程 琳 宋 麗 馬春桃 羅紅心 王 劼

（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

上海光源(SSRF)是第三代同步輻射光源裝置，光束線中用大量的高精密狹縫以限定光束張角、阻擋雜散光、提高能量分辨率。由它們的功能和使用條件，狹縫分為雙刀片和四刀片結(jié)構(gòu)[1]。刀片運動由步進電機控制，狹縫的主要參數(shù)有刀口運動的重復(fù)精度、刀口的平行度和刀口的直線性。重復(fù)精度是指狹縫刀片往復(fù)移動回到起點位置時的位置偏差，通常需測量狹縫刀片的面內(nèi)微小位移。光束線的狹縫是精密部件，且工作于超高真空環(huán)境，不允許接觸式測量；而第三代光源光束線使用的精密狹縫均需水冷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配完成后測量設(shè)備基本無法接觸到刀口。因此，發(fā)展高精度的非接觸測量技術(shù)是狹縫測試的關(guān)鍵技術(shù)。

本文探索了精密狹縫刀口重復(fù)精度的非接觸光學(xué)檢測方法，利用高放大倍率鏡頭和可見光高分辨率CCD，建立了測量系統(tǒng)，其測量光束線精密狹縫的最小分辨為 0.3 mm，滿足精密狹縫的檢測需求。

1 測量過程與分析

1.1 測量原理與裝置

如圖1，AB為精密狹縫單刀片的側(cè)視圖，A為狹縫刀口邊緣，A￠為狹縫刀口A在CCD上所成的像，通過判斷A￠的位移大小，根據(jù)物鏡的放大倍率可得到狹縫刀口移動的重復(fù)精度。設(shè)狹縫刀口移動位移量為ΔA，像方位移為ΔA￠，成像物鏡放大倍率為β，則狹縫刀口的位移為ΔA=βΔA￠。

顯微測量系統(tǒng)建在一個2 m長的光學(xué)導(dǎo)軌上，光學(xué)導(dǎo)軌固定在精密隔振光學(xué)平臺上。圖2為顯微測量法測量狹縫重復(fù)精度的裝置圖。測量系統(tǒng)分為狹縫運動控制單元、照明光源、顯微測量物鏡部分、CCD成像部分[2,3]、計算機控制與圖像采集部分。

圖1 狹縫重復(fù)精度測量原理Fig.1 Schematic diagram of the slit repeatability measurement.

圖2 顯微成像測量狹縫重復(fù)精度裝置圖1.照明光源; 2.雙頻激光干涉儀反射鏡與參考鏡; 3.精密狹縫;4.光纖; 5.高倍率鏡頭; 6.CCDFig.2 The device for repeatability measurement of slits.1.light source; 2.reflect mirror and reference mirror of a dual-frequency laser interferometer; 3.slits;4.optic fiber;5.magnification adjustable lens; 6.CCD

1.2 測量步驟

1.2.1 成像物鏡放大倍率標定

圖3 標準分辨率板孔徑成像與0.1 μm標準孔徑直徑的測量Fig.3 Measurement of diameter of standard 0.1 μm pin-hole on resolution ratio board.

測量前須標定成像物鏡的放大倍率β，將β調(diào)節(jié)到合適大小，固定倍率調(diào)節(jié)旋鈕，對一個標準光學(xué)分辨率板的標準孔作顯微成像(圖3)。標準孔徑圖像直徑與實際直徑之比，就是成像物鏡的放大倍率。

1.2.2 狹縫移動前后狹縫刀片成像與采集

成像系統(tǒng)以狹縫單刀片邊緣為中心，跟蹤刀片的移動。狹縫固定于二維移動平臺上，軸向緩慢移動平臺，圖像逐漸清晰，至最清晰時，得狹縫到物鏡的工作距離。成像物鏡有一定的焦深，所以狹縫放置誤差對成像的清晰度影響較小。狹縫成像調(diào)節(jié)清晰后，控制精密狹縫步進電機，讓狹縫的一個刀口成像于物鏡視場的中心位置，整個光學(xué)測量平臺在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定狀態(tài)，在步進電機控制狹縫刀片前移與返回各拍一張圖片。重復(fù)上面步驟，多次采集狹縫移動前后的序列圖像。

1.3 實驗測量

1.3.1 圖像的濾波

圖像采集系統(tǒng)因受背景光、暗電流的影響，所得刀口圖像有不少白斑噪聲和暗電流噪聲，須對原始圖像進行多重濾波降噪，以獲得清晰的刀口邊緣[4]。圖4(a)是原始圖像中采集的一維信號曲線。對圖像進行均值濾波，即平滑一幅圖像中的局部變化，在模糊圖像的同時減少了噪聲[5,6]。均值濾波效果曲線的隨機噪聲有較大幅度減少(圖4b)。

圖4 濾波前后的一維信號a.原始信號; b.均值濾波; c.中值濾波; d.維納濾波Fig.4 One dimensional signal before and after filtering.a.average filtering; b.mean filtering; c.median filtering; d.Weiner filtering (the least square filtering)

中值濾波器是一種非線性平滑濾波器，對隨機噪聲、快變的孤立噪聲有良好的去噪能力，且引起的模糊少，能較好保留信號的細節(jié)[4,5,6]。經(jīng)中值濾波后，圖像的隨機噪聲被有效濾除，噪點明顯減少(圖4c)。但圖像中噪聲還較明顯，得作進一步濾波處理。用MATLAB圖像處理工具箱提供的Wiener2函數(shù)進行自適應(yīng)濾除圖像噪聲，其由圖像數(shù)據(jù)的局部方差調(diào)節(jié)濾波器輸出，濾波效果較線性好，可更好地保存圖像的邊緣和高頻細節(jié)信息[5,6](圖4d)。

