摘要：以新一代同步輻射光源和全相干 X 射線自由電子激光為代表的先進(jìn)光源已成為眾多學(xué)科領(lǐng)域中一種不可或缺的 研究工具。先進(jìn)光源技術(shù)不斷進(jìn)步，驅(qū)動超精密光學(xué)制造快速發(fā)展，先進(jìn)光源中關(guān)鍵聚焦光學(xué)元件 K-B 鏡的面形精度是 影響光源性能的重要指標(biāo)，要求其在幾十納弧度以下。然而，高精度 K-B 鏡面形檢測技術(shù)依然存在較大技術(shù)挑戰(zhàn)，一直 是國內(nèi)外研究熱點。本文介紹了反射式輪廓測量技術(shù)即長程輪廓儀(LTP)、納米測量儀(NOM)以及拼接干涉檢測技術(shù) 等典型 K-B 鏡面形檢測技術(shù)的基本原理，對比分析了其技術(shù)特點，綜述了國內(nèi)外 K-B 鏡面形檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀和最 新進(jìn)展，對發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

　　關(guān) 鍵 詞：X 射線光學(xué);K-B 鏡;光學(xué)測量;面形檢測;拼接干涉

　　1 引　言

　　自 19 世紀(jì)，威廉·康拉德·倫琴首次發(fā)現(xiàn) X 射 線以來，基于 X 射線的儀器很快在醫(yī)學(xué)、材料科 學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和公共安全等眾多領(lǐng)域得到廣 泛應(yīng)用。為了解決 X 射線的聚焦問題，1948 年 Kirkpatrick 和 Baez 根據(jù)掠入射思想設(shè)計出了 Kirkpatrick-Baez(K-B) 鏡 ，該系統(tǒng)極大促進(jìn)了 X 射線光學(xué)的發(fā)展[1]。

　　K-B 鏡在保證高反射率的情 況下，可實現(xiàn)接近衍射極限的聚焦，被廣泛用于眾 多不同類型先進(jìn)光源的光束線建設(shè)中，如相干 X 射線衍射成像 (CDI) 中的聚焦元件、極紫外光 光刻 (EUV) 檢測裝置以及 X 射線顯微鏡等[2-4]。 同時，K-B 鏡作為 X 射線光學(xué)中的關(guān)鍵光學(xué)元 件，在慣性約束核聚變領(lǐng)域，是用于診斷等離子體 的 X 射線顯微鏡以及天文領(lǐng)域中 X 射線望遠(yuǎn)鏡 的重要部件[5-6]。 先進(jìn)光源光束的亮度歷經(jīng)三代發(fā)展有了質(zhì)的 飛躍，其后則是對 K-B 鏡面形的嚴(yán)苛要求，如表 面殘余斜率誤差在 50 nrad RMS 以內(nèi)，自由電子 激光則要求面形高度誤差在 2 nm P-V 以內(nèi)[7-8] ，這 無疑對 K-B 鏡高精度面形檢測技術(shù)提出很大的 挑戰(zhàn)。

　　早期的 K-B 鏡面形檢測裝置主要是接觸 式輪廓儀[9] ，但接觸式輪廓儀測量鍍膜光學(xué)元件 時會在反射表面上留下細(xì)小的痕跡 ， 20 世紀(jì) 80 年 代 ， 以 長 程 輪 廓 儀 (LTP) 和 納 米 測 量 儀 (NOM) 為代表的非接觸輪廓測量技術(shù)已經(jīng)取代 了接觸式測量技術(shù)，成為 K-B 鏡面形檢測的主流 技術(shù)。隨著對先進(jìn)光源研究的深入，人們逐漸認(rèn) 識到 K-B 鏡面形的中頻波紋以及高頻粗糙度會 產(chǎn)生不同角度的散射，從而使得焦點對比度下降 以及像面模糊。

　　同時，先進(jìn)光源光束線建模及性能 模擬軟件需要測量光學(xué)表面的高精度二維甚至三 維面形信息[10] ，因此對 K-B 鏡面形檢測要求不再 局限于一維輪廓信息。通常 LTP/NOM 反射式輪 廓測量技術(shù)的橫向分辨率約為 1 mm，這決定了低頻輪廓信息是其主要測量頻段。

