长轨迹面形测量仪的设计

　　1.引言

　　国外产品设计和制造技术发展水平，使改进的非常规光学元件已超出用传统计量技术去测量和评价这些元件的能力。单点金刚石车削(SPDT)技术在过去几年中已经有重大改进，以致使光学元件能得到的尺寸和形状在几年前是不可想象的，现在已是先进的光学系统集成部件。过去几年中高强度软X射线同步辐射(SR)光源的迅速增长，和在X射线激光器及短波长自由电子激光器(FEL)技术方面的进展，推动了工业制造远离轴非球面光学的发展。例如在极限掠入射(a>890)应用中的圆柱面和复曲面。但是制造业界和最终用户已经因缺少快速评估大的非球面光学元件表面形状的合适计量仪器而受到妨碍。

　　本报告中描述的仪器就是所需要的长轨迹表面形状测量仪，它能够快速和高精度测量大的圆柱形光学元件的形状。

　　2.同步辐射(SR)反射镜的计量要求

　　为了反射能量在1一20kV范围内的X射线，在同步辐射光束线设计中使用的光学元件几乎毫无例外的在极限掠入射下使用。典型的掠射角为10mrad或更低。典型的表面形状是平圆柱面、复曲面、椭圆面和平面弯曲成的复曲面或椭圆面。使用3mrad掠入射角。较大半径设计成1.2km长，较小半径仅10.7mm长。反射镜材料是带有锗镀层的碳化硅。反射镜公差，例如倾斜度误差的测量精度必须优于lar。sec并在宽范围的表面空间周期内精确。反射镜的表面粗糙度就是在我们实验室用WYKONCP一100。光学面形测量仪测量的，覆盖了从3um到5mm空间周期范围。在非接触测量中，所需要的仪器能够测量从中到低频率范围内的表面形状或倾斜率，能覆盖从lmm到整个反射镜长度为lm的空间周期。

　　常规干涉仪检测大型光学零件或非球面光学零件，使用商品化的Twyman一Green或Fizeau型系统经常是不可能的，或者需要一笔庞大的物资经费开发一种设备制造无透镜元件，例如，一种计算机产生的全息图(CGH)，它本身就需要一套完整的判定程序。这些辅助元件在检验单个光学元件时特别有用，没有需要加工一个完整新的辅助元件时，不能修正在最后元件设计中适当变化。

　　利用精密机械加工的能力快速调节光学设计参数的变化是很困难的。论述的长轨迹面形测量仪是所需要的具有干涉测量精度的光学计量工具。它能够用于测量多种光学表面，不　　需要昂贵的难制造的无透镜元件。

　　3.同其它面形仪器相比较

　　在本报告中表达的长轨迹面形测量仪是基于锥光束干涉仪原理由vonBieren提出的〔1〕。在我们各种锥光束干涉中使用的光学系统表示在图1中，简单的说，一个入射激光　　束由分束器/棱镜阵列分成共线的两部份，它们直接向下射到检测表面。被反射的光束在付里叶变换透镜的焦点处产生千涉，干涉图形被放大并投射到一个线阵列探测器上。测量部件放在光学头下面并且在光学头沿着高精度线性空气滑动轴承座移动时保持静止状态，见图2.