CN113483696A - 一种大尺寸x射线反射镜干涉拼接测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，包括减振平台，减振平台上安装有第一基座、移动装置和第二基座，第一基座的上方固定有干涉仪，移动装置包括安装在位移导轨上的多自由度机械运动平台，多自由度机械运动平台上方固定有被测光学镜和光学反射镜，第二基座的上方固定有自准直仪，且干涉仪、多自由度机械运动平台和自准直仪均与一控制终端通信连接。本发明通过设置多自由度机械运动平台，减小干涉拼接测量过程中的随机误差；通过设置高精密角度测量系统，提高最终的测量精度，采取高精度的自准直仪系统实现相关角度测量功能。并且，本发明能够快速、自动化地获取大尺寸高精度反射镜的完整二维面形数据，提高测量效率。

Description

一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统及方法
技术领域
本发明涉及反射镜面形检测技术领域，更具体地涉及一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统及方法，包括平面镜或球面镜、椭圆镜等各种非平面镜的干涉拼接测量系统。
背景技术
随着第四代同步辐射衍射极限环和自由电子激光的发展，尤其是硬X射线自由电子激光的建造及运行，为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供了高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段。由此使得X射线大尺寸、高精度的反射镜的应用日益广泛，与之同时带来的是对X射线光学反射镜质量要求的不断提高。以应用于光束线工程的掠入射反射镜为代表，其X射线反射镜的面形精度要求高达1-2nm(PV)，斜率误差低于50-100nrad(RMS)，粗糙度不超过0.1nm(RMS)。而由于X射线的波长极短，光学元件材料对其吸收很强，所以只能采用全反射方式运行在掠入射的工作模式下，通过提高入射角度来获得较高的反射率，从而使得X射线反射镜一般为横向较窄且轴向较长的长条形，其长度甚至可超过1000毫米，而宽度仅为几十毫米，长宽比极高。其次，为了更好地获得聚焦调节性能，X射线反射镜不再局限于平面和非球面，还包括椭圆柱面、椭球面、环面和自由曲面等，对X射线反射镜的高精度测量提出了极大挑战。
目前，用于检测X射线反射镜的方法包括基于斜率测量的一维检测法和子孔径干涉拼接法。其中，一维检测法所使用的干涉仪包括长程面形仪、基于高精度自准直仪的纳弧度测量仪和基于两种自准仪的纳米精度表面轮廓仪，采用这些干涉仪仅能获得X射线反射镜的一维测量信息，即一条线上的表面信息，无法获得X射线反射镜的二维形貌信息，从而无法满足当前X射线反射镜整体面形的检测要求。子孔径干涉拼接法可以有效解决传统干涉仪面临的口径不合、测量范围不够的问题，能够获取X射线反射镜的二维数据。但目前采用的普通干涉仪拼接法和Shark-Hartmann拼接法受限于自身内部结构，对被测反射镜的角度误差较为敏感，测量过程中需要参考光束，而拼接过程中会存在角度误差的积累，且参考光束也存在误差，这就使得最终的测量精度和效率较低。
针对上述测量方法的不足，各大同步辐射装置相继研发了基于日本大阪大学(Mimuraetal.Rev.Sci.Instrum.76,045102-2005)发展的确定相对角度的子孔径拼接装置(RADSI)，尤其以日本Spring-8，欧洲ESRF和美国NSLS-Ⅱ为代表。但是这种干涉拼接装置机械结构复杂，需要额外的平面辅助参考镜及其控制系统。并且，为了解析平面辅助参考镜条纹变化进而确定相对角度来测量反射镜，需要同时使用两台高精度干涉仪，成本高昂。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统及方法，能够直接测量相对角度，获取反射镜的二维高精度面形，同时结构简单，成本低廉。
