一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法

摘要

本发明涉及一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法，装置包括调整组件及设于调整组件上的反射镜组件，调整组件包括定位杆、光学导轨、光学调整架和两台自准直仪，两台自准直仪安装在光学导轨两端，定位杆设于光学导轨上并可在光学导轨上滑动，光学调整架安装在光学导轨上，反射镜组件包括设于光学调整架上的镜框、顶靠在所述镜框上的两块非球面的反射镜、两块光学锥芯镜框和两个镜框附件，每块反射镜通过一块光学锥芯和一个镜框附件顶靠在镜框上，每块反射镜与其对应的光学锥芯相接触，每块光学锥芯与一台自准直仪对应设置。与现有技术相比，本发明具有提高精度，提高实验效率等优点。

权利要求

1.一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，包括调整组件及设于调整组件上的反射镜组件，所述调整组件包括定位杆、光学导轨、光学调整架和两台自准直仪，两台自准直仪安装在光学导轨两端，所述定位杆设于光学导轨上并可在光学导轨上滑动，所述光学调整架安装在光学导轨上，所述反射镜组件包括设于光学调整架上的镜框、顶靠在所述镜框上的两块非球面的反射镜、两块光学锥芯和两个镜框附件，每块反射镜通过一块光学锥芯和一个镜框附件顶靠在镜框上，每块反射镜与其对应的光学锥芯相接触，每块光学锥芯与一台自准直仪对应设置；所述定位杆为矩形柱体结构，所述定位杆靠近两台自准直仪的两个面上分别刻有线宽为0.05～0.1mm的定位杆十字刻线；各光学锥芯和对应反射镜的接触面的一侧垂直面为抛光面，该抛光面与自准直仪对应设置，且抛光面上刻有线宽为0.05～0.1mm的用以准直的光学锥芯十字刻线，两块光学锥芯上的两个光学锥芯十字刻线的中心与非球面的反射镜的两个焦点位于同一条轴线上，该轴线为非球面的反射镜的光轴。

2.根据权利要求1所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，两块反射镜分别位于子午方向和弧矢方向。

3.根据权利要求1所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，两块反射镜的面形分别为椭圆柱面，或其中一块反射镜的面形为双曲柱面，另一块反射镜的面形为椭圆柱面，或其中一块反射镜的面形为双曲柱面，另一块反射镜的面形为抛物柱面。

4.根据权利要求1所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，所述光学导轨的轴线为定位杆上的定位杆十字刻线沿导轨的运动轨迹，所述定位杆上的定位杆十字刻线的中心的高度为实验光路的高度。

5.根据权利要求1所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，各光学锥芯上与对应反射镜的接触面分别进行抛光，且抛光后的接触面上分别设有X射线通光路径。

6.根据权利要求5所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，所述X射线通光路径为槽形。

7.根据权利要求1所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，其特征在于，两块反射镜分别通过对应的光学锥芯的倾角和高度调节反射镜相对于光轴的空间位置。

8.根据权利要求1～7任一项所述的一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的装调方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)将定位杆设于光学导轨的某一位置处，通过两台自准直仪判断定位杆对应面上的定位杆十字刻线是否与两台自准直仪自身的叉丝重合，若不重合，则反复调节两台自准直仪的空间姿态，直至两台自准直仪的叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合；

2)将定位杆沿光学导轨移动至光学导轨上的另一位置处，重复步骤1)的操作，直至检测到两台自准直仪自身的叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合；

3)反复移动定位杆至光学导轨上的上述两个位置，重复步骤1)和步骤2)，直至当定位杆在上述两个位置时无需调节两台自准直仪的空间姿态即可观察到两台自准直仪的叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合为止，此时判断两台自准直仪形成的光轴与光学导轨上的基准线平行，取下定位杆，执行下一步；

