CN106813594A - 大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法，测量工具包括激光平面干涉仪、扩束准直***、平面透射标准镜、精密旋转平台和计算机处理***。该方法通过对激光平面干涉仪进行扩束准直得到大口径平行检测光束，并与精密旋转平台组成子口径拼接检测***，实现大口径掠入射反射聚焦镜三维面形测量，降低了机械***难度，提高了子口径定位精度，从而保障了面形拼接检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及大口径掠入射非球面检测，特别是一种大口径掠入射反射聚焦镜(如Kirpatrick-Baez镜)高精度面形检测方法。
背景技术
大口径掠入射反射聚焦镜(如KB镜)利用掠入射全反射原理实现keV能段X射线的2维聚焦成像，可实现X射线空间成像诊断。KB镜曲率半径一般有几百米，有较大的收集立体角,且容易实现多道成像,已成为ICF研究中重要的空间成像诊断工具。为了获得高的光子通量和高分辨率，对大口径掠入射反射聚焦镜表面质量和形貌的要求也越来越高。非接触大口径掠入射反射聚焦镜测量方法主要有顺序扫描法和干涉测量法。
基于顺序扫描实现的非球面轮廓测量的轮廓仪的基本原理为：两束平行光沿待测面的主方向进行扫描，反射后干涉条纹经透镜成像在探测器上，在扫描过程中，其面形是变化的，通过记录每个条纹的位置即得到对应待测点的角度值。扫描一次，得到一组角度变化曲线，而高度曲线，则可以通过角度曲线的积分获得。然而，长程面形仪为线扫描模式，只能测量二维面形信息，不能得到整体三维面形分布，因此长程面形仪只能用于KB镜元件角度误差终检，不能够提供三维面形信息指导元件的加工过程。
干涉测量法可以得到三维面形分布，可以指导KB镜元件加工，一般采用小口径激光平面干涉仪结合子口径拼接方法进行测量，小口径激光平面干涉仪的口径为φ100mm，通过平移干涉仪实现全口径测量。在子口径测量时，干涉仪平移后干涉图像会出现条纹太多以至于相机难以分辨的情况，需要对干涉仪角度进行调整，使得干涉条纹最少，能够被干涉仪精确测量。子口径拼接算法通过机械***运动记录实现子口径定位，并通过重叠区域计算相邻子口径之间的倾斜系数和平移系数，从而实现子口径面形拼接。这种干涉测量方法具有以下缺点：小口径激光平面干涉仪需要同时进行位置平移和角度调整，机械***的平移误差和角度调整误差叠加会增大子口径定位精度；子口径重叠区域对应的参考镜区域不同，这就增大了子口径拼接计算中对倾斜系数和平移系数计算误差，影响到全口径面形拼接精度。
发明内容
本发明提出了一种大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法，该方法通过对激光平面干涉仪进行扩束准直得到大口径平行检测光束，并与精密旋转平台组成子口径拼接检测***，实现大口径掠入射反射聚焦镜三维面形测量，并且降低了机械***难度，提高了子口径定位精度，从而保障了面形拼接检测精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法，测量工具包括激光平面干涉仪、扩束准直***、平面透射标准镜、精密旋转平台和计算机处理***；所述精密旋转平台用于放置待测大口径掠入射反射聚焦镜；
上述元件的位置关系如下：沿所述激光平面干涉仪发出的相干光方向依次是所述的扩束准直***、所述的平面透射标准镜和所述的待测大口径掠入射反射聚焦镜，所述的精密旋转平台台面水平放置，所述的计算机处理***分别与激光平面干涉仪和精密旋转平台的控制端相连，其特点在于，该方法包括下列步骤：
1)将待测大口径掠入射反射聚焦镜放置于所述的精密旋转平台的台面上，待测大口径掠入射反射聚焦镜的长边方向与精密旋转平台台面平行，并且待测大口径掠入射反射聚焦镜的待测面面对着透过所述的平面透射标准镜的平行光；
2)所述的激光平面干涉仪发出的平行光经扩束准直***后照射到大口径透射标准镜上，一部分平行光经透射标准镜的参考面反射回干涉仪，形成参考光，另一部分平行光透过所述的透射标准镜的照射到待测大口径掠入射反射聚焦镜的待测面上，经该待测面反射后返回所述的激光平面干涉仪，形成检测光，该检测光与所述的参考光发生干涉，生成干涉条纹；通过调整大口径掠入射反射聚焦镜的姿态，使其中心区域对应的干涉条纹最稀疏；
3)根据待测大口径掠入射反射聚焦镜的加工图纸面形分布计算测量结果的最大梯度值Gmax和边缘处最大偏角αmax，梯度的计算方法为：以长边方向为x轴，短边方向为y轴，检测光束方向为z轴，待测面上长短轴中心点为坐标原点o，测量结果的梯度分布为加工图纸面形分布z值沿oxy平面方向的增长率的两倍，也即z值对x、y偏导和的两倍；偏角的计算方法为：对梯度值取反正切，即为偏角；
