WolterI型X射线聚焦镜内壁高精度检测方法

技术领域

本发明属于X射线聚焦镜内壁非接触检测技术领域，具体涉及一种WolterI型X射线聚焦镜内壁高精度检测方法。

背景技术

为研究观测黑洞、中子星等天体的高能辐射新现象，以美国为首的多个国家和地区的天文台和空间中心已向太空发射十余颗X射线天文卫星。1952年德国物理学家HansWolter设计满足阿贝正弦条件的掠入射的三种Wolter型X射线聚焦望远镜，称为Wolter III III型聚焦望远镜。Wolter-Ⅰ型X射线望远镜由抛物面内反射镜和双曲面内反射镜构成，其优点是可多层嵌套，有利于弱源观测，也是目前X射线望远镜最常见的一种类型。中国预计2026年发射的下一代旗舰级X射线天文卫星—增强型X射线时变与偏振探测(eXTP)空间天文台。eXTP计划配置4种有效载荷，其中能谱测量X射线聚焦望远镜阵列(SpectroscopicFocusing Array,SFA)和偏振测量X射线聚焦望远镜阵列(Polarimetry Focusing Array,PFA)分别由配置不同焦平面探测器的9组和4组焦距5.25m、口径500mm的聚焦望远镜阵列构成。为了增大望远镜有效测量面积，X射线聚焦望远镜均采用多层薄壁结构嵌套式设计，同时由于eXTP的主要载荷为13组，共计645片镜片，那么批量生产出超薄大尺寸高精度的镜片后，如何快速高精度检测镜片内壁的面形成为了关键环节。快速高精度检测镜片内壁的面形，进而反馈指导优化镜片的制造工艺是目前亟待解决的问题。因此，聚焦镜镜片内壁的高精度快速检测是需要重点考虑的因素。X射线聚焦镜片通过复制加工的方法制作而成，其复制加工主要的加工工艺流程包括模具化学镀镍磷合金、模具超精密加工、模具镀膜、电铸镍基体以及复制、装调、检测，检测是聚焦镜生产的关键环节之一，是保证聚焦镜片精度的关键过程。复制后的镜片为薄壁零件，其内表面为X射线聚焦镜工作表面。因此，为了检验模具复制过程是否成功以及镜片是否满足使用要求，需要对复制的镜片进行内表面测量。聚焦望远镜镜片集成检测是卫星项目的极为关键的一个环节，为达到聚焦望远镜阵列指标要求的工作能区、收集面积以及角分辨率等要求，需要将#1-45，长度600mm，直径大小不同，最大直径500mm的聚焦镜镜片装调在一起，而其中表面粗糙度要求为0.5nm，面形精度要求为0.2μm，最薄的镜片厚度仅为0.2mm，极易发生变形，这种技术指标是极难实现和完成的，因此对检测系统的精准性和稳定性都提出了较高要求。由于光学面为镜壳的内表面，现有的通用测量仪器无法对其面形精度直接检测。传统的测量方法精度差、效率低，无法满足快速高精度的检测需求，同时极易造成大尺寸超薄镜片变形，无法保证无损检测。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的不足，进而提供一种X射线聚焦镜内壁高精度检测方法；用于保证大批量镜片内壁的检测精度，确保大尺寸超薄镜片低变形的同时提高检测效率。

