[发明专利]一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统

说明书

本发明公开了一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统，能够避免长时间子孔径面形测量时环境温度的漂移，减小测量误差，提高测量的精确度。该系统中，移动平台在上位机的控制下沿着一个或者多个方向带动待测自由面形反射镜移动至多个位置；子孔径面形测量干涉仪根据相干光之间因待测自由面形反射镜镜面导致的光程差来获取每一位置的子孔径面形数据；角度测量仪包括至少两个测量单元，每个测量单元分别用于测量移动平台在每个位置处第一方向和第二方向上的角度值；所述上位机基于每个位置的角度值对所有子孔径面形数据进行校正，根据校正之后的子孔径面形数据完成整个待测自由面形反射镜镜面的子孔径干涉拼接。

技术领域

本发明涉及光学镜面面形检测技术领域，尤其涉及一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统。

背景技术

同步辐射光源需要高精度镜面通过反射来实现X-Ray高聚焦能力，从而分辨出分子结构、看清原子内部状态等。对于纳米或亚纳米面形精度测量，需由白光干涉仪来完成。但是对大尺寸镜面(长度达1米以上)检测时，因干涉仪口径限制，无法由单次测量来完成。目前，世界上干涉仪最大口径为800mm，但极其昂贵，安装和实验条件要求苛刻，干涉仪本身参考镜面的重力变形也需要经常进行复杂专业的标定，且因被测面形物理分辨率低而无法用于面形高频成份的分析。

1983年，W.W.Chow在Optics Letters上就提出了利用干涉拼接技术解决空间分辨率与单次测量口径相矛盾的问题。干涉拼接通过对高分辨率的小口径干涉仪测量面形进行拼接，从而实现大尺寸镜面面形的纳米精度测量。干涉拼接技术中每一次小口径的单次拍摄近似于对平面的测量，这解决了大尺寸自由面形超出干涉范围而无法测量的问题。鉴于干涉拼接技术在大尺寸自由面形测量中的优点，获得国内外众多知名研究者的关注，并且出现了商业化产品。

传统的干涉拼接技术中，J.G.Thunen利用最小二乘法对两次相邻测量中面形重叠区域求解，计算其相对的倾斜和距离。在实际使用中，C.Elster在其2006年的研究中指出，即使每次相邻测量面形相对的倾斜误差很小，但当被测面形尺寸达到半米以上时也有上百幅单次测量面形，则误差积累导致整体面形错误。这些误差主要是由于环境温度、湿度和压强等的变化所带来单次面形测量的误差面不同，这些现象在2011年由A.Wiegmann进行了总结和证实。当然，G.A.Smith也指出通过增加重叠区域面积可以一定程度上降低该类型的误差累积。但是，如果加大重叠区域面积，完成同一长度镜面测量所需单次干涉测量次数会成倍的增加，2010年F.Munteanu就通过严格的模拟和实际实验证明了长时间的测量时干涉拼接精度受温度、震动等环境变化及机器的电子噪声会更加严重(例如采用Zygo NewView干涉仪2.5X物镜对1米长镜面测量所需30小时)。更进一步来看，当被测面形是自由曲面时，在干涉仪移动到不同位置时干涉参考面和被测面不平行，这必然产生追迹误差，该误差对于最小二乘法计算相邻被测面形的相对倾斜有着致命的问题。

对于上述提出的诸多误差源产生问题，只利用纯软件干涉拼接最小二乘优化算法无法实现大尺寸镜面的测量。通过辅助硬件设备实现干涉拼接的方法被提出，例如A.Wiegmann提出的多轴位置仪器子孔径拼接法，日本H.Mimura提出的RADSI系统和K.Yamauchi提出的MSI系统。然而，这些干涉拼接方法的精度受限于采用的角度和距离测量传感器，不仅设备及其昂贵而且受环境变化限制比较大，而且在对大镜或长镜长进行时间测量时，环境噪声会影响单角度测量并最导致子孔径拼接面形错误等问题。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于自由面形子孔径拼接测量的方法和系统，能够避免长时间子孔径面形测量时环境温度的漂移，减小测量误差，提高测量的精确度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种用于自由面形子孔径拼接测量的系统，其包括：子孔径面形测量干涉仪、角度测量仪、移动平台，以及上位机；