　　盡管 LTP/NOM 反射式輪廓測量技術(shù)可以通過不同路徑的多次掃 描以及數(shù)據(jù)處理可以實現(xiàn)多維測量，但該技術(shù)具 有一定的局限性。因此在 21 世紀(jì)初逐漸發(fā)展出 拼接干涉測量技術(shù)以滿足不斷提高的檢測要求。 本文將介紹 K-B 鏡面形檢測方法的發(fā)展過程中 具有代表性的檢測技術(shù)，并對比分析了各種檢測 技術(shù)的特點以及發(fā)展趨勢，重點介紹拼接干涉測 量技術(shù)特點及發(fā)展趨勢。

　　2 K-B 鏡概念

　　K-B 鏡系統(tǒng)包括兩個正交組合的凹面反射 鏡 (圖 1(a))，其中每個反射鏡可實現(xiàn)一個維度上 的聚焦，通過兩個反射鏡的正交組合可實現(xiàn)二維 聚焦特性。K-B 鏡面形形狀主要有橢圓柱面、拋 物面，其中橢圓柱面用于點對點成像，拋物面用于 準(zhǔn)直光束聚焦。 K-B 鏡一般工作在掠入射狀態(tài)下以滿足高反 射率要求，其距先進(jìn)光源波蕩器可達(dá)到數(shù)十米以 上，其通光口徑長度一般可達(dá)數(shù)百毫米甚至可達(dá) 1.5 m[8]。為了使 K-B 鏡具有較短的焦距，這些圓 柱面通常具有大弧矢半徑，在一百米到幾公里以 內(nèi)，而它們的子午半徑僅有幾厘米[11]。

　　3 K-B 鏡面形檢測技術(shù)原理

　　3.1 反射式輪廓測量技術(shù)

　　反射式輪廓測量技術(shù)是在順序掃描法的基礎(chǔ) 上發(fā)展形成的，利用光沿直線傳播定理，通過入射 光線在待測面不同位置處反射光線角度的相對變 化獲得待測面面形信息，具體是將待測面上不同 位置的相對角度通過特定光路變換成探測器上條 紋或光斑的相對位移，通過掃描裝置獲取待測表 面斜率的曲線分布，再根據(jù)斜率積分原理得到待 測面相對高度曲線。典型儀器有利用細(xì)光束干涉 的長程輪廓儀及基于自準(zhǔn)直儀的納米測量儀。

　　4 K-B 鏡面形檢測技術(shù)發(fā)展歷程

　　4.1 反射式輪廓測量技術(shù)

　　LTP 作為首個用于測量 K-B 鏡面形斜率的 測量裝置，具有非接觸、高精度的優(yōu)點。其經(jīng)過 30 多 年 的 發(fā) 展 ， 發(fā) 展 出 LTP-II、 PPLTP、 LTPMF 等多種型號[19-23] ，精度以及測量范圍得到極大 的提升;同時，LTP 也由一維面形檢 測技術(shù)逐步發(fā)展出基于夏克-哈特曼傳感器的二 維面形檢測技術(shù) (SSH-OH)，廣泛用于美國 NSLSII 的面形檢測[24- 25]。

　　NOM 作為第二代非接觸式表面輪廓儀，自首 次在德國 BESSY-II 投入使用以來，科研人員便一 直對其進(jìn)行技術(shù)改進(jìn) ，其改進(jìn)型號 DiamondNOM 在改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光路的基礎(chǔ)上對平面 實現(xiàn)了 50 nrad RMS 的測量精度[16, 26] ;2016 年 ， Qian 等人對 NOM 進(jìn)一步改進(jìn)，研制出了 NSP，通 過引入一支參考光路校正掃描三棱鏡在掃描過程 中的俯仰誤差[27] ，對球面實現(xiàn)了 50 nrad RMS 的 測量精度。基于 NOM 發(fā)展出許多面形測量裝 置，如 ESAD (Extended Shear Angle Difference)[28]、 光 學(xué) 表 面 測 量 系 統(tǒng) (Optical Surface Measuring System, OSMS)[29] 等。