本发明所采取的技术方案是：WolterI型X射线聚焦镜内壁高精度检测方法，包括以下步骤：

S1.取来待检测的镜筒；

S2.悬吊镜筒；通过检测装置的主动吊装装置实现；

S3.调整镜片位姿：由通过检测装置的主动吊装装置调整；

S4.调整精密调平调心工作台位姿：由通过检测装置的XY平移台调整；

S5.用激光自准直仪确定镜筒主轴回转和垂直轴的偏心量、记录；

S6.调整X位移台、长距离干涉测头和聚焦型短距离干涉测头到合适的位置，使其处于有效工作范围内；

S7.控制高精度气浮主轴带动长距离干涉测头和聚焦型短距离干涉测头旋转一周，测量此处截面圆度；

S8.移动升降导轨，根据需要测量多个截面圆度；

S9.高精度气浮主轴4不动，实时调整X位移台位置，通过控制升降导轨测量母线精度；

S10.控制高精度气浮主轴旋转到一定角度，测量多条母线精度；

S11.分析测量数据，得到镜筒内壁的面形精度；

S12.检测下一个镜筒。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明针对现有的通用测量仪器无法对WolterI型X射线聚焦镜内壁的面形精度进行直接检测，根据X射线聚焦镜的形状特点，使用自己开发的纳米级内表面面形测量仪器，是以超精密气浮转台和高精度立柱导轨为基准的转台式结构，可实现镜片内壁轴向和圆周方向的轮廓测量。同时镜片悬挂采用主动力控制快速检测方法，16路主动悬挂调节力平衡，多通道的闭环控制系统，实时读取拉力传感器的拉力值，保证每个吊线上的力大小相等及测量过程中薄壁镜片处于自由状态。实现了检测工艺的一致性和可靠性，保证了检测过程中镜片的低变形、高精度，提高了检测效率，达到了降本增效的效果。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明结构示意图；

图3是本发明检测装置主视图；

图4是本发明测量装置安装示意图；

图5是本发明圆度误差测量机构结构示意图；

图6是本发明圆度误差测量机构主视图；

图7是本发明廓误差测量机构结构示意图；

图8是本发明主动吊装装置结构示意图；

图9是本发明吊装机构结构示意图；

图10是本发明吊装机构结构示意图二；

其中：1、支架；2、镜筒；3、测量装置；4、高精度气浮主轴；5、XY平移台；6、主动吊装装置；11、花岗岩台面；12、高精度花岗岩立柱；31、圆度误差测量机构；311、球形反射镜；312、激光自准直仪；32、轮廓误差测量机构；321、长距离干涉测头；322、平面反射镜；323、聚焦型短距离干涉测头；324、X位移台；33、升降导轨；34、精密调平调心工作台；61、吊装盘；62、吊装机构；63、吊绳；621、丝杠驱动机构；623、刀口支撑部；624、力传感器；625、杠杆；626、配重块；627、音圈电机。

具体实施方式

参照图1所示，WolterI型X射线聚焦镜内壁高精度检测方法，包括以下步骤：

S1.取来待检测的镜筒2；

S2.悬吊镜筒2；通过检测装置的主动吊装装置6实现；

S3.调整镜片位姿：由通过检测装置的主动吊装装置6调整；

S4.调整精密调平调心工作台34位姿：由通过检测装置的XY平移台5调整；

S5.关闭检测间的所有光源，用激光自准直仪312确定镜筒2主轴回转和垂直轴的偏心量、记录；

S6.调整X位移台324、长距离干涉测头321和聚焦型短距离干涉测头323到合适的位置，使其处于有效工作范围内；

S7.控制高精度气浮主轴4带动长距离干涉测头321和聚焦型短距离干涉测头323旋转一周，对镜筒2轮廓的一周进行扫描，测量此处截面圆度；

S8.移动升降导轨33，同时调整长距离干涉测头321和聚焦型短距离干涉测头323位置处于有效测量范围，根据需要测量多个截面圆度；一般测量11次，中间1次，上下各五次，采集保存测量数据；

S9.高精度气浮主轴4不动，实时调整X位移台324位置，通过控制升降导轨33测量母线精度；

S10.控制高精度气浮主轴4旋转到一定角度，测量多条母线精度；测量下一条母线时，一般旋转30°，测量12条母线，保存。

S11.分析测量数据，得到镜筒2内壁的面形精度；

S12.检测下一个镜筒2。

实现所述S1.取来待检测的镜筒2；包括以下步骤：

S11.将工控机、丝杠驱动机构621、音圈电机627、力传感器624、XY平移台324上电；

S12.将音圈电机627全部升至最高位置，以防操作过程对音圈电机627造成损伤；

S13.对力传感器624进行读数，校对，使其未受力情况下读数为0；

S14.将镜筒2从悬挂架上取下，安放在检测系统的临时转托平台上

实现所述S2.悬吊镜筒2；包括以下步骤：

S21.调节丝杠驱动机构621，使挂钩相应位置与对应镜筒2上端外径尺寸一致；

S22.将镜筒2用挂钩吊起(16点悬吊)，使镜筒(2)与临时转托平台分离；

S23.实时读取力传感器624的示数，调节音圈电机627，保证每个力传感器624的示数一致；

S24.将临时转托平台移出；临时转托平台就是玻璃托盘，之前镜筒2为了防止长时间放置变形，一直是悬挂自由状态，检测之前临时放在玻璃托盘上，然后立即将其悬挂到检测系统中。

