留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

K-B镜面形高精度检测技术研究进展

张帅 侯溪

张帅, 侯溪. K-B镜面形高精度检测技术研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
引用本文: 张帅, 侯溪. K-B镜面形高精度检测技术研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
ZHANG Shuai, HOU Xi. Research progress of high-precision surface metrology of a K-B mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
Citation: ZHANG Shuai, HOU Xi. Research progress of high-precision surface metrology of a K-B mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231

K-B镜面形高精度检测技术研究进展

doi: 10.37188/CO.2019-0231
基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目(No. 61675209)
详细信息
    作者简介:

    张 帅(1994—),男,河南平顶山人,硕士研究生,2018年于长春理工大学获得学士学位,主要从事高精度X射线光学元件面形检测装置研究。Email:zhangshuai18@mails.uacs.ac.cn

    侯 溪(1980—),男,四川阆中人,博士,研究员,博士生导师,2002年于电子科技大学获得学士学位,2007年于中国科学院研究生院获得博士学位,主要从事高精度光学检测技术研究及仪器研制。Email:hxxh6776@163.com

  • 中图分类号: TN247

Research progress of high-precision surface metrology of a K-B mirror

Funds: Supported by General Program of National Natural Science Foundation of China (No. 61675209)
More Information
  • 摘要: 以新一代同步辐射光源和全相干X射线自由电子激光为代表的先进光源已成为众多学科领域中一种不可或缺的研究工具。先进光源技术不断进步,驱动超精密光学制造快速发展,先进光源中关键聚焦光学元件K-B镜的面形精度是影响光源性能的重要指标,要求其在几十纳弧度以下。然而,高精度K-B镜面形检测技术依然存在较大技术挑战,一直是国内外研究热点。本文介绍了反射式轮廓测量技术即长程轮廓仪(LTP)、纳米测量仪(NOM)以及拼接干涉检测技术等典型K-B镜面形检测技术的基本原理,对比分析了其技术特点,综述了国内外K-B镜面形检测技术的研究现状和最新进展,对发展趋势进行了展望。
  • 图  1  (a)经典一维K-B镜和(b)具有二维弯曲的K-B镜

    Figure  1.  (a) Typical K-B mirror and (b) K-B mirror with two-dimensional bending

    图  2  LTP光学系统原理图

    Figure  2.  Principle diagram of LTP optical system

    图  3  NOM原理图[16]

    Figure  3.  Principle diagram of NOM system[16]

    图  4  拼接原理图

    Figure  4.  The principle of stitching

    图  5  曲率变化剧烈的柱面镜的干涉条纹图

    Figure  5.  Interference fringe pattern of cylindrical mirror with sharp curvature change

    图  6  LTP/NOM发展历程[16, 21, 23, 25, 27, 28]

    Figure  6.  The development of LTP/NOM[16, 21, 23, 25, 27, 28]

    图  7  (a) ESRF中的拼接干涉仪及其(b)测量过程[40]

    Figure  7.  (a) Fizeau stitching interferometer at ESRF and its (b) measurement process[40]

    图  8  SPring-8中的MSI原理图[43]

    Figure  8.  Diagram of microstitching interferometry at SPring-8[43]

    图  9  ESRF中的MSI装置[46]

    Figure  9.  Microstitching interferometry at ESRF[46]

    图  10  SOLEIL中Michelson型显微拼接干涉仪[47]

    Figure  10.  Michelson stitching interferometry at SOLEIL[47]

    图  11  (a) RADSI装置图及其 (b) 测量过程[48]

    Figure  11.  (a) Scheme of RADSI system and (b) its measurement process[48]

    图  12  RADSI发展路线图[42, 48, 50, 52]

    Figure  12.  The development of RADSI[42, 48, 50, 52]

    图  13  2D-TSI装置原理图[57]

    Figure  13.  The scheme of 2D-TSI device[57]

    图  14  先进光源硬X射线聚焦尺寸演变

    Figure  14.  The trend of hard X-ray focusing size

    图  15  K-B镜面形精度趋势[36]

    Figure  15.  The trend of K-B mirror shape accuracy [36]

    图  16  K-B镜面形检测技术发展过程图

    Figure  16.  Development of K-B mirror surface metrology

    表  1  LTP/NOM技术典型参数

    Table  1.   Specifications of LTP/NOM

    类型LTPNOM
    工作距离/mm100~1100300~1300
    斜率/mrad±5±5
    扫描速率/(mm·s−1)5~102~4
    精度(RMS)/nrad平面: ~50
    曲面: ~250
    平面: ~50
    曲面: ~500
    空间分辨率/mm~12.5~5
    下载: 导出CSV

    表  2  国内外典型LTP/NOM技术参数

    Table  2.   Technical specifications of typical LTP/NOM technologies at home and abroad

    类型机构/装置设备时间测量范围性能备注
    LTP日本JASRI/SPring-8Laser-LTP20143.6 mrad0.2 μrad
    重复精度60 nrad
    激光校准测头误差
    分辨率30 nrad
    LTP2016~1 m5 nm新型斜率传感器;
    空间分辨率<1 mm
    美国LBNLALSLTP-II+20141 m
    ±2.5 mrad
    平面:<80 rad rms
    曲面(>15 m): 250 nrad rms
    校正K-B位置误差
    中国台湾NSRRCNLTP20131.2 m测量重复精度50 nrad定位基准为衍射暗线;
    光束定位精度高
    中国SSRF上海光源LTP20161 m平面:<50 nrad
    曲面(>38 m): 0.27μrad
    支持快速测量
    中国IHEP高能所FSP20191 m平面:25 nrad rms
    曲面(3 mrad): 32 nrad rms
    空间分辨率优于1 mm
    NOM巴西LNLSNOM20171.5 m平面:50 nrad rms横向分辨率大
    德国BESSY-IIDiamond-NOM20141.5 m
    ±5 mrad
    平面:50 nrad rms
    曲面:200 nrad rms (±24μrad)
    500 nrad rms (±5 mrad)
    曲率测量范围大
    美国BNLDLTP20141 m
    ±4.6 mrad
    平面:60 nrad rms
    曲面(>15 m): 200 nrad rms
    曲面测量受限
    OSMS20171.2 m平面:<50 nrad rms
    曲面(>60 m): 100 nrad rms
    实现二维测量
    日本JASRI/SPring-8AC-NOM20149.7 mrad±1.2μrad ±0.24μrad (48μrad)
    重复精度100 nrad rms
    校准扫描俯仰误差; 扫描速度慢分辨率24.2 nrad
    中国SSRF上海光源NOM20151100 mm
    ±5 mrad
    0.08μrad rms (±50μrad)
    0.25μrad rms (±5 mrad)
    空间采样频率在1~10 mm
    重复精度50 nrad rms
    下载: 导出CSV

    表  3  3种类型拼接干涉仪对比[40, 51, 56]

    Table  3.   Comparison of three types of stitching interferometer [40, 51, 56]

    主动角控制拼接干涉仪
    控制算法+精密转台
    测角拼接干涉仪
    测角系统(RADSI)
    测角辅助拼接干涉仪
    测角辅助装置+拼接算法
    大口径、小曲率长焦K-B镜
    300~1000 mm; <20 mrad
    小口径、大曲率短焦K-B镜
    100~300 mm; >20 mrad
    平面镜、小曲率椭圆柱镜(探索阶段)
    平面优于0.30 nm rms
    曲面优于0.30 μrad rms
    步进单孔径测量(干涉仪尺寸)
    平面优于0.2 nm rms
    曲面优于2 nm rms
    步进单孔径测量: 2 mm×2 mm
    重复精度1.5 nm rms
    步进单孔径量: 2 mm×2 mm
    结构相对简单,测量口径范围大,
    测量效率高 测量频段有限,
    测量精度受待测面曲率影响大
    测量频段宽,测量精度高,
    曲率测量范围大,结构复杂,
    易受环境影响,测量口径范围受限
    结构简单,动态范围大,测量精度高
    有待进一步完善具体结构
    下载: 导出CSV

    表  4  国内外典型拼接干涉仪技术参数

    Table  4.   Technical parameters of typical stitching interferometer at home and abroad

