1引言 同步辐射光源继电光源、X光 源、激光光源之后，又一次为人类 文明带来了革命性的推动。自20 世纪so年代中期以来，第三代光 源也逐步在世界各地得到了广泛 的应用。光束线是连接同步辐射储 存环和各用户实验装置的桥梁，它 把同步辐射白光单色化后再成像 到实验样品上，是同步辐射应用的 关键仪器。光束线一般包括前置镜 光学系统、单色器和后置镜光学系 统。为了获得高的反射率，光束线 通常工作在掠人射状态，因此，它 的光学镜一般为窄长形帐度可达 lm，子午面曲率半径通常从数百米 到数千米【啊，而弧矢面曲率半径较 小，面形如圆锥面、圆柱面、椭球 面、抛物面、双曲面、超环面等复杂 的非球面。 为了获得高的光子通量和高 分辨率，对光束线中的光学镜表面 质量和形貌的要求也越来越高:表 面粗糙度优于0.5钊m RMS，斜度均 方差(s1叩e erro玲)不超过1林rad， 曲率半径误差低于l%间，在X射 线显微术成像中光束线的光学镜 甚至需要0.1“斑d的精度门，于是，高 精度非球面轮廓测量仪器急需得 到发展和提高13明。在第三代光源 中，高热负载下反射镜表面畸变明 显，从而会降低SR光束亮度，因此 需要在线检测其变化及安装后变 形等卜切。 适用于高精度的非球面轮廓 测量方法不胜枚举，就其表现形式 而言，可分为接触测量和非接触测 量两种。前者由于会损伤被测元件 的表面，在非球面光学表面轮廓测 量中难以发挥作用;后者主要分为 干涉测量法和顺序扫描法阴。以泰 曼一格林口从甲man一Green)、斐索 尹zeau)等类型的传统干涉仪为基 础、辅以零校正技术的干涉计量 法、剪切干涉法、外差(准外差)全息 干涉法是常见的干涉测量法，由此 发展的硒， Ko、zygo干涉仪常用 于同步辐射光学镜检测，对平面和 一n︸ 口凡一﹄勺 一‘.几 球面的光学镜检测精度可达 (4Iun)ll4>。但有以下缺点: l)需要引人高质量的人射波 前和与待测表面相匹配的参考表 面，制造大口径参考镜成本增加。 2)在对曲率半径很大或很小 的复杂大型非球面元件测量时，由 于干涉条纹太少或太多，太复杂， 难以达到较高的测量精度和分辨 率。 3)同步辐射光学镜具有特殊 面形，尤其在需要大量程的测量状 况下，干涉法难以达到要求。 一维顺序扫描轮廓测量法虽 然速度较慢，但由于克服了干涉法 以上致命缺陷，在大型非球面光学 表面形貌测量中得到了应用。基于 聚焦探测光束的顺序扫描方法由 于受到景深的影响，对待测元件面 形要求苛刻，因而，同步辐射或天 文系统中的大型非球面光学镜一 般采用非聚焦探测光束扫描，通过 检测元件的表面反射角度变化 (s loPe measurement)，评定其表面 形貌。 20世纪80年代后期发展的长 程面形轮廓测量仪在同步辐射光 学镜的检测能得到很高的精度，可 以胜任同步辐射大部分光学镜的 测量。基于顺序扫描实现的非球面 轮廓测量的轮廓仪，其光学系统本 质上是一个f--0透镜系统(如图1 所示):两束平行光沿待测面的主方 向进行扫描，反射后干涉条纹经透 镜成像在探测器上，在扫描过程 中，其面形是变化的，所以反射后 的干涉条纹也是变化的，通过记录 每个条纹的位置即得到对应待测 点的角度值(a=票，f》d)。扫描一 ’…一”’一一、一2f’“一，一”- 次，得到一组角度变化曲线(即 510钾曲线)，而高度曲线，则可以 通过角度曲线的积分获得。探测器 上条纹位置的记录精度直接影响 到角度敏感度，采用双光束干涉式 的准直暗条纹方法有助于提高它 7 刃 山 ，桂 门 丁木仪 几… 一二砂~% __/__________. 竺贾土了二士一二一 阵二二二 一，二:二-一于三三三三乒，一 代4-弓 士亡丁下万 -------一二三井汾卜 探测器 习库 图lf--o透镜系统基本原理，“为待测光学元件面形的角度值 分束器l 一兮’慨 十变换 五角棱镜 因一，一口 分柬器2 光学表面 图2光笔干涉仪的基本结构 的分辨率，这正是长程面形仪的一术大学)在此基础上于1987年提出 大特色。为了进一步提高它的测量了等光程分光系统的光笔干涉轮 精度、稳定性、重复性等，长程面形廓仪，并命名为长程面形仪O习昭 仪的总体结构在近20年的发展中Trace Pro扭er，LTP)，改善了光笔 一直在提升，下面主要介绍它的几干涉仪中的缺陷，在大型非球面光 个重要的反展阶段。学镜的测量中达到很高精度IIA17，lslo 因继承了光笔干涉仪的结构，LTP 2长程面形仪发展的几个阶段不需引人参考面，是一种“绝对”测 1982年，Bieren KV将两臂固量方法，引人等光程分光系统，降 定的迈克尔逊干涉仪引人基本扫低了空气扰动和激光指向精度的 描轮廓仪，提出了光笔干涉仪的基影响。其最大特色是能够引出外延 本结构(图2)，此时探测器上接收调整光束(图3)，准确校准光学镜 到的图样为干涉条纹，大大提高了(窄而弧矢面曲率半径小)的对称 轮廓仪的分辨率。