S25.将镜筒吊装存储装置归位；归放到储存架上相应位置，洁净间6S管理，物归其位。

S26.镜片2入槽后，再次音圈电机627，使每个力传感器624示数相同，保证所有吊绳63受力均匀。

实现所述S9.高精度气浮主轴4不动，实时调整X位移台324位置，通过控制升降导轨33测量母线精度；包括以下步骤

S91.调整长距离干涉测头321和聚焦型短距离干涉测头323位置回到镜筒2底端，将测头对准其中一条母线，调整位置在有效侧脸范围内；

S92.根据镜筒2的大小端开口的尺寸计算出镜筒2的斜率，输入进X位移台324的位移补偿控制程序中；

S93.通过工控机控制升降导轨33向上移动同时，控制X位移台324实时补偿2的斜率导致测头和2内壁距离的变化，扫描对准的母线轮廓，此时回转轴不动；

S94.采集母线轮廓数据，保存。

实现所述S11.分析测量数据，得到镜筒2内壁的面形精度；包括以下步骤：

S11.保存测量数据，用分析测量软件对镜筒2内壁面形进行重构，和理论面形进行比对，得到镜筒2内壁面形精度；

S12.用分析测量软件对数据进行处理，进一步对镜筒2内壁面形进行重构，和理论面形进行比对，得到镜筒2内壁面形精度，记录、留存。

参照图2～图10，本检测装置是以高精度气浮主轴4和升降导轨33为基准的转台式结构，可实现镜筒2轴向和圆周方向的轮廓测量.

所述检测装置，包括支架1、测量装置3、高精度气浮主轴4、XY平移台5及主动吊装装置6；所述主动吊装装置6通过支架1支撑，用于吊起镜筒2，所述测量装置3用于侧面镜筒2的圆度误差和轮廓误差，测量装置3安装在高精度气浮主轴4上，由高精度气浮主轴4带动其旋转测量，所述高精度气浮主轴4安装在XY平移台5上，所述XY平移台5安装在支架1上。

主轴采用高精度气浮主轴4(纳米跳动)，使仪器具有旋转精度高、稳定性好、承载能力强、非接触、不磨损、长寿命的优点。测量装置3的升降导轨33保证母线测量精度高、重复性好。工作台面和立柱采用天然花岗岩材料使仪器机械性能更加稳定可靠、不变形、不漂移。两级内置空气过滤器、一个保护压力继电器和一个油水分离器装置，使压缩空气工作气压稳定、干净、干燥，确保气浮主轴旋转稳定性好，精度高。传感器垂直和水平运动采用直线电机驱动，使仪器操作方便，调整精准。采用9000线/周的高精度圆光栅，保证数据采样分辨率。

镜筒2需要测量的轮廓一共有两种，一种是沿某以高度的圆周方向的圆度误差，另一种是沿镜筒2母线方向的轮廓误差。对于圆度误差的测量，高精度气浮主轴4带动测头旋转，对轮廓的一周进行扫描。垂直Z轴和测头的径向位置X轴的位置保持不动。当对母线误差进行测量时，回转轴不动，垂直Z轴和径向的X轴运动，扫描一条直线。

这两种扫描方式都需要准确的测量参考，由于运动自由度数过多，通过严格保证每一个运动环节的精度来保证总体测量精度的难度非常大，很难实现亚微米级精度的测量。因此需要设计完全独立于运动系统的光学测量参考。

如图4～6所示，所述测量装置3包括圆度误差测量机构31、轮廓误差测量机构32、升降导轨33及精密调平调心工作台34；所述圆度误差测量机构31和轮廓误差测量机构32均设置在镜筒2内，且均安装在升降导轨33的滑块上，所述升降导轨33安装在精密调平调心工作台34上，所述精密调平调心工作台34安装在高精度气浮主轴4上。

