GB/T 43530-2023 龙虾眼型聚焦光学元件性能测试方法

　　ICS 31.260 CCS L 50

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 43530—2023

　　龙虾眼型聚焦光学元件性能测试方法

　　Testmethod ofperformance forlobstereyemicro poreoptics

　　2023-12-28发布 2024-07-01实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 43530—2023

　　目 次

　　前言 Ⅰ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 测试装置 2

　　4. 1 测试原理及示意图 2

　　4. 2 主要参数 2

　　4. 3 安全防护 3

　　5 测试条件 3

　　6 样品 3

　　7 测试方法 3

　　7. 1 X射线焦距 3

　　7. 2 十字臂垂直度 8

　　7. 3 点扩散函数均匀性 9

　　7. 4 角分辨率 9

　　7. 5 有效面积 10

　　7. 6 有效面积均匀性 11

　　7. 7 半能宽 12

　　8 测试报告 13

　　附录 A (资料性) 测试报告记录表 15

　　GB/T 43530—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国科学院提出 。

　　本文件由全国光电测量标准化技术委员会(SAC/TC487)归 口 。

　　本文件起草单位 :北方夜视技术股份有限公司 、中国科学院国家天文台 、中国计量大学 、北方夜视科技(南京)研究院有限公司 、长春理工大学 、中国科学院空天信息创新研究院 。

　　本文件主 要 起 草 人 : 黎 龙 辉 、张 臣 、张 淑 琴 、金 戈 、郭 燕 、付 跃 刚 、贾 振 卿 、李 婧 雯 、张 正 君 、王 璞 、孙建宁 、张勤东 、王健 、欧阳名钊 、卢永红 、张振 、徐昭 、姜博文 。

　　Ⅰ

　　GB/T 43530—2023

　　龙虾眼型聚焦光学元件性能测试方法

　　1 范围

　　本文件描述了龙虾眼型聚焦光 学 元 件 的 X 射 线 焦 距 、十 字 臂 垂 直 度 、点 扩 散 函 数 均 匀 性 、角 分 辨率 、有效面积 、有效面积均匀性 、半能宽等性能的测试方法 。

　　本文件适用于空间天文 、医疗成像 、海关检测 、物质分析等 X射线聚焦成像领域使用的龙虾眼型聚焦光学元件的性能测试 。其他用途的龙虾眼型聚焦光学元件参照使用 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 1185—2006 光学零件表面疵病

　　GB 50073 洁净厂房设计规范

　　GBZ 117—2022 工业探伤放射防护标准

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　龙虾眼型聚焦光学元件 lobstereyemicro poreoptics;MPO

　　基于掠入射反射原理对 X射线进行会聚 , 由龙虾眼复眼式微小方形微通道构成的球面光学元件 。 3.2

　　像距 imagedistance

　　X射线聚焦图像中心位置与 MPO 凹面球心之间的距离 。

　　3.3

　　物距 objectdistance

　　X射线光源与 MPO 凸面球心之间的距离 。

　　3.4

　　十字臂垂直度 perpendicularity ofcrossline

　　聚焦十字线横线和竖线的夹角 。

　　3.5

　　点扩散函数均匀性 uniformity ofthepointspread function

　　在焦距位置处,点扩散函数拟合为椭圆 ,椭圆长轴减去短轴的差值与椭圆长轴的比值 。 3.6

　　有效面积 effectivearea

　　MPO几何面积与光子传输效率的乘积 。

　　1

　　GB/T 43530—2023

　　3.7

　　X 射线焦距 X-ray focallength

　　平行 X射线入射时 ,MPO球面凹面顶点与会聚光斑面积最小处的几何距离 。

　　3. 8

　　中心焦斑 centerspot

　　对在焦距位置处会聚的光斑做等高线图 ,最大强度 10%等高线对应的光斑图像 。

　　3.9

　　半能宽 halfenergy width

　　以中心焦斑重心为圆心做圆 , 圆内积分光强等于总光强一半时对应的直径与焦距的比值 。

　　4 测试装置

　　4. 1 测试原理及示意图

　　X射线光源发出的光线经过 MPO样品改变光线的传播方向 ,聚焦形成清晰的十字焦斑 ,最终被放置在曲率半径约 1/2处的 X射线探测器探测 。MPO 性能测试装置由 X射线探测器 、带有 自准直功能的经纬仪 、半反半透镜和 X射线光源组成 ,见图 1。