本发明提供的一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，包括一减振平台，所述减振平台上安装有第一基座、移动装置和第二基座，所述第一基座的上方固定有干涉仪，所述移动装置包括安装在位移导轨上的多自由度机械运动平台，所述多自由度机械运动平台上方固定有被测光学镜和光学反射镜，所述第二基座的上方固定有自准直仪，且所述干涉仪、所述多自由度机械运动平台和所述自准直仪均与一控制终端通信连接。
进一步地，所述干涉仪设置为将发射出的相干光垂直照射到所述被测光学镜的表面。
进一步地，所述多自由度机械运动平台为四自由度机械运动平台。
进一步地，所述多自由度机械运动平台包括自下而上依次排布的水平方向位移平台、竖直方向旋转平台、竖直方向位移平台以及水平方向旋转平台。
优选地，所述水平方向位移平台和所述竖直方向位移平台的分辨率为0.1μm。
优选地，所述竖直方向旋转平台和所述水平方向旋转平台的分辨率为0.1μrad。
进一步地，所述水平方向位移平台和所述竖直方向位移平台设置为控制所述被测光学镜在垂直于所述相干光的入射方向的平面内运动。
进一步地，所述竖直方向旋转平台和所述水平方向旋转平台设置为控制所述被测光学镜所在平面与所述相干光的入射方向的夹角。
进一步地，所述自准直仪设置为将发射出的测量光照射至所述光学反射镜。
本发明还提供一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法，包括：
步骤S1，建立上述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统。
步骤S2，打开干涉仪，控制终端控制多自由度机械运动平台来调整干涉仪发出的相干光与被测光学镜的相对位置，以使干涉仪的参考平面与被测光学镜保持平行。
步骤S3，将i初始化为1，所述控制终端继续控制多自由度机械运动平台，以使所述干涉仪发出的相干光照射所述被测光学镜的第i个测量位置，获得第i个子孔径；同时，自准直仪测量第i个子孔径的角度，作为子孔径基准角度θi，控制终端记录并保存第i个子孔径的面形数据以及子孔径基准角度θi。
步骤S4，所述控制终端控制水平方向位移平台在位移导轨上沿X方向移动，以使所述干涉仪发出的相干光照射所述被测光学镜的第i+1个测量位置，获得第i+1个子孔径；X方向为垂直于相干光方向的水平方向。
步骤S5，所述控制终端控制竖直方向旋转平台、竖直方向位移平台以及水平方向旋转平台进行调整，当在第i+1个测量位置获得的子孔径和在第i个测量位置获得的子孔径的形状、大小均相同，且圆心的连线平行于X方向时，所述控制终端记录并保存第i+1个子孔径面形数据。
步骤S6，利用光学反射镜和所述自准直仪测量第i+1个子孔径的角度θi+1，所述控制终端记录并保存第i+1个子孔径的角度θi+1。
步骤S7，令i＝i+1，重复上述步骤S4-S6，直到获得的若干子孔径面形之和完全覆盖所述被测光学镜，此时i＝N，N为正整数。
步骤S8，所述控制终端根据保存的所有子孔径面形数据进行子孔径拼接，并根据每个子孔径的角度相对于子孔径基准角度的变化量进行误差补偿，拼接出所述被测光学镜的完整二维面形。
进一步地，所述第i+1个子孔径和第i个子孔径具有40％～80％的重叠区域，i＝1,2,...,N，N为正整数。
本发明的测量系统通过设置多自由度机械运动平台，使得对被测光学镜的角度误差不敏感，从而提高最终的测量精度。并且，本发明的测量系统不需要参考光束，干涉拼接过程中由于机械运动引起的误差影响降到最低，进一步提高了测量精度。并且，本发明的测量方法不仅可以满足X射线反射镜形测量的高精度要求，而且能够快速、自动化地获取大尺寸高精度反射镜的完整二维面形数据，大大提高了测量效率。
附图说明
图1是按照本发明的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统的结构示意图。
图2是图1中多自由度机械运动平台的结构示意图。
图3是自准直系统的工作原理图。
图4是按照本发明的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法的流程图。
