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为应对现有干涉测量技术对强弯曲或自由曲面光学表面（如X射线反射镜）测量时因条纹密度过高而受限的挑战，研究人员开发了基于激光散斑的曲率光学计量仪器(SCOM)。该技术利用数字图像相关算法从散斑图案中提取曲率信息，成功实现了对曲率半径从10 m到100 mm的强弯曲镜面的二维曲率测绘，并应用于在线确定性成型、多层沉积过程中的原位应力监测及自由曲面镜表征，为同步辐射、自由电子激光、空间天文和先进工业应用中的高精度光学计量提供了新方案。
在现代尖端科学研究与应用中，高精度的光学镜面扮演着至关重要的角色。尤其是在同步辐射、X射线天文和X射线显微镜等领域，为了充分发挥现代高亮度X射线光源的潜力，实验对反射光学元件的面形精度提出了近乎苛刻的要求：要求在从0.1毫米到数十厘米的空间周期内，面形误差的峰谷值达到纳米量级。为了实现如此高的精度，诸如弹性发射加工、计算机控制机器人抛光、差分镀膜和离子束成型(IBF)等确定性成型技术被广泛采用。然而，所有这些修正技术都有一个共同的前提：必须依赖精确的计量信息来确定需要对表面形貌进行何种修正。可以说，没有精准的“测量”，就谈不上精准的“制造”。
传统的镜面计量方法在应对这一挑战时，却常常显得力不从心。以应用最广泛的干涉测量技术（如菲佐干涉仪(FI)）为例，它擅长测量平面和球面，但对于曲率变化剧烈的强弯曲表面或复杂的自由曲面，过高的表面斜率会导致干涉条纹过于密集，超出了探测器的分辨能力，使得测量无法进行。虽然发展出了拼接干涉测量等技术来扩大测量范围，但它们在应用于短曲率半径和强非球面时过程复杂，且对振动和温度波动敏感。其他技术，如纳米光学元件测量机(NOM)和长程轮廓仪(LTP)，能提供高精度的斜率轮廓，但主要是单维测量，且横向分辨率受限，测量大尺寸镜面耗时漫长。因此，光学界迫切需要一种能够对大孔径、复杂几何形状和高陡度曲率表面进行快速、高精度、非接触式二维测量的新型计量工具。
为了攻克这一难题，来自英国钻石光源等机构的研究团队在《Light-Science & Applications》上发表了一项创新性研究，他们开发了一种名为“基于散斑的曲率光学计量”(SCOM)的新型仪器。这项研究的核心，是将激光散斑这种常见的光学现象，巧妙地转化为高精度测量表面曲率的“标尺”。
研究人员是如何做到的呢？他们设计了一套紧凑的光学系统。一束低功率的激光经过扩束和散射片（漫射器）后，产生随机的散斑图案。这束载有散斑图案的光照射到待测镜面(SUT)上，反射后被一台大视场、高分辨率的相机捕获。这里的“妙招”在于，散斑图案在相机上的位置并非固定不变，而是会随着镜面表面曲率（即斜率的变化率）的微小变化而发生精细的偏移。通过高精度平移台移动漫射器，采集多幅散斑图像进行平均，可以显著提升信噪比。然后，研究人员利用先进的数字图像相关(DIC)算法和亚像素图像配准技术，精确追踪当镜面被微量平移时，图像中每个“像素”对应的散斑发生了多大程度的位移。这个位移量直接对应于镜面在该点的局部曲率。通过对整个镜面进行扫描，并运用傅里叶变换积分等数学方法，可以从二维曲率图进一步积分得到表面的斜率图和最终的高度（面形）图。
该研究所依托的几个关键技术方法包括：1) 散斑图案生成与扫描：使用激光照射可精密平移的漫射器产生散斑，通过扫描平均提升信噪比。2) 数字图像相关与亚像素位移追踪：利用改进的算法（如Pearson相关系数和多项式拟合）从连续采集的散斑图像堆栈中，以亚像素精度计算散斑场的二维位移场。3) 曲率到面形的数学重建：基于几何光学关系，建立散斑位移与表面曲率之间的定量模型，并通过二维积分（如傅里叶积分法）从曲率图重建表面斜率图和高度图。4) 拼接测量技术：通过电机平台移动镜面或仪器本身，采集多个重叠子孔径的曲率数据，并利用算法拼接成全口径的二维曲率/面形图。5) 原位集成与校准：将SCOM系统直接集成到离子束成型(IBF)设备或多层沉积系统(MDS)的真空腔内，实现在线、在位测量，并发展了角度缩放因子和有效像素尺寸的校准流程以保证精度。
研究结果
1. 原理验证与测量流程展示