　　标引序号说明 :

　　1— 像距 ; 5—X射线探测器 ;

　　2— MPO样品的厚度 ; 6— MPO样品 ;

　　3— 物距 ; 7— 经纬仪 ;

　　4— 半反半透镜 ; 8—X射线光源 。

　　图 1 MPO性能测试装置示意图

　　4.2 主要参数

　　MPO性能测试装置的 X射线光源主要技术参数应满足下列条件 :

　　a) X射线光源工作电压不高于 20 kV;

　　b) X射线光源工作电流不高于 2 mA;

　　c) X射线光源焦斑直径不大于 0. 05 mm;

　　d) X射线流强的稳定性为 0% ~ 5% ;

　　2

　　GB/T 43530—2023

　　e) X射线光源功率范围为 0 W~ 50W 。

　　MPO性能测试装置的 X射线探测器主要技术参数应满足下列条件 :

　　a) X射线探测器的单像素尺寸不小于 0. 04 mm;

　　b) X射线探测器的工作温度为 -30 ℃ ~-10 ℃ ;

　　c) X射线能量分辨率为 0 eV(5. 9 keV) ~ 200 eV(5. 9 keV) 。

　　MPO性能测试装置的工作距离主要技术参数应满足下列条件 :

　　a) X射线光源到 MPO样品的物距不小于 13 m ;

　　b) 经纬仪到光轴的垂直距离不小于 0. 5 m。

　　使用 MPO性能测试装置测试时 ,MPO性能测试装置应在检定有效期内 。 当满足测试环境基本要求时 ,无需修正 。

　　可行时 ,在空气悬浮粒子浓度受控的洁净室(房间或限定空间)内进行测试 ,且静态洁净度等级宜优于 8级 。静态洁净度等级 8级应符合 GB 50073的要求 。

　　4.3 安全防护

　　按照 GBZ 117—2022及下列要求做好安全防护 。

　　a) 在测试场所应设置电离辐射警告标识和警示说明 。

　　b) 进入测试场所时应佩戴个人剂量计和个人剂量报警仪 。

　　c) 在每一次测试前 ,应确保测试装置的防护门处于关闭状态 。 只有在防护门关闭 、所有防护与安全装置系统都启动并正常运行的情况下 ,才能开始 MPO性能测试工作 。

　　5 测试条件

　　测试环境应满足以下基本要求 。

　　a) 标准大气条件 :

　　1) 温度 :22 ℃ ±3 ℃ ;

　　2) 相对湿度 :30% ~ 55% 。

　　b) 测试腔体的气压应不高于 1× 10- 2 Pa。

　　c) 不应有影响测试结果的振动 。

　　6 样品

　　按 GB/T 1185—2006中 6. 2规定的可见法疵病试验方法和 6. 3规定的破边试验方法 ,使用 10倍放大镜或显微镜观测 MPO样品端面 ,不应有擦痕 、疵点 、裂纹和破边 。

　　MPO样品应存放在干燥 、洁净的密闭环境中 ,可充入保护性气体(如氮气等) 。 MPO 样品应轻拿 、轻放 ,宜使用专用夹具 。

　　若 MPO样品需要暴露 在 大 气 环 境 中 存 放 , 应 采 取 适 宜 的 保 护 措 施(如 使 用 防 护 罩 、保 护 性 气 体等) , 以减轻尘埃 、盐雾 、湿热 、凝露等不利影响 。

　　7 测试方法

　　7. 1 X 射线焦距

　　7. 1. 1 测试条件

　　主要参数如下 :

　　3

　　GB/T 43530—2023

　　a) 测试电压 U 宜为 1 kV~4 kV(U 最高不应超过 10 kV) ;

　　b) 测试电流 I宜为 0. 02 mA~0. 5 mA(I最高不应超过 1 mA) ;

　　c) 单次采集时间 t宜为 100 ms~ 500 ms(t最高不应超过 1 000 ms) ;

　　d) 采集累计帧数 N 宜不小于 100帧 ;

　　e) 累计时间 T 宜为 5 min~ 10 min。

　　7. 1.2 测试步骤

　　主要步骤如下 。

　　a) 将 MPO样品安装在位移台上 。

　　b) 测量 X射线光源到 MPO样品外球面顶点之间的几何距离 L。

　　c) 校准光轴 ,使 MPO样品 、X射线光源和 X射线探测器三者中心同轴 :

