双晶单色器固定高差相对检测技术研究

杨晓许 周泗忠 闫旻奇 韩俊峰 江 波 郭治理 邓小国 张周峰

(中国科学院西安光学精密机械研究所 西安 710119)

同步辐射光具有高光强、高准直性、波段广、线偏振、亚纳秒时间结构和高稳定性等特点，在物理、材料、化学、生命、微加工技术及相关学科的研究与应用方面成为强有力的工具，是现代科学和高新技术发展中最有力和应用最广泛的一种研究手段[1]。光束线是同步辐射应用的主要部分，它通过不同的光学系统将同步光“裁剪”成所需光束提供给实验站[2]；而单色器是光束线的核心设备[3,4]。上海同步辐射光源(SSRF)中，采用了数台由西安光机所研制的双晶单色器。

双晶单色器在工作中，需转动Bragg角，实现不同波长的单色光输出。在调整Bragg角过程中，须保持单色器输出光束高度不变，使样品处得到光斑位置稳定的单色光源[5]。

在单色器研制完成后，需对固定高差进行离线检测，目前，国内外尚未见报道。本文提出基于视频判读系统的固定高差离线检测技术：结合成像系统和图像处理技术，通过对单色器输出光斑的位置判断，实现对固定高差的相对精度检测。该技术已成功应用于研制的双晶单色器，取得了很好的检测效果。

1 双晶单色器基本原理与固定高差技术

1.1 基本原理[6]

由图 1，输入全谱段白光射入双晶单色器，在第一晶体表面发生Bragg衍射，某一波长单色光按反射定律反射，其他波长的同步辐射光被吸收。被反射单色光波长λ由式(1)决定

其中，d为晶格常数，θ为Bragg角，n为衍射级次。

图1 双晶单色器结构原理示意图Fig.1 Diagram of structural principle of the double crystal monochromator.

为获取不同波长的单色光，需转动第一晶体和第二晶体，得到相应的Bragg角。在不同的Bragg角，须采用固定高差技术，以保持出射光束相对于入射光束的高度差不变。

1.2 固定高差技术

固定高差技术类型有晶体独立控制型和机械联动型单色器。独立控制型单色器的两块晶体分别由两个独立的转角仪驱动，每个晶体的转动和移动装置分别安装在各自的转角仪上，均有计算机控制同步动作。机械联动型单色器只有一个转动平台，两块晶体都安装在该平台上，晶体在水平和垂直方向的运动由联动机构或独立控制的传输装置实现。独立控制型单色器体积庞大，机构复杂，欲达理想真空环境较难；机械联动型单色器结构紧凑，但精度略逊于前者。机械联动型双晶单色器中机械联动机构主要有：L型机构、T型机构、X-Y移动机构、Cam机构等。目前，同步辐射装置中大多采用机械联动型双晶单色器。

设两晶体以第二晶体表面中心垂直于纸面的轴线为转轴转动，Bragg角从θ1变化至θ2，要使该垂直距离保持不变，第一晶体须沿反射面方向和法线法向位移Δm和Δn，且保持晶体姿态不变(保持两晶面平行)，有：

其中，H为出射光束和入射光束的高差，Δn为影响输出光斑位置的主要因素，Δm是为保持光斑投射在第一晶体的中心区域，只有其平移直线度对输出光斑有影响。

2 固定高差相对精度的离线检测

2.1 相对精度的检测原理

双晶单色器固定高差相对精度的检测装置采用基于视频图像处理的设计，主要包括模拟光源、光斑采集和处理等部分(图2)。

图2 固定高差检测方法示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of invariable relative height measuring.

本装置思路是：输入模拟光源，在Bragg角调整过程中，对输出光斑位置进行成像记录，对图像进行判读，得到光斑中心在图像中的位置(x, y)。结合成像系统放大率和像元尺寸等参数，利用式(3)得到不同 Bragg角时光屏上光斑中心的相对位置(x′, y′)，对其进行精度统计，即得到该双晶单色器固定高差相对输出精度。

其中，Lls为激光器到光屏的距离，f为镜头焦距，p为摄像机像元尺寸。

对于模拟光源，首先考虑是X光源，它最接近真正单色器工作状态，实现衍射输出。但由于一般X光源只能发出某一波段的光，无法实现整个Bragg角范围内的测量，同时成像系统复杂，考虑成本、安全性等因素，采用可见光波段的激光器作为模拟光源。为使输出光束尽量稳定，模拟光源部分采用氦氖激光器。光斑采集部分用来接收从双晶单色器输出的光束，由光屏、CCD及成像镜头组成，完成光斑图像的采集。光斑图像处理主要是判读软件，针对光斑图像的特点，使用各种图像处理算法，实现对光斑位置的准确读取。

以可见光激光器作为模拟光源，其光束在衍射晶体表面并无发生衍射，而仅发生反射。这和同步辐射光源的作用不同，因此，该测量方法具有一定局限性，仅表明单色器系统具有高精度固定高差输出的能力。而单色器内部参数的最终设置，如晶体Z向位置、投角位置等，都需在单色器在线检测时完成。

2.2 检测精度分析

按照物理设计要求，双晶单色器在调整 Bragg角时，其输出光束的位置应保持不变，或变化量足够小，满足样品处的测量需求。在离线检测装置中，影响光斑位置判读精度的因素有：光源的稳定性、晶体位置调整的偏差、光屏的不稳定性和光斑判读误差。

光源的稳定性包含激光器固定支架在测量中位置和姿态变化，还包含激光器出射光束的变化。当激光器的位置在高差方向上平移Δy，角度变化Δβ，则带来的光斑位置漂移为：

式中，H为光束高差，θ为Bragg角。选用稳定性好的激光器，并很好固定，均能减小光源对检测结果的影响。

受到环境影响，光屏会发生平移和晃动，但对光斑的位置影响不大。从实际操作看，光屏及其变化会影响图像判读精度。选择合适的光屏，并保证良好的检测环境，光屏的影响可忽略不计。