研究首先通过一个实例清晰地展示了SCOM从原始图像到最终结果的完整工作流程。他们在测试镜上利用离子束蚀刻出一个圆形的“光束去除函数”(BRF)，然后使用SCOM进行测量。从采集的散斑图像堆栈出发，通过相关计算得到了散斑在水平和垂直方向的位移图，这些位移图直接反映了表面的曲率分布。随后，通过积分获得了表面的斜率图，并最终积分得到高度图。结果显示，重建出的高度图呈现出与离子束蚀刻特征相符的圆顶状形貌，证明了SCOM技术流程的有效性。
2. 在线确定性成型中的应用
研究的一大亮点是将SCOM直接安装到一台离子束成型(IBF)设备上，实现了“加工-测量”一体化的在线计量。研究人员演示了两种工作模式：“绝对模式”直接测量镜面的绝对曲率；“差分模式”则通过比较加工前后采集的散斑图像，直接得到由加工引起的曲率变化（即差分斜率）。两种模式均能成功监测到离子束蚀刻出的不同形状和深度的结构，并与离线菲佐干涉仪的测量结果吻合良好。这为离子束成型过程的实时监控与闭环控制提供了可能，有望大幅减少传统“加工-离线测量-再加工”迭代所需的时间。
3. 对强弯曲镜面的高精度测量
SCOM的核心优势在于测量强弯曲表面。研究团队测量了曲率半径分别为10米(R=10m)和100毫米(R=100mm)的球面镜。对于前者，SCOM测得的曲率图、高度图及其残差，与菲佐干涉仪的测量结果高度一致，验证了SCOM的准确性。而对于后者，其高达1毫米的矢高变化使得传统干涉仪因条纹过密而无法测量，但SCOM却成功获取了其详细的曲率图和高度图，测得平均曲率与标称值吻合，并清晰揭示了抛光过程引入的非均匀性。这证明了SCOM能够测量的曲率范围比传统干涉仪大得多。
4. 自由曲面镜表征
为了展示SCOM在复杂面形测量中的能力，研究团队对一个压电可变形镜进行了测量。通过向镜面的促动器施加不同的电压，可以使其表面产生特定的自由曲面形变（如Zernike Tetrafoil像差模式）。SCOM成功测量出了这些模式下镜面的平均曲率图，并且当模式符号反转时，测得的曲率图也相应反号，清晰捕捉到了表面曲率在正负之间的锐利变化，显示了SCOM对复杂、非对称自由曲面表征的潜力。
5. 薄膜沉积原位应力监测
研究还将第三套SCOM系统集成到一个多层膜沉积系统(MDS)上，用于原位监测镀膜过程中的基底应力演变。通过测量镀膜前后基底曲率的变化，并结合斯托尼(Stoney)公式，可以计算出薄膜的应力。SCOM的测量结果与商业的多光束光学传感器(MOS)测量结果趋势一致，并且得益于更高的空间分辨率，SCOM能提供更精细的应力分布图。这为优化镀膜工艺、控制薄膜应力提供了宝贵的原位数据。
研究结论与讨论
本研究成功开发并验证了一种新型的、基于激光散斑的曲率光学计量(SCOM)技术。该技术通过分析镜面反射的散斑图案的位移，能够直接、快速地获取光学表面的二维曲率分布，进而重建出斜率图和面形图。SCOM的突出优势在于其卓越的灵活性、紧凑性和对强弯曲表面的独特测量能力。它能够精确测量曲率半径小至100毫米的镜面，填补了传统干涉测量技术在该领域的空白。
该研究通过多个前沿应用场景展示了SCOM的巨大价值：在离子束成型设备上实现在线计量，可加速高精度光学元件的确定性制造；在多层膜沉积过程中进行原位应力监测，有助于优化薄膜性能；对可变形自由曲面镜进行表征，扩展了复杂光学系统的检测能力。与菲佐干涉仪(FI)、相对角度可确定拼接干涉仪(RADSI)、纳米光学元件测量机(NOM)和散斑角测量(SAM)等技术相比，SCOM在空间分辨率、测量不确定度和测量几何灵活性之间取得了良好平衡，其便携性和在线集成能力尤为突出，非常适合作为现有高精度计量方法的有效补充。
尽管目前的测量速度受限于漫射器的步进扫描模式，但未来通过采用飞扫等技术有望进一步提升。SCOM技术的意义不仅在于它解决了当前强弯曲和自由曲面光学元件“难以测量”的困境，更在于它为此类高性能元件的“可制造性”铺平了道路。它为同步辐射光源、自由电子激光、空间天文望远镜中的下一代X射线反射镜，以及先进工业中的自由曲面光学元件的研发与生产，提供了一种强有力的新型计量工具，有望推动相关领域向更高精度和更复杂功能迈进。
