Wolter I型反射镜面形在线检测装置设计

　　1　引　言

　　进入空间时代,近地空间环境与人类的生活息息相关,而空间环境状态的改变直接受太阳活动的影响和调制。当太阳爆发时,其X射线波段特征变化十分显著,因此太阳X射线的观测对研究太阳活动的形成、发生和发展具有重要价值。当今,各国相继在科研气象卫星上搭载太阳X射线成像仪对太阳活动进行实时监测[1]。由于Wolter I型结构可获得较高的成像分辨率,目前的X射线成像仪均采用这种结构,即利用二次旋转对称抛物面/双曲面共焦耦合,通过两次反射,实现对X射线的聚焦成像。

　　Wolter I型结构的核心部件是两块工作在掠入射状态的旋转非球面反射镜(抛物面/双曲面)。反射镜表面面形质量直接决定能否获得高的反射率和光子通量,因此对非球面反射镜面形检测提出了更高的要求。传统的非球面面形检测方法主要分为接触式测量和非接触式测量。前者(如TalySurf Series 2 PGI高精度轮廓仪)因其探针会对被测元件表面造成微小损伤,故未被广泛使用;后者以测速快,应用广泛的干涉测量法为代表,基础为Twyman-Green,Fizeau等传统干涉仪,由此发展出的WYKO、ZYGO干涉仪在面形检测中已达到很高的精度。但是应用干涉法测量Wolter I型旋转非球面反射镜需要高精度参考面,其加工困难且成本很高,而且此类反射镜子午和弧矢方向的曲率相差很大,测量时干涉条纹结构复杂,因而无法满足高精度测量的要求。

　　近年来,一种被称为“顺序扫描法”的新型面形检测方法受到越来越多的关注,国内外多家研究机构相继深入其中[2-9]。所谓顺序扫描就是利用测头沿待测表面轮廓进行连续扫描测量的过程。此方法虽然测速较慢,但能够克服干涉法的上述缺陷,在非球面反射镜表面形貌测量中得到广泛应用。美国Brookhaven国家实验室的钱石南教授率先提出了基于顺序扫描方法的非球面轮廓仪,并命名为长程轮廓测量仪(Long TraceProfiler,LTP)。本文首先介绍了LTP的工作原理,然后根据Wolter I型旋转非球面反射镜面形在线检测的要求,设计搭建了一套基于LTP的面形检测装置。详细介绍了它的工作原理、结构参数设定、测量数据分析方法等,并在此基础上对该装置进行定标及验证实验,最终给出了该检测装置的测量精度,重复性等各项指标。

　　2　面形检测装置工作原理

　　Wolter I型反射镜面形检测装置的工作原理与LTP(图1)基本相同。LTP工作原理为:He-Ne激光器发出一束细光束,经过起偏器(POL)变成偏振光,通过等光程分光系统(BS、PORROPrism)被分成两束间距为1 mm的平行光束。再经过偏振分光棱镜(PBS)分成两路,分别照射在参考面(REF)和待测面(SUT)上。反射后再经过分光棱镜转折,最后由傅里叶变换透镜(FTLens)聚焦到CCD探测器上。CCD探测器置于透镜的后焦面上,用于记录两组光束各自形成的干涉条纹。通过测量CCD上两干涉图样的距离,即可计算出待测表面与参考面之间的夹角,即倾斜度。半波片(HWP)用来调节两束光的强度,以避免由于光束强度超过CCD阈值,对CCD造成损伤。四分之一波片(QWP)将两次穿过它的光束偏振态旋转90°,以保证从参考面和待测面反射回来的光全部射向FT透镜[10-13]。