该系统无需参考轴，从而沿轴扫描，获得真实准确 平面和高质量大孔径人射波前，对的轮廓形貌。 具有轴对称或旋转对称结构的非针对第一代轮廓测量仪任汀PD 球面光学元件的线轮廓测量有很中导轨运动误差的影响及激光指 高的精度仕6run)l城16>。向性较差的弱点，Irick和Mckinney 为了将光笔干涉仪中的优点任用订ence Berkeleyl丑bon玫ory， 应用到同步辐射光学镜轮廓检测场L)于1992年提出了采用直线性 上来，Takacs PZ(美国Brookhaven参考基准，补偿了两者误差，同时 Natio几日I门Lbon蛇o塔，简称BNL)，部分修正了空气扰动、温度变化等 印an Shi斑m(钱石南，中国科学技对测量精度的影响‘阅，。其后BNL、 . 至探测器 丈 万 升丫 人 「二 l、 又 少 :.........’ 火 多 少/ L乒才厂 ....:...’’’’厂 产 一 图3 BNL第一代长程面形仪光学系统结构 固定棱镜 \ 今 \ . … / 不 一一州 口 i } l> .l {二 不 测试表面 图4标准型LTP光学系统示意图 LBLC0nl山祀ni川伪。。叭CO印ora一保持不变，减少了系统潜在的误差 uon(Coc)合作进一步开发，形成源。各实验室对其进行改进，建立 了商品化、标准化少即功的长程面了各具特色的LTPo 形仪，2000年专利被海洋公司(o一印an为实现在线测量，提出了 cean QPtics)买断。图4是其光学固定光学头五棱镜中enl以eeprism)扫 系统基本结构，参考光路的引人补描的方式”，并在1995年提出了 偿了光学头在扫描过程中的运动PPLTp的结构(图5)。利用激光光 误差，大大提高了测试的精度，而纤准直技术提高了激光束的指向 且部分补偿温度变化、空气扰动，精度，五棱镜扫描使得导轨运动的 激光漂移等引起的误差，在扫描过各类误差得到有效地抑制，对导轨 程中，测试光束和参考光束光程均的要求也降低，并由此发展了在线 国 (is LTP)测量19一明、垂直(vs LTp)扫 描团俐、在场加工检测口啊等模式， 促使三维测量脚叼、型化勿tLTP)例 的轮廓测量仪的出现变为可能。其 缺点是:五棱镜扫描，待测光束光 程发生变化，扫描时会在碑透镜 孔径侧向移动，并由此带来角度转 化为位移的非线性误差，在软件上 难以补偿因，需要提高FT透镜的 精度以及让待测光束尽量靠近棱 镜来减小此误差;扫描时光程的变 化也使得该仪器的重复精度易受 温度变化、空气扰动等外界环境因 素的影响。 清华大学的李直等，于2001 年提出了新型扫描轮廓仪的结构 (图6)。有别于标准的LTP、ppLTP 双光束产生干涉条纹的方式，该系 统使用了相位板代替分光单元卿， 单光束经过相位板衍射后产生一 条暗线，通过测量暗线的位置即可 实现角度测量，称之为衍射型LTP 或者闭刃P。其优点是:系统结构简 单，对外界环境等因素具有稳定 性，减少了潜在的误差源;采用了 标准LTP光程不变扫描及 ppLTP 五棱镜扫描的优势，大大提高了仪 器的精度;通过引入参考光路补偿 了激光光束指向误差、导轨运动误 差以及绝大部分由温度变化、空气 扰动等外界环境噪声引起的误差。 其后SSRF把轮廓测量仪的量程从 370~提升到lm左右，并获得了 较好的精度。 3长程而形仪中关键技术的 改进 相对于干涉表面形貌测量方 法，该扫描轮廓仪应用到大型非球 面轮廓测量易达到较高精度，但采 取光笔沿着待测元件侧向扫描的 结构，易受外界环境的影响，不易 获得较高的重复精度和稳定性。其 误差来源主要包括: \ BS \ } (. 甘目 口 百.匕l .二二咨..~.吧~~一一.叫l 叼 仁 一，一~呀‘__‘ 图5五棱镜长程面形仪原理图 之 Bsr 移反射直角拣 书「礴 ~乙’尸’一~~~ PP 二下下沙 日 日 曰 直角 棱镜 > D 口 刀 门 L l: r一.勺.....‘.」 场‘、，‘记_.1 卜月’ { 二极管 激光器电源 图6上海光源衍射型LTP光学系统结构 (a)外部误差:包括温度变化、空向内部误差:包括光源指向 气扰动、工作台振动等环境噪声。误差、系统结构引起的误差(系统结 / (a)零光程差分束器 (b)等光程分束器 (c)位相板(d)双层薄板 图7各具特色的分束器 构配置、导轨运动误差、工件支撑 变形等)、光学系统像差厉件安装、 加工的误差等)、ccD误差等。 采用大理石平台防振降低空 气扰动及保持温度稳定等，是减小 环境噪声影响仪器精度的最直接 办法。通常温度变化控制在土0.1℃ 时，能取得较高的重复精度阴，
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