图5是按照本发明的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法进行测量获得的子孔径面形分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，按照本发明的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，包括减振平台1，减振平台1上安装有第一基座2、移动装置4和第二基座9。其中，第一基座2的上方固定有干涉仪3。移动装置4包括安装在位移导轨5上的多自由度机械运动平台6，多自由度机械运动平台6上方固定有被测光学镜7和光学反射镜8。第二基座9的上方固定有自准直仪10，并且干涉仪3、多自由度机械运动平台6和自准直仪10均与控制终端11通信连接。
上述减振平台1用于为第一基座2、多自由度机械运动平台6和第二基座9减小各种振动带来的测量误差。第一基座2用于为干涉仪3提供支撑，使得干涉仪3将发射出的相干光垂直照射到被测光学镜7的表面，以获取子孔径面形数据。多自由度机械运动平台6沿导轨5进行移动，使得干涉仪3发射出的相干光可以照射在被测光学镜7的不同位置。第二基座9用于为自准直仪10提供支撑，使得自准直仪10将发射出的测量光照射至光学反射镜8。控制终端11用于控制干涉仪3、自准直仪10的开关以及多自由度机械运动平台6的运动，并获取被测光学镜7镜面子孔径面形数据。
如图2所示，本发明采用的多自由度机械运动平台6为四自由度机械运动平台，用于精密控制被测光学镜7的运动。首先，在笛卡尔坐标系中，定义干涉仪3发出的相干光方向为Z方向，则X方向、Y方向均垂直于相干光方向，且X方向为水平方向，Y方向为竖直方向，X-Y平面为被测光学镜7所在平面。则多自由度机械运动平台6包括自下而上依次排布的水平方向(即X方向)位移平台61、竖直方向旋转(即绕Y方向轴旋转)平台62、竖直方向(即Y方向)位移平台63以及水平方向旋转(即绕X方向轴旋转)平台64。其中，水平方向位移平台61和竖直方向位移平台63用于控制被测光学镜7在垂直于相干光入射方向的平面内运动，使得干涉仪3发出的相干光照射被测光学镜7在长度方向(即X方向)的不同位置，且水平方向位移平台61和竖直方向位移平台63的分辨率为0.1μm。竖直方向旋转平台62和水平方向旋转平台64用于控制被测光学镜7所在平面与相干光入射方向的夹角，使得干涉仪3发出的相干光能够覆盖被测光学镜7在宽度方向(即Y方向，也就是竖直方向)的范围，且竖直方向旋转平台62和水平方向旋转平台64的分辨率为0.1μrad。
本发明的自准直仪10与光学反射镜8共同构成自准直系统，用于获取被测光学镜7在测量时产生的角度变化。其原理如图3所示，自准直仪10发出的测量光经过双光束分束器分为两束光，经过准直物镜获得准直平行光，然后经过光学反射镜8返回，再次穿过准直物镜汇聚到自准直仪10的光电信号接收器中被探测接收成像。如果光学反射镜8产生了微小角度变化，光电信号接收器上的成像也会产生一定的微小位移。由于光学反射镜8安装在多自由度机械运动平台6上，随着被测光学镜7的运动而运动，因此两者角度变化相同，可由自准直仪10测量被测光学镜7相邻子孔径之间的角度变化误差并在后续拼接过程中进行补偿，测量精度可达0.1″。
多自由度机械运动平台6的可控精密调节有弥补角度误差的能力，且自准直仪10可测量额外的角度变化误差并在后续的拼接中进行补偿，使得本发明的测量系统对被测光学镜7的角度误差不敏感，从而使得拼接过程中的角度累积误差对最终测量精度影响较小。并且，本发明的测量系统不需要参考光束，可以自动调节被测光学镜7的位置，将干涉拼接过程中由于机械运动引起的误差影响降到最低。
本发明还提供一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法，如图4所示，包括以下步骤：
步骤S1，提供上述大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统。
步骤S2，打开干涉仪3，控制终端11控制多自由度机械运动平台6中的四个位移平台61、62、63、64来调整干涉仪3发出的相干光与被测光学镜7的相对位置，以使干涉仪3的参考平面与被测光学镜7保持平行。
