<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">880772</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2022.880772</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Measurement Uncertainty of Highly Asymmetrically Curved Elliptical Mirrors Using Multi-Pitch Slope Stitching Technique</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Huang et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Measurement Uncertainty of Multi-Pitch Slope Stitching</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>Lei</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1551291/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Tianyi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Polack</surname>
<given-names>Fran&#xe7;ois</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Nicolas</surname>
<given-names>Josep</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Nakhoda</surname>
<given-names>Kashmira</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Idir</surname>
<given-names>Mourad</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>National Synchrotron Light Source II</institution>, <institution>Brookhaven National Laboratory</institution>, <addr-line>Upton</addr-line>, <addr-line>NY</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>Synchrotron SOLEIL</institution>, <institution>L&#x2019;Orme des Merisiers</institution>, <addr-line>Gif-Sur-Yvette</addr-line>, <country>France</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>ALBA Synchrotron Light Source</institution>, <addr-line>Cerdanyola del Vall&#xe8;s</addr-line>, <country>Spain</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1288937/overview">Qiushi Huang</ext-link>, Tongji University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1731861/overview">Shanyong Chen</ext-link>, National University of Defense Technology, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1745500/overview">Maurizio Vannoni</ext-link>, European X-Ray Free Electron Laser, Germany</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Lei Huang, <email>huanglei0114@gmail.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Optics and Photonics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>11</day>
<month>05</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>880772</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>21</day>
<month>02</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>20</day>
<month>04</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Huang, Wang, Polack, Nicolas, Nakhoda and Idir.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Huang, Wang, Polack, Nicolas, Nakhoda and Idir</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Soft X-ray off-axis elliptical mirrors bring new challenges for X-ray mirror metrology. These highly asymmetrically curved elliptical cylindrical mirrors with a total slope range &#x3e;10&#xa0;mrad are extremely challenging to measure. Their total slope range exceeds the measuring range of most angular sensors used for X-ray mirror inspection. To overcome this problem, it is possible to stitch partial slope data by measuring the mirror at different pitch angles (multi-pitch angles). By revisiting the theory of the multi-pitch Nano-accuracy Surface Profiler (NSP), we derive the sampling position error on the mirror surface as a function of the mirror height profile and the measurement error of the pitch rotation center. When measuring &#x201c;extreme&#x201d;, highly asymmetrically curved, elliptical mirrors, the calculation of the mirror height profile with iterative reconstruction outperforms the classical &#x201c;flat assumption&#x201d; (i.e., assuming that the mirror sag is negligible). As demonstrated by our simulations, a proper tolerance evaluation on the measurement of pitch rotation center is needed to assess the measurement accuracy (systematic error) for these strongly aspherical mirrors using the multi-pitch NSP technique. Taking a real design of an &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirror as a case study, we conduct a Monte Carlo simulation to mimic the measurement and characterization process to analyze the impact of several error sources. With the measurement uncertainty of the pitch rotation center, the multi-pitch NSP measurement can estimate the grazing angle <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and the chief ray location <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with their uncertainties, as well as the slope residuals.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>x-ray mirror</kwd>
<kwd>mirror metrology</kwd>
<kwd>multi-pitch NSP</kwd>
<kwd>mirror inspection</kwd>
<kwd>tolerance study</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">DE-SC0012704</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Office of Science<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100006132</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>To match the evolution of the light source facilities (synchrotron radiation and free-electron lasers), X-ray optical elements must be at the diffraction limit to deliver the high-quality X-ray beam to the end station for scientific research. As a type of widely used X-ray optics, X-ray mirrors are required to be fabricated at the sub-100&#xa0;nrad Root Mean Square (RMS) level for residual slope errors or the sub-nm RMS for residual height errors to preserve the wavefront of the incoming X-ray beam and produce a diffraction limited focal spot. Special dedicated optical metrology systems were developed to characterize such high-precision long rectangular X-ray mirrors. The Long Trace Profiler (LTP) [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] and the Nanometer Optical component measuring Machine (NOM) [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] are two classical optical slope profilers widely used in the light source facilities all over the world [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. With slightly different configuration, the Nano-accuracy Surface Profiler (NSP) [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] was developed with two separate beam arms. The sample beam arm (with the sample beam autocollimator) scans the test mirror surface (<italic>x</italic>-scan) with a fixed working distance, while the reference beam arm (with reference beam autocollimator) monitors the carriage wobble.</p>
<p>To meet the increasing need of the scientific research, more strongly curved focusing mirrors have been proposed for soft X-ray beamline. A soft X-ray nanoprobe will offer nano-imaging and spectroscopy tools non-destructive capabilities to study advanced materials using Nano ARPES and Nano RIXS experimental techniques [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. To produce a diffraction-limited spot size for low energy (high &#x3bb;), X-ray mirrors with high numerical aperture are required. These mirrors can have a total slope range larger than the current measuring range of the LTP/NOM/NSP (10&#xa0;mrad). To overcome this problem, it is possible to stitch partial slope data recorded by measuring the mirror at different pitch angles. Based on this idea, Polack et al. proposed the Linearity Error Elimination Procedure (LEEP) algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. This algorithm can reconstruct not only the mirror slope profile, but also the instrument error of the optical head at the same time. A modified LEEP algorithm was proposed for the NSP setup to reconstruct the instrument error of the sample-beam autocollimator [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The ambiguity in the algorithm was addressed by proposing several regularizations in the data acquisition and the algorithm constraints.</p>
