拼接干涉技術在同步輻射領域的發展現狀及趨勢

劉丁梟，盛偉繁,王秋實，李　明

(中國科學院 高能物理研究所 北京同步輻射裝置X射線光學與技術實驗室，北京 100049)

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拼接干涉技術在同步輻射領域的發展現狀及趨勢

劉丁梟，盛偉繁*,王秋實，李明

(中國科學院 高能物理研究所 北京同步輻射裝置X射線光學與技術實驗室，北京 100049)

針對同步輻射領域光學元件的口徑逐漸增大，其面形測量精度的要求已達到納弧度級的問題，本文研究了該領域先進的面形測量方法——拼接干涉技術，以實現光學元件的高分辨率二維測量。 介紹了拼接干涉技術的基本原理，綜述了目前同步輻射光學領域常用的面形測量設備——激光光束長程面形儀、高精度自準直納米測量儀,以及拼接干涉儀的發展歷程和特點，比較了它們各自的缺點和優勢。最后，分析了拼接干涉涉及的主要誤差來源，指出該技術的應用和發展趨勢主要有拼接算法的創新，干涉儀測量的快速化，拼接干涉儀的商業化，以及拼接干涉技術與其他科學技術的融合等。

光學元件；面形檢測；拼接干涉術；同步輻射；綜述

1　引　言

自20世紀80年代以來，同步輻射光源在世界范圍內得到了廣泛的應用，并已經成為材料、化學、生命等科學領域不可替代的研究工具[1-2]。隨著光源的廣泛使用，各種研究對光源的要求也越來越高。光源質量受光束線部分影響，其中單色器、準直鏡等的精度則起到較大作用。X光反射光學元件對同步輻射光在光子能量、相空間尺度調制，尤其是相干性保持方面的作用極為重要。而提高X光光學元件的加工精度的前提則是其測量精度的不斷提高[3-4]。例如正在籌建中的6 GeV高能光源，其中的光學元件就急需進行精確測量[1]。

同步輻射領域的光學元件具有大口徑、曲率大的特點。德國Fraunhofer研究所光學組通過比較不同設備測量面形形貌誤差的帶寬得到，一般設備只可以測量中高頻信息，范圍局限在1～200 mm。一般實驗室使用的光學面形檢測設備有原子力顯微鏡和各類干涉儀[5],但是它們無法滿足同步輻射光學元件的大口徑測量要求。隨著測量精度和測量范圍的不斷提高，先后有基于激光光束的LTP(Long Trace Profiler)和基于高精度自準直儀的NOM(Nanometer Optical Component Measuring Machine)面世。LTP和NOM可以實現較大范圍的測量(甚至2 m)，不僅可以用于同步輻射光學的高精度測量，還可以用于天文和空間光學表面的高精度測量[6-8]。測量精度也由亞微米升至納米，由微弧度升至納弧度，甚至更高。面形測量也可采用菲索干涉儀等設備，光學元件的口徑隨著需求的變化逐漸增大，甚至達到 1 m或更大。由于口徑大，一般干涉儀無法通過單次測量實現對整體面形的測量。同步輻射領域使用的反射鏡半徑范圍大，當測量曲率半徑比較小時，由于曲率比較高，單次測量結果并不準確，需要采用拼接技術。該技術主要是對菲索干涉儀和白光輪廓儀的測量結果進行拼接，例如可測式拼接角微干涉儀就是對白光輪廓儀的測量面形進行拼接[9-10]。

LTP和NOM的空間分辨率可以達到毫米級，而拼接干涉儀可以達到微米級，所以拼接干涉儀的空間分辨率比LTP和NOM高。干涉儀雖然測量范圍較小，但是通過拼接可以擴大測量范圍。目前，LTP和NOM都只適合進行一維測量，根據干涉原理，拼接干涉儀可以直接實現二維測量[11-13]。LTP和NOM利用f-θ原理最終得到的只是一條線上的角度測量值，而拼接干涉儀測量得到的是某區域內的表面面形。一般測量設備的測量范圍不大，LTP可以滿足大部分光學元件的曲率測量范圍，但是測量精度不是很高。NOM的測量精度較高，但曲率測量范圍卻不是很大。而拼接干涉儀既可以解決LTP和NOM的二維測量問題，又可以實現高精度、大量程的測量。