    机构/装置设备时间技术性能备注
    欧洲ERSFFizeau-SI2019平面镜:优于0.30 nm rms
    椭面镜:优于0.30 μrad rms
    球面镜:优于0.25 μrad rms
    主镜法校正参考误差需弥补球面低频信息空间分辨率: 80 μm
    MSI2019平面: 0.2 nm rms
    横向分辨率: (2.5倍) 16 μm; (1倍) 40 μm
    适合于平面或强弯短镜;
    存在拼接伪影
    美国BNLMSI2017残余斜率偏差: 2 μrad rms采用曲率拼接技术
    ASI-AMS2018平面:重复精度0.5 nm rms
    椭球面:重复精度2 nm rms
    可以减小回程误差; 子孔径重叠
    面积小,测量速度快
    日本大阪大学MSI-RADSI2016面型高度误差:3 nm rms
    重复精度:0.51 nm rms
    可测极端曲率面形以及椭面镜;
    测量范围有限
    法国SOLEILMich-SI2019重复精度:0.2 nm rms可测20 mm−1频段面形信息
    复旦大学RADSI2017平面镜:重复精度0.5 nm rms
    球面镜:曲率偏差为2.3%
    验证了RADSI球面测量能力
    国防科技大学DST2018测量PV值8 nm;
    重复精度达到1.5 nm rms
    一维测量;双扫描间隔; 减小回程
    误差及参考误差
    下载: 导出CSV
  • [1] KIRKPATRICK P, BAEZ A V. Formation of optical images by X-rays[J]. Journal of the Optical Society of America, 1948, 38(9): 766-774. doi:  10.1364/JOSA.38.000766
    [2] GIEWEKEMEYER K, WILKE R N, OSTERHOFF M, et al. Versatility of a hard X-ray kirkpatrick–baez focus characterized by ptychography[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2013, 20(3): 490-497. doi:  10.1107/S0909049513005372
    [3] NAULLEAU P P, GOLDBERG K A, BATSON P J, et al. Tolerancing of diffraction-limited Kirkpatrick-Baez synchrotron beamline optics for extreme-ultraviolet metrology[J]. Applied Optics, 2001, 40(22): 3703-3709. doi:  10.1364/AO.40.003703
    [4] MATSUYAMA S, YAMADA J, KOHMURA Y, et al. Full-field X-ray fluorescence microscope based on total-reflection advanced Kirkpatrick-Baez mirror optics[J]. Optics Express, 2019, 27(13): 18318-18328. doi:  10.1364/OE.27.018318
    [5] KODAMA R, IKEDA N, KATO Y, et al. Development of an advanced Kirkpatrick-Baez microscope[J]. Optics Letters, 1996, 21(17): 1321-1323. doi:  10.1364/OL.21.001321
    [6] HUDEC R, PINA L, VAN INNEMAN A, et al. Lightweight x-ray optics for future space missions[J]. Proceedings of SPIE, 2003, 4851: 656-665. doi:  10.1117/12.461590
    [7] YUMOTO H, MIMURA H, KOYAMA T, et al. Focusing of X-ray free-electron laser pulses with reflective optics[J]. Nature Photonics, 2012, 7(1): 43-47.
    [8] SIEWERT F, BUCHHEIM J, BOUTET S, et al. Ultra-precise characterization of LCLS hard X-ray focusing mirrors by high resolution slope measuring deflectometry[J]. Optics Express, 2012, 20(4): 4525-4536. doi:  10.1364/OE.20.004525
    [9] HEYNACHER E, REINHARDT D. Measuring equipment for testing the directrix of high-resolution wolter-type telescopes[J]. Proceedings of SPIE, 1979, 184: 167-169. doi:  10.1117/12.957446
    [10] COCCO D, IDIR M, MORTON D, et al. Advances in X-ray optics: from metrology characterization to wavefront sensing-based optimization of active optics[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment, 2018, 907: 105-115.
    [11] QIAN S, TAKACS P. Nano-accuracy Surface Figure Metrology of Precision Optics[M]. COCCO L. Modern Metrology Concerns. Rijeka: Intech Open, 2012.
    [12] OWADA S, TOGAWA K, INAGAKI T, et al. A soft X-ray free-electron laser beamline at SACLA: the light source, photon beamline and experimental station[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2018, 25(1): 282-288. doi:  10.1107/S1600577517015685
    [13] YANDAYAN T, GECKELER R D, SIEWERT F. Pushing the limits: latest developments in angle metrology for the inspection of ultra-precise synchrotron optics[J]. Proceedings of SPIE, 2014, 9206: 92060F.
    [14] TAKACS P Z, FENG S C K, CHURCH E L, et al. Long trace profile measurements on cylindrical aspheres[J]. Proceedings of SPIE, 1989, 966: 354-364. doi:  10.1117/12.948082
    [15] TAKACS P Z, QIAN SH N, COLBERT J. Design of a long trace surface profiler[J]. Proceedings of SPIE, 1987, 749: 59-64. doi:  10.1117/12.939842
    [16] SIEWERT F, LAMMERT H, NOLL T, et al. Advanced metrology: an essential support for the surface finishing of high performance x-ray optics[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5921: 592101. doi:  10.1117/12.622747
    [17] SIEWERT F, ZESCHKE T, ARNOLD T, et al. Linear chirped slope profile for spatial calibration in slope measuring deflectometry[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(5): 051907. doi:  10.1063/1.4950737
    [18] OTSUBO M, OKADA K, TSUJIUCHI J. Measurement of large plane surface shapes by connecting small-aperture interferograms[J]. Optical Engineering, 1994, 33(2): 608-613. doi:  10.1117/12.152248
    [19] IRICK S C, MCKINNEY W R, LUNT D L J, et al. Using a straightness reference in obtaining more accurate surface profiles from a long trace profiler[J]. Review of Scientific Instruments, 1992, 63(1): 1436-1438. doi:  10.1063/1.1143036
    [20] QIAN SH N, LI H ZH, TAKACS P Z. Penta-Prism Long Trace Profiler (PPLTP) for measurement of grazing incidence space optics[J]. Proceedings of SPIE, 1996, 2805: 108-114. doi:  10.1117/12.245083
    [21] QIAN SH N, SOSTERO G, TAKACS P Z. Precision calibration and systematic error reduction in the long trace profiler[J]. Optical Engineering, 2000, 39(1): 304-310. doi:  10.1117/1.602364
    [22] PEDREIRA P, NICOLAS J, ŠICS I, et al. Deflectometry encoding the measured angle in a time-dependent intensity signal[J]. Review of Scientific Instruments, 2019, 90(2): 021707. doi:  10.1063/1.5057768
    [23] QIAN SH N, TAKACS P Z. Design of multiple-function long trace profiler[J]. Optical Engineering, 2007, 46(4): 043602. doi:  10.1117/1.2724851
    [24] FLORIOT J, LEVECQ X, BUCOURT S, et al. A Shack–Hartmann measuring head for the two-dimensional characterization of X-ray mirrors[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2008, 15(2): 134-139. doi:  10.1107/S0909049507066083
    [25] IDIR M, KAZNATCHEEV K, DOVILLAIRE G, et al. A 2 D high accuracy slope measuring system based on a stitching shack hartmann optical head[J]. Optics Express, 2014, 22(3): 2770-2781. doi:  10.1364/OE.22.002770
    [26] ALCOCK S G, SAWHNEY K J S, SCOTT S, et al. The Diamond-NOM: a non-contact profiler capable of characterizing optical figure error with sub-nanometre repeatability[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment, 2010, 616(2-3): 224-228. doi:  10.1016/j.nima.2009.10.137
    [27] QIAN SH N, IDIR M. Innovative nano-accuracy surface profiler for sub-50 nrad rms mirror test[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 9687: 96870D.
    [28] GECKELER R D. ESAD shearing deflectometry: potentials for synchrotron beamline metrology[J]. Proceedings of SPIE, 2006, 6317: 63171H. doi:  10.1117/12.716301
    [29] LACEY I, ADAM J, CENTERS G P, et al. Development of a high performance surface slope measuring system for two-dimensional mapping of x-ray optics[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10385: 103850G.
    [30] QIAN SH N, WANG Q P, HONG Y L, et al. Multiple Functions Long Trace Profiler (LTP-MF) for national synchrotron radiation laboratory of China[J]. Proceedings of SPIE, 2005, 5921: 592104. doi:  10.1117/12.618800
    [31] ZENG D H, XIAO T Q, DU G H, et al. New long trace profiler based on phase plate diffraction for optical metrology of SSRF[J]. Review of Scientific Instruments, 2006, 77(9): 093305. doi:  10.1063/1.2186253
    [32] 李直, 赵洋, 李达成, 等. 衍射型长程大型非球面轮廓测量仪[J]. 光学学报,2002,22(10):1224-1228. doi:  10.3321/j.issn:0253-2239.2002.10.014

    LI ZH, ZHANG Y, LI D CH, et al. A diffractive long trace profiler for large aspherical optics[J]. Acta Optica Sinica, 2002, 22(10): 1224-1228. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0253-2239.2002.10.014
    [33] SHUN L, YAN G, WEI ZH, et al. Design of co-path scanning long trace profiler for measurement of x-ray space optical elements[J]. Proceedings of SPIE, 2010, 7544: 754421. doi:  10.1117/12.885415
    [34] 澎湃新闻. 高能同步辐射光源验证装置通过国家验收, 最亮光源年中开建[OL]. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_2935727. 2019-1-31.

