[发明专利]基于细光束的f-theta测量系统的优化方法

说明书

本发明提供了一种基于细光束的f‑theta测量系统的优化方法，其通过软件建模建立其采用单光线入射测量的f‑theta测量系统模型，采用单光线对细光束行为进行模拟，借助f‑theta测量系统模型进行光线追迹计算得到在工作距离范围内的多组不同工作距离及反射镜偏转角度下对应的单光线测量光斑质心位置偏移量，从而以该测量光斑质心位置偏移量最小为目标进行优化，通过最小二乘法求解，确定优化所得的透镜组几何结构参数值，并按照该优化所得的透镜组几何结构参数值制造细光束f‑theta测量系统中透镜组的各个光学元件，能够极大的减小基于细光束的f‑theta测量系统由像差引入的误差。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种基于细光束的f-theta测量系统的优化方法。

背景技术

高精度角度测量系统如自准直仪、傅立叶变换透镜角度测量系统等是目前通用的高精度角度测量f-theta测量系统。他们主要是通过测量反射光束的角度变化来测量反射面的角度变化，用于在约±15mrad范围内对反射面的角度变化进行高精度测量。其测量精度随着测量角度及反射面到测量系统的距离的变化而变化。

在同步辐射光源、自由电子激光、大型天文望远镜等科研前沿领域，高精度的自准直仪、傅立叶变换透镜等f-theta测量系统通常是重要光学元件——X射线反射镜检测仪器(如长程面型仪(LTP)，纳弧度光学检测系统(NOM)等)的重要部件。在这些科研领域中，f-theta测量系统检测精度的高低决定了X射线镜面品质的好坏，从而影响影响这些科研领域中所获得实验结果的好坏，由于受到各种系统误差的影响，对X射线反射镜面的高精度检测只能在很小的角度范围内实现。为了得到更好的实验结果，这些科研前沿领域对X射线反射镜面的检测品质提出了更高的要求，即要求在大量程范围检测精度小于50nrad。这必然要求X射线检测仪器相应的f-theta测量系统达到更高的品质，对限制f-theta测量系统测量精度的误差源必须得到减小或消除。

在f-theta测量系统(如自准直仪、傅立叶变换透镜系统)中主要的误差源有：1、由f-theta测量系统光学元件的像差引入的误差；2、f-theta测量系统中光学元件的加工缺陷造成的误差(比如：光学曲面加工面型误差，光学系统中透射体介质不均匀引入的误差)。由于大多数光学系统的像差关于光轴对称，由像差引入的误差往往表现出关于坐标原点的旋转对称性(如图1)。在上述两类误差源中，像差引入的误差往往占主要部分。对于高精度测量系统如NOM或LTP的f-theta测量系统，由像差引入的误差在±5mrad范围内可达到约10μrad(如图1)。测量的角度越大，引入的误差可能就越大。所以在这类系统中，高精度测量往往只能在一个很小的角度范围内实现。为了实现在大角度范围内的高精度测量，由f-theta测量系统像差引入的误差必须减小或消除。

图1是用于LTP系统的傅立叶变换透镜的误差曲线(参见文献“Thomas Zeschke,Anew Variation of the Long Trace Profiler Principle,4th international workshopon Metrology for X-ray Optic-Mirror Design and Frabrication-Barcelona-4th(2012)”)，该曲线是通过类似图2的LTP测量系统获得。在图2中入射光线被分束镜、五棱镜反射后以固定的入射方向投射到待测镜面，待测镜面反射的反射光再经过五棱镜、分束镜入射到f-theta测量系统。图2中的f-theta测量系统主要由透镜(傅立叶变换透镜)、CCD(Charge-coupled Device)图像传感器构成，如在NOM等系统中f-theta测量系统为自准直仪。