拼接干涉技術測量中，干涉儀每次只測量整個光學元件的一部分，然后對測量得到的各個局部的面形進行拼接，最終得到整個面形。

2　拼接干涉儀原理

在大口徑光學元件的面形測量中，由于光學元件表面范圍和表面角度都較大，干涉儀達不到需要的測量范圍，此時就需要使用拼接技術。根據所使用的局域部分的孔徑形狀，拼接分類可以分為圓形、環形和矩形拼接方法[13]。無論何種拼接技術，現今主流拼接的基本原理都是將光學元件的整體分割成幾部分，并且各個局部需要滿足干涉儀的測量要求，用干涉儀分別對各局域面形進行測量，然后對各局部面形進行拼接得到最終面形[14-15]。

圖1　拼接原理圖Fig.1　Principle of stitching

拼接原理如圖1所示，有A與A′兩個局域部分，并且A和A′存在共同區域，A經過一定移動可以得到A′。對于A與A′兩個局域部分，A′與A的坐標分別為(x′,y′)與(x,y)，A′與A的測量值分別用F(x′,y′)和F(x,y)表示，(x,y)坐標系移動(x0,y0)得到(x′,y′)的坐標系，即有：

(1)

當將A與A′拼接在一起時，把A的坐標和測量值當做基準，同時認為F(x,y)和F′(x′,y′)的被測體是剛體，在移動過程中不可避免地會產生傾斜和旋轉誤差，不能直接對關系進行變換。這里引入a和b分別表示在x和y方向的傾斜系數,c表示在垂直樣品方向的測量值之差。F(x,y)與F′(x′,y′)的關系為：

F(x,y)=F′(x′,y′)+ax+by+c.

(2)

將式(1)代入式(2)可以得到：

F(x,y)=F′(x-x0,y-0)+ax+by+c.

(3)

在理論上重疊區域在兩次測量中的測量值信息應該是相同的，通過檢測重疊部分的數據，然后對兩次測量的重合區域數據之差求取平方值的最小值(式(4))，以減小隨機誤差對拼接精度的影響。

∑{F(x,y)-(F′(x-x0,y-y0)+ax+by+c)}2→min.

(4)

上面數據是來自于兩個干涉測量圖的重疊區域的所有采樣點，對式(4)進行求解，可以得到：

(5)

其中：(x,y)表示兩次測量值之差，要將重疊部分所有的點數據都代入式(5)，求解得到：

(6)

將式(6)的a，b，c代入式(3)，從而實現A與A′的拼接，然后重復此過程，進行多次拼接就可以實現整體面形的拼接。

3　發展歷史

拼接干涉技術從20世紀80年代初到現在已經有三十多年的發展歷史，無論是理論基礎、硬件設備還是軟件算法都有了很大的提高。

1981年，美國亞利桑那大學光學中心的C.J.Kim第一次提出了子口徑拼接檢測技術，對小口徑平面反射鏡進行陣列測量來實現大口徑面鏡的檢測，這是拼接技術的歷史性開端[16]。早期的子口徑拼接檢測基于Zernike多項式描述面形，各子口徑之間沒有重疊區域。拼接算法主要是以Zernike多項式擬合波前為基礎，其中比較有代表性的是Thunen-Kwon算法和Simultaneous Fit Method算法[17-20]。

1982年，美國帕洛阿爾托光電技術實驗室的John G.Thunen提出了處理數據時先把各個局域部分的面形用Zernike多項式表達式擬合，然后再根據各個部分口徑的Zernike多項式擬合出整體面形的Zernike多項式表達式的方法(Thunen-Kwon Theory)[17]。

1983年, 新墨西哥大學現代光學實驗室的Weng W.Chow 提出將每個圓形子孔徑測得的面形數據直接擬合(Simultaneous Fit Method，SFM)全口徑的Zernike多項式表達式[18]，算法速度比Thunen-Kwon Theory提高了2～4倍[19]。但是由于上述算法都是基于Zernike多項式描述面形的，只能描述低頻面形；當被測波前高頻信息比較多或者不規律的時候，Zernike多項式項數不能擴展到無窮大，因而導致高頻信息較多時精度會大幅降低。

1986年,瑞士光學發展實驗室Stuhlinger 提出了一種離散測量值法(Discrete Phase Method, DPM)來描述子口徑面形。該算法將面形變為大量分布的離散測量值，并且各個局部區域之間存在重疊部分，最后利用測量值數值差，通過最小二乘法得到各個局域面形的測量值相對平移和傾斜量[20]。