步骤S3，将i初始化为1，控制终端11继续控制多自由度机械运动平台6中的四个位移平台61、62、63、64，以使干涉仪3发出的相干光照射被测光学镜7的第i个测量位置(即相干光的近零条纹位置位于被测光学镜7的第i个测量位置)，获得第i个子孔径；同时，自准直仪10测量第i个子孔径的角度，作为子孔径基准角度θi，控制终端11记录并保存第i个子孔径的面形数据以及子孔径基准角度θi。需要说明的是，第i个子孔径覆盖被测光学镜7在宽度方向的范围。另外，本发明的方法测量的面形数据包括面形精度(PV、RMS值)、斜率误差(RMS值)和粗糙度(RMS值)。
步骤S4，控制终端11控制水平方向位移平台61在位移导轨5上沿X方向移动，带动被测光学镜7沿X方向移动，以使干涉仪3发出的相干光照射被测光学镜7的第i+1个测量位置，获得第i+1个子孔径。第i+1个子孔径和第i个子孔径具有重叠区域，重叠区域的大小可根据测量精度的要求进行设置。在本实施例中，第i+1个子孔径和第i个子孔径具有40％～80％的重叠区域。
由于被测光学镜7沿X方向移动的过程中存在移动误差，会影响干涉条纹的可见度。因此，进行步骤S5，控制终端11控制竖直方向旋转平台62、竖直方向位移平台63以及水平方向旋转平台64进行精密调整，当在第i+1个测量位置获得的子孔径和在第i个测量位置获得的子孔径仅有X方向的相对距离时(即两个子孔径的形状、大小均相同，且圆心的连线平行于X方向)，控制终端11记录并保存第i+1个子孔径面形数据。通过多自由度机械运动平台4的精密调整，能够将每一个子孔径之间的几何关系误差降至最低，能够极大地提高最终的大尺寸高精度反射镜面形拼接精度。
步骤S6，利用光学反射镜8和自准直仪10测量第i+1个子孔径的角度θi+1，控制终端11记录并保存第i+1个子孔径的角度θi+1。
步骤S7，令i＝i+1，重复上述步骤S4-S6，直到获得的若干子孔径面形之和完全覆盖被测光学镜7，如图5所示，此时i＝N，N为正整数。也就是说，在重复步骤S4-S6的过程中，i依次变为2，3，4，…，N。此时，关闭干涉仪3，保持多自由度机械运动平台4静止，自准直仪10继续测量多自由度机械运动平台6的稳定性，测得抖动低于100nrad即可。
最后，步骤S8，控制终端11根据保存的所有子孔径面形数据进行子孔径拼接，并根据每个子孔径的角度相对于子孔径基准角度的变化量进行误差补偿，最终拼接出被测光学镜7的完整二维面形。如此，光学镜7的面形测量结束。
在实际测量过程中，相邻子孔径重叠区域会存在一定的相对误差，一般为相对坐标平面的倾斜和高度方向的位移，进而影响后续的全面形拼接精度。自准直仪10和光学反射镜8共同作用，能够实时检测和补偿相应的相对倾斜误差，需要测量的角度范围取决于被测光学镜7的曲率半径、重叠区域的大小以及子孔径的数目，从而获得高精度的干涉拼接面形。
相邻子孔径重叠区域之间的相对误差基本可表达为：
Z1(x，y)-Z2(x，y)＝ax+by+c
式中，a、b为相对于X，Y轴的倾斜量；c为Z轴光轴方向的平移量。
俯仰/偏航角度变化的具体测量公式及原理如下：
Figure BDA0003170325210000071
式中，α为光学反射镜8的角度变化量，f为自准直仪10的聚焦长度，d为自准直仪10的CCD接收器上两细光束干涉条纹的距离。
通过上述步骤可以看到，本发明的测量系统的测量方法通过干涉仪3、多自由度机械运动平台6、自准直系统以及控制终端11的配合，在整个干涉拼接过程中不需要人为接触来对被测光学镜7进行任何操作，减少了手动操作带来的误差。并且，本发明的测量系统的测量方法不仅可以满足X射线反射镜形测量的高精度要求，而且能够快速、自动化地获取大尺寸高精度反射镜的完整二维面形数据，大大提高了测量效率。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (11)

1.一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，包括一减振平台，所述减振平台上安装有第一基座、移动装置和第二基座，所述第一基座的上方固定有干涉仪，所述移动装置包括安装在位移导轨上的多自由度机械运动平台，所述多自由度机械运动平台上方固定有被测光学镜和光学反射镜，所述第二基座的上方固定有自准直仪，且所述干涉仪、所述多自由度机械运动平台和所述自准直仪均与一控制终端通信连接。