4)通过两台自准直仪的目镜观察自身的叉丝是否与两块光学锥芯上的十字刻线重合，若不重合，则通过光学调整架反复调节反射镜组件的空间姿态，直至通过两台自准直仪的目镜观察到自身的叉丝分别与对应光学锥芯的十字刻线重合；

5)若满足步骤4)，则将此时非球面的反射镜的两个焦点所在轴线作为实验光路的光轴；

6)装调完成后，利用像面探测器进行成像实验，将网格作为物，将非球面的反射镜作为成像设备，调节网格中心与光轴重合，沿光轴方向移动物距达到设计值，将像面探测器安装在光学导轨上，并将像面探测器中心与导轨轴线重合，沿光轴移动得到像距设计值实现直接成像。

说明书

一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法

技术领域

[0001] 本发明涉及X射线光学系统装调领域，尤其是涉及一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法。

背景技术

[0002] X射线成像诊断是ICF(inertial confinement fusion，惯性约束聚变)研究中的一个重要内容，其中KB(Kirkpatrick‑Baez)显微镜是ICF实验中X射线成像诊断的主要设
备。

[0003] 传统的KB显微镜采用前、后两块正交放置的球面镜(或柱面镜)，通过子午和弧矢两个方向上的聚焦来消除掠入射条件下单块反射镜存在的严重像散，具有优良的空间分辨
率、较高的集光效率等优点。传统的KB显微镜的空间分辨率由系统的轴上点球差和随着视
场偏离中心而线性增加的量共同影响，传统的KB显微镜受镜面面形影响，其轴上点球差无
法消除，成为影响中心视场分辨率的重要因素。

[0004] 非球面KB显微镜是由前、后两块正交放置的非球面反射镜组成，其理论上可以实现对轴上点消球差成像，由于光学加工、机械加工以及配合上均存在误差，显微镜可以实现
高分辨的成像区域在百微米范围内，因此对非球面KB显微镜的装调精度要求非常高，对于
装调方法和装调设备的精度要求十分严格。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是提供一种高精度、高实验效率的非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法。

[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0007] 一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置，包括调整组件及设于调整组件上的反射镜组件，所述调整组件包括定位杆、光学导轨、光学调整架和两台自准直仪，两台自准直
仪安装在光学导轨两端，所述定位杆设于光学导轨上并可在光学导轨上滑动，所述光学调
整架安装在光学导轨上，所述反射镜组件包括设于光学调整架上的镜框、顶靠在所述镜框
上的两块非球面的反射镜、两块光学锥芯和两个镜框附件，每块反射镜通过一块光学锥芯
和一个镜框附件顶靠在镜框上，每块反射镜与其对应的光学锥芯相接触，每块光学锥芯与
一台自准直仪对应设置。

[0008] 进一步地，两块反射镜分别位于子午方向和弧矢方向。两块反射镜的面形分别为椭圆柱面，或其中一块反射镜的面形为双曲柱面，另一块反射镜的面形为椭圆柱面，或其中
一块反射镜的面形为双曲柱面，另一块反射镜的面形为抛物柱面。两块反射镜分别通过对
应的光学锥芯的倾角和高度调节反射镜相对于光轴的空间位置。

[0009] 进一步地，所述定位杆为矩形柱体结构，所述定位杆靠近两台自准直仪的两个面上分别刻有线宽为0.05～0.1mm的定位杆十字刻线。

[0010] 进一步地，所述光学导轨的轴线为定位杆上的定位杆十字刻线沿导轨的运动轨迹，所述定位杆上的定位杆十字刻线的中心的高度为实验光路的高度。

[0011] 进一步地，各光学锥芯和对应反射镜的接触面的一侧垂直面为抛光面，该抛光面与自准直仪对应设置，且抛光面上刻有线宽为0.05～0.1mm的用以准直的光学锥芯十字刻
线，两块光学锥芯上的两个光学锥芯十字刻线的中心与非球面的反射镜的两个焦点位于同
一条轴线上，该轴线为非球面的反射镜的光轴。