1994年，千葉大學圖像科學系M.Otsubo在無迭代的拼接算法中引入平均化誤差的思想，大大提高了拼接算法的精度，擴大了橫向動態范圍[14,21]。

1997年，法國CILAS的 M.Bray首次將干涉儀與拼接技術相結合，提出了拼接干涉這一理論，并做出了世界上第一個實體拼接干涉儀。該拼接干涉儀通過控制被測元件在平面內做二維運動，完成了所有局域部分的面形測量，然后通過算法計算實現整體測量。但是該方法只能依靠各個部分測量面形的重疊區域來決定相鄰測量對象的相對角度，誤差主要來源于拼接處，測量精度較低[9，22]。

1998年，Phase Shift Technology 公司的Tang.S根據任意剛體在運動的時候都存在6個自由度這一現象，基于重疊區域測量值差值來求取各個局域部分的自由度關系，從而在一定程度上提高了拼接精度[23-24]。

1999年，M.Bray將傳統的干涉儀和拼接干涉儀做了對比，得出拼接并不會給系統產生較大誤差的結論,并且將功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)的概念引入到干涉測量中[25-26]。

2001年，赫歇爾太空天文臺的Brian Catanzaro將3.5 m的宇宙望遠鏡分成14個直徑為2 m的局部面形，通過三維拼接實現面形測量，證明了拼接技術的可行性和發展潛力[27]。

2002年，瑞士呂勒奧理工大學的Sjodahl提出了迭代的離散測量值拼接算法，首次采用迭代方法分別計算每個子口徑相對于基準的6個自由度的定位誤差。首先通過奇異值分解法求解獲得6個定位誤差的最優估計，然后更新重疊區域形成一個新的目標函數進行優化，最后迭代直到算法收斂到給定精度，該精度即為最終的拼接精度[28]。

2003年，美國QED公司的Jon Fleig等人成功研制了SSI自動拼接干涉儀，測量裝置見圖2。該裝置通過計算機控制可以實現平面、球面、非球面的面形高精度自動檢測，測量口徑可以達到200 mm[29-30]。該工作站使用高精度、6自由度的姿態臺、商業用口徑為四英寸或者六英寸的斐索干涉儀和一個專門制作用于自動測量的軟件包，可以實現整體面形的測量。算法對由光學鏡子和機械臺產生的誤差進行了約束優化，其中包括位置誤差和畸變等。

圖2　QED公司的SSI工作站[29]Fig.2　SSI workstation with stage axes labeled

2009年，QED公司的Andrew Kulawiec等人提出Variable Optical Null(VON)技術。該技術通過加入可控部分補償器擴大子孔徑拼接干涉儀的縱向動態范圍，以實現高陡度光學非球面的面形檢測。在子孔徑拼接檢測實驗中加入一個雙光楔作為可變部分補償器，如圖3所示，用來部分地補償干涉儀射出的球面波與高陡度光學非球面的差距。檢測時，將它安裝于干涉儀和待測非球面之間，通過傾斜和繞自身的轉動來調整波前。如圖4和圖5所示，可以明顯看出可檢測部分增大。QED公司利用VON技術成功研制出非球面拼接干涉儀(Aspheric Stitching Interferometer，ASI)，該設備檢測一個非球面內的條紋高達1 000條，極大提高了測量能力[31-34]。此技術能夠對同步輻射領域曲率較大的鏡子進行測量。

圖3　一對可控楔形光束匯聚補償器[31]Fig.3　A pair of optical wedges for creating a controllable aberrated wavefront in a converging beam

圖4　未使用可變部分補償器的波前[31]Fig.4　Predicted fringe patterns of subapertures from example asphere using a spherical wavefront

圖5　使用可變部分補償器的波前[31]Fig.5　Predicted fringe patterns of example asphere subapertures using VON