    The Paper. The verification device of high energy synchrotron radiation light source has passed acceptance, and the brightest light source will be built in the middle of the year [OL]. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_2935727. 2019-1-31.
    [35] 秦超.同步辐射椭圆柱面压弯镜机构的研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所), 2018.

    QIN CH. Research on synchrotron radiation elliptic cylinder mirror bender[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences (Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences), 2018. (in Chinese)
    [36] SIEWERT F, BUCHHEIM J, ZESCHKE T, et al. On the characterization of ultra-precise X-ray optical components: advances and challenges in ex situ metrology[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2014, 21(5): 968-975. doi:  10.1107/S1600577514016221
    [37] ASSOUFID L, BRAY M, QIAN J, et al. 3D surface profile measurements of large x-ray synchrotron radiation mirrors using stitching interferometry[J]. Proceedings of SPIE, 2002: 4728.
    [38] VIVO A, LANTELME B, BAKER R, et al. Stitching methods at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(5): 051908. doi:  10.1063/1.4950745
    [39] VIVO A, BARRETT R. Fizeau stitching at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10385: 103850N.
    [40] VIVO A, BARRETT R, PERRIN F. Stitching techniques for measuring X-ray synchrotron mirror topography[J]. Review of Scientific Instruments, 2019, 90(2): 021710. doi:  10.1063/1.5063339
    [41] WIEGMANN A, STAVRIDIS M, WALZEL M, et al. Accuracy evaluation for sub-aperture interferometry measurements of a synchrotron mirror using virtual experiments[J]. Precision Engineering, 2011, 35(2): 183-190. doi:  10.1016/j.precisioneng.2010.08.007
    [42] YAMAUCHI K, YAMAMURA K, MIMURA H, et al. Microstitching interferometry for x-ray reflective optics[J]. Review of Scientific Instruments, 2003, 74(5): 2894-2898. doi:  10.1063/1.1569405
    [43] OHASHI H, TSUMURA T, OKADA H, et al. Microstitching interferometer and relative angle determinable stitching interferometer for half-meter-long x-ray mirror[J]. Proceedings of SPIE, 2007, 6704: 670405. doi:  10.1117/12.733476
    [44] GEVORKYAN G S, CENTERS G, POLONSKA K S, et al.. Surface slope metrology of highly curved x-ray optics with an interferometric microscope[C]. Proceedings of SPIE, 2017, 10385: 103850H.
    [45] ASSOUFID L, QIAN J, KEWISH C M, et al. A microstitching interferometer for evaluating the surface profile of precisely figured X-ray K-B mirrors[J]. Proceedings of SPIE, 2007, 6704: 670406. doi:  10.1117/12.736384
    [46] ROMMEVEAUX A, BARRETT R. Micro-stitching interferometry at the ESRF[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment, 2010, 616(2-3): 183-187.
    [47] POLACK F, THOMASSET M, BROCHET S, et al. Surface shape determination with a stitching Michelson interferometer and accuracy evaluation[J]. Review of Scientific Instruments, 2019, 90(2): 021708. doi:  10.1063/1.5061930
    [48] MIMURA H, YUMOTO H, MATSUYAMA S, et al.. Microstitching interferometry for nanofocusing mirror optics[C]. Proceedings of SPIE, 2004, 5533: 170-180.
    [49] KIMURA T, OHASHI H, MIMURA H, et al. A stitching figure profiler of large X-ray mirrors using RADSI for subaperture data acquisition[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment, 2010, 616(2-3): 229-232. doi:  10.1016/j.nima.2009.11.014
    [50] YUMOTO H, MIMURA H, KIMURA T, et al. Stitching interferometric metrology for steeply curved x-ray mirrors[J]. Surface and Interface Analysis, 2008, 40(6-7): 1023-1027. doi:  10.1002/sia.2807
    [51] YUMOTO H, MIMURA H, HANDA S, et al. Stitching-angle measurable microscopic-interferometer: surface-figure metrology tool for hard X-ray nanofocusing mirrors with large curvature[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A:Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment, 2010, 616(2-3): 203-206.
    [52] YUMOTO H, KOYAMA T, MATSUYAMA S, et al. Stitching interferometry for ellipsoidal x-ray mirrors[J]. Review of Scientific Instruments, 2016, 87(5): 051905. doi:  10.1063/1.4950714
    [53] EHRET G, LAUBACH S, SCHULZ M. Flatness metrology based on small-angle deflectometric procedures with electronic tiltmeters[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10326: 1032604.
    [54] MING L, SHANZHI T, FUGUI Y, et al.. Optical metrology at BSRF[C]. Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies, 2016.
    [55] XUE J P, HUANG L, GAO B, et al. One-dimensional stitching interferometry assisted by a triple-beam interferometer[J]. Optics Express, 2017, 25(8): 9393-9405. doi:  10.1364/OE.25.009393
    [56] HUANG L, XUE J P, GAO B, et al. One-dimensional angular-measurement-based stitching interferometry[J]. Optics Express, 2018, 26(8): 9882-9892. doi:  10.1364/OE.26.009882
    [57] HUANG L, IDIR M, ZUO CH, et al. Two-dimensional stitching interferometry based on tilt measurement[J]. Optics Express, 2018, 26(18): 23278-23286. doi:  10.1364/OE.26.023278
    [58] 陈善勇. 非球面子孔径拼接干涉测量的几何方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2006.

    CHEN SH Y. Geometrical approach to subaperture stitching interferometry for aspheric surface[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2006. (in Chinese)
    [59] 侯溪, 伍凡, 杨力, 等. 环形子孔径拼接检测大口径非球面镜的规划模型及分析[J]. 光学 精密工程,2006,14(2):207-212.

    HOU X, WU F, YANG L, et al. Layout model and analysis of annular subaperture stitching technique for testing large aspheric mirror[J]. Optics and Precision Engineering, 2006, 14(2): 207-212. (in Chinese)
    [60] 王孝坤, 王丽辉, 邓伟杰, 等. 用非零位补偿法检测大口径非球面反射镜[J]. 光学 精密工程,2011,19(3):520-528. doi:  10.3788/OPE.20111903.0520

    WANG X K, WANG L H, DENG W J, et al. Measurement of large aspheric mirrors by non-null testing[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(3): 520-528. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20111903.0520
    [61] 李长春, 程国民, 曹永刚. 自动调焦系统速度评估与仿真[J]. 液晶与显示,2019,34(5):515-520. doi:  10.3788/YJYXS20193405.0515

    LI CH CH, CHENG G M, CAO Y G. Evaluation and simulation of auto-focus system speed[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2019, 34(5): 515-520. (in Chinese) doi:  10.3788/YJYXS20193405.0515
    [62] ZHAI D D, CHEN SH Y, PENG X Q, et al. Absolute profile test by multi-sensor scanning system with relative angle measurement[J]. Measurement Science and Technology, 2018, 29(11): 115205. doi:  10.1088/1361-6501/aade0d
    [63] SHI Y N, XU X D, HUANG Q SH, et al. Development of relative angle determinable stitching interferometry for high-accuracy x-ray focusing mirrors[J]. Proceedings of SPIE, 2017, 10385: 103850M.
    [64] FREISCHLAD K R. Absolute Interferometric testing based on reconstruction of rotational shear[J]. Applied Optics, 2001, 40(10): 1637-1648. doi:  10.1364/AO.40.001637
    [65] 张敏, 隋永新, 杨怀江. 用于子孔径拼接干涉系统的机械误差补偿算法[J]. 光学 精密工程,2015,23(4):934-940. doi:  10.3788/OPE.20152304.0934