[0012] 进一步地，各光学锥芯上与对应反射镜的接触面分别进行抛光，且抛光后的接触面上分别设有X射线通光路径。

[0013] 进一步地，所述X射线通光路径为槽形。

[0014] 另一方面，基于上述装调装置，本发明还提供一种非球面超高分辨KB显微镜的装调方法，该方法包括如下步骤：

[0015] S1、将定位杆设于光学导轨的某一位置处，通过两台自准直仪判断定位杆对应面上的定位杆十字刻线是否与两台自准直仪自身的叉丝重合，若不重合，则反复调节两台自
准直仪的空间姿态，直至两台自准直仪的叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合。

[0016] S2、将定位杆沿光学导轨移动至光学导轨上的另一位置处，重复步骤S1的操作，直至检测到两台自准直仪自身的叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合。

[0017] S3、反复移动定位杆至光学导轨上的上述两个位置，重复步骤S1和步骤S2，直至当定位杆在上述两个位置时无需调节两台自准直仪的空间姿态即可观察到两台自准直仪的
叉丝与定位杆对应面上的定位杆十字刻线重合为止，此时判断两台自准直仪形成的光轴与
光学导轨上的基准线平行，取下定位杆，执行下一步。

[0018] S4、通过两台自准直仪的目镜观察自身的叉丝是否与两块光学锥芯上的十字刻线重合，若不重合，则通过光学调整架反复调节反射镜组件的空间姿态，直至通过两台自准直
仪的目镜观察到自身的叉丝分别与对应光学锥芯的十字刻线重合。

[0019] S5、若满足步骤S4，则将此时非球面的反射镜的两个焦点所在轴线作为实验光路的光轴。

[0020] S6、装调完成后，利用像面探测器进行成像实验，将网格作为物，将非球面的反射镜作为成像设备，调节网格中心与光轴重合，沿光轴方向移动物距达到设计值，将像面探测
器安装在光学导轨上，并将像面探测器中心与导轨轴线重合，沿光轴移动得到像距设计值
实现直接成像。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0022] 1)本发明采用两台安装在光学导轨两端的自准直仪进行准直测量，利用两台自准直仪观察定位杆在两处位置时对应面上的十字刻线，若自准直仪自身的十字刻线与定位杆
上的十字刻线重合，则说明两台自准直仪的光轴重合，后续将反射镜组件安装在光学导轨
上，利用调整架调节反射镜组件的姿态，使光学锥芯上的十字刻线与自准直仪的十字刻线
重合，此时说明非球面KB的椭球面的长轴与两台自准直仪的轴线重合；本发明的设计在光
路结构设计上更加紧凑，可提高对于非球面KB显微镜的光轴的测量精度；

[0023] 2)当非球面KB的光轴偏折，因像距较大，会使得像点偏离光学导轨轴线非常大，不易寻找像点，采用本发明进行成像实验时，非球面反射镜的姿态利用两块光学锥芯进行定
位，仅需调节网格中心与光轴重合，沿光轴方向移动物距达到设计值即可，像面探测器同样
操作即可直接成像，无需寻找像点，提升了实验效率；

[0024] 3)本发明通过调节两台自准直仪的姿态使得自准直仪的光轴与导轨的轴线平行，利用光学调整架调节反射镜组件的姿态，使得通过自准直仪的目镜观察到其叉丝与光学锥
芯上的十字刻线重合，此时非球面反射镜的光轴与自准直仪的光轴完全耦合，在装调结构
设计和装调方法上都得到了改善。

附图说明

[0025] 图1为实施例中用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法示意图；

[0026] 图2为实施例中用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的定位杆的结构示意图；

[0027] 图3为实施例中用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的反射镜组件爆炸视图；

[0028] 图4为实施例中另一角度下用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的反射镜组件爆炸视图；

[0029] 图5为实施例中用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的第一光学锥芯的结构示意图；