國內20世紀90年代初,子口徑拼接技術被提出。其中，具有代表性的有程維明等學者提出的多孔徑掃描檢測技術(Multi-aperture Overlap-scanning Technique，MAOT)，該技術采用基于齊次坐標變換的兩兩拼接數學模型拼接檢測大口徑光學元件面形[35]。國防科技大學的陳善勇等學者首次將工件定位、公差評定以及多視拼合領域的方法用于非球面的子孔徑拼接干涉測量。這種拼接方法將李代數、全局最優化等理論應用到子孔徑拼接問題中，然后將拼接分解為重疊計算和位形優化兩個子問題，利用迭代優化方法求解兩個子問題，直到算法收斂至精度要求內[36-39]。2014年，陳善勇等人又提出了一種雙計算全息圖可變部分補償器。與VON技術不同，該補償器只有相對旋轉自由度，沒有整體傾斜自由度，具體就是將Zernike多項式的第五項和第七項加上一個反向的值，將之抵消掉[40]。這種方法也達到了曲率較大鏡子的測量要求，可以應用于同步輻射領域。四川大學張蓉竹等學者對去傾斜技術、樣品容量等因素對拼接干涉檢測面形的影響進行了研究[41-43]。中科院光電研究所候溪等學者實現了大口徑面形的波前測量和環形子孔徑拼接面形等的測量[44-46]。長春光機所王孝坤和張學軍等學者基于齊次坐標轉換和全局優化的基礎，實現了對環形子口徑和圓形子口徑的拼接檢測[47-53]。此外，多所國內高校和研究所在該領域也比較活躍[54-57]。

拼接干涉技術逐漸成熟，其應用也普及到了同步輻射領域。2002年，美國阿貢國家實驗室的Lahsen Assoufid搭建的半自動拼接測量系統可以用來測量X光學元件的面形。該系統首次實現了在同步輻射領域的使用，并且通過測量得到比傳統測量方法(例如LTP)更高的精度。在實驗中，對1 m長的X光學鏡子進行測量，系統的重復誤差少于0.6 mrad，與LTP的測量結果相當。當實現全自動和系統升級后，估計可以達到0.01 mrad或者更高的精度[58]。2003年，日本大阪大學的Kazuto Yamauchi等人研制出專門應用于同步輻射領域的測量X射線反射鏡的顯微拼接干涉儀(Microstitching Interferometry, MSI)[59]。考慮到拼接干涉技術中的累計誤差以及低頻數據測量的重要性，該設備先使用精度較高的小口徑儀器測量各局部光學元件的面形，再通過一個精度較低的大口徑儀器測量整體的面形，最后通過拼接得到整體面形。測量過程中使用反饋系統來降低誤差，最終的波峰波谷值達到亞納米級，橫向分辨率高于20 μm，拼接角度誤差也減少至1×10-7rad。

圖6　顯微拼接干涉儀的工作原理圖[59]Fig.6　Schematic of Microscopic Interferometer(MSI)

在同步輻射領域，大多數光學元件在弧矢方向的曲率半徑比較小，而子午方向的曲率半徑比較大，因此導致元件在弧矢方向的彎曲比較嚴重。干涉儀測量的干涉條紋太少，如圖7所示，導致測量結果不準確[15]。目前，雖然可以用VON等技術來檢測高陡度光學非球面的面形，但是還不能完全實現整體面形的測量[31-34,40]。2004年，日本大阪大學的Hidekazu Mimura等人在用MSI做納米聚焦的時候提出了相對角拼接干涉儀(Relative Angle Determinable Stitching Interferometry, RADSI)[15]。在裝置中加入一塊平面參考鏡，如圖8所示，可以同時移動參考鏡和待測鏡或者對參考鏡局部進行傾斜，使用傾斜角度來得到轉換公式(3)中的傾斜系數，其他系數則通過重疊部分得到，此方法也可以減小誤差。RADSI的測量過程如圖9所示，先對整體進行測量，然后參考鏡和待測鏡面一起移動，測量完成后只移動參考鏡回原位置，便可以得到旋轉角度，最后重復前面步驟即可得到所有的旋轉角度。MSI主要用來進行大型X射線鏡面面形的高空間分辨率測量，而RADSI主要用來進行硬X射線聚焦橢圓鏡面的面形測量，他們將這兩種方法結合，對與實現納米聚焦的橢圓表面有相同曲率的圓柱表面進行測量，其絕對精度可以達到3 nm[15]。2005年，他們又采用RADSI對與實現納米聚焦的橢圓表面有相同曲率的圓柱表面進行測量，絕對精度可以達到4 nm[60]。但是RADSI對X光匯聚光斑影響最大的中頻數據精度并不是很高。

圖7　干涉測量條紋Fig.7　Interference fringe pattern

圖8　相對角拼接干涉儀的基本原理圖[15]Fig.8　Schematic of Relative Angle Determinable Stitching Interferometry(RADSI)[15]