    ZHANG M, SUI Y X, YANG H J. Mechanical error compensation algorithm for subaperture stitching interferometr[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(4): 934-940. (in Chinese) doi:  10.3788/OPE.20152304.0934
    [66] MURPHY P, FORBES G, FLEIG J, et al. Stitching interferometry: a flexible solution for surface metrology[J]. Optics and Photonics News, 2003, 14(5): 38-43. doi:  10.1364/OPN.14.5.000038
    [67] NICOLAS J, NG M L, PEDREIRA P, et al. Completeness condition for unambiguous profile reconstruction by sub-aperture stitching[J]. Optics Express, 2018, 26(21): 27212-27220. doi:  10.1364/OE.26.027212
    [68] ASSOUFID L, BRAY M, SHU D M. Development of a linear stitching interferometric system for evaluation of very large X-ray synchrotron radiation substrates and mirrors[J]. AIP Conference Proceedings, 2004, 705(1): 851-854.
  • [1] 张颖涛, 李洪国.  信息光学视角下菲涅耳双棱镜干涉的研究 . 中国光学, 2019, 12(1): 122-129. doi: 10.3788/CO.20191201.0122
    [2] 袁理, 张晓辉.  采用五棱镜扫描法检测大口径平面镜的面形 . 中国光学, 2019, 12(4): 920-931. doi: 10.3788/CO.20191204.0920
    [3] 张海东, 王孝坤, 薛栋林, 张学军.  一种针对超大口径凸非球面的面形检测方法 . 中国光学, 2019, 12(5): 1147-1154. doi: 10.3788/CO.20191205.1147
    [4] 张磊, 刘东, 师途, 杨甬英, 李劲松, 俞本立.  光学自由曲面面形检测技术 . 中国光学, 2017, 10(3): 283-299. doi: 10.3788/CO.20171003.0283
    [5] 赵天骄, 乔彦峰, 孙宁, 谢军.  经纬仪主镜在支撑系统下的面形变化 . 中国光学, 2017, 10(4): 477-483. doi: 10.3788/CO.20171004.0477
    [6] 杨利伟, 李志来, 薛栋林, 董得义, 樊延超, 曾雪锋.  应用方位反向技术提取反射镜零重力面形 . 中国光学, 2016, 9(5): 606-612. doi: 10.3788/CO.20160905.0606
    [7] 史光辉, 杨威.  用于图像拼接的电视摄像光学系统 . 中国光学, 2014, 7(4): 638-643. doi: 10.3788/CO.20140704.0638
    [8] 张峰.  纳米级面形精度光学平面镜加工 . 中国光学, 2014, 7(4): 616-621. doi: 10.3788/CO.20140704.0616
    [9] 师途, 杨甬英, 张磊, 刘东.  非球面光学元件的面形检测技术 . 中国光学, 2014, 7(1): 26-46. doi: 10.3788/CO.20140701.026
    [10] 贺小军, 曲宏松, 张贵祥, 王金玲.  扫描镜稳定度对TDI CCD测量精度的影响 . 中国光学, 2014, 7(4): 665-671. doi: 10.3788/CO.20140704.0665
    [11] 陈宝刚, 明名, 吕天宇.  大口径球面反射镜曲率半径的精确测量 . 中国光学, 2014, 7(1): 163-168. doi: 10.3788/CO.20140701.0163
    [12] 马庆坤, 乔彦峰, 王晓明, 高慧斌, 安雪晶.  基于光学测量手段实时动态测量 船体水平姿态 . 中国光学, 2012, 5(2): 189-193. doi: 10.3788/CO.20120502.0189
    [13] 李零印, 王一凡, 王骥.  靶场光学测量中的变焦距光学系统 . 中国光学, 2011, 4(3): 240-246.
    [14] 冯小勇, 赵忠华, 刘新明.  日间恒星实时探测的视频图像处理 . 中国光学, 2011, 4(6): 622-628.
    [15] 王 旻, 宋立维, 乔彦峰, 余 毅.  外视场拼接测量系统的视场拼接和交汇测量算法及其实现 . 中国光学, 2010, 3(3): 229-238.
    [16] 喻波.  Mo/Si多层膜小角X射线衍射结构表征 . 中国光学, 2010, 3(6): 623-629.
    [17] 蔺超, 郑玉权.  微型X射线数字成像系统的测试与应用 . 中国光学, 2010, 3(6): 591-597.
    [18] 耿天文, 刘建红, 刘绍锦, 刘畅.  高精度光学对准测量装置的设计 . 中国光学, 2010, 3(5): 467-473.
    [19] 侯溪, 伍凡.  大型双曲面次镜面形检测技术现状及发展趋势 . 中国光学, 2010, 3(4): 310-317.
    [20] 张海涛.  基于光学设计软件的相移点衍射干涉仪建模 . 中国光学, 2010, 3(6): 616-622.
  • 加载中
图(16) / 表 (4)
计量
  • 文章访问数:  465
  • HTML全文浏览量:  252
  • PDF下载量:  50
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-04
  • 修回日期:  2020-01-13
  • 网络出版日期:  2020-06-29
  • 刊出日期:  2020-08-01

K-B镜面形高精度检测技术研究进展

doi: 10.37188/CO.2019-0231
    基金项目:  国家自然科学基金面上资助项目(No. 61675209)
    作者简介:

    张 帅(1994—),男,河南平顶山人,硕士研究生,2018年于长春理工大学获得学士学位,主要从事高精度X射线光学元件面形检测装置研究。Email:zhangshuai18@mails.uacs.ac.cn

    侯 溪(1980—),男,四川阆中人,博士,研究员,博士生导师,2002年于电子科技大学获得学士学位,2007年于中国科学院研究生院获得博士学位,主要从事高精度光学检测技术研究及仪器研制。Email:hxxh6776@163.com

  • 中图分类号: TN247

摘要: 以新一代同步辐射光源和全相干X射线自由电子激光为代表的先进光源已成为众多学科领域中一种不可或缺的研究工具。先进光源技术不断进步,驱动超精密光学制造快速发展,先进光源中关键聚焦光学元件K-B镜的面形精度是影响光源性能的重要指标,要求其在几十纳弧度以下。然而,高精度K-B镜面形检测技术依然存在较大技术挑战,一直是国内外研究热点。本文介绍了反射式轮廓测量技术即长程轮廓仪(LTP)、纳米测量仪(NOM)以及拼接干涉检测技术等典型K-B镜面形检测技术的基本原理,对比分析了其技术特点,综述了国内外K-B镜面形检测技术的研究现状和最新进展,对发展趋势进行了展望。

English Abstract

张帅, 侯溪. K-B镜面形高精度检测技术研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
引用本文: 张帅, 侯溪. K-B镜面形高精度检测技术研究进展[J]. 中国光学, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
ZHANG Shuai, HOU Xi. Research progress of high-precision surface metrology of a K-B mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
Citation: ZHANG Shuai, HOU Xi. Research progress of high-precision surface metrology of a K-B mirror[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 660-675. doi: 10.37188/CO.2019-0231
    • 自19世纪,威廉·康拉德·伦琴首次发现X射线以来,基于X射线的仪器很快在医学、材料科学、化学、生物学和公共安全等众多领域得到广泛应用。为了解决X射线的聚焦问题,1948年Kirkpatrick和Baez根据掠入射思想设计出了Kirkpatrick-Baez(K-B)镜,该系统极大促进了X射线光学的发展[1]。K-B镜在保证高反射率的情况下,可实现接近衍射极限的聚焦,被广泛用于众多不同类型先进光源的光束线建设中,如相干X射线衍射成像(CDI)中的聚焦元件、极紫外光光刻(EUV)检测装置以及X射线显微镜等[2-4]。同时,K-B镜作为X射线光学中的关键光学元件,在惯性约束核聚变领域,是用于诊断等离子体的X射线显微镜以及天文领域中X射线望远镜的重要部件[5-6]