4)计算选取子孔径边缘最大梯度Gsub和对应的角度αsub，子孔径最大梯度由1/(6像素/周期×干涉仪分辨率)确定，对应的角度αsub通过对子孔径最大梯度Gsub取反正切获得；
5)选用加工图纸面形分布梯度值小于子孔径边缘最大梯度Gsub的区域尺寸作为子孔径的尺寸，选用αsub/3作为相邻子孔径的相对旋转角度αadj，子孔径的数目n通过αmax/αadj并向上取整计算得到；
6)通过精密旋转平台控制待测大口径大口径掠入射反射聚焦镜分别逆时针和顺时针旋转，旋转的角度间隔为αadj，每旋转一次测量一次，测量次数为n，得到n个子孔径面形分布数据；
7)按现有子口径拼接算法(拼接算法见大口径光学平面干涉检测的子孔径拼接研究，王朝暄，南京理工大学硕士毕业论文，p20-p24)，通过子口径重叠区域面形分布计算相邻子口径的倾斜系数和轴向平移系数，实现子口径数据拼接，得到全口径KB镜面形检测结果。
本发明的技术效果
本发明基于大口径激光平面干涉仪和精密旋转平台组成的子口径拼接检测***，其优点有：
1)可获得大口径KB镜高精度三维面形信息，可用于指导镜面加工；
2)测量过程中只需要通过精密旋转平台实现被测KB镜的一维旋转运动，克服了传统子孔径拼接方法同时需要平移和旋转等多个维度的运动带来子孔径定位精度降低的问题；
3)与传统子孔径拼接测量相比，本方法相邻子孔径重叠区域对应的参考面位置相同，因此参考面不会带来拼接计算过程中的倾斜系数和轴向平移系数误差，提高了拼接计算精度。
附图说明
图1是本发明中大口径掠入射反射聚焦镜检测装置示意图。
图中，1-激光平面干涉仪，2-扩束准直***，3-透射标准镜，4-精密旋转平台，5-大口径掠入射反射聚焦镜，6-计算机处理***，7-待测面，8-参考面。
图2是椭柱面KB镜测量时的测量结果梯度分布模拟结果图
图3是椭柱面KB镜测量的干涉条纹图
图4是椭柱面KB镜测量的子孔径面形分布图
图5是椭柱面KB镜拼接得到的全口径面形分布图
具体实施方式
实施例1.
大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测光路如图1所示，测量工具包括激光平面干涉仪1、扩束准直***2、平面透射标准镜3、精密旋转平台4和计算机处理***6；所述精密旋转平台4用于放置待测大口径掠入射反射聚焦镜5。激光平面干涉仪1选用ZYGO公司的100mm口径MST干涉仪，测试波长为632.8nm，扩束准直***2将检测光束扩展为610mm，平面透射标准镜3的口径为610mm。待测大口径掠入射反射聚焦镜5为大口径椭柱面KB镜，待测面尺寸为300mm×40mm，曲率半径为569m。
沿所述激光平面干涉仪1发出的相干光方向依次是所述的扩束准直***2、平面透射标准镜3和所述待测大口径掠入射反射聚焦镜5，所述的精密旋转平台4台面水平放置，所述的待测大口径掠入射反射聚焦镜5放置在所述精密旋转平台4的台面上，所述的待测大口径掠入射反射聚焦镜5的长边方向与所述精密旋转平台4台面平行，并且待测大口径掠入射反射聚焦镜5的待测面7迎相干光；所述计算机处理***6与激光平面干涉仪1和精密旋转平台4的控制端相连。
测量步骤如下：
1)将待测大口径掠入射反射聚焦镜5放置于精密旋转平台4台面上，待测大口径掠入射反射聚焦镜5的长边方向与精密旋转平台4台面平行，并且待测大口径掠入射反射聚焦镜5的待测面7迎相干光；
2)由激光平面干涉仪1发出的平行光经扩束准直***2后照射到大口径透射标准镜3上，一部分平行光经透射标准镜3的参考面8反射回干涉仪，形成参考光，一部分平行光照射到待测大口径掠入射反射聚焦镜5的待测面7上，经待测面7反射后返回激光平面干涉仪1，形成检测光。该检测光与参考光发生干涉，生成干涉条纹。通过调整大口径掠入射反射聚焦镜5的姿态使其中心区域对应的干涉条纹最稀疏；
3)根据待测大口径掠入射反射聚焦镜5的加工图纸面形分布计算最大梯度值Gmax和边缘处最大偏角αmax，梯度的计算方法为：以长边方向为x轴，短边方向为y轴，检测光束方向为z轴，待测面上长短轴中心点为坐标原点o，梯度为加工图纸面形分布z值沿oxy平面的增长率，也即z值分别x、y求偏导并求和；偏角的计算方法为：对梯度值取反正切，即为偏角；梯度分布如图2所示，最大梯度Gmax为0.8328周期/mm(对应的最大偏角αmax为108″)
4)计算选取子孔径边缘最大梯度Gsub和对应的角度αsub，子孔径最大梯度通过1/(6像素×干涉仪分辨率)确定，对应的角度αsub通过对子孔径最大梯度Gsub取反正切获得；子孔径边缘最大测量结果梯度Gsub为0.278周期/mm(通过1/(6像素/周期×0.6mm/像素)计算得到)，对应的测量结果偏角αsub为36″；
