基于聚焦光束扫描的高空间分辨面型检测技术研究

X-ray optics surface metrology is a key factor that limits the performance of the beam line to play. The problem of the traditional long trace profiler (LTP) is that it cannot provide high-frequency information about the surface error, and the stitching interferometer can not measure the cylindrical or ellipsoid surface . So, Developing surface metrology instrument with high spatial-resolution is very important for the full characterization of X-ray optics. The project uses focused beam scanning method to solve this problem. According to the feature of long trace metrology equipment, basic scientific research on optical head and its scanning mechanisms is carried out. Specific research contents include: characteristics analysis and calculation of optical beam propagation in the head, to reveal the characteristics of the measured beam after a variety of optical transformation; Study beam shaping process and the corresponding beam positioning algorithm to improve the accuracy of measurement; Establish feasible scanning mechanism and its optical head design, develop system errors’ evaluation methods. The implementation of this project will provide theory support and technology foundation for the optimal design and construction of the high-spatial resolution surface shape profiler based on the focused beam scanning.

X射线光学元件面型检测水平是限制束线性能发挥的关键因素。常用的面型测量设备如LTP（Long trace Profiler）和NOM(Nano-Optic-Measuring Machine)存在无法进行高频段面型检测的问题，而空间分辨率较高的拼接干涉仪无法测量具有圆柱面、椭球面等面型的X射线光学元件。因此，发展新型高空间分辨面型检测技术对全面的X射线光学元件面型表征非常重要。本项目拟采用基于聚焦光束扫描的问题解决方案，根据长程扫描测量设备的特点，对光学头及其运动扫描机制进行基础科学研究。具体研究内容包括：光学头内光束传播特性分析与计算，揭示测量系统内经多种光学变换后探测光束的特征；研究可提高测量精度的光束整形处理及相应的光束定位方法；建立光学头-运动扫描机制匹配的技术方案，发展误差评估方法。通过本项目的实施，为基于聚焦光束扫描的高空间分辨面型检测装置的优化设计及建设奠定理论和技术基础。

新一代的同步辐射光源相干性非常高，对X射线反射镜的面形误差提出了更高的要求，受限于光学口径的限制，长反射镜的中高频面形检测是一个突出的问题。使用聚焦光束替代准直光束扫描待测面形，可以有效提高空间频率，弥补现有长程面形仪的高频截止问题。基于理论和实验测量，本项目开展了面型检测系统扫描光学头内光束传播特性的分析与计算，设计并验证了基于部分相干光照明，复合消色差透镜聚焦的光学头设计方案。基于图像处理的光学测量仪器另外一个核心是光斑定位算法，考虑到探测器误差、环境扰动、杂质衍射等问题，本项目的另外一个突破是我们创新性提出了基于傅里叶变换的图像处理算法，计算速度和精度远远满足项目要求。最后，我们初步搭建了聚焦型扫描光学头，聚焦光斑半宽度0.2mm（即空间分辨率）。为了表征光学头的角度测量性能，一方面是光学头的性能标定：我们用日本Kohzu转台KTG-15D（分辨率25nrad）产生固定步长的角度变化，并用聚焦型光学头测量角度，角度标定的结果34μrad范围内的，结果显示在此范围内，测量的单点重复度为20nrad rms，整个角度区间上的差异好于50nrad rms。另外一方面：初步实现了对光学镜面的检测，测量的斜率形貌图和通过数值积分得到的高度形貌显示，测量的重复精度达到了30nrad rms，或者0.02nm rms。考虑到现有市场化的电子自准直仪的技术突破难度大，而聚焦光学头的实现相对容易，因此，我们期望该成果很有可能成为下一代的面形检测技术研究的重要方向。