      先进光源光束的亮度历经三代发展有了质的飞跃,其后则是对K-B镜面形的严苛要求,如表面残余斜率误差在50 nrad RMS以内,自由电子激光则要求面形高度误差在2 nm P-V以内[7-8],这无疑对K-B镜高精度面形检测技术提出很大的挑战。早期的K-B镜面形检测装置主要是接触式轮廓仪[9],但接触式轮廓仪测量镀膜光学元件时会在反射表面上留下细小的痕迹,20世纪80年代,以长程轮廓仪(LTP)和纳米测量仪(NOM)为代表的非接触轮廓测量技术已经取代了接触式测量技术,成为K-B镜面形检测的主流技术。随着对先进光源研究的深入,人们逐渐认识到K-B镜面形的中频波纹以及高频粗糙度会产生不同角度的散射,从而使得焦点对比度下降以及像面模糊;同时,先进光源光束线建模及性能模拟软件需要测量光学表面的高精度二维甚至三维面形信息[10],因此对K-B镜面形检测要求不再局限于一维轮廓信息。通常LTP/NOM反射式轮廓测量技术的横向分辨率约为1 mm,这决定了低频轮廓信息是其主要测量频段。尽管LTP/NOM反射式轮廓测量技术可以通过不同路径的多次扫描以及数据处理可以实现多维测量,但该技术具有一定的局限性。因此在21世纪初逐渐发展出拼接干涉测量技术以满足不断提高的检测要求。本文将介绍K-B镜面形检测方法的发展过程中具有代表性的检测技术,并对比分析了各种检测技术的特点以及发展趋势,重点介绍拼接干涉测量技术特点及发展趋势。

    • K-B镜系统包括两个正交组合的凹面反射镜(图1(a)),其中每个反射镜可实现一个维度上的聚焦,通过两个反射镜的正交组合可实现二维聚焦特性。K-B镜面形形状主要有椭圆柱面、抛物面,其中椭圆柱面用于点对点成像,抛物面用于准直光束聚焦。

      图  1  (a)经典一维K-B镜和(b)具有二维弯曲的K-B镜

      Figure 1.  (a) Typical K-B mirror and (b) K-B mirror with two-dimensional bending

      K-B镜一般工作在掠入射状态下以满足高反射率要求,其距先进光源波荡器可达到数十米以上,其通光口径长度一般可达数百毫米甚至可达1.5 m[8]。为了使K-B镜具有较短的焦距,这些圆柱面通常具有大弧矢半径,在一百米到几公里以内,而它们的子午半径仅有几厘米[11]

      随着先进光源的聚焦光斑朝着亚纳米尺寸发展,K-B镜的发展趋势包括以下几方面:短焦距(几十毫米)、曲率沿着子午线强烈变化以及大口径。其也不再局限于通过组合形式实现二维聚焦[7, 11-12](图1(b))。为了判断高精度面形检测技术是否适用于K-B镜面形检测,国际上常用两种典型的X射线参考反射镜作为评价标准:一种是长度为300~1000 mm,斜率为几十微弧度左右的长焦镜,同步辐射光源要求其面形精度一般要达到100 nrad以内,而自由电子激光则额外要求其面形高度在2 nm P-V以内;另一种是长度为100~300 mm,斜率一般在几毫弧度的短焦镜,同步辐射光源要求其面形精度一般要达到0.2 μrad以内,面形高度误差要达到2 nm P-V以内[8, 13]

    • 反射式轮廓测量技术是在顺序扫描法的基础上发展形成的,利用光沿直线传播定理,通过入射光线在待测面不同位置处反射光线角度的相对变化获得待测面面形信息,具体是将待测面上不同位置的相对角度通过特定光路变换成探测器上条纹或光斑的相对位移,通过扫描装置获取待测表面斜率的曲线分布,再根据斜率积分原理得到待测面相对高度曲线。典型仪器有利用细光束干涉的长程轮廓仪及基于自准直仪的纳米测量仪。

    • 长程轮廓仪(Long Trace Profiler,LTP)是20世纪80年代Takacs和钱石南基于笔束轮廓仪原理设计出的,用于解决掠入射反射镜面形检测难题的专用仪器[14-15]。LTP光路图如图2所示。

      图  2  LTP光学系统原理图

      Figure 2.  Principle diagram of LTP optical system

      图2可知,激光器发出的细光束经具有零光程差的迈克尔逊干涉仪后产生细光束干涉条纹,对待测表面进行扫描,再经傅立叶变换透镜实现f-θ变换,将待测表面上不同位置的相对角度变换成探测器上干涉条纹的相对移动,通过积分处理斜率曲线分布得到高度曲线。

    • 与采用细光束干涉原理并利用傅立叶变换透镜进行f-θ变换的长程轮廓仪不同,纳米测量仪(Nanometer Optical Component Measurement, NOM)引入自准直仪测角系统(图3)。

      图  3  NOM原理图[16]

      Figure 3.  Principle diagram of NOM system[16]

      用经过光阑调制的测量光束扫描待测面,不同位置的斜率将会使反射光束在CCD传感器上发生横向位移,以此表征扫描前后位置处的斜度变化。反射聚焦光斑在线性CCD传感器上的位置与待测面上的局部斜率S满足[17]

      $$S(x) = \tan \theta = \frac{{\rm{d}}y}{{\rm{d}}x},$$ (1)

      式中:θ为不同位置处由于斜率差异导致的反射光束的偏折角度差异;其中待测面斜率与高度满足以下关系[17]

      $$h\left( {{x_k}} \right) = h\left( {{x_0}} \right) + \sum\limits_{m = 1}^k {\frac{{{\rm{d}}x}}{2}[S({x_m}) + S({x_{m - 1}})]} .$$ (2)

      纳米测量仪(NOM)不仅利用自准直仪测角系统对待测表面进行面形斜度测量,同时还引入LTP光学头作为交叉数据对比项,通过对两组数据进行冗余处理来减小系统误差。此外,采用自准直仪角度测量系统,消除了LTP激光器的不稳定性以及参考光束引入的误差,而且其独特的机械结构使其能够实现大范围、高精度测量。

    • 拼接干涉测量技术在干涉仪所具有的高精度及高空间分辨率的基础上,结合拼接技术的特点,拓展了干涉仪的测量区域,能够对K-B镜光学表面进行二维宽频段检测。拼接是将一个大口径或大曲率的光学表面划分成若干个符合干涉仪测量要求的子孔径,再使用干涉仪依次对各子孔径面形进行测量,最后利用相邻子孔径重叠区域的一致性将各个子孔径拼接成完整面形。

      图  4  拼接原理图

      Figure 4.  The principle of stitching

      K-B镜的拼接原理如图4所示,设K-B镜两个相邻子孔径的区域A(x,y)和B(x',y')具有重叠区域C,在拼接干涉测量过程中,子孔径B(x',y')与子孔径A(x,y)沿扫描方向的距离为L;由于测量过程中会调整待测镜使子孔径处于零条纹状态,如图4中的B'(x',y'),则相邻子孔径间会存在一个倾斜函数[18]

      $$f(x,y) = ax + by + c ,$$ (5)

      式中ab分别对应纵向和横向相邻子孔径的倾斜角度,c表示在垂直方向的差异。通过极小化相邻子孔径重叠区域均方根误差实现子孔径拼接[18]

      $$\min {\sum {{\rm{\{ }}{C_A}(x,y) - [{C_B}(x',y') + ax + by + c]{\rm{\} }}} ^{\rm{2}}}.$$ (6)

      传统拼接方法中的相邻子孔径倾斜函数f(x,y)是通过识别待测面形或子孔径重叠区域特征,利用最小二乘法拟合出的,其中子孔径AB的测量精度是倾斜参数计算的关键因素。因此,子孔径的测量精度决定了能否实现高精度拼接。

      对于具有剧烈曲率变化的K-B镜,子午方向曲率变化剧烈会使干涉仪在测量区域内的条纹过于密集(图5)。干涉条纹密度过大,会使得子孔径边缘区域的测量误差过大,继而影响倾斜函数的计算精度,拼接角度误差在拼接过程中积累,最终导致拼接精度降低。因此,进行K-B镜拼接干涉测量前需要通过高精度的角度测量装置得到相邻子孔径的倾斜参数。

      图  5  曲率变化剧烈的柱面镜的干涉条纹图

      Figure 5.  Interference fringe pattern of cylindrical mirror with sharp curvature change

    • LTP作为首个用于测量K-B镜面形斜率的测量装置,具有非接触、高精度的优点。其经过30多年的发展,发展出LTP-II、PPLTP、LTP-MF等多种型号[19-23],精度以及测量范围得到极大的提升(如图6所示);同时,LTP也由一维面形检测技术逐步发展出基于夏克-哈特曼传感器的二维面形检测技术(SSH-OH),广泛用于美国NSLS-II的面形检测[24- 25]

      图  6  LTP/NOM发展历程[16, 21, 23, 25, 27, 28]

      Figure 6.  The development of LTP/NOM[16, 21, 23, 25, 27, 28]