所述圆度误差测量机构31包括球形反射镜311及激光自准直仪312；所述球形反射镜311安装在升降导轨33的滑块上，为使球形反射镜311位于垂直Z轴的回转中心，在滑块上开设安装球形反射镜311的竖向通槽，所述激光自准直仪312的光束从下方入射到球形反射镜311上，然后反射的光线回到激光自准直仪312。当升降导轨33的滑块，在垂直运动或者是主轴回转过程中发生水平方向上任意方向的偏移时，光束偏离球形反射镜311的中心，这样激光自准直仪312的角度测量可以反映出来这个偏心量。这个准直的光束就作为回转和垂直扫描的参考。

下一步是要测量镜筒2内表面距离回转中心的径向距离。

如图4、图7所示，由于镜筒2的半径变化范围比较大(180mm)，镜筒2表面是曲面，并且不同的高度上斜率不一致，这对光学干涉距离测量带来很大难度。一般来讲，长距离干涉仪对于待测镜的角度要求很高，只能选用特定的平面镜。如果利用镜片对光束进行聚焦，则可以测量的角度得到提高，但是可以测量的长度范围很难达到180mm的要求。因此本设计方案采用两种测头叠加的方式来满足长行程，大角度的测量需求。

首先长距离干涉测头321安装在回转中心附近，光束对准一个平面反射镜322，这个平面反射镜322上安装一个聚焦型短距离干涉测头323，平面反射镜322通过径向的X位移台324控制其径向位置。这样两个长距离干涉测头321和聚焦型短距离干涉测头323的测量距离的叠加就可以反映出镜筒2内表面的位置。由于镜筒2母线是偏斜的，聚焦型短距离干涉测头323的安装也设计为偏移一定的角度，偏移的角度范围是0.4-5°，这样对测头角度测量范围的要求大大降低。

具体为：所述轮廓误差测量机构32包括长距离干涉测头321、平面反射镜322、聚焦型短距离干涉测头323及X位移台324；所述长距离干涉测头321设置在垂直Z轴的回转中心附近，并安装在升降导轨33的滑块上，长距离干涉测头321发出的光束对准平面反射镜322用于测量两者之间的距离，所述平面反射镜322上安装聚焦型短距离干涉测头323用于测量与镜筒2表面的距离；平面反射镜322通过X位移台324控制其径向位置。

由于最小的镜筒2直径仅有140mm，小于最长的镜筒2半径(250mm)，受空间限制，现有径向运动平台不能满足要求。因此X位移台324设计为双段位移模式：两个小尺寸的压电平移台叠加在一起，保证在缩短时小于140mm，而伸长时可以到达最大的镜筒2边缘。

测头采用Attocube或SmarAct纳米级干涉探针，测量精度和稳定性为世界领先水平。基于Windows操作系统的专用测量分析管理软件具有自动采集、自动修正偏心、仪器校准、数字滤波、测量参数评定、测量结果数据库存档、打印输出等功能。测头的测量分辨率能达到1pm。短距测头的测量角度选为±2°，测量范围为10mm。长距离的测头的测量范围13至650mm，满足测量要求。

如图8～图10所示，所述主动吊装装置6包括吊装盘61、多根吊绳63及多个吊装机构62，所述吊装盘61水平安装在支架1上端，所述多个吊装机构62环形均布安装在吊装盘61上表面上，且每个吊装机构62内端均伸出吊装盘61外，通过吊绳63拉动镜筒2。

每根吊绳63采用挂钩或者夹子与镜筒2连接。

吊装机构62由两种设计方案，

一种是直接采用音圈电机627进行力控制，如图9所示，

每个所述吊装机构62均包括丝杠驱动机构621、力传感器624、杠杆625、配重块626及音圈电机627；所述丝杠驱动机构621的滑块内端增设刀口支撑部623，所述杠杆625的杆身由刀口支撑部623支撑，杠杆625内端安装有力传感器624，外端与音圈电机627相连，所述音圈电机627安装在丝杠驱动机构621的滑块上，所述吊绳63上端与力传感器624连接，吊绳63上的力直接通过力传感器624测量，杠杆625的外端还配有配重块626。

吊装盘61上一共有16根吊绳63，每根吊绳63的结构相同。每个吊绳63的径向位置是通过电动滑台控制的，电动滑台采用紧凑型的丝杠驱动机构621，宽度仅为60mm，这样吊装盘61上可以有足够的空间放置16个滑台。滑台的运动范围为200mm，满足最大(250mm)和最小(70mm)镜筒2的半径位置调节。