<p>On the experimental side, when the LEEP algorithm or any other stitching algorithm is used where the pitch angle must be adjusted between different <italic>x</italic>-scans, the rotation center of the pitch needs to be known to a certain extent. The error on the position of the rotation center leads to pitch-dependent discrepancies of the sampling positions on the test mirror. For circular cylinders and shallow elliptical mirrors (few mrad total slope), the pitch rotation center does not need to be known with high accuracy, because the sampling position errors introduce little systematic slope errors in the final results (&#x3c;10&#xa0;nrad RMS). However, when highly curved and asymmetric elliptical mirrors must be measured, it becomes critical to know the pitch rotation center location with enough accuracy as this error leads to nonnegligible total systematic slope error contribution. In addition, the commonly applied &#x201c;flat assumption&#x201d; in the LEEP algorithm or the multi-pitch NSP technique as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, assuming that the mirror sag is negligible, may no longer be valid when measuring such &#x201c;extreme&#x201d; ellipses.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>The schematic diagram of the multi-pitch NSP setup.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g001.tif"/>
</fig>
<p>In this work, the theory of the multi-pitch NSP technique is briefly reviewed, followed by the analysis of the influence of the pitch rotation center location with respect to the surface of the mirror under test. We propose a method to overcome the invalid &#x201c;flat assumption&#x201d; issue in the reconstruction of &#x201c;extreme&#x201d; ellipses. Then we focus on the measurement tolerance of the pitch rotation center location in the horizontal and the vertical directions. Series of simulations with different ellipse geometries are carried out to study the trend between the measurement tolerance of the pitch rotation center location and the curvature variation of the aspherical mirrors. We implement a Monte Carlo simulation with a real mirror design. Taking the uncertainty of the pitch rotation center measurement and the uncertainty of the angle measurement as two inputs, the multi-pitch NSP technique with the Monte Carlo simulation can give the slope residuals and an estimation of the grazing angle <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and the chief ray location <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with their respective uncertainties.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Theory of the Multi-Pitch NSP Technique</title>
<p>Based on the redundant dataset acquired from all the <italic>x</italic>-scans for different pitch angles, the multi-pitch NSP technique can simultaneously calculate the mirror surface slope, the instrument error of the sample-beam autocollimator, and the introduced pitch angles [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. For simplicity, we define the origin of the world coordinate system <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the rotation center of the pitch angle <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. The direction of the <italic>x</italic>-translation in the NSP is defined as the direction of <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis in the world coordinate system, while the <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis in the world coordinate system points upwards.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>The world coordinate system <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the mirror coordinate system <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> defined in the multi-pitch NSP technique when the pitch angle <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(A)</bold> and <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(B)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g002.tif"/>
</fig>
<p>The center point of the <italic>x</italic>-scan range on the mirror surface is defined as the origin of the mirror coordinate system <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The <italic>x</italic>-axis of the mirror coordinate system <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is along its tangential direction and shares the same direction of <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when the pitch angle <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, but they are different for other pitch angles as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>. The <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis of the mirror coordinate system is defined along the surface normal and pointing outwards the mirror surface. When the pitch angle <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> axis shares the same direction of <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The coordinates of the pitch rotation center, expressed in the local frame of the mirror coordinate system, are given by <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> that, for the same world abscissa <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mirror abscissa <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be different at different pitch angles <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m24">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>, there is a clear difference in the <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> calculation with and without &#x201c;flat assumption&#x201d; which will be addressed in <italic>Iterative Reconstruction</italic>.</p>
<p>After a rotation in pitch with an angle <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, one point <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in mirror coordinate system can be transferred to the world coordinate system as<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>The <italic>x</italic> position in world coordinate system can be calculated as<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>For a particular measurement (<inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are determinate), the <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as a function of <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m35">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>Under the <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m37">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> th actively-introduced pitch angle <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the angular signals captured in the sample-beam arm <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the reference-beam arm <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be explained by the mirror slope <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the actual sampling position <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the instrument error of the sample-beam autocollimator <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at its current reading <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as well as the uncorrelated additive random noise <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>Here the instrument error of the reference-beam autocollimator is ignored in our model, as the reference-beam angle <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies in a small range, usually &#x3c;10&#xa0;&#x3bc;rad, if an air-bearing translation stage is used.</p>