      NOM作为第二代非接触式表面轮廓仪,自首次在德国BESSY-II投入使用以来,科研人员便一直对其进行技术改进,其改进型号Diamond-NOM在改进机械结构以及光路的基础上对平面实现了50 nrad RMS的测量精度[16, 26];2016年,Qian等人对NOM进一步改进,研制出了NSP,通过引入一支参考光路校正扫描三棱镜在扫描过程中的俯仰误差[27],对球面实现了50 nrad RMS的测量精度。基于NOM发展出许多面形测量装置,如ESAD (Extended Shear Angle Difference)[28]、光学表面测量系统(Optical Surface Measuring System, OSMS)[29]等。

      国内早在上世纪80年代就开展了对反射式轮廓测量技术的研究,由国家同步辐射实验室与美国布鲁克海文国家实验室共同研制的LTP-MF,提高了LTP的测量精度并拓展了其应用范围[30]。同时,清华大学、上海光源以及中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)分别研制出NLTP、πLTP、CSLTP等多种型号的LTP[31-33]。最近,中国科学院高能物理研究所(高能所)研制出一种新型的旗形长程面形仪FSP,大幅降低了平面检测的随机误差和曲面检测的系统误差,平面检测精度达到25 nrad,3 mrad范围内的曲面检测精度达32 nrad,测量性能达到国际先进水平[34]。上海光源搭建了一台NOM[35]。反射式轮廓测量技术(LTP/NOM)的发展历程如图6所示。

      反射式轮廓测量技术的典型技术参数如表1所示。总的来说,LTP所测光学元件的曲率半径极限约为1 m,空间分辨率约为1 mm;而NOM所测光学元件的曲率半径极限约为5 m,空间分辨率约为2 mm[16, 36]。这决定了LTP/NOM主要用于中等曲率以上的反射镜的低频面形信息测量。测量效率和稳定性是反射式轮廓测量技术的主要优势,但LTP/NOM一维测量技术已无法满足如今先进光源对K-B镜中高频面形检测信息以及二维面形数据采集能力的要求,因此拼接干涉测量技术作为新兴K-B镜面形检测技术得到迅速发展。国内外典型LTP/NOM技术参数如表2所示。

      表 1  LTP/NOM技术典型参数

      Table 1.  Specifications of LTP/NOM

      类型LTPNOM
      工作距离/mm100~1100300~1300
      斜率/mrad±5±5
      扫描速率/(mm·s−1)5~102~4
      精度(RMS)/nrad平面: ~50
      曲面: ~250
      平面: ~50
      曲面: ~500
      空间分辨率/mm~12.5~5

      表 2  国内外典型LTP/NOM技术参数

      Table 2.  Technical specifications of typical LTP/NOM technologies at home and abroad

      类型机构/装置设备时间测量范围性能备注
      LTP日本JASRI/SPring-8Laser-LTP20143.6 mrad0.2 μrad
      重复精度60 nrad
      激光校准测头误差
      分辨率30 nrad
      LTP2016~1 m5 nm新型斜率传感器;
      空间分辨率<1 mm
      美国LBNLALSLTP-II+20141 m
      ±2.5 mrad
      平面:<80 rad rms
      曲面(>15 m): 250 nrad rms
      校正K-B位置误差
      中国台湾NSRRCNLTP20131.2 m测量重复精度50 nrad定位基准为衍射暗线;
      光束定位精度高
      中国SSRF上海光源LTP20161 m平面:<50 nrad
      曲面(>38 m): 0.27μrad
      支持快速测量
      中国IHEP高能所FSP20191 m平面:25 nrad rms
      曲面(3 mrad): 32 nrad rms
      空间分辨率优于1 mm
      NOM巴西LNLSNOM20171.5 m平面:50 nrad rms横向分辨率大
      德国BESSY-IIDiamond-NOM20141.5 m
      ±5 mrad
      平面:50 nrad rms
      曲面:200 nrad rms (±24μrad)
      500 nrad rms (±5 mrad)
      曲率测量范围大
      美国BNLDLTP20141 m
      ±4.6 mrad
      平面:60 nrad rms
      曲面(>15 m): 200 nrad rms
      曲面测量受限
      OSMS20171.2 m平面:<50 nrad rms
      曲面(>60 m): 100 nrad rms
      实现二维测量
      日本JASRI/SPring-8AC-NOM20149.7 mrad±1.2μrad ±0.24μrad (48μrad)
      重复精度100 nrad rms
      校准扫描俯仰误差; 扫描速度慢分辨率24.2 nrad
      中国SSRF上海光源NOM20151100 mm
      ±5 mrad
      0.08μrad rms (±50μrad)
      0.25μrad rms (±5 mrad)
      空间采样频率在1~10 mm
      重复精度50 nrad rms
    • 拼接干涉测量技术目前已发展出两种基本测量形式:一种基于Fizeau干涉仪,用于测量具有大口径、小曲率面形的长焦镜;另一种是显微拼接干涉测量技术(Microstitching Interferometry, MSI),用于测量小口径、高陡曲率面形的短焦镜。在K-B镜面形精度需求的牵引下,针对如何提高拼接干涉测量技术的测量精度这一关键问题,经过十几年研究,基于上述两种测量形式,形成了3种技术解决方案。

    • 主动角度控制拼接干涉仪是通过拼接算法分析出下一子孔径的相对空间位置变化,再利用主动控制位移转台系统来定性分析子孔径的倾斜位移,并使下一待测子孔径处于零条纹状态,从而实现高精度面形检测。自动位移转台系统的定位精度将直接影响相邻子孔径间的倾斜参数,最终影响面形拼接精度。基于主动角度控制位移转台的拼接干涉测量系统是国际上的研究热点之一,其发展过程主要包括位移转台定位精度、控制算法应用以及测量干涉仪等关键部件的改进。

      大口径Fizeau干涉仪主动角度控制拼接干涉测量技术是大口径长焦距K-B镜二维面形高精度的有效检测手段。美国阿贡国家实验室在2002年首次提出基于Fizeau干涉仪的主动角度控制拼接干涉测量技术,通过主动控制精密位移台进行拼接扫描,实现了对亚微米精度大口径X射线反射镜的二维高精度测量[37]。欧洲同步辐射装置(ESRF)则通过完善相应机械装置,包括仪器手动高度调节装置,径向对准的电动旋转系统以及手动倾斜调节系统来提高系统的检测精度[38-39];并在2019年进一步改进,配备了全自动电动装置(图7(a))。在此基础上,利用LabView程序实现了测量序列的自动化控制(图7(b))。通过与纳米测量仪(NOM)进行对比,发现拼接干涉仪得到的面形误差分布具有高度一致性[40]。另一方面,德国布伦瑞克大学在2011年提出基于多轴定位装置的拼接干涉装置,Fizeau干涉仪固定在扫描滑台上,干涉测量头可以绕K-B镜的曲率变化方向转动,从而实现对极端曲率的测量,但在惯性的影响下,干涉仪测头的定位精度存在很大偏差[41]

      由于Fizeau干涉仪自身横向分辨率的限制以及K-B镜独特的面形结构特点,使得在大曲率面形测量时边缘区域存在较大误差。针对此问题,日本大阪大学在2003年提出显微拼接干涉技术(MSI),利用横向分辨率小的显微干涉仪获得被测面的中高频面形信息;由大口径Fizeau干涉仪补偿显微干涉仪丢失的低频信息,实现被测面较宽频段的面形检测[42]。日本同步辐射装置实验室(SPring-8)对MSI系统进行了改进,在5轴测量台加装弹性铰链稳定装置(图8),使用线性驱动装置保证转动及平移精度,结合图像处理算法、位移转台控制算法实现自动测量,使MSI的测量精度达到1.4 nm RMS[43]。美国BNL、阿贡国家实验室以及欧盟ESRF所采用的MSI技术[44-46]则是通过调整显微干涉仪测头光轴与被测表面间的倾角,从而实现对大曲率K-B镜面形的高精度测量,而平移台仅起到作支撑被测镜的作用(图9)。另外,MSI技术中的显微干涉仪一般采用Mirco型白光干涉仪,对于中频(20 mm−1左右)的面形信息无法准确测量,法国SOLEIL针对该问题提出基于Michelson型白光干涉仪的MSI技术(图10),实现对中频(20 mm−1)的面形测量,同时,通过多自由度精密位移转台实现精确的角度控制,采用结合最近点迭代算法及全局最小二乘法的拼接算法,实现了1 nm P-V的测量精度[47]

      图  7  (a) ESRF中的拼接干涉仪及其(b)测量过程[40]

      Figure 7.  (a) Fizeau stitching interferometer at ESRF and its (b) measurement process[40]