吊绳63上的力直接通过力传感器624测量，音圈电机627的力通过杠杆625机构传递，两个力达到平衡，只要控制音圈电机627内的电流值，该力可以精确控制。当不同镜筒2的质量不同时，更换配重块626使得音圈电机627的负载更小，减少生热。音圈电机627是用来微调力的大小。

考虑到杠杆机构调节过程中可能的角度不同导致的吊绳63径向位置的微小偏移(尽管实际上该偏移很小，可能对拉力方向的影响可以忽略)各个吊绳63的初值长度应该控制的较为准确。另外一种方案是采用微型压电位移平台628来调节吊绳63的垂直位置，如图10所示，商品化的类似平台可以做到微小尺寸(30mm)，其运行在步进的模式，最小的步距可以调节在1nm左右。力传感器624的布局同方案一，此时拉力的控制需要调节微型压电位移平台628的升降来实现，由于位置方向为竖直，吊绳63初始长度的均一性要求不高。另外，微型压电位移平台628自有的自锁能力有更好的安全性。

具体结构为：吊装机构62均包括丝杠驱动机构621、力传感器624及微型压电位移平台628；所述丝杠驱动机构621的滑块内端增设刀口支撑部623，所述刀口支撑部623外端上安装有微型压电位移平台628，所述微型压电位移平台628上安装有力传感器624，所述吊绳63上端与力传感器624连接，吊绳63上的力直接通过力传感器624测量。

这两种方案都没有采用滑轮作为拉伸中的一个环节，这样避免了滑轮摩擦力的影响。无论哪种方案，力传感器624都是核心的元件。因此16个力传感器624的精度需要准确标定。由于镜筒2的尺寸和重量是预设的，因此可以在每个重量的工作点对每个力传感器624的灵敏度进行标定。

力的主动控制需要多通道的闭环控制系统。该系统的主要功能是读取拉力传感器624的实时拉力值，然后发出命令控制相应通道的音圈电机627运动。因此需要一个16通道的控制系统。在16个通道中有一个通道作为参考，其余15个自由度跟随这根吊绳63上的拉力。

吊绳63径向位置的标定对于拉力的方向控制很重要。所有吊绳63应该处于与镜筒2直径相同的同一个圆周上。但是每个丝杠驱动机构621之间的起始零点可能存在偏差。因此在确定丝杠驱动机构621零点时，先将所有丝杠驱动机构621移动到最内侧使得吊绳63尽可能聚集到吊装盘61的圆心，然后通过相机拍摄16个力传感器624处的吊绳63的图像，通过图像处理的方式得到各个点的圆心偏差，然后作为丝杠驱动机构621运动的零点。每个丝杠驱动机构621可以实现0.002mm的运动分辨率。

如图2所示，所述支架1包括花岗岩台面11及多根高精度花岗岩立柱12；所述花岗岩台面11上下两端面的边缘竖直均布安装有多根高精度花岗岩立柱12，位于上方的高精度花岗岩立柱12上端和位于下方的高精度花岗岩立柱12下端均内置空气过滤器。

工作台面和立柱采用天然花岗岩材料使仪器机械性能更加稳定可靠、不变形、不漂移。两级内置空气过滤器、一个保护压力继电器和一个油水分离器装置，使压缩空气工作气压稳定、干净、干燥，确保气浮主轴旋转稳定性好，精度高。

所述花岗岩台面11、XY平移台5、高精度气浮主轴4和精密调平调心工作台34上均开设中心孔，中心孔的中心轴与垂直Z轴的回转中心重合，为激光自准直仪312的光束流出通道，所述激光自准直仪312安装在支架1下端。

测试流程：

对镜筒2内表面进行测量，同时与模具测量结果进行比对，分析复制过程中精度保持性问题；对镜筒2几何面形测量表征，结合光学测试结果，通过实验得到几何公差与光学性能关系，与仿真结果进行对比。

对于主动吊装装置6的不同吊装状态下的镜筒2轮毂形状进行测量和比对。这样可以定量分析吊装的影响并且据此优化吊装参数。

研究胶粘过程中镜筒2的形状变化，优化胶粘的工艺参数。

母线扫描测量模式可以用来测量镜筒2姿态，并且有可能应用在镜筒2装调过程中，与光学成像的检测方案进行对比。选择最优的装配测量方式。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。