　　1) 将半反半透镜放置在管道中心位置处的水平位移台上 ;

　　2) 将管道中心尺沿管道内的标准轨道移动 ,通过经纬仪观测管道中心尺中心位置基本不变 ,偏差宜在距离中心位置 1 mm 内 ;

　　3) 同时使经纬仪经半反半透镜前表面自准直像与分化板中心重合 ;

　　4) 通过经纬仪观测 X射线光源中心位置处于管道标志中心处 ,保持经纬仪的方向 、位置不动 ,见图 2;

　　标引序号说明 :

　　1— 半反半透镜 ;

　　2— 管道中心尺 ;

　　3—X射线光源 ;

　　4— 经纬仪 ;

　　5— 水平位移台 。

　　图 2 光路基准轴示意图

　　5) 将 MPO样品移入半反半透镜与 X射线光源之间 ,并使凹面朝向半反半透镜 ;

　　6) 调节位移台使 MPO样品中心与探测器中心基本平齐 ,偏差宜在 2 mm 内 ,探测器为放置在距离 MPO样品曲率半径 1/2处 ,偏差应在 5 mm 内 ;

　　7) X射线光源和 X射线探测器的轴线大致通过 MPO样品中心 ,偏差应在 5 mm 内 ,见图 3;

　　4

　　GB/T 43530—2023

　　标引序号说明 :

　　1— 管道中心尺 ;

　　2—X射线探测器 ;

　　3— 经纬仪 ;

　　4— MPO样品 ;

　　5— 半反半透镜 。

　　图 3 光路调节原理图

　　8) 开启经纬仪发出指示标志 ,经 MPO样品球形凹面将经纬仪指示光线反射在 X射线探测器上 ,通过调节 X射线探测器的位置 ,使其中心基本对准经纬仪的指示标志中心处 ,偏差应在 1 mm 内 ,见图 4;

　　标引序号说明 :

　　1—X射线探测器 ;

　　2— 经纬仪 ;

　　3— MPO样品 ;

　　4— 半反半透镜 。

　　图 4 MPO会聚指示光线原理图

　　9) 调节位移台将半反半透镜移开光轴 ,开启真空系统 ,设置测试参数 , 打开 X射线光源 ,通

　　5

　　GB/T 43530—2023

　　过 MPO样品进行光线会聚 ;

　　10) 调节 MPO样品的俯仰和偏摆角度 ,观察 X射线探测器上的会聚光斑 ,使其移动到探测器像面中心 ,偏差宜在 2 mm 内 ;

　　11) X射线探测器 、MPO样品和 X射线光源三者光轴校准结束 。

　　d) 调 节 MPO 样 品 与 探 测 器 的 不 同 像 距 fi, 采 集 MPO 样 品 在 不 同 像 距 fi 处 对 应 的 成 像 矩阵 Imgi。

　　e) 以 MPO样品曲率半径 1/2处为中心 ,像距调节范围宜在 10 mm 内 , 每次步径间隔宜设定为

　　0. 5 mm。

　　f) 每次测量结束后 ,关闭光源 ,采集不同像距 fi 位置处对应的背景噪声矩阵 Bkgi。

　　g) 成像矩阵 Imgi 最 大 积 分 强 度(扣 除 Bkgi 背 景 噪 声 矩 阵 均 值 后) 不 应 小 于 图 像 标 准 方 差 的20倍 ,若不满足要求 ,则应重复上述步骤 d) ~f) 。

　　7. 1.3 测试数据处理

　　按照公式(1) ,计算得到 MPO样品在不同像距 fi 位置处点扩散函数 PSFi。

　　PSFi = Imgi -Bkgi …………………………( 1 )

　　式中 :

　　PSFi — 在像距 fi 位置处的点扩散函数 ;

　　Imgi — 在像距 fi 位置处的成像矩阵 ;

　　Bkgi — 在像距 fi 位置处的背景噪声矩阵 。

　　按照公式(2) , 对 不 同 像 距 fi 处 的 点 扩 散 函 数 进 行 归 一 化 处 理 , 得 到 点 扩 散 函 数 的 归 一 化 矩阵 PSFs,i。

　　PSFs,i …………………………( 2 )

　　式中 :

　　PSFs,i —PSFi 对应的归一化矩阵 ;

　　PSFimin— 点扩散函数 PSFi 的最小值 ;