圖9　相對角拼接干涉儀的測量步驟Fig.9　Measurement procedures of Relative Angle Determinable Stitching Interferometry(RADSI)

2007年，日本大阪大學的Haruhiko Ohashi等人對MSI和RADSI進行了升級，對為RADSI和MSI工作的具有5～6個自由度的平臺進行機械設計，采用柔性鉸鏈使轉軸具有更高的穩定性和精度，采用半閉環控制的線性驅動器使鏡子放置臺的旋轉角度位置更準確，從而可以更高效地處理更大的數據量。測量區域也擴大到500 mm×50 mm，并且實現了對0.5 m長的X射線鏡的測量，RMS值可以達到1.4 nm，橫向分辨率也可以達到36 μm[61]。

圖10　測量方法的基本原理示意圖[62]Fig.10　Principal schematic of a developed RADSI system[62]

2008年，日本Spring-8的Hirokatsu Yumoto 等研究人員設計了一種新型的RADSI來測量硬X射線聚焦鏡。其中，局部部分的面形用邁克爾遜干涉儀來測量，同時用大口徑斐索干涉儀來測量相鄰兩個口徑之間的角度，從中得到式(3)中的a和b，整體測量數據重復RMS可以達到0.8 nm。測量步驟具體見圖10，用邁克爾遜干涉儀分別對各個部分進行測量，同時使用斐索干涉儀對其角度進行測量，最后實現數據拼接，得到面形。圖11為測量設備的結構圖[62]。

圖11　RADSI測量裝置的基本結構圖[63]Fig.11　Configuration of a developed RADSI measurement instrument[63]

2009年，他們又對該設備進行了改進，利用大口徑菲索干涉儀，使用一個平面鏡來測量整體的相對拼接角度，使用精度較高的Michelson干涉儀測量局部高精度、高空間分辨率的面形。局部面形和拼接角度的測量是同時進行的。角度測量的穩定性可以達到1×10-8rad。實驗裝置全部在防震氣浮臺上，超凈間的溫度變化控制在±0.1°，對一個可以實現25 nm聚焦鏡的面形測量重復性峰谷值小于3 nm[63]。

圖12　拼接干涉儀實物圖[63]Fig.12　Overview of developed measurement instrument for RADSI[63]

圖13　拼接干涉儀原理圖[10]Fig.13　Device configuration of developed metrology system[10]

拼接角顯微干涉儀裝置的原理如圖13所示。該裝置最終的縱向尺寸可以達到1 nm精度，橫向分辨率小于0.1 mm。測量重復性和可靠性在測量聚焦小于10 nm以下光斑的聚焦鏡時，波峰波谷值可以小于4 nm[10]。

2010年，歐洲同步輻射光源(ESRF)的Amparo Rommeveaux等人完成了一種新型的用于測量X射線鏡子的微型干涉儀，分別對兩個曲率半徑為1 280 m和38 m的鏡子進行測量。與LTP的測量結果進行對比，測量的彎曲范圍比LTP大[64-65]。

2011年，德國布倫瑞克大學Axel Wiegamann等人在評價同步輻射中拼接干涉儀的測量精度時，提出了如圖14所示的改進方法。其中光學鏡子的放置平臺有x，y，z3個方向的平移，使用一個小型干涉儀，例如斐索干涉儀，將其裝在滑臺上，可以繞著x軸轉動。圖中所示的模擬試驗臺可以很好地實現測量過程中的定位需要，而且坐標轉換也比較方便[66]。在用真實數據進行誤差分析的時候，在100 nm范圍內這種方法的拼接誤差是直接測量方法的3倍，導致誤差的主要原因是定位誤差。

圖14　拼接干涉儀模擬實驗圖[66]Fig.14　Measuring simulation of improved stitching intereferometer[66]

2013年，法國SOLEIL光源Muriel Thomasset等人提出了一種用于高精度拼接的新型相位移動顯微干涉儀。為了防止條紋變形而專門設計的遠心物鏡，可以實現大焦深和明顯的條紋反差。所使用的相位移動修正方法可以提高面形測量精度，通過改造和升級分光棱鏡和鏡子夾持器，提高了測量精度。他們對一塊長為75 mm的鏡子進行了測量實驗，分別使用OPTOPHIA和MBSI兩種拼接算法進行面形計算并與LTP的測量結果進行對比，精度明顯高于LTP[67]。