<p>The mirror slope <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the instrument error of sample-beam autocollimator <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are then represented by two independent uniform cubic B-splines <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, where <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are column vectors containing the B-spline coefficients. Therefore, the mathematical model of multi-pitch NSP becomes<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>Once the coefficients <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are determined, we can reconstruct the mirror slope <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the sample-beam instrument error <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The multi-pitch NSP algorithm is essentially to optimize the B-spline coefficients <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the pitch angles <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2026;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In addition, to avoid the ambiguities in the optimized results, several regularizations are applied in the designs of the data acquisition and the constraints in algorithm [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. Putting the constraints on the first pitch angle, the instrument error intercept, and the linear term, the optimization can be expressed as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi>arg</mml:mi>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b1;&#xa0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">M</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
</mml:mtd>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where the first pitch angle <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is constrained to 0. When the slope signal <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the instrument error intercept is constrained as <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If we fit the instrument error <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> up to the linear terms, we have <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m70">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the column vector of all slope sample values, the symbol <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m71">
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> stands for equal in a least squares sense. and <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m72">
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the linear term coefficient. Since we have constrained the instrument error intercept <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we have <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x225c;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As the third constraint, the linear term coefficient <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m75">
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is also constrained to 0, so we have <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Because <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a nonzero scalar value, this constraint is simplified as <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="italic">&#x22a4;</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">e</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>One thing to highlight is that nonuniform pitch steps <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are necessary in data acquisition to avoid the periodic errors in the optimization results. Technical details on the ambiguities and the regularization can be found in Ref. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] with more simulations and discussions.</p>
<p>To calculate the sampling position <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the mirror coordinate system from the NSP <italic>x</italic>-scanning position <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and pitch-scanning angle <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m82">
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> by <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, we need to know the profile of the mirror height <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and where the pitch rotation center (<inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is in the mirror coordinate system. In the following sections, we are discussing the necessary accuracy of these different values.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>Theoretical Analysis of the Sampling Position Error at Different Pitch Angles Considering the Mirror Height Profile and the Measurement Error of the Pitch Rotation Center Location</title>
<p>The pitch rotation center <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be determined using additional metrology instruments. The measurement error of the pitch rotation center can be expressed as <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where (<inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is the measured pitch rotation center. If the estimated mirror height profile is symbolized as <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the estimation error is <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In a real measurement, the dwell position of the <italic>x</italic>-stage <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the scans are defined as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>If we have a measurement error of <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> when determining <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, then the true dwell position <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>Based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref>, the estimated sampling position on the mirror <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>And the true sampling position <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>The sampling position error <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the mirror coordinate system is<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>With some simplifications, it becomes<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>tan</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>Finally, we have the sampling position error as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>Considering the pitch angle <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> rad, the error <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will contribute a sampling position error of <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref>, while <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only gives <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> error on <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It means that the error <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has more impact on the multi-pitch NSP results than the error <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>By using a simple measurement tool, such as a metric ruler, and the mechanical tolerances of the pitch rotation system, it is not difficult to determine the pitch rotation center location with a few mm accuracy. For a circular cylinder, this level of uncertainty is enough. The slope profile of a circular cylinder is linear with <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this case, the reconstruction is not sensitive to the measurement error <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, because the slope error with a constant sampling error <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m116">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> th pitch <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> due to <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> will almost be equivalent to a slope offset on this linear slope profile. This slope offset will be treated as a pitch offset and will not affect the slope result by using the reconstruction algorithm. However, if the test mirror become strongly aspherical, the tolerance of the measurement on the pitch rotation center location becomes tighter, especially for the vertical distance <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Since the slope profile of an aspherical mirror has nonlinear terms, the sampling error <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> will lead to slope errors from these nonlinear terms. This becomes an important error source of the reconstruction in the multi-pitch NSP technique. A tolerance value is needed to control this type of error in the reconstruction result.</p>
