[发明专利]一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter‑Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，所述测试系统由轮廓仪和辅助调整装置两部分构成，所述辅助调整装置包括X轴直线位移台、水平回转转台、竖直面回转转台以及装卡工件的卡盘，其中：X轴直线位移台固定安装在轮廓仪检测平台的台面上，水平回转转台固定安装在X轴直线位移台上，竖直面回转转台固定安装在水平回转转台上，卡盘固定安装在竖直面回转转台上，用于装卡芯轴。本发明能够完成Woler I型芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标的检验，无需使用其他额外的超精密测量仪器，减少了超精密测量仪器的购置成本，减少了测量次数，提高了测量效率。

技术领域

本发明属于超精密测量技术领域，涉及一种检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，尤其涉及一种采用接触式轮廓仪检验 Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法。

背景技术

Woler I型成像系统是一种重要的掠入射成像系统，广泛用于X 射线掠入射光学，例如：天文观测用的X射线望远镜、样品检测用的 X射线显微镜、极紫外(EUV)光刻系统中的光学收集器等。单层Woler I型反射镜是由两个同轴共焦的轴对称非球面组合而成，如图1所示。其中，S为点光源，I为S的像，R为两片非球面子午截面曲线的交点，A和B为子午线的端点。非球面1和非球面2通常为长径比较大的椭球面、双曲面、抛物面、圆锥面等二次曲面或高次非球面。

这种高精度、大长径比内凹非球面的加工和检验是十分困难的，为了降低加工难度，目前常采用芯轴复制的方法制造Woler I型反射镜。首先利用超精密车削或磨削以及抛光等方法加工出与内凹表面形状和精度要求完全一致的芯轴外凸表面，然后利用化学气相沉积或物理气象沉积等方法复制出反射镜表面，再经过电铸和脱壳等工艺最终完成反射镜的制造。显然，芯轴的表面质量对复制后反射镜表面质量的影响是至关重要的，因此在芯轴的制造过程中需要对其进行多次精密测量。尤其是对芯轴进行超精密车削或磨削之后，需要对芯轴的尺寸误差、表面粗糙度、波纹度和形状误差等性能指标进行精确测量，以便为芯轴表面的进一步抛光提供准确可靠的参考数据。

用于高陡度非球面的检测方法有接触式和非接触式两种,非接触式主要指光学检测方法，它们常常是光学表面的最终检验手段。而接触式测量适用于加工过程中的面形测量，常用的接触测量仪器有三坐标测量仪(CMM)和轮廓仪等。

光学测量法可以提供很高的分辨率(亚纳米级)，但是测量范围是有限的，常用于测量空间频率尺度较小的微观粗糙度。若要延长测量范围，则通常以牺牲精度为代价。对于空间频率尺度较大的形状误差的测量，常采用子孔径拼接的方法，拼接误差是影响测量精度的关键因素。当工件尺寸增大时，子孔径的数量也随之增加，会导致测量时间长、数据处理复杂、引起误差传递和积累等问题。CMM常用于工件尺寸的测量，测量范围大，分辨率可以达到亚微米。接触式轮廓仪是测量工件二维尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度的常用仪器，具有分辨率高(亚纳米)、垂直测量范围大等优点。但是，在接触式轮廓仪上测量的轴对称非球面常包含顶点，如图2所示A点。以顶点 A为坐标原点建立测量坐标系，使测量坐标系与加工坐标系重合，则测量所得的数据能够精确的反映出非球面的尺寸误差和轮廓形状误差。但是Woler I型芯轴的表面一般不包含非球面的顶点，例如图3 所示的椭球面和双曲面组成的芯轴表面。显然，找不到参考顶点就无法建立测量数据与芯轴子午截面曲线方程之间的位置关系，这增加了采用轮廓仪对Woler I型芯轴表面进行精确测量的难度。

发明内容

本发明针对Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量检验难的问题，提供了一种采用接触式轮廓仪检验Wolter-Ⅰ型芯轴表面质量的测试系统及方法，采用接触式轮廓仪测量其尺寸、表面轮廓形状、波纹度和粗糙度，解决了找不到参考顶点的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：