显微成像测量精密狭缝的重复精度

    上海光源(SSRF)是第三代同步辐射光源装置，光束线中用大量的高精密狭缝以限定光束张角、阻挡杂散光、提高能量分辨率。由它们的功能和使用条件，狭缝分为双刀片和四刀片结构^[1]。刀片运动由步进电机控制，狭缝的主要参数有刀口运动的重复精度、刀口的平行度和刀口的直线性。重复精度是指狭缝刀片往复移动回到起点位置时的位置偏差，通常需测量狭缝刀片的面内微小位移。光束线的狭缝是精密部件，且工作于超高真空环境，不允许接触式测量；而第三代光源光束线使用的精密狭缝均需水冷，结构复杂，装配完成后测量设备基本无法接触到刀口。因此，发展高精度的非接触测量技术是狭缝测试的关键技术。

    本文探索了精密狭缝刀口重复精度的非接触光学检测方法，利用高放大倍率镜头和可见光高分辨率 CCD，建立了测量系统，其测量光束线精密狭缝的最小分辨为 0.3  m，满足精密狭缝的检测需求。

    1 测量过程与分析

    1.1 测量原理与装置

    如图 1，AB 为精密狭缝单刀片的侧视图， 为狭缝刀口边缘，  为狭缝刀口 A 在 CCD 上所成的像，通过判断  的位移大小，根据物镜的放大倍率可得到狭缝刀口移动的重复精度。设狭缝刀口移动位移量为 ΔA，像方位移为 Δ  ，成像物镜放大倍率为 β，则狭缝刀口的位移为 ΔA=βΔ  。

    显微测量系统建在一个 2 m 长的光学导轨上，光学导轨固定在精密隔振光学平台上。图 2 为显微测量法测量狭缝重复精度的装置图。测量系统分为狭缝运动控制单元、照明光源、显微测量物镜部分、CCD 成像部分^[2,3]、计算机控制与图像采集部分。

    1.2 测量步骤

    1.2.1 成像物镜放大倍率标定

    测量前须标定成像物镜的放大倍率 β，将 β 调节到合适大小，固定倍率调节旋钮，对一个标准光学分辨率板的标准孔作显微成像(图 3)。标准孔径图像直径与实际直径之比，就是成像物镜的放大倍率。

    1.2.2 狭缝移动前后狭缝刀片成像与采集

    成像系统以狭缝单刀片边缘为中心，跟踪刀片的移动。狭缝固定于二维移动平台上，轴向缓慢移动平台，图像逐渐清晰，至最清晰时，得狭缝到物镜的工作距离。成像物镜有一定的焦深，所以狭缝放置误差对成像的清晰度影响较小。狭缝成像调节清晰后，控制精密狭缝步进电机，让狭缝的一个刀口成像于物镜视场的中心位置，整个光学测量平台在一定时间内保持稳定状态，在步进电机控制狭缝刀片前移与返回各拍一张图片。重复上面步骤，多次采集狭缝移动前后的序列图像。