綜上所述，世界各主要同步輻射實驗室的拼接干涉儀裝置的性能如表1所示。

表1　同步輻射實驗室中拼接干涉儀裝置的性能統計表

在國內，拼接干涉儀技術在同步輻射領域的使用雖然已經獲得了一定成果，但是拼接結果的精度還有待提高，其成品目前仍處于實驗室階段，距商品化還有相當一段距離。

4　拼接干涉儀誤差

拼接干涉技術的實驗過程如下：首先根據需要將所測量的光學元件表面劃分為幾個局部區域；然后按照一定的順序進行測量；最后按照一定的算法進行拼接，得到最終的測量光學元件面形。影響拼接干涉儀最終測量精度的因素主要有干涉儀自身測量誤差、環境及裝調配置誤差和拼接誤差。通常采用波峰波谷值(PV)、均方根值(RMS)等進行精度評價。

拼接干涉技術所使用的干涉儀是一套結構復雜、精度要求較高的光機電一體化儀器。無論是菲索干涉儀還是白光輪廓儀，其本身都存在誤差。例如參考鏡面型誤差，由于菲索干涉儀口徑較大，參考鏡的加工困難非常大，誤差影響較大。目前，需要通過標定參考鏡的面型誤差，才可以實現測量[68-74]。另外，激光波長穩定性、探測器誤差、離軸傾斜等都會對干涉儀的測量結果產生影響。

干涉儀和其他高精密測量儀器一樣，對測試環境要求比較苛刻。環境產生的誤差包括溫度、振動、空氣擾動和漂移等。2013年，日本Spring-8的Hirokatsu Yumoto 等人指出在斐索干涉儀絕對面形的測量中，空氣濕度變化對于測量重復性有很大的影響[75]。他們發現，對于一個直徑為152 mm的參考鏡，當空氣濕度變化達到11%的時候，它的面形變化的峰谷值可以達到1 nm。通過標定，長為145 mm的斐索干涉儀的測量不確定性可以達到0.7 nm。2004年，美國Advanced Photon Source(APS) X光學測量實驗室對拼接干涉儀系統進行了振動診斷及校正，得到的結論是簡單的隔振系統可以通過減小傳動和定位系統誤差來提高測量精度[76]。在實驗中除了需要減小環境誤差，還需要考慮裝配誤差，例如，通過提高光學元件夾持器的穩定性可以明顯提高測量精度[61,67]。

拼接對最終的面形測量結果也會產生誤差，這與拼接模式的選取、重疊比例等都有關系。拼接過程中，重疊系數、平移誤差、傾斜誤差等因素都會對最終的結果產生影響。1994年，千葉大學圖像科學系M.Otsubo在無迭代的拼接算法中引入平均化誤差的思想，大大提高了拼接算法的精度，擴大了橫向動態范圍[14,21]。拼接誤差的降低是拼接干涉中較為重要的部分。

綜上所述，拼接干涉儀主要存在干涉儀自身測量誤差、環境及裝調誤差和拼接誤差3種誤差。在設備研制的過程中，需要對這些誤差進行分析和處理，使誤差降到最低。

5　發展趨勢

結合拼接干涉儀的發展歷史和現狀，以及它在各方面的實際應用和技術特點，其發展和應用主要圍繞以下幾方面展開。

5.1拼接算法的創新

算法在拼接干涉儀中起到至關重要的作用。從連續的Thunen-Kwon算法、Simultaneous Fit Method算法以及Zernike多項式擬合算法(Simultaneous Fit Method)到離散測量值方法(Discrete Phase Method, DPM)[17-20]，從無迭代拼接算法到迭代算法[14,21]，拼接算法的精度不斷提高。算法創新需要通過不斷地嘗試，基于理論推導和計算找到適合不同面形的算法，從而進一步提高拼接精度。例如優化各局部面形的拼接系數，其中，通過改變重疊比例就可以提高拼接精度。

5.2實現干涉儀測量的快速化

現在對于光學元件的要求越來越高，測量速度也越來越快。在同步輻射領域使用的高能單色器彎晶等光學元件需要進行在線測量，即需要一邊調節一邊測量，調節到可以滿足使用要求的時候才停止。例如可以通過提高單次測量的面形面積，進而減少測量次數，達到提高測量速度的目的，同時也降低了拼接誤差。例如QED公司的VON技術和雙計算全息圖可變部分補償器，這些方法在測量非球面時，可以提高縱向測量范圍，從而增大單次測量面形面積，提高拼接干涉儀的測量速度[31-34,40]。此外，還可以通過對算法優化，設備改進等方法，實現干涉儀測量的快速化。

