一种透明毛细管内表面面型测试系统及测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种透明毛细管内表面面型测试系统及测试方法。
【背景技术】
[0002] 透明毛细管在很多领域都有应用，比如化学，X射线光学。如图1所示，对于内径 与外径在轴向上不变的透明毛细管可以采用光学的方法测量横截面。但在X射线光学中采 用的毛细管，如图2所示，内表面为特殊形状，如锥面、椭球面、球面、抛物面等，内径大多在 百微米量级，外径为几个毫米。例如在同步辐射X射线纳米全场实验装置中，所需的旋转椭 球镜就是一种毛细管，长约150毫米，入光口端直径约为400微米，出光口端直径约为200 微米，该旋转椭球镜对面型精度的要求小于50微弧度。
[0003] 这类透明毛细管的非破坏性直接测试方法未见报道，目前该类毛细管的第一种测 试方法是采用光学千分尺（例如LS-7010M)测试毛细管外径，然后假设内径与外径存在固 定比例来反推内径。而由于毛细管的外形及其材料折射的原因，采用光学千分尺无法直接 测试毛细管内径。这样，在高精度的毛细管拉制过程中，仅依靠假设来计算内径，存在不确 定因素。第二种方法是采用同步辐射X射线同轴相位衬度成像可以测得内径，但是其精度 为几个微米，无法满足精度要求。由于毛细管的拉制过程是个拉制参数不断优化的过程，需 要快速准确测试内表面面型才能缩短毛细管研制周期，因此目前急需一套能够高精度的直 接测试毛细管内径进而测试出内表面面型的设备和方法。
【发明内容】
[0004] 为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种透明毛细管内表面面型 测试系统及测试方法，以实现具有复杂面型的透明毛细管的高精度快速测试。
[0005] 本发明之一所述的一种透明毛细管内表面面型测试系统，其系统包括：
[0006] -产生平行光的平行光产生子系统；
[0007] -直线位移台；
[0008] -盛放液体和完全浸入该液体中的两端密封的待测毛细管的液体池，其放置在所 述直线位移台上，并位于所述平行光中，且该液体池的透光测试面与该平行光的光轴垂直， 其中，所述液体的折射率与所述待测毛细管材料的折射率之差小于〇. 1 %，且所述待测毛细 管的中心轴与所述液体池的透光测试面平行
[0009] -采集穿过所述液体池的光束以获得所述待测毛细管的内径边界的投影的放大 图像的探测器子系统，其包括探测器，且该探测器的探测面与所述光束的光轴相交，并且与 该光束的光轴垂直；以及
[0010] -与所述直线位移台以及所述探测器连接的控制及数据分析处理子系统，其包括 依次连接的：
[0011] 控制模块；
[0012] 数据采集模块，其在所述控制模块的控制下采集所述待测毛细管的内径边界的投 影的放大图像，以获得所述探测器采集到的光束的光强随所述探测器的每一列像素位置变 化的位置光强曲线；
[0013] 折射率误差分析模块，其根据所述位置光强曲线的特征计算所述液体与所述待测 毛细管材料之间的折射率比值以及该折射率比值对该位置光强曲线的校正参数；以及
[0014] 还与所述数据采集模块连接的内径计算模块，其根据所述位置光强曲线的特征并 结合所述校正参数计算所述待测毛细管在当前轴向位置处的内径和内径中心位置；
[0015] 其中，所述控制模块还控制所述直线位移台沿所述待测毛细管的轴向运动，以获 得所述待测毛细管在不同轴向位置处的所述内径和内径中心位置并据此测得所述待测毛 细管的内表面面型。
[0016] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述平行光产生子系统包括：依次 同轴设置的光源、散射体和准直光学元件，其中：所述光源位于所述准直光学元件的焦点 上。
[0017] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述探测器子系统包括：依次同轴 设置的聚焦光学元件、可调光阑、准直放大光学元件和所述探测器，其中：所述聚焦光学元 件与所述准直放大光学元件之间的距离为两者焦距之和，所述可调光阑位于所述聚焦光学 元件的焦点上，所述探测器的探测面与通过所述准直放大光学元件产生的光束的光轴相 交，并且与该光束的光轴垂直。
[0018] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述探测器包括：移动平台以及设 置在该位移台上的点探测器。
[0019] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述探测器为线阵探测器。
[0020] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述系统的放大倍数为所述聚焦光 学元件的焦距与所述准直放大光学元件的焦距之比。
[0021] 在上述的透明毛细管内表面面型测试系统中，所述直线位移台的直线度小于等于 50纳米，精度小于等于1微米。
[0022] 本发明之二所述的一种透明毛细管内表面面型测试方法，其包括以下步骤：
[0023] 步骤S0,提供上述的透明毛细管内表面面型测试系统；
[0024] 步骤S1，配制所述液体，使其折射率与所述待测毛细管材料的折射率之差小于 0. 1%，并将该液体倒入所述液体池中；
[0025] 步骤S2,将所述待测毛细管两端密封，固定放置在所述液体池的中间位置且浸没 在所述液体中，并使该待测毛细管的中心轴与所述液体池的透光测试面平行，且与所述探 测器的列方向垂直；
[0026] 步骤S3,通过所述控制模块控制所述数据采集模块采集所述探测器获得的所述待 测毛细管的内径边界的投影的放大图像，以获得所述探测器所采集到的光束的光强随该探 测器的每一列像素位置变化的位置光强曲线；
[0027] 步骤S4,通过所述折射率误差分析模块根据所述步骤S3中的位置光强曲线的特 征以及公式（1)、（2)分别计算所述液体的折射率Ii1与所述待测毛细管材料的折射率η 2之 间的比值P以及该比值f对该位置光强曲线的校正参数Θ， 打2 打2
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[0030] 其中，当Ii1-Ii2S ±0. 001%时，所述位置光强曲线进行微分后获得两个峰值分别 为XjPx3，当0.001%< In2-Ii1I <0.1%时，所述位置光强曲线进行微分后获得六个峰值 位置分别为1。、11、12、1;^4和15，式（1)、（2)中的〇定义为151。，1定义为1 411，(1定义为 X3-X2, S为所述可调光阑的开口尺寸，匕为所述聚焦光学元件的焦距；
[0031 ] 步骤S5，通过所述内径计算模块根据所述步骤中的位置光强曲线的特征并结合所 述步骤S4中的校正参数Θ通过公式（3)、（4)分别计算所述待测毛细管在当前轴向位置处 的内径UP内径中心位置c，
[0034] 式（3)、⑷中，F。为所述待测毛细管中心与所述聚焦光学元件之间的距离，F 2为 所述准直放大光学元件的焦距，F3为所述准直放大光学元件与所述探测器之间的距离；
[0035] 步骤S6,通过所述控制模块控制所述直线位移台沿所述待测毛细管的轴向运动， 并返回执行所述步骤S3至步骤S5,直至获得所述待测毛细管在不同轴向位置处的内径和 内径中心位置，并据此测得所述待测毛细管的内表面面型。
[0036] 由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过将待测毛细管浸入折射率相近（即 两者之差小于〇. 1% )的液体中，从而使得毛细管外表面在光线下折射效果消失