      图  8  SPring-8中的MSI原理图[43]

      Figure 8.  Diagram of microstitching interferometry at SPring-8[43]

      图  9  ESRF中的MSI装置[46]

      Figure 9.  Microstitching interferometry at ESRF[46]

      图  10  SOLEIL中Michelson型显微拼接干涉仪[47]

      Figure 10.  Michelson stitching interferometry at SOLEIL[47]

      用于角度主动控制系统的拼接干涉仪中的拼接算法要求相邻子孔径间的拼接角度误差至少在10−7rad之内,超出则会导致存在较大的拼接误差[42]。然而,其位移旋转台的定位精度很难满足理想拼接角度误差要求;同时,定位精度以及测量过程中的回程误差也无法满足大曲率短焦K-B镜的面形精度要求。另一种拼接干涉解决方案是使用角度测量系统对相邻子孔径姿态位置进行准确测量。

    • 大阪大学在2004年开发的相对角确定拼接干涉测量技术(RADSI)是一种经典测角拼接干涉仪,广泛应用在具有大曲率的短焦K-B镜面形检测方面[48]。RADSI在测量装置中引入了一块与待测镜具有恒定相对角度的平面镜(图11(a));通过解析参考平面镜的倾斜条纹确定相邻子孔径的相对倾斜角度(图11(b)),从而实现高精度轮廓重建。RADSI技术经过多年发展逐步完善,日本大阪大学及SPring-8对RADSI进行了多次改进,重新设计了测量平台、加装了稳定以及线性驱动装置,在不牺牲精度的前提下极大地拓宽了RADSI的测量范围[43, 49]

      图  11  (a) RADSI装置图及其 (b) 测量过程[48]

      Figure 11.  (a) Scheme of RADSI system and (b) its measurement process[48]

      另一种方案是结合显微拼接干涉测量技术(MSI),实现对高陡曲率短焦K-B镜的面形检测。该技术由日本大阪大学在2008年提出,参考平面镜与被测镜背靠背放置,被测镜面向显微干涉仪,参考镜面向Fizeau干涉仪,沿镜面的纵向安装线性位移台。测量时平面镜相对于Fizeau干涉仪基准板的姿势角与相对于测试镜的姿势角保持一致[50]。日本SPing-8对MSI-RADSI做了进一步简化,通过与旋转位移台组合,提高了镜子倾斜阶段的稳定性,并在2016年的改进型号中提高了显微干涉仪平台刚度以及在长轴方向增加了旋转台,对椭圆曲率半径为3.6 mm,斜率分布为±74 mrad的椭圆面镜可实现0.51 nm RMS的测量重复性[51-52],实现了从一维椭圆柱镜到二维椭面镜测量的巨大跨越,发展过程如图12所示。

      图  12  RADSI发展路线图[42, 48, 50, 52]

      Figure 12.  The development of RADSI[42, 48, 50, 52]

    • 测角拼接干涉仪实现了相邻子孔径间空间位置和姿态的准确测量,但测量台的复杂性限制了其测量范围。随着激光技术、自准直等技术的不断发展,在角度测量方面已有巨大的进步,如新一代测斜仪能测量0.01′′的倾斜角度[53]。得益于测角装置精度的提升,测角辅助装置可以弥补测量平台定位精度的不足,实现高精度拼接。国际上对于此类拼接干涉测量仪已经开始进行探索性研究。

      2016年的AOMATT会议上,高能所的Ming Li等提出了基于自准直测角仪与Fizeau干涉仪相结合的拼接方法[54]。2017年,美国布鲁克海文国家实验室的XUE等人利用三光束干涉仪来校正相邻子孔径间的倾斜相关参数误差,高角分辨率三光束干涉仪通过安装在测量台的标准平面镜来确定相邻子孔径的相对运动,消除了位移台定位及回程误差对拼接精度的影响[55]。次年,HUANG等在高能所Li等人提出的拼接方法的基础上,证明了高精度角度辅助测量装置可以实现具有亚纳米RMS重复性的拼接干涉测量[56],并研制出2D倾斜测量拼接干涉测量系统(2DTSI),如图13所示。电子倾斜仪分别与干涉仪及待测曲面相连,将测量干涉仪与表面间的相对倾斜量作为子孔径倾斜参数,最终测得的重复性约为1.48 nm RMS[57]

      图  13  2D-TSI装置原理图[57]

      Figure 13.  The scheme of 2D-TSI device[57]

      综上所述,影响主动角控制拼接干涉仪性能的关键在于子孔径的控制分析算法以及相应精密转台的定位精度;测角拼接干涉仪关键技术则是对测角系统如RADSI的设计及相应数据处理。上述两类拼接干涉仪的特点如表3(彩版见期刊电子版)所示。而新一代测角辅助拼接干涉仪则更倾向于通过测角辅助装置实现拼接角度误差控制,具有很大的发展潜力。

      表 3  3种类型拼接干涉仪对比[40, 51, 56]

      Table 3.  Comparison of three types of stitching interferometer [40, 51, 56]

      主动角控制拼接干涉仪
      控制算法+精密转台
      测角拼接干涉仪
      测角系统(RADSI)
      测角辅助拼接干涉仪
      测角辅助装置+拼接算法
      大口径、小曲率长焦K-B镜
      300~1000 mm; <20 mrad
      小口径、大曲率短焦K-B镜
      100~300 mm; >20 mrad
      平面镜、小曲率椭圆柱镜(探索阶段)
      平面优于0.30 nm rms
      曲面优于0.30 μrad rms
      步进单孔径测量(干涉仪尺寸)
      平面优于0.2 nm rms
      曲面优于2 nm rms
      步进单孔径测量: 2 mm×2 mm
      重复精度1.5 nm rms
      步进单孔径量: 2 mm×2 mm
      结构相对简单,测量口径范围大,
      测量效率高 测量频段有限,
      测量精度受待测面曲率影响大
      测量频段宽,测量精度高,
      曲率测量范围大,结构复杂,
      易受环境影响,测量口径范围受限
      结构简单,动态范围大,测量精度高
      有待进一步完善具体结构

      国内对于传统拼接干涉测量技术的研究较早,国防科技大学的陈善勇教授结合工件定位、公差评定以及图像多视拼合理性论构建了子孔径拼接相关模型[58];中国科学院光电技术研究所的侯溪等对环形子孔径拼接技术进行了研究,并取得了一定成果[59],同时长春光机所的王孝坤、曹永刚等分别对基于齐次坐标转换及全局优化的环形子口径、圆形子口径的拼接检测以及自动调焦系统进行了深入研究[60-61]。但传统拼接干涉技术与角拼接干涉技术间具有明显差异,随着国内对K-B镜的需求日益增多,角拼接干涉测量技术虽然处于起步状态,但逐步受到重视。国防科技大学的翟德德、陈善勇等根据角度辅助测量提出双次扫描测量(DST)拼接干涉技术,但仅处于初始模型阶段[62];另外,同济大学的石英娜等在国内首次报道了相对角拼接干涉仪(RADSI)的实验室搭建,其精度与国外相比,依然有较大差距[63]。典型的拼接干涉仪的技术参数如表4所示。

      表 4  国内外典型拼接干涉仪技术参数

      Table 4.  Technical parameters of typical stitching interferometer at home and abroad

      机构/装置设备时间技术性能备注
      欧洲ERSFFizeau-SI2019平面镜:优于0.30 nm rms
      椭面镜:优于0.30 μrad rms
      球面镜:优于0.25 μrad rms
      主镜法校正参考误差需弥补球面低频信息空间分辨率: 80 μm
      MSI2019平面: 0.2 nm rms
      横向分辨率: (2.5倍) 16 μm; (1倍) 40 μm
      适合于平面或强弯短镜;
      存在拼接伪影
      美国BNLMSI2017残余斜率偏差: 2 μrad rms采用曲率拼接技术
      ASI-AMS2018平面:重复精度0.5 nm rms
      椭球面:重复精度2 nm rms
      可以减小回程误差; 子孔径重叠
      面积小,测量速度快
      日本大阪大学MSI-RADSI2016面型高度误差:3 nm rms
      重复精度:0.51 nm rms
      可测极端曲率面形以及椭面镜;
      测量范围有限
      法国SOLEILMich-SI2019重复精度:0.2 nm rms可测20 mm−1频段面形信息
      复旦大学RADSI2017平面镜:重复精度0.5 nm rms
      球面镜:曲率偏差为2.3%
      验证了RADSI球面测量能力
      国防科技大学DST2018测量PV值8 nm;
      重复精度达到1.5 nm rms
      一维测量;双扫描间隔; 减小回程
      误差及参考误差
    • 拼接干涉测量中的误差来源主要有两个部分:干涉测量误差和拼接过程的误差。