<p>For simplicity, the mirror height profile <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is usually assumed as a flat surface, <italic>i.e.,</italic> <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This &#x201c;flat assumption&#x201d; can be used when the mirror sag is much smaller than the tolerance of <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, if the tolerance for <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> starts to be comparable to the mirror sag, its contribution <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to the sampling position error <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> cannot be ignored and this will severely affect the reconstruction accuracy. A better estimate of the mirror height profile <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is necessary. Two options can be used: the known mirror shape parameters or an iterative reconstruction with an initial guess.</p>
<sec id="s3-1">
<title>Simulation Study on Multi-Pitch NSP With &#x201c;Extreme&#x201d; Ellipses</title>
<p>To study the influence of <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> on the reconstruction results we have simulated the multi-pitch NSP data acquisition process as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>. This simulation features random variations of the pitch angles, the sample-beam instrument error that is an additive random noise <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the measurement errors of <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The simulation of the multi-pitch NSP dataset. <bold>(A)</bold> the tangential slope of the elliptical cylinder with the default parameters, <bold>(B)</bold> the pitch angle and its random variations in step, <bold>(C)</bold> the instrument error of sample-beam autocollimator from a real multi-pitch NSP measurement, and <bold>(D)</bold> the simulated multi-pitch NSP data with the dashed curve showing the whole slope profile of the test mirror.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g003.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Descriptions of the Multi-Pitch NSP Simulations</title>
<p>In our simulations, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>, we used a default ellipse with the following parameters: the source distance <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;m, the image distance <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m, the grazing angle <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;mrad, and the tangential mirror length <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m (total slope &#x3d; 18.07&#xa0;mrad). The mirror default parameters will be modified to make different comparisons.</p>
<p>To avoid the known periodic errors in the reconstruction [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>], pitch steps with small random variations are implemented. For simplicity as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>, we choose the average pitch step <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.2&#xa0;mrad and the standard deviation of the random variation on the pitch step is 30&#xa0;&#xb5;rad. The starting and ending pitch angles are determined by the slope range of the test mirror. The whole multi-pitch scan starts and finishes at angle values within (&#x2212;1, 1) mrad at the two ends of the scanning range as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3D</xref>. The slope measuring range is set to be <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m139">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 5&#xa0;mrad like the sample-beam autocollimator installed in our NSP instrument.</p>
<p>The instrument error used in the simulation shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref> is a reconstruction of the instrument error from a real multi-pitch NSP experiment [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The measurement error of the pitch rotation center <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are also considered in the data acquisition when calculating the sampling position on the mirror <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We add the normally distributed random angular noises <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a standard deviation <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad, which is a typical value based on our real NSP measurement. Finally, the multi-pitch NSP data is simulated as shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3D</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>Target Ellipse Fitting</title>
<p>For the characterization of synchrotron mirrors, the target ellipse fitting on slope is usually implemented with <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m145">
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m146">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m147">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> fixed and the chief ray position <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the tilt (the slope bias) optimized. But in this work focusing on the extreme&#x201d; ellipses, we include the grazing angle <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m149">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> into the optimization with the following considerations:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) The source and image distance values <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m150">
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m151">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are usually more constrained in most applications.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) By changing the grazing angle <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m152">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the corresponding focus displacement will be <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The q value for an &#x201c;extreme&#x201d; ellipse is commonly much shorter comparing to a &#x201c;relaxed&#x201d; ellipse. With the same restrict on the focus displacement, the tolerance of <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m155">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> becomes larger when fit an &#x201c;extreme&#x201d; ellipse.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Therefore, we fit the reconstructed slope to the best ellipse with fixed <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m156">
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m157">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, while <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m158">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the tilt are optimized. As a fitting result, we can get the best fitted <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m160">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with their confidence intervals, and the associated slope residuals.</p>