　　PSFimax— 点扩散函数 PSFi 的最大值 。

　　按照公式(3) ,计算像距 fi 位置处的焦斑的半高全宽分布矩阵 FWHMi。

　　FWHMi = PSFs,i (0. 5) …………………………( 3 )

　　式中 :

　　FWHMi — 在像距 fi 位置处的半高全宽分布矩阵 ;

　　PSFs,i (0. 5) — 在像距 fi 位置处的 0. 5 等高线对应分布数据 。

　　AiX2 +BiXY +CiY2 +DiX +EiY +Fi = 0 ……………………( 4 )

　　设置分布矩阵 FWHMi,宜为椭圆方程 ,表达为公式(4) ,其中 FWHMi (xj,yj )为椭圆轮廓上 n 个系列点的坐标,j= 1,2, … ,n。

　　式中 :

　　Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi — 椭圆方程对应的拟合参数 ;

　　X — 横轴上自变量 ;

　　Y — 纵轴上自变量 。

　　依据最小二乘法原理 ,按照公式(5) ,拟合椭圆的目标函数 fx (Ai,Bi,Ci,Di,Ei,Fi) 。

　　fx Aixj2 +Bixjyj +Ciyj2 +Dixj +Eiyj +Fi) ……( 5 )

　　6

　　GB/T 43530—2023

　　式中 :

　　fx (Ai,Bi,Ci,Di,Ei,Fi) — 拟合椭圆的目标函数 ;

　　xj — 椭圆轮廓坐标点横坐标 ;

　　yj — 椭圆轮廓坐标点纵坐标 。

　　对椭圆方程求导 ,按照公式(6) ,得到椭圆方程对应的拟合参数 Ai、Bi、Ci、Di、Ei、Fi。

　　按照公式(7)和公式(8) ,计算得到椭圆对应的几何中心位置[Xc (i) ,Yc (i)] 。

　　Xc …………………………( 7 )

　　Yc …………………………( 8 )

　　式中 :

　　Xc (i) — 在像距 fi 位置处的椭圆几何中心 X 坐标 ;

　　Yc (i) — 在像距 fi 位置处的椭圆几何中心 Y 坐标 。

　　按照公式(9)和公式(10) ,计算得到对应的椭圆短轴 σx,i和长轴 σy,i。

　　式中 :

　　σx,i — 在像距 fi 位置处的椭圆短轴 ,单位为毫米(mm) ;

　　σy,i — 在像距 fi 位置处的椭圆长轴 ,单位为毫米(mm) ; pixel— 探测器像素大小 ,单位为毫米(mm) 。

　　按照公式(11) ,计算得到对应的椭圆面积 Si。

　　Si x,i × i …………………………( 11 )

　　式中 :

　　Si— 在像距 fi 位置处的椭圆面积 ,单位为平方毫米(mm2 ) 。

　　按照公式(12) ,计算得到最小的椭圆面积 Smin。

　　Smin = (Si) min …………………………( 12 )

　　式中 :

　　Smin— 最小椭圆面积 ,单位为平方毫米(mm2 ) 。

　　按照公式(13) ,计算最小的椭圆面积对应的像距 fmin。

　　fmin = f(Smin) …………………………( 13 )

　　式中 :

　　fmin— 最小椭圆面积 Smin对应的像距 ,单位为毫米(mm) 。

　　按照公式(14) ,通过物像关系 ,可得到平行光下的 X射线焦距 F。

　　F d …………………………( 14 )

　　式中 :

　　F —X射线焦距 ,单位为毫米(mm) ;

　　L —X射线光源到 MPO样品外球面顶点之间的几何距离 ,单位为毫米(mm) ;

　　7

　　GB/T 43530—2023

　　d —MPO样品的厚度 ,单位为毫米(mm) 。

　　7.2 十字臂垂直度

　　7.2. 1 测试条件

　　测试条件同 7. 1. 1。

　　7.2.2 测试步骤

　　测试步骤同 7. 1. 2。

　　7.2.3 测试数据处理

　　以像距 fmin处对应点扩散函数 PSFfmin的中心坐标[Xc (min) ,Yc (min)]为圆点,以 X射线探测器内接圆 r 为半径 ,按照公式(15)可得到对应的内接圆形方程,点扩散函数直线方程坐标点示意图见图 5。

　　[xi -Xc (min)] 2 +[yj -Yc (min)] 2 =r2 …………………………( 15 )

　　式中 :

　　(xi,yj ) — 圆形方程上对应的坐标点 。

　　标引序号说明 :

