-884)，激光干涉仪测角原理如图1(b)所示，激光器发出的光经偏振分光棱镜后，分成平行偏振光(p光，对应图中细黑线)与垂直偏振光(s光，对应图中虚线)，经过两次1/4波片与被测反射镜反射后，光的偏振态改变，且分别至角锥棱镜，经角锥棱镜反射，又一次经过1/4波片与被测反射镜后，出射光被光电接收器所接收。根据角度干涉仪中，反射镜与偏振分光棱镜的距离，以及信号接收器收到的位置信号的变化量，可以求出被测反射镜的旋转角度。还有文献报道将被测反射镜安装在单色器上进行使用(参考p.kristiansen,j.horbach,r.dohrmannb,et al.vibrationmeasurements of high-heat-load monochromators for desy petra iii extension[j].j.synchrotron rad,2015,22,879-885)。

3、在同步辐射光源中，上述测量方法很好地解决了单个光学仪器的角度测量问题，却无法满足相对位置间隔极小的双镜系统相对角度振动的测量需求。成对出现的光学元件在同步辐射x射线光源线站中十分常见，例如，成对设计的谐波抑制镜子可抑制基于光栅方程与布拉格公式产生的单色光中的高次谐波的同时保证出射光的传播方向与入射光平行；双晶单色器也是双镜结构的光学器件，通过调整两块晶体的姿态，可以改变输出光源的波长；此外，成对出现的白光镜可以实现出射光在水平或高度方向的平移。且在x射线光源中，许多双镜结构都设计的十分紧凑，如高能同步辐射光源(heps)x射线吸收谱学线站的谐波镜光机设计中双镜的最大可调间隔仅仅8mm。对于双镜系统，保证两个光学镜面初始装调时相对平行、测量镜面的相对角度振动十分必要。因此，针对双镜系统相对角度振动测量方法也引起了广泛关注。如图2(a)设计了一套利用双狭缝与ccd相机组成的双镜系统角度振动测量系统，在自准直仪光束前，加一道狭缝，在狭缝后再加两道平行的狭缝，使得出射光经过准直物镜后，变为两道平行光，一道平行光不经过被测镜反射，透过目镜，直接由ccd相机接收，作为参考光；另一道平行光经过两个被测镜反射，作为测量光，通过图像处理得到这两束光在ccd上形成光条的距离，计算两个镜子的相对振动。图2(b)所示的电容传感器测量方法将电容传感器安装于双晶单色器之间，调整电容传感器两端的距离与平行度，实现基于非光学的角度测量方法。

4、基于商业自准直仪或激光干涉仪的角度测量方案已十分成熟，但是在测量间隔极小的双镜系统角度振动时，自准直仪体积过大，不能直接与其中一面被测镜固定，测另一被测镜的相对转动；其次，自准直仪典型的出射光斑大小为50mm，而同步辐射x射线双镜系统的镜子间隔通常远小于50mm，从束线上游入射的自准直仪光束会由于镜子的遮挡而无法通过两个镜面，从而无法测量。因此，图2(a)中所示的双狭缝与ccd相机的测量方法对自准直仪的测量方法进行改进，利用狭缝改变准直光源的形状与大小，解决了光线在被测镜面两次反射光线遮挡的问题，但是，该方案的双狭缝的间隔需要根据不同的被测镜进行调整，在面对不用应用时，需要更换不同间隔的双狭缝装置，因此这种方法无法同时满足所有双镜系统的角度测量需求。如图1(b)所示的基于激光干涉仪的测角方法，需要将角度干涉仪以及角锥棱镜与双镜系统中一面被测镜固定，才能实现双镜系统相对角度测量，然而极小的空间中安装角度干涉仪十分困难。尽管存在小体积的激光干涉仪，以及基于电容传感器的测量方法，它们仍需要将测量装置的一部分与被测镜相连，这种接触会影响镜子真实的振动情况，对测量不利。因此现在亟需一种相对角度振动测量方法实现对x射线近距间隔的双镜系统的装调测试。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种x射线双镜系统的相对角度振动高精度测量装置及方法。本发明致力于解决同步辐射线站中用于x射线成像的近距间隔双镜系统光学器件的相对角度振动高精度测量问题。

2、本发明主要内容包括：

3、1、x射线近距间隔双镜系统相对角振动高精度测量方法。

4、1.1本发明的装置由相对位置固定的激光器、位置敏感探测器(psd)、平面反射镜以及聚焦透镜组成，待测的双镜系统置于激光器与平面反射镜之间。

5、1.2本发明可测量双镜系统的相对角度振动，当双镜系统间隔较近时(仅需大于激光器光束大小)，也可实现角度测量。

6、1.3本发明中，由激光器发出的光束2次经过双镜系统，测量分辨率提升4倍。

7、2、x射线近距间隔双镜系统的测量误差分析

8、2.1分析了双镜距离间隔与测量误差的关系，得出双镜距离越大，误差越小的结论。

9、2.2分析了透镜焦距与测量误差的关系，得出透镜焦距越大，误差越小的结论。

10、2.3分析了被测镜初始倾斜角度与测量误差的关系，得出初始角度对测量影响在测量正方向与负方向的趋势相反的结论。在测量正方向时，初始角度越小，误差越小；在测量负方向时，初始角度越小，误差越大；