</sec>
<sec id="s3-4">
<title>Iterative Reconstruction</title>
<p>Our first example is to demonstrate that the &#x201c;flat assumption&#x201d; (<inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) does not work for the ellipse with the default parameters: <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;m, <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m, <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;mrad, and <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m (mirror sag <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m167">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 777&#xa0;&#xb5;m), but it works well for some more &#x201c;relaxed&#x201d; ellipses (for example with the <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.6&#xa0;m (mirror sag <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m169">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 328&#xa0;&#xb5;m) as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>). For this purpose, the measurement error of the pitch rotation center is set as <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In this case, theoretically we should reconstruct the mirror slope &#x201c;perfectly&#x201d; with only the algorithm error and the random errors due to the slope noise.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The &#x201c;flat assumption&#x201d; (<inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) does not always work when reconstructing the &#x201c;extreme&#x201d; ellipse in multi-pitch NSP. It is demonstrated with the simulated multi-pitch NSP dataset for <bold>(A)</bold> a &#x201c;relaxed&#x201d; ellipse with <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;m, <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.6&#xa0;m, <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;mrad (mirror sag <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m176">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 328&#xa0;&#xb5;m), <bold>(B)</bold> the default ellipse with <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;m, <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m, <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;mrad (mirror sag <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m180">
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 777&#xa0;&#xb5;m). By optimizing <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m181">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the best fitting results of <bold>(C)</bold> the &#x201c;relaxed ellipse&#x201d; with the &#x201c;flat assumption&#x201d;, <bold>(D)</bold> the default ellipse with flat assumption, and <bold>(E)</bold> the default ellipse with the proposed iterative reconstruction.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g004.tif"/>
</fig>
<p>However, as demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, the &#x201c;flat assumption&#x201d; does not always give a perfect reconstruction. For the more &#x201c;relaxed&#x201d; ellipse with <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.6&#xa0;m in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>, the reconstruction assuming <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> ends up with an acceptable fitting result in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>: small slope residuals (due to the redundancy, the RMS of the slope residuals is much less than the standard deviation of the slope noises), about only 1&#xa0;&#xb5;rad grazing angle change, and 9&#xa0;&#xb5;m <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> adjustment. By contrast, the reconstruction error becomes much larger for a more &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirror in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref> using the &#x201c;flat assumption&#x201d; (<inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). As shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4D</xref>, even after the best fit adjusting <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m187">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with 3&#xa0;&#xb5;rad and 20&#xa0;&#x3bc;m, respectively, we still have more than 40&#xa0;nrad RMS slope residuals giving about 1.5&#xa0;nm RMS residuals in height as a systematic error from the metrology instrument. This is dominated by the algorithm error, which is too large for the X-ray mirror characterization. Therefore, the &#x201c;flat assumption&#x201d; (<inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) cannot always provide correct results even if we have no measurement errors on the pitch rotation center <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>To measure &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirrors, we need to consider the mirror height profile <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. To solve this problem, we propose to use the &#x201c;flat assumption&#x201d; to get a reconstructed mirror slope first and then integrate the obtained slope to get the mirror height profile. This mirror height profile is then used as our estimation for <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to recalculate the slope with the multi-pitch NSP approach. This iterative reconstruction process usually needs only one iteration to give a satisfactory result as shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4E</xref>.</p>
<p>Using this approach, the <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> estimation issue is resolved for &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirrors. Since many of the mirrors in this study are extremely &#x201c;extreme&#x201d; ellipses which cannot be assumed as &#x201c;flat&#x201d;, we apply the proposed iterative reconstruction method by default to enable the following study on the tolerance of the pitch rotation center location errors <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for different elliptical mirrors.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Simulation Study on the Measurement Tolerance of the Pitch Rotation Center</title>
<p>To conduct a tolerance study, we need to set a threshold. Here we set the threshold on the systematic slope error contributed from <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. If 100&#xa0;nrad slope accuracy is expected, the systematic slope error contribution from <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> should be less than 10&#xa0;nrad RMS.</p>
<p>The error contribution due to <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is isolated by setting the additive random noise on slope in the model to zero. Therefore, by meeting the reconstruction error &#x3c;10&#xa0;nrad RMS on the slope residuals, we can give a tolerance to the pitch rotation center error <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<sec id="s4-1">
<title>Default Ellipse Case and Influence of Shape Parameters</title>