5)选用加工图纸面形分布梯度值小于子孔径边缘最大梯度Gsub的区域尺寸作为子孔径的尺寸，选用αsub/3作为相邻子孔径的相对旋转角度αadj，为12″；子孔径的数目n通过108″/12″并向上取整计算得到，n为9；选用加工图纸面形分布梯度值小于子孔径边缘最大测量结果梯度0.278周期/mm的区域尺寸作为子孔径的尺寸，对应的子孔径尺寸为66mm×40mm；
6)通过精密旋转平台4控制大口径大口径掠入射反射聚焦镜5分别逆时针和顺时针旋转，旋转的角度间隔为12″，并进行测量，测量次数为9，干涉条纹图如图3所示；并按步骤五选取子孔径得到9组子孔径面形分布图，如图4所示；。
7)按子口径拼接算法，通过子口径重叠区域面形分布计算相邻子口径的倾斜系数和轴向平移系数，实现子口径数据拼接(拼接算法见大口径光学平面干涉检测的子孔径拼接研究，王朝暄，南京理工大学硕士毕业论文，p20-p24)，得到全口径KB镜面形检测结果，如图5所示。
Claims (1)
1.一种大口径掠入射反射聚焦镜高精度面形检测方法，测量工具包括激光平面干涉仪(1)、扩束准直***(2)、平面透射标准镜(3)、精密旋转平台(4)和计算机处理***(6)；所述精密旋转平台(4)用于放置待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)；
上述元件的位置关系如下：沿所述激光平面干涉仪(1)发出的相干光方向依次是所述的扩束准直***(2)、所述的平面透射标准镜(3)和所述的待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)，所述的精密旋转平台(4)台面水平放置，所述的计算机处理***(6)分别与激光平面干涉仪(1)和精密旋转平台(4)的控制端相连，其特征在于，该方法包括下列步骤：
1)将待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)放置于所述的精密旋转平台(4)的台面上，待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)的长边方向与精密旋转平台(4)台面平行，并且待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)的待测面(7)面对着透过所述的平面透射标准镜(3)的平行光；
2)所述的激光平面干涉仪(1)发出的平行光经扩束准直***(2)后照射到大口径透射标准镜(3)上，一部分平行光经透射标准镜(3)的参考面(8)反射回干涉仪，形成参考光，另一部分平行光透过所述的透射标准镜(3)照射到待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)的待测面(7)上，经该待测面(7)反射后返回所述的激光平面干涉仪(1)，形成检测光，该束检测光与所述的参考光发生干涉，生成干涉条纹；通过调整大口径掠入射反射聚焦镜(5)的姿态，使其中心区域对应的干涉条纹最稀疏；
3)根据待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)的加工图纸面形分布计算测量结果的最大梯度值Gmax和边缘处最大偏角αmax，梯度的计算方法为：以长边方向为x轴，短边方向为y轴，检测光束方向为z轴，待测面上长短轴中心点为坐标原点o，测量结果的梯度分布为加工图纸面形分布z值沿oxy平面方向的增长率的两倍，也即z值对x、y偏导和的两倍；偏角的计算方法为：对梯度值取反正切，即为偏角；
4)计算选取子孔径边缘最大梯度Gsub和对应的角度αsub，子孔径最大梯度由1/(6像素/周期×干涉仪分辨率)确定，对应的角度αsub通过对子孔径最大梯度Gsub取反正切获得；
5)选用加工图纸面形分布梯度值小于子孔径边缘最大梯度Gsub的区域尺寸作为子孔径的尺寸，选用αsub/3作为相邻子孔径的相对旋转角度αadj，子孔径的数目n通过αmax/αadj并向上取整计算得到；
6)通过精密旋转平台(4)控制待测大口径掠入射反射聚焦镜(5)分别逆时针和顺时针旋转，旋转的角度间隔为αadj，每旋转一次测量一次，测量次数为n，得到n个子孔径面形分布数据；
7)按现有的子口径拼接算法，通过子口径重叠区域面形分布计算相邻子口径的倾斜系数和轴向平移系数，实现子口径数据拼接得到全口径KB镜面形检测结果。
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