　　1— 点扩散函数 ;

　　2—X射线探测器 。

　　图 5 点扩散函数直线方程坐标点示意图

　　按照公式(16) ,得到中心坐标[Xc (min) ,Yc (min)]与坐标点(xi,yj )对应的直线方程 。

　　[X -Xc (min)]/[xi -Xc (min)] =[Y -Yc (min)]/[yj -Yc (min)] ………( 16 )

　　式中 :

　　Xc (min) ,Yc (min) — 直线方程变量 。

　　按照公式(17)和公式(18) ,分别得到点扩散函数 PSFfmin水平和垂直方向积分亮度最大值 。

　　Total = max

　　Total = max

　　8

　　GB/T 43530—2023

　　式中 :

　　Total(xi) ,Total(yj ) — 水平 、竖直方向直线方程对应的积分最大值 ;

　　PSFfmin(xk,yk) — 直线方程(xk,yk)坐标点对应点扩散函数的强度值 。

　　按照公式(19) ,得到十字臂垂直度θ,结果保留小数点后两位 。

　　式中 :

　　θ — 十字臂垂直度 ,单位为度(°) ;

　　(xm,ym ) — 点扩散函数 PSFfmin水平方向亮度最大值对应的坐标点 ;

　　(xp,yp ) — 点扩散函数 PSFfmin竖直方向亮度最大值对应的坐标点 。

　　7.3 点扩散函数均匀性

　　7.3. 1 测试条件

　　测试条件同 7. 1. 1。

　　7.3.2 测试步骤

　　测试步骤同 7. 1. 2。

　　7.3.3 测试数据处理

　　按照公式(20) ,得到点扩散函数均匀性 UN。

　　UN …………………………( 20 )

　　式中 :

　　UN — 点扩散函数均匀性 ;

　　σymin— 像距 fmin处对应的椭圆长轴 ,单位为毫米(mm) ;

　　σxmin— 像距 fmin处对应的椭圆短轴 ,单位为毫米(mm) 。

　　7.4 角分辨率

　　7.4. 1 测试条件

　　测试条件同 7. 1. 1。

　　7.4.2 测试步骤

　　测试步骤同 7. 1. 2。

　　7.4.3 测试数据处理

　　按照公式(21) ,得到 MPO样品的角分辨率 Res。

　　Res …………………………( 21 )

　　式中 :

　　Res—MPO样品的角分辨率 ,单位为角分(') 。

　　9

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　　7.5 有效面积

　　7.5. 1 测试条件

　　主要参数如下 :

　　a) 测试电压 U 宜为 1 kV~4 kV(U 最高不应超过 5 kV) ;

　　b) 测试电流 I宜为 0. 02 mA~0. 1 mA(I最高不应超过 0. 15 mA) ;

　　c) 单次采集时间 t宜为 10 ms~ 50 ms(t最高不应超过 80 ms) ;

　　d) 累计时间 T 宜为 30 min~ 60 min(T最短不应少于 25 min) 。

　　7.5.2 测试步骤

　　主要步骤如下 :

　　a) 按 7. 1. 3 中的方法确定 fmin ;

　　b) 设置试验参数 ,开始采集数据 ,采集原理图见图 6;

　　c) 中心焦斑采集的单帧事例数宜不多于 150个 ;

　　d) 中心焦斑采集的总有效事例数 Nf宜不少于 1×106个 ;

　　e) 采集结束后 ,移动位移台将 MPO样品移出光路 ,重复 b) ~ d) 采集无 MPO 样品下的透射谱 ,采集原理图见图 7;

　　f) 透射谱采集的单帧事例数宜不多于 150个 ;

　　g) 中心透射谱采集的总有效事例数 Ntr宜不少于 1×106个 。

　　标引序号说明 :

　　1—X射线探测器 ;

　　2— 收集光线 ;

　　3— 入射光线 ;

　　4— MPO样品 ;

　　5—X射线光源 。

　　图 6 有 MPO样品时数据采集原理图

　　10

　　GB/T 43530—2023

　　标引序号说明 :

　　1—X射线探测器 ;

　　2—X射线光源 ;

　　3— 入射光线 。

　　图 7 移出 MPO样品后数据采集原理图

　　7.5.3 测试数据处理

　　按照公式(22) ,计算得到 MPO样品的有效面积 Seff。

　　Seff S …………………………( 22 )

　　式中 :