5.3拼接干涉儀的商業化

拼接干涉儀成本低、測量范圍廣、測量精度高，這可以滿足很多光學元件的設計要求，對于推進社會進步意義重大。美國QED公司已經成功研制了SSI自動拼接干涉儀，可以實現平面、球面、非球面等面形的高精度自動檢測，并且在不停地改進[29-30]。雖然已經有了相關的產品，但是還不能夠滿足便攜式要求。而許多同步輻射的光學元件需要在線站上使用，由于X射線照射導致溫度升高，面形產生形變，需要在光束線上進行測量[77]。將拼接干涉儀各部分進行模塊化，到達工作現場時將各個模塊組合，實現了便攜化實時測量的目的。拼接干涉儀的模塊化可以更好地滿足工作需求。

5.4拼接干涉儀與其他科學技術的融合

拼接干涉儀技術的測量精度還有待提高，通過與其他科學技術的融合來實現精度的提高。在干涉儀測量過程中，鏡子姿態臺的機械設計采用柔性鉸鏈使轉軸有更高的穩定性和精度，采用半閉環控制的線性驅動器使鏡子放置臺旋轉角度位置更準確，通過提高控制光學元件的移動精度來控制重疊部分的相對位置和角度，從而提高精度[61]。結合自動化行業使拼接干涉儀設備實現更高的運行速度；再結合相應的控制方法，例如閉環控制可以獲得更高的定位。

6　總　結

拼接干涉技術作為同步輻射領域光學面形測量的一種高分辨率的二維面形測量方法，近些年來迅速發展，并已經成為光學測量領域必不可少的技術。隨著材料、化學、生物等學科領域研究的不斷發展，對同步輻射光源的要求越來越高，從而對同步輻射光源光學元件的要求也越來越高。面形精度越高，面形形狀越復雜，從而對檢測設備的要求也越高。這需要我們不斷地對檢測方法和設備進行創新，以滿足工作需求。作為同步輻射光學領域面形檢測的重要技術，拼接干涉技術將始終向著高空間分辨率、高精度、大量程的方向發展。

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劉丁梟(1990-)，男，河北衡水人，博士研究生，2013年于北京化工大學獲得學士學位,主要從事高精度面形光學元件檢測裝置的研究。E-mail:liudx@ihep.ac.cn

導師簡介:

盛偉繁(1962-)，男，黑龍江哈爾濱人，研究員，1984年、1987年于哈爾濱工業大學分別獲得學士、碩士學位，1994-1996年在美國阿貢國家實驗室、2001年-2002年在加拿大光源做訪問學者，主要從事同步輻射光學及光束線技術的研究。E-mail: shengwf@ihep.ac.cn

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Current status and trends of stitching interferometry in synchrotron radiation field

LIU Ding-xiao，SHENG Wei-fan*，WANG Qiu-shi，LI Ming

(Laboratory of X-ray Optics and Technologies, Beijing Synchrotron Radiation Facility,InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)*Correspondingauthor,E-mail:shengwf@ihep.ac.cn

In synchrotron radiation field, the apertures of optical components increase gradually and their surface figure precisions have been demanded to be a nano-radian level. This paper researches the modern surface figure measurement methods in this field, stitching interferometry, to realize the high resolution two-dimensional measurement of optical components. The basic principles of the stitching interferometry are introduced. Then, a series of common optical surface shape measurement instruments in the synchrotron radiation field are overviewed, such as long trace profilers based on laser beams, high precision and auto-collimation measuring machines for nanometer optical components and stitching interferometers. It describes their development history and working characteristics and compares their shortcomings and advantages. Finally, this paper analyzes the main error sources involved in the stitching interferometry, and points out that the application and development trends of the technology are mainly the innovation of the stitching algorithm, the improvement of measuring speeds of interferometers, the commercialization of interferometers and the integration of the interferometry and other science technologies.

optical element; surface figure test; stitching interferometry; synchrotron radiation; overview

2016-08-10；

2016-08-26.

國家自然科學基金青年基金資助項目(No.11005123)

1004-924X(2016)10-2357-13

TH744.3

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2357