2.根据权利要求1所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述干涉仪设置为将发射出的相干光垂直照射到所述被测光学镜的表面。
3.根据权利要求1所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述多自由度机械运动平台为四自由度机械运动平台。
4.根据权利要求2所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述多自由度机械运动平台包括自下而上依次排布的水平方向位移平台、竖直方向旋转平台、竖直方向位移平台以及水平方向旋转平台。
5.根据权利要求3所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述水平方向位移平台和所述竖直方向位移平台的分辨率为0.1μm。
6.根据权利要求3所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述竖直方向旋转平台和所述水平方向旋转平台的分辨率为0.1μrad。
7.根据权利要求3所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述水平方向位移平台和所述竖直方向位移平台设置为控制所述被测光学镜在垂直于所述相干光的入射方向的平面内运动。
8.根据权利要求3所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述竖直方向旋转平台和所述水平方向旋转平台设置为控制所述被测光学镜所在平面与所述相干光的入射方向的夹角。
9.根据权利要求1所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统，其特征在于，所述自准直仪设置为将发射出的测量光照射至所述光学反射镜。
10.一种大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立如权利要求1-9任一项所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量系统；
步骤S2，打开干涉仪，控制终端控制多自由度机械运动平台来调整干涉仪发出的相干光与被测光学镜的相对位置，以使干涉仪的参考平面与被测光学镜保持平行；
步骤S3，将i初始化为1，所述控制终端继续控制多自由度机械运动平台，以使所述干涉仪发出的相干光照射所述被测光学镜的第i个测量位置，获得第i个子孔径；同时，自准直仪测量第i个子孔径的角度，作为子孔径基准角度θi，控制终端记录并保存第i个子孔径的面形数据以及子孔径基准角度θi；
步骤S4，所述控制终端控制水平方向位移平台在位移导轨上沿X方向移动，以使所述干涉仪发出的相干光照射所述被测光学镜的第i+1个测量位置，获得第i+1个子孔径；X方向为垂直于相干光方向的水平方向；
步骤S5，所述控制终端控制竖直方向旋转平台、竖直方向位移平台以及水平方向旋转平台进行调整，当在第i+1个测量位置获得的子孔径和在第i个测量位置获得的子孔径的形状、大小均相同，且圆心的连线平行于X方向时，所述控制终端记录并保存第i+1个子孔径面形数据；
步骤S6，利用光学反射镜和所述自准直仪测量第i+1个子孔径的角度θi+1，所述控制终端记录并保存第i+1个子孔径的角度θi+1；
步骤S7，令i＝i+1，重复上述步骤S4-S6，直到获得的若干子孔径面形之和完全覆盖所述被测光学镜，此时i＝N，N为正整数；
步骤S8，所述控制终端根据保存的所有子孔径面形数据进行子孔径拼接，并根据每个子孔径的角度相对于子孔径基准角度的变化量进行误差补偿，拼接出所述被测光学镜的完整二维面形。
11.根据权利要求10所述的大尺寸X射线反射镜干涉拼接测量方法，其特征在于，所述第i+1个子孔径和第i个子孔径具有40％～80％的重叠区域，i＝1,2,...,N，N为正整数。
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