[0030] 图6为实施例中用于非球面超高分辨KB显微镜的装调装置的第二光学锥芯的结构示意图；

[0031] 图中标号所示：

[0032] 1、第一自准直仪，2、第二自准直仪，3、定位杆，4、光学导轨，5、第一反射镜，6、第二反射镜，7、第一光学锥芯，8、第二光学锥芯，9、光学调整架，10、镜框，11、第一镜框附件，12、
第二镜框附件，31～32、定位杆十字刻线，71、第一光学锥芯与第一反射镜接触表面，72、第
一光学锥芯X射线成像通光路径，73、第一光学锥芯用于准直的抛光面，74、第一光学锥芯十
字刻线，81、第二光学锥芯与第二反射镜接触表面，82、第二光学锥芯X射线成像通光路径，
83、第二光学锥芯用于准直的抛光面，84、第二光学锥芯十字刻线。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在
没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

[0034] 实施例

[0035] 本发明涉及一种非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法，装调装置包括调整组件和反射镜组件，调整组件包括两台自准直仪、定位杆、光学导轨、光学调整架，两台
自准直仪安装在光学导轨两端，定位杆可在光学导轨上滑动，光学调整架安装在光学导轨
上，反射镜组件包括两块反射镜、两块光学锥芯、镜框、两个镜框附件。

[0036] 本实施例以8KeV能点非球面超高分辨KB显微镜的装调装置和装调方法为例对本发明内容进行进一步说明。

[0037] 如图1、3所示，所有步骤均在光学平台上完成。本实施例中非球面超高分辨KB显微镜的装调装置包括调整组件和反射镜组件。

[0038] 调整组件包括：第一自准直仪1、第二自准直仪2、定位杆3、光学导轨4和光学调整架9。第一自准直仪1、第二自准直仪2分别安装在光学导轨4的两端。定位杆3安装在光学导
轨4上，并可在光学导轨4上滑动，且定位杆3设于两台自准直仪之间。定位杆3为矩形柱体结
构，定位杆3靠近两台自准直仪的两个面上分别刻有线宽为0.05～0.1mm的定位杆十字刻线
31、32，用于准直。光学导轨4的轴线为定位杆3上的定位杆十字刻线31、32沿导轨的运动轨
迹。定位杆3上定位杆十字刻线31、32中心的高度作为实验光路的高度，刻有定位杆十字刻
线31、32的两个面与光学导轨4上的基准线垂直。光学调整架9安装在光学导轨4上。

[0039] 反射镜组件安装在光学调整架9上，包括：第一反射镜5、第二反射镜6、第一光学锥芯7、第二光学锥芯8、镜框10、第一镜框附件11和第二镜框附件12，其中第一反射镜5利用第
一光学锥芯7和第一镜框附件11顶靠在镜框10上，第二反射镜6利用第二光学锥芯8和第二
镜框附件12顶靠在镜框10上。镜框10固定在光学调整架9上，光学调整架9安装在光学导轨4
上，用于调节第一反射镜5、第二反射镜6的空间姿态。第一反射镜5、第二反射镜6分别位于
子午方向、弧矢方向，第一反射镜5、第二反射镜6的面形可以为椭圆柱面、双曲柱面+椭圆柱
面、双曲柱面+抛物柱面。

[0040] 两块光学锥芯与对应反射镜的接触面进行抛光，该抛光面留有X射线通光路径，且在X射线通光路径处开槽。

[0041] 第一光学锥芯7、第二光学锥芯8上靠近对应自准直仪的面(光学锥芯与对应反射镜的接触面的一侧垂直面)分别进行抛光，抛光面分别刻有线宽为0.05～0.1mm的第一光学
锥芯十字刻线74、第二光学锥芯十字刻线84，第一光学锥芯7、第二光学锥芯8上的十字刻线
的中心点与非球面反射镜的两个焦点F1、F2在同一条直线上，用于准直。两块反射镜分别通
过相应的光学锥芯的倾角和高度，确保反射镜相对于系统光轴的空间位置。该原理以椭球
面反射镜为例进行说明，即成像时希望的是将物点和像点分别放置椭球的两个焦点上，椭
球面的反射镜的反射面则希望也位于椭球上，此时即可对轴上点完善成像。