1.3.2 圖像數(shù)據(jù)分析

所獲圖像濾波去除噪聲后，用適當方法計算狹縫移動的重復(fù)精度。對狹縫刀片移動前后的兩幀圖像選取適當閾值做二值化處理[5,7,11]，可獲得清晰連續(xù)的邊緣(圖 5b、5c)。狹縫移動前后圖像的二值圖像差值就是重復(fù)精度(圖5d)。求出差值圖像中白色條紋的像素寬度，除以成像系統(tǒng)的放大倍率，可得到狹縫的重復(fù)精度值。為減少剩余噪聲引起的像素寬度計數(shù)誤差，先求出每行白色條紋像素寬度，再對所有行的白色條紋像素寬度求平均(L)。設(shè) CCD的像素單元尺寸為 x，則狹縫的重復(fù)精度為：ΔR=Lx/b，其中b為成像系統(tǒng)放大倍率。

圖5 狹縫刀片灰度像的二值化與二值圖的差值a.原始圖像; b.濾波后的刀片圖像; c.二值化的刀片圖像; d.移動前后兩幀圖像相減結(jié)果Fig.5 Binarization and subtraction of slit gray scale images.a.original image; b.image after filtering; c.image after binarization;d.subtracted image of the two slit positions before and after the movements

2 結(jié)果討論

2.1 精度與分辨率的分析

對顯微法測得的精度和分辨率，我們用美國安捷倫公司的 Agilent 5529A雙頻激光干涉儀進行了驗證測量，該儀器測量線性位移的分辨率為1 nm，當有效值取在零點幾微米時，可認為干涉儀測量值為真實值，可用以評估顯微測量系統(tǒng)的精度和分辨率[8,9,12]。

但雙頻激光干涉儀只能測量縱向位移，不能測量狹縫刀口的橫向面內(nèi)的微小位移。我們在一個精密電機位移平臺上固定一個狹縫，前者帶動后者移動，顯微成像測量系統(tǒng)對狹縫刀口成像(圖2)。雙頻激光干涉儀縱向與顯微成像系統(tǒng)垂直放置，測量精密位移平臺的縱向位移，雙頻激光干涉儀測量的縱向位移等于顯微成像測量的橫向面內(nèi)位移。

2.2 測量結(jié)果

將狹縫刀口調(diào)到顯微成像系統(tǒng)的視場范圍中間，以刀口當前位置為初始位置，給電機10個步進脈沖，向一個方向運動，然后反向運動相同步長使刀口回到初始位置，通過顯微測量系統(tǒng)和雙頻激光干涉儀同時測量狹縫重復(fù)精度，并重復(fù)上面操作過程7次，結(jié)果列于表1。雙頻激光干涉儀的測量分辨率為0.001μm，我們將測量結(jié)果保留到0.01μm。顯微測量系統(tǒng)采集圖像處理后的結(jié)果再與雙頻激光干涉儀測量值對比。

表1 分辨率測量數(shù)據(jù)對比(單位：μm)Table 1 Resolution measurement results (inμm) of the precision slits.

表1結(jié)果表明，該顯微測量系統(tǒng)的分辨率為0.3μm， 與顯微測量系統(tǒng)亞像素分辨率的理論值 0.32μm 相當[10,12]。

表2 重復(fù)精度測量數(shù)據(jù)對比(單位：μm)Table 2 Repeatability measurement results (inμm) of the precision slit.

重復(fù)精度測量方面，標定采用的精密位移平臺的重復(fù)精度指標為￡ 3μm，用顯微成像測量系統(tǒng)和雙頻激光干涉儀測量該精密位移平臺的重復(fù)精度(表2)表明，其重復(fù)精度滿足指標要求(<3μm)。比較顯微成像測量系統(tǒng)與雙頻激光干涉儀測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，兩者的差值均值為0.156μm，則顯微測量系統(tǒng)測量結(jié)果標準偏差為s =0.15。

2.3 誤差分析

振動是影響測量分辨率的一個主要因素。由雙頻激光干涉儀觀測結(jié)果，振動引起的測量不確定度為 0.02–0.08μm，相對于 0.3μm的分辨率，誤差均值為0.156μm，測量標準偏差0.15μm。振動不可能完全消除，但用一個減振效果更好的光學(xué)平臺，將所有系統(tǒng)部件固定在一個光學(xué)導(dǎo)軌上，可在一定程度上降低振動對測量系統(tǒng)的影響。

物鏡放大倍率的標定誤差導(dǎo)致的分辨率測量誤差很小。在多次測量的基礎(chǔ)上，最大誤差為5 pixels的時候，分辨率測量誤差僅為0.6%。

照明光源有一定的熱效應(yīng)，會使刀片有一定的熱膨脹，會對狹縫刀片重復(fù)精度測量產(chǎn)生微小影響，我們用光纖偶合將照明光源間接照射到被測物體表面，使狹縫刀片與熱源有效隔離，最大限度的降低了熱效應(yīng)。

3 結(jié)論

精密狹縫對刀片表面的平整度、刀口的準直性、刀口的平行度有較高的要求。根據(jù)精密狹縫刀片不可接觸的特點，通過設(shè)計一套非接觸顯微成像系統(tǒng)測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了精密狹縫重復(fù)精度的測量。測量結(jié)果表明，顯微成像測量系統(tǒng)的實際測量分辨率為0.3μm，測量誤差均值為0.156μm。整套顯微成像測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可有效測量精密狹縫的重復(fù)精度。

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