同步辐射是一种产生高亮度X射线光束的带电粒子加速器，常常用于研究各种材料的性质。由于所产生的X射线光束具备高穿透性且可聚焦，常常与精密定位系统一起用于物质结构图像扫描。
在各种X射线成像方法中，X射线纳米扫描断层成像是最前沿的一类方法，可以获取纳米尺度的物质结构信息，但是这种方法需要定位系统且具备非常高的精度且机械结构紧凑[1]。如果要实现纳米级别的扫描精度，需要克服各项轴向及离轴运动误差，包括直线方向和角度方向的误差；而相对于直线扫描而言，旋转扫描的修正更为困难，对端跳和摇摆的纳米精度测量和补偿非常有挑战性。
SOLEIL和MAXIV两家同步辐射研究中心联合开展了一项为期4年的合作项目，研发纳米精度X射线扫描断层成像样机。在项目研究过程中，创立了一套对旋转运动进行精密测量和补偿的方法，并进行了实际测试[2][3]。

装置介绍

这套装置不仅需要实现微弧度分辨率的全周旋转，而且要能够在三维方向进行毫米范围的纳米精度定位。本装置选用了attocube公司的IDS3010激光干涉仪。图1和图2展示了整个系统的结构，包括一套带有9个探头的堆叠结构，用于样品旋转过程中的跟踪测量。测量柱面与探头先要做好光学调整，此后，对于样品旋转过程中产生的干涉测量数据，可以使用[1]中记载的多探头测量误差分解的技术进行数据处理。这里定义 为样品绕Z轴的转角，经数据处理后将获得下列参数：
反射表面误差 (Φ)
XY离轴运动误差 (Φ)和 (Φ)
两组探头的XY离轴误差经过组合计算后得到的摆角误差 (Φ)和 (Φ)
转台的XY离轴误差可以通过下面两种方法来减小：
前馈补偿: 将转台旋转多圈，测出误差的可重复部分，用XY线性定位台对这些误差进行预先补偿（前馈补偿）
干涉测量反馈校正: 通过IDS激光干涉仪对测量柱面进行实时跟踪，测量结果作为反馈传递给运动控制器进行闭环控制，由此，样品旋转过程中的可重复和不可重复误差都将得到主动式修正。如果事先对测量柱面的表面误差做过标定，表面形状引入的误差可以直接馈入控制系统，与干涉测量结果协同实现实时自动修正。

图1 定位台构成及运动方向示意图. (a) 用于XYZ空间样品定位的三轴平移台；(b) Φ轴 压电驱动转台 (c) XY轴 用于样品对准的压电平移台 (d) 样品支架及干涉测量柱面，从探头发出的灰色虚线为干涉仪测量光束，对样品进行跟踪测量

图2 用于样品干涉测量跟踪的系统结构爆炸视图

图3全周样品Φ旋转过程中的干涉测量结果 (a) 干涉测量光束布局示意图，干涉光束垂直于测量柱面，分为上下两组，每组4个探头 (b) 样品旋转过程中的干涉仪原始数据 (c) 经过误差分解后得到的柱面误差s(Φ) (上层和下层分别显示) (d) 经过误差分解后的离轴误差εx(Φ)和εy(Φ) (上层和下层分别显示)

测试结果

使用上述方法，我们对样品做了一次完整的旋转测量，测量结果显示在图3中。通过多探头误差分离的算法，原始干涉测量数据（图3b）经过处理后可以得到上下两部分的柱面误差 (Φ)（图3c）和XY离轴误差 (Φ)和 (Φ)（图3d）。如果不对测量结果做任何补偿修正，旋转过程的XY离轴误差是±1.25 ，见图4。但如果采用误差校正的方法，通过前馈修正可以将误差减小到±170nm（图4b），而主动干涉测量反馈修正叠加圆柱面误差修正，可以将离轴误差进一步缩小到±42nm（图4c）
(a) 无主动补偿时的XY离轴误差，90%弥散圆半径是1.25
(b) 将XY离轴误差可重复部分做前馈修正后，得到的旋转过程XY离轴误差，90%弥散圆半径是170nm
(c) 使用干涉仪测量主动闭环反馈的方法，得到的修正后的旋转过程XY离轴误差 (Φ)和 (Φ)，叠加使用了 (Φ) 柱面误差前馈修正，90%弥散圆半径缩小到42nm

图4 样品Φ旋转过程中的XY离轴误差分布（上层探头组测得）

图5 基于attocube的IDS激光干涉仪，通过不同的控制模式实现的弥散圆半径（90%，单位nm）

结论

为了实现纳米精度X射线扫描断层成像，除了需要高端直线和旋转定位台和复杂的控制模式，还可以使用本文的基于attocube公司IDS激光干涉仪的方法来对旋转运动进行测量和修正，实验结果将XY离轴误差减小96.7%，将样品旋转的精度提高到纳米级别（图5）。

该设备凭借超高测量精度脱颖而出，实现了 10 ppb 的真空波长精度与波长稳定性。其核心采用了 DFB激光器 结合 高精度参考气室 的独特技术方案，不仅保证了测量的准确性，更赋予了设备长达 10年 的使用寿命和极低的维护需求。
在设计上，它采用紧凑且模块化的架构，支持灵活的三轴测量，传感器探头直径更是小至 Ø 1.2 mm，能够轻松应对各种受限空间。此外，该设备具备极强的环境适应性，可在真空、超低温及强磁场等极端条件下稳定工作。
凭借其卓越性能，该产品被广泛应用于半导体测量与控制、精密光学测量、航空航天以及同步辐射大科学装置等前沿科技领域。