[0042] 基于上述装置，本实施例中非球面超高分辨KB显微镜的装调方法包括以下步骤：

[0043] 步骤1、定位杆3在光学导轨4上的某个位置A处，通过第一自准直仪1和第二自准直仪2观察定位杆3对应面上的定位杆十字刻线31、32是否和两台自准直仪自身的叉丝重合，
若不重合，则反复调节第一自准直仪1和第二自准直仪2的空间姿态，直到观察到两台自准
直仪的叉丝与定位杆3对应面上的定位杆十字刻线31、32重合为止。

[0044] 步骤2、沿光学导轨4移动定位杆3至光学导轨上4上的某个位置B，此时重复步骤1的操作，直至通过第一自准直仪1和第二自准直仪2观察到自身的叉丝与定位杆3对应面上
的定位杆十字刻线31、32重合为止。

[0045] 步骤3、反复移动定位杆3至光学导轨4上的位置A和B，重复步骤1和2，直至当定位杆3在A、B两个位置时无需调节第一自准直仪1和第二2的空间姿态，可以观察到两台自准直
仪的叉丝与定位杆3对应面上的定位杆十字刻线31、32重合为止，此时说明第一自准直仪1
和第二自准直仪2形成的光轴与光学导轨4上的基准线平行，取下定位杆3，进行步骤4。

[0046] 步骤4、通过第一自准直仪1和第二自准直仪2的目镜观察自身的叉丝是否与第一光学锥芯7和第二光学锥芯8上的十字刻线74、84重合，若不重合，则通过光学调整架9反复
调节反射镜组件的空间姿态，直至通过自准直仪1和2的目镜观察到自身的叉丝分别与对应
第一光学锥芯7上的第一光学锥芯十字刻线74和第二光学锥芯8上的第二光学锥芯十字刻
线84重合为止。

[0047] 步骤5、经过上述步骤，基于非球面KB显微镜的结构，确定了以非球面反射镜的两个焦点F1、F2所在轴线作为实验光路的光轴。

[0048] 步骤6、装调完成后，利用像面探测器(成像探测器)进行成像实验，将网格作为物，将反射镜作为成像设备。利用非球面超高分辨KB显微镜的装调装置进行成像实验时，仅需
调节网格中心与光轴重合，沿光轴方向移动物距达到设计值即可，像面探测器同样操作即
可直接成像，即将像面探测器安装在光学导轨上，将像面探测器中心与导轨轴线重合，沿光
轴移动得到像距设计值即可直接成像，无需寻找像点。

[0049] 本发明采用两台安装在光学导轨两端的自准直仪进行准直测量，利用两台自准直仪观察定位杆在两处位置时对应面上的十字刻线，若自准直仪自身的十字刻线与定位杆上
的十字刻线重合，则说明两台自准直仪的光轴重合，后续将反射镜组件安装在光学导轨上，
利用调整架调节反射镜组件的姿态，使光学锥芯上的十字刻线与自准直仪的十字刻线重
合，此时说明非球面KB的椭球面的长轴与两台自准直仪的轴线重合；本发明的设计在光路
结构设计上更加紧凑，可提高对于非球面KB显微镜的光轴的测量精度。采用本发明进行成
像实验时，非球面反射镜的姿态利用两块光学锥芯进行定位，仅需调节网格中心与光轴重
合，沿光轴方向移动物距达到设计值即可，像面探测器同样操作即可直接成像，无需寻找像
点，提升了实验效率。

[0050] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替
换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利
要求的保护范围为准。