在对光斑图像进行判读时，有一定的判读误差Δp。衍射晶体经化学腐蚀，几何表面平面度较差，得到的光斑图像形状不规则；而衍射晶体未受化学腐蚀时，所得光斑图像形状规则，有利于提高判读精度。针对不同的光斑图像，设计了多种光斑图像处理算法，尽量减小判读误差(将另文讨论)。当成像系统和光屏间距离为Lsc时，根据误差传递定律，固定高差相对精度为：

其中，f为成像系统焦距。由式(4)可见，减小像元尺寸、提高判读精度、减小成像放大率，均有助于提高检测精度。

实际运用中，很难在检测结果中将光源和光屏误差分离出来，且当选用稳定光源，很好固定光源和光屏时，可减小它们对测量结果的影响。限于目前技术，光斑判读精度一般在0.1 pixel数量级上，因此光斑判读精度对固定高差精度的影响是无法忽略的。

3 检测实例

在研制的某双晶单色器中，采用此方法实现了对其固定高差相对精度的离线检测。

该双晶单色器的能量范围5–20 keV，固定高差输出精度要求为20 μm，晶体未经化学腐蚀。其中第一晶体通过Bragg转轴，第二晶体为长晶体，在Bragg角调整过程中，晶面可法向平移，以实现出射光束的稳定。检测中，使用高稳定性的氦氖激光器作为模拟光源，并将激光器固定在支架上。采用毛玻璃作为光屏，成像系统采用焦距为75 mm的镜头，CCD像元尺寸为5.2 μm，光屏和CCD镜头间距为350 mm。

检测前，对激光器的输出光束稳定性进行了测试，方法是将光束直接投射至20 m外的白墙上，在连续1 h内，基本观察不到光斑位置的变化。因此可认为，在检测过程中不考虑Δh1的影响。

同时，对光斑判读软件进行了测试，方法是将激光器固定在多齿分度台上，使光束投在光屏上，分度台转过一定角度后，通过成像系统获取光斑变化前后的图像，利用光斑判读软件进行图像处理，得到光斑位置变化精度。测试结果为：光斑判读软件对光斑判读的精度为0.2 pixel。

检测时，转动Bragg轴，每隔2°测量一次，图3表示CCD拍摄光斑图像，表1为检测数据。

图3 检测中单色器输出的光斑图像Fig.3 Image obtained in precision measurement of the invariable relative height.

分析检测数据，得到该双晶单色器的固定高差相对输出精度为(122+132)1/2=17.7 μm，满足技术指标要求。

表1 光斑位置(单位pixel)及其相对变化(RFD)Table 1 Facula position (in pixel) and relative facula displacement (RFD).

根据判读精度估算系统的测量精度：Δh2=4.9 μm，为固定高差输出精度要求的1/4倍，可认为检测结果有效。

4 结语

通过对同步辐射双晶单色器的固定高差技术分析，给出了固定高差相对精度的检测方法。该方法结合激光、视频成像及图像处理等技术，具有很强的实用意义。

检测方法仅检测了调整Bragg角过程中的光斑位置相对变化精度，并未给出系统的固定高差结果。由于单色器中固定高差和第二晶体在晶面法线方向的初始位置有关，一般在线联调时，根据光束线样品处实际光斑位置调整，因而离线检测时不作要求。

固定高差相对精度检测方法需改进和完善之处如下：

(1) 采用激光器作为模拟光源，和真实使用的光源有很大区别：激光器的反射发生在晶体表面，而X光波段的反射主要发生在晶体物理反射面，它们间的夹角由晶体定向精度决定。

(2) 晶体表面经化学腐蚀抛光后，表面平面度较差，用文中方法得到的光斑形状将会不规则，从而影响检测精度。

(3) 通过调整光屏和晶体间的距离、成像系统焦距、改善光斑形状等手段，可进一步提高检测精度。

文中介绍的检测方法已成功用于上海同步辐射光源(SSRF)和北京同步辐射光源(BSRF)，经双晶单色器在线使用，均取得很好的试验效果。

1 Sparks C J, Gene J B, Ice E. Sagittal focusing of synchrotron X2 radiation with curved crystal[J]. Nucl Instum Methods, 1982, 195(1): 73–78

2 Shu D, Barraza J, Brite C, et al. Beamline standard component designs for the advanced, photon source[J]. Rev Sci Instrum, 1995, 66(2): 1795–1797

3 Senf F, Lammert H, Flechsig U, et al. Precision demanded of a rowland circle monochromator: its realization[J]. Rev Sci Instrum, 1995, 66(2): 2154–2156

4 周泗忠, 邓小国, 杨晓许, 等. 弧矢聚焦双晶单色器性能测试研究[J]. 光子学报, 2007, 36(12): 2346–2349

ZHOU Sizhong, DENG Xiaoguo,YANG Xiaoxu, et al. Study on checking and measuring for sagittal double crystal monochromator[J]. Acta Photonica Sinica, 2007, 36(12): 2346–2349

5 汤 琦, 马健康, 周泗忠, 等. 弧矢(Sagittal) 聚焦双晶单色器设计[J]. 光学精密工程, 2002, 10(4): 411–415

TANG Qi, MA Jiankang, ZHOU Sizhong, et al. Design of a sagittally focusing double-crystal monochromator in synchrotron radiation[J]. Opt Precis Eng, 2002, 10(4): 411–415

6 Michael Hart. X-ray monochromators for high-power synchrotron radiation sources. Nucl Instum Methods, 1990, A297(1): 306–311