　　5 K-B 鏡面形檢測技術(shù)發(fā)展趨勢

　　先進(jìn)光源聚焦光斑尺寸從微米發(fā)展到納米， 未來甚至將達(dá)到亞納米 ，對 K-B 鏡面形精 度的要求也越來越嚴(yán)苛。根據(jù)德國 BESSY-Ⅱ光 學(xué)計量實驗室 X 射線反射鏡面形精度統(tǒng)計數(shù)據(jù)， 從 1990 年到 2020 年，K-B 鏡斜率誤差容限已經(jīng) 從 5 μrad 提高到 100 nrad，未來將達(dá)到 50 nrad 以 下[36]�？梢灶A(yù)見，K-B 鏡面形檢測技術(shù)未來將會 朝著納弧度精度快速發(fā)展。從接觸式掃描輪廓儀 到非接觸式的長程輪廓儀和納米測量儀，再到現(xiàn)如今蓬勃發(fā)展的拼接干涉測量技術(shù)，K-B 鏡面形 精度要求的不斷提高是推動其面形檢測技術(shù)發(fā)展 的根本動力。

　　除此之外，K-B 鏡還要滿足大口徑、高陡曲 面以及全頻段的設(shè)計要求;經(jīng)典 K-B 鏡通過將兩 個一維橢圓柱鏡進(jìn)行組合實現(xiàn) X 射線聚焦功能， 由于裝調(diào)誤差的限制使其聚焦光斑尺寸無法達(dá) 到亞納米以下，近期國際上提出利用橢面鏡實 現(xiàn) X 射線亞納米聚焦，而這要求在保證 K-B 鏡 面形檢測技術(shù)檢測精度的前提下，拓寬其檢測范圍，使其具備二維曲率面形檢測能力�？v觀 KB 鏡面形檢測技術(shù)的發(fā)展過程，最初是建 立在精密機(jī)械基礎(chǔ)上的接觸式輪廓儀;隨著光 學(xué)，特別是激光、電子技術(shù)以及自動化技術(shù)的發(fā)展，反射式輪廓儀，如 LTP、NOM，得到廣泛應(yīng) 用;之后，計算機(jī)、微電子行業(yè)的蓬勃發(fā)展使得數(shù)據(jù)收集、處理能力能夠支撐拼接干涉測量技 術(shù)，從而使 K-B 鏡面形檢測技術(shù)邁向了二維、寬 頻段的更高層次。

　　光學(xué)論文投稿刊物：《光學(xué)與光電技術(shù)》Optics & Optoelectronic Technology(雙月刊)2003年創(chuàng)刊，屬無線電電子學(xué)電信技術(shù)類學(xué)術(shù)型刊物，是民用與軍用相結(jié)合怕綜合性光電技術(shù)信息載體，由中國船舶重工集團(tuán)公司華中光電技術(shù)研究所與湖北省光學(xué)學(xué)會聯(lián)合主辦。

　　6 總　結(jié)

　　隨著 X 射線光學(xué)的發(fā)展，對同步輻射光源性 能要求越來越嚴(yán)苛，使得對 K-B 鏡的面形的要求也越來越高。對大口徑、復(fù)雜面形、全頻段的測 量以及二維甚至對三維面形測量，都對其面形檢 測技術(shù)提出了嚴(yán)苛考驗。LTP/NOM 作為成熟的 斜率測量技術(shù)，依然是主要的 K-B 鏡面形檢測工具，其檢測能力不斷提高。

　　X 射線光學(xué)的發(fā)展使得人們要對 K-B 鏡面形檢測技術(shù)不斷進(jìn)行改進(jìn)， 以滿足日益嚴(yán)苛的檢測要求。從現(xiàn)實需求來看， 反射式輪廓測量技術(shù)已無法滿足 K-B 鏡面形檢測的發(fā)展需求，而高精度拼接干涉測量技術(shù)的測 量范圍不斷拓展、測量精度以及測量效率不斷提高，必將成為 K-B 鏡面形檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一。 其與反射式輪廓測量技術(shù)互為補(bǔ)充，用于實現(xiàn)高精度 K-B 鏡面形檢測。

　　參考文獻(xiàn)：

　　KIRKPATRICK P, BAEZ A V. Formation of optical images by X-rays[J]. Journal of the Optical Society of America, 1948, 38(9): 766-774. [1]

　　GIEWEKEMEYER K, WILKE R N, OSTERHOFF M, et al.. Versatility of a hard X-ray kirkpatrick –baez focus characterized by ptychography[J]. Journal of Synchrotron Radiation, 2013, 20(3): 490-497.

　　作者：張　帥1,2，侯　溪1 *