11、2.4分析了双镜系统在测量系统中的位置与测量误差的关系，得出双镜系统越靠近激光器一侧，测量测量误差越小。

12、2.5根据分析结果，指导实际测量中双镜系统的摆放、光学器件的选择，达到提高测量精度的目的。

13、3、提出基于简化函数的测量误差修正方法

14、3.1对系统的测量误差进行泰勒展开，简化误差表达式，修正测量误差，提高测量精度。

15、3.2估计测量系统的初始参数，包括双镜距离间隔、透镜焦距、被测镜初始倾斜角以及双镜系统在测量系统中的位置，带入简化的误差表达式，得到在不同测量条件下的误差函数曲线。

16、3.3分析了双镜距离间隔、透镜焦距、被测镜初始倾斜角以及双镜系统在测量系统中的位置这四项参数的估计误差对误差修正的影响。

17、3.4模拟被测镜初始倾斜角以及双镜系统在测量系统中的位置这两项估计存在误差时对精度修正的影响，得出当这两项估计值的偏差在合理范围内(小于10％的误差)时，基于简化函数的测量误差修正方法对该测量系统仍能实现有效的误差修正。

18、本发明的技术方案为：

19、一种x射线双镜系统的相对角度振动高精度测量装置，其特征在于，包括激光器、聚焦单元、分光单元、反射镜、位置探测传感器和数据处理单元；所述聚焦单元与所述反射镜之间的光程为所述聚焦单元的焦距f；

20、所述激光器输出的光束经所述分光单元入射到待测量的双镜系统，依次经所述双镜系统的第一被测镜、第二被测镜反射到达所述反射镜；

21、所述反射镜，用于将入射光束反射到所述双镜系统，依次经所述第二被测镜、第一被测镜反射入所述分光单元；

22、所述分光单元，用于将经所述第一被测镜反射入的光束入射到所述聚焦单元，形成平行光并入射至所述位置敏感探测器；

23、所述位置探测传感器，用于根据接收的入射光束生成监测图像并发送给所述数据处理单元；

24、所述数据处理单元，用于根据所述监测图像、所述双镜系统的参数和焦距f得到所述双镜系统的角度振动结果δαfinal。

25、进一步的，所述数据处理单元首先根据所述监测图像获取光信号的位置偏移δy，然后计算第一被测镜与第二被测镜的相对振动初值然后根据得到所述角度振动结果δαfinal；其中，对误差公式error(δα)在零点处进行四阶泰勒展开得到f(△α)，所述误差公式

26、

27、第一被测镜与第二被测镜初始状态为平行且倾斜角度为θ，d1为第一被测镜到所述聚焦单元的中心的距离，δd为第一被测镜与第二被测镜的间隔。

28、进一步的，所述双镜系统越靠近所述聚焦单元，测量精度越高。

29、进一步的，所述第一被测镜与所述第二被测镜的间隔δd越大，测量精度越高。

30、进一步的，所述第一被测镜、所述第二被测镜的初始倾斜角度θ，在正方向与负方向对精度影响趋势相反，在测量正方向时，θ越小，误差越小；在测量负方向时，θ越小，误差越大。

31、进一步的，所述焦距f越大，测量精度越高。

32、进一步的，所述聚焦单元为凸透镜。

33、进一步的，所述分光单元为分光棱镜。

34、一种基于所述x射线双镜系统的相对角度振动高精度测量装置的角度振动测量方法，其步骤包括：

35、1)将待测量的双镜系统放置在所述分光单元与所述反射镜之间，测得所述双镜系统初始状态时的监测图像并发送给所述数据处理单元；

36、2)获取当前时刻所述双镜系统的监测图像并发送给所述数据处理单元；

37、3)所述数据处理单元根据所述监测图像中光信号的位置偏移δy以及焦距f，计算得到第一被测镜与第二被测镜的相对振动初值然后根据得到所述角度振动结果δαfinal；其中，对误差公式error(δα)在零点处进行四阶泰勒展开得到f(△α)，所述误差公式

38、

39、第一被测镜与第二被测镜初始状态为平行且倾斜角度为θ，d1为第一被测镜到所述聚焦单元的中心的距离，δd为第一被测镜与第二被测镜的间隔。

40、本发明的优点如下：

41、本专利提出一种x射线双镜系统相对角度测量方法，解决近距间隔双镜结构的相对角度测量问题，避免了宽光束准直光源无法通过近距间隔的镜面狭缝的问题，以及测量部件如反射镜、电容传感器与被测镜接触，造成测量结果无法完全真实反应双镜相对振动的问题，该方法对于一般的双镜结构也具有普适性。同时，本专利还对该测量方法进行误差分析，通过简化误差函数的方法，对测量原理性误差进行修正，实现双镜结构的高精度角度测量。