      干涉测量误差主要是指干涉仪的系统误差及测量中产生的误差。无论是Fizeau干涉仪还是白光干涉仪本身都存在系统误差,其中,干涉仪参考平面存在的缺陷将会对测量结果产生较大影响,通过统计补偿方法、三平面法等去标定参考误差可以实现大约1 nm P-V以及0.1 nm RMS的测量偏差补偿[47, 64]。其次,测量过程存在影响测量结果的因素。2003年,日本大阪大学的Kazuto Yamauchi等首次指出在应用显微拼接干涉测量技术时离焦误差会影响拼接精度,且通过实验证明1μm离焦误差将会造成相邻子孔径间约10−7rad的角度误差,误差积累效应会使拼接具有较大偏差[43]。此外,测试和参考波前经过光学系统的路径不同引入了额外的光程差,从而产生回程误差,这需要调整干涉仪内部光路参数进行计算校正[45]。最后,包括温度、振动和漂移等在内的环境误差对测量精度具有很大影响,如欧盟ESRF对测量环境进行对比发现,温度稳定性及空气扰动均会对拼接精度产生很大影响[39]

      拼接过程的误差是由于具有重叠区域的相邻子孔径需要分别单独测量,因此会引入空间位置误差,通过积分效应,最终对拼接精度影响较大。其中,机械结构装调以及定位误差将会直接影响子孔径的倾斜参数[65]。根据日本大阪大学Hidekazu Mimura等人的研究可知,相邻子孔径的角度误差超过10−7rad就会严重影响最终测量精度[48];其次,没有对单个子孔径进行校准会产生校准误差,局部的校准误差会不断积累,造成全局曲率存在局部的周期性误差[66],阿贡实验室的Lahsen Assoufid认为通过双重重叠子孔径形式可以消除校准误差[37];最后,由于拼接算法没有考虑空气振动、环境温度等非线性项,导致最终的拼接精度与理论精度存在一定偏差。美国阿贡实验室以及西班牙ALBA同步辐射实验室分别提出了基于非线性模型的拼接算法,进一步提高了拼接算法精度[37, 67]

      总的来说,拼接干涉仪主要存在干涉测量误差和拼接误差,在设备研制过程中需要进行误差补偿;同时拼接参数,如子孔径形状、大小、重叠区域大小以及单孔径测量次数的不同对拼接精度的影响同样需要研究。

    • 先进光源聚焦光斑尺寸从微米发展到纳米,未来甚至将达到亚纳米(图14),对K-B镜面形精度的要求也越来越严苛。根据德国BESSY-Ⅱ光学计量实验室X射线反射镜面形精度统计数据(图15)(彩图见期刊电子版)所示。由图15可知,从1990年到2020年,K-B镜斜率误差容限已经从5 μrad提高到100 nrad,未来将达到50 nrad以下[36]。可以预见,K-B镜面形检测技术未来将会朝着纳弧度精度快速发展。从接触式扫描轮廓仪到非接触式的长程轮廓仪和纳米测量仪,再到现如今蓬勃发展的拼接干涉测量技术,K-B镜面形精度要求的不断提高是推动其面形检测技术发展的根本动力。

      图  14  先进光源硬X射线聚焦尺寸演变

      Figure 14.  The trend of hard X-ray focusing size

      图  15  K-B镜面形精度趋势[36]

      Figure 15.  The trend of K-B mirror shape accuracy [36]

      除此之外,K-B镜还要满足大口径、高陡曲面以及全频段的设计要求;经典K-B镜通过将两个一维椭圆柱镜进行组合实现X射线聚焦功能,由于装调误差的限制使其聚焦光斑尺寸无法达到亚纳米以下,近期国际上提出利用椭面镜实现X射线亚纳米聚焦,而这要求在保证K-B镜面形检测技术检测精度的前提下,拓宽其检测范围,使其具备二维曲率面形检测能力。纵观K-B镜面形检测技术的发展过程(图16),最初是建立在精密机械基础上的接触式轮廓仪;随着光学,特别是激光、电子技术以及自动化技术的发展,反射式轮廓仪,如LTP、NOM,得到广泛应用;之后,计算机、微电子行业的蓬勃发展使得数据收集、处理能力能够支撑拼接干涉测量技术,从而使K-B镜面形检测技术迈向了二维、宽频段的更高层次。未来,拼接干涉测量技术将朝着以下几个方向发展:

      图  16  K-B镜面形检测技术发展过程图

      Figure 16.  Development of K-B mirror surface metrology

      (1) 具备极端的超高精度测量能力:极端超高检测精度是未来拼接干涉仪的主要特征。特别是随着先进光源聚焦光斑尺寸不断朝着亚纳米发展,K-B镜面形精度的要求也从微弧度逐渐逼近纳弧度(自由电子激光的PV值要求小于1 nm )。极端超高精度检测能力是K-B镜面形精度逼近物理极限的有力支撑。

      (2)测量能力得以拓展:随着拼接干涉仪的不断发展和完善,其横向和纵向动态范围将会进一步提高,特别是对具有高陡面形或二维弯曲面形的极端K-B镜的面形检测。同时,K-B镜原位测量的需求使得拼接干涉仪要不断地简化装置结构,增加抗干扰系统,实现便携化以及实时测量。

      (3) 可溯源的测量结果:计量的可溯源性是保证测量结果有效性的基础,也是国际上不同机构间对测量结果进行评定的前提条件。目前,国际上多采用与LTP/NOM的测量结果进行交叉对比,以保证拼接测量技术的计量溯源性[39, 68],但尚未形成完整的校准对比体系。因此,建立一条面向拼接干涉测量技术的具有规定不确定度的不间断比较链是未来K-B镜面形检测技术发展的重要趋势之一。

      (4) 多种传感器融合:传感器在拼接干涉仪中应用的越来越广泛,并呈现多种传感器融合的趋势。ASI-AMS应用位移、角度以及激光等多种传感器实现对子孔径空间位置的准确测量[57]。同时,应用温度、振动等环境测量传感器校正拼接干涉测量装置的环境误差。采用多种传感器以及相应的反馈系统,拼接干涉仪能够实现对测量过程的准确控制,这是实现高精度、智能化测量的硬件基础。

      (5) 拼接算法更先进。算法先进性包含高精度以及智能化两部分:高精度是指建立一套基于统计模型的非线性拼接算法,考虑受环境影响而引入的非线性项,提高拼接算法的精度;智能化是指通过机器学习等相关理论,使拼接干涉仪可根据待测面形的特点、测量环境等因素,有针对性地选择合适的拼接参数以及拼接模型。如ESRF的RADSI技术可以初步根据待测面形的特点自动选择重叠区域大小等参数进行拼接[40]。拼接算法的先进性不仅体现在精度方面,更体现在通过对拼接测量过程进行优化,提高测量效率。

      (6) 与多学科的交叉融合:拼接干涉测量技术与计算机、自动化、精密机械以及微电子等学科紧密结合,是其未来的发展趋势。与计算机技术以及微电子学科的结合可以使拼接干涉测量能够处理更复杂的K-B镜面形,提高拼接精度。多轴位移转台作为拼接干涉仪中实现拼接测量的直接驱动装置,通过合理的机械设计,如增加柔性铰链,可使多轴位移转台具有更高的稳定性和精度[50]。与自动化技术相结合可实现拼接干涉仪的快速测量。

    • 随着X射线光学的发展,对同步辐射光源性能要求越来越严苛,使得对K-B镜的面形的要求也越来越高。对大口径、复杂面形、全频段的测量以及二维甚至对三维面形测量,都对其面形检测技术提出了严苛考验。LTP/NOM作为成熟的斜率测量技术,依然是主要的K-B镜面形检测工具,其检测能力不断提高。X射线光学的发展使得人们要对K-B镜面形检测技术不断进行改进,以满足日益严苛的检测要求。从现实需求来看,反射式轮廓测量技术已无法满足K-B镜面形检测的发展需求,而高精度拼接干涉测量技术的测量范围不断拓展、测量精度以及测量效率不断提高,必将成为K-B镜面形检测的关键技术之一。其与反射式轮廓测量技术互为补充,用于实现高精度K-B镜面形检测。

参考文献 (68)

目录

    /

    返回文章
    返回