同步辐射X射线镜高精度面形检测

作     者：覃蝶 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：吴永前

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：同步辐射 X射线光学 光学测量 面形检测 拼接干涉 

摘      要：X射线聚焦镜是大型同步辐射光束线中用于光束整形与聚焦的重要光学元件,为实现X射线的高相干传输和纳米级聚焦,要求X射线反射镜的面形精度优于1 nm。超高精度X射线镜面形检测是高精度纳米聚焦镜制造和加工过程中的重要技术难题。拼接干涉检测技术是目前X射线光学元件精加工阶段的重要面形检测手段。在X射线镜的拼接干涉检测过程中,定位误差和拼接角累积误差是影响拼接面形精度的重要因素,目前国内外拼接检测装置对于定位误差和拼接角累积误差的处理更多依赖于高精度的被测镜位移平台和精密角度辅助测量装置,但实际拼接过程中,纳米级的面形拼接精度要求为高精度拼接测量机械平台的搭建带来了困难。本论文主要围绕X射线镜高精度拼接干涉面形检测技术展开研究,着重研究了拼接过程中定位误差和拼接角累积误差对拼接面形的影响及处理方法,并搭建了基于遗传算法的X射线镜拼接检测模型和基于辅助角测量的相对角度拼接平台,具体研究工作主要分为以下三个部分:1、基于现有实验条件和X射线聚焦镜的面形特征搭建了基于重叠区域拼接角计算的子孔径拼接检测模型。通过仿真模拟的方法对子孔径测量过程中和拼接过程中引入的随机误差、回程误差、拼接角误差以及定位误差进行数值仿真并具体分析各类误差对模型拼接精度的影响。2、针对拼接干涉测量过程中子孔径机械定位误差问题,提出了基于遗传算法的X射线柱面镜拼接检测方法。利用子孔径重叠区域匹配度作为适应度函数,使用遗传算法计算子孔径测量过程中产生的定位误差并对子孔径测量数据进行补偿。仿真和实验验证结果表明,模型能够实现优于0.01°的旋转角度估计以及亚像素级的偏移量估计,并且有效补偿拼接过程中引入的定位误差,提高柱面镜拼接检测精度,减小子孔径测量过程中对高精度机械位移平台的依赖。3、针对传统拼接方法存在的拼接角计算误差累积的问题,搭建了基于辅助角测量的相对角度拼接平台,并针对由平台稳定性和同步性精度不足引起的角度测量误差,提出了基于遗传算法和模式搜索算法的优化方法(GeneticAlgorithm-Pattern Search Methods,GA-PSM),以重叠区域残差为目标函数,平台角度测量值为初值,求解最优相对调整角度。实验表明,GA-PSM方法能够有效解决由平台稳定性不足引起的相对角度测量误差问题,在不改变机械装置的情况下将角度测量误差从10μrad降至3*10μrad以下,有效提升相对角度拼接平台的面形拼接精度。