<p>Here we take the default ellipse (<inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;m, <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m, <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 30&#xa0;mrad, and <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 0.3&#xa0;m) as our sample mirror. When the measurement errors <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes from &#x2212;10 to 10&#xa0;mm, we can see in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref> that the slope residuals is less than 10&#xa0;nrad RMS (the red dash line in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>) after <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m210">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> optimization, so the tolerance of <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obviously much larger than <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m213">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 10&#xa0;mm. It is easy to meet this tolerance requirement.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Simulation with the default ellipse demonstrates the tolerance of <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is much tighter than that of <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<bold>(A)</bold> the slope residuals due to <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> less than 10&#xa0;nrad RMS within <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m217">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 10&#xa0;mm range. <bold>(B)</bold> the slope residuals due to <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> across the red dash line (10&#xa0;nrad RMS threshold) at <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1&#xa0;mm for this ellipse.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g005.tif"/>
</fig>
<p>From <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref>, we can see that only when the measurement errors on the vertical distance <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> changes within <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mm, after <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m222">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are optimized, the RMS value of the slope residuals are smaller than 10&#xa0;nrad.</p>
<p>Following <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref> and <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, the tolerance of <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is much larger than the tolerance of <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and it is easier to measure <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the required accuracy in practice. For this reason, we will focus on the tolerance of <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the following study.</p>
<p>Starting with the default ellipse parameters, we then modify one of the parameters <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m228">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m229">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m230">
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> within a certain range while the others are maintained at their default values. We can then study the tolerance values of <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with different ellipse geometries. First, we change the image distance <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m232">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> from 0.2 to 0.6&#xa0;m with 0.1&#xa0;m step, and the corresponding tolerance values of <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>. Then, we vary the grazing angle <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m234">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> from 10&#xa0;mrad up to 40&#xa0;mrad with 5&#xa0;mrad step and the tolerance values of <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>. Finally, the mirror length <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m236">
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is changed from 0.15 to 0.4&#xa0;m with 0.05&#xa0;m step. The tolerance values of <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref>.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Tolerance of <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes tighter when the ellipse becomes more &#x201c;extreme&#x201d;. From the default ellipse, change one parameter at a time: <bold>(A)</bold> the <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m239">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> value, <bold>(B)</bold> the <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m240">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> value, <bold>(C)</bold> the length of the optical area.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g006.tif"/>
</fig>
<p>The results in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> clearly reveal that the more &#x201c;extreme&#x201d; are the ellipses, with shorter image distance <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m241">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, larger grazing angle <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m242">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, or longer optical length <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m243">
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, the tighter are the tolerance values of <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (in orange in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>). Therefore, measuring &#x201c;extreme&#x201d; ellipses using the multi-pitch NSP technique brings new challenges on the <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement. In the next section, we present some results of the <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> tolerance calculations for two real &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirrors from an actual beamline optical design.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Two Ellipses From Beamline Optical Designs</title>
<p>The parameters of two elliptical cylindrical mirrors are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. These two mirrors are taken from two different sets of Kirkpatrick-Baez mirror systems proposed for the NSLS-II ARI beamlines.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Parameters of the two elliptical cylindrical mirrors.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Parameters</th>
<th align="center">M1</th>
<th align="center">M2</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Object distance <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m247">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">28.176&#xa0;m</td>
<td align="center">28.167&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Image distance <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m248">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">0.324&#xa0;m</td>
<td align="center">0.333&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="2" align="left">Grazing angle <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m249">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">1.76&#xb0;</td>
<td align="center">5.13&#xb0;</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">&#x2248;30.7178&#xa0;mrad</td>
<td align="center">&#x2248;89.5354&#xa0;mrad</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Length of the optical area <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m250">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">290&#xa0;mm</td>
<td align="center">310&#xa0;mm</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Chief ray location <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">16&#xa0;mm</td>
<td align="center">17&#xa0;mm</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>To give a better description of these ellipse parameters, the height, slope, Radius of Curvature (RoC), and curvature variations of M1 and M2 are plotted in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>. For M1, the mirror sag is about 0.5 mm, and its total slope range is almost 15&#xa0;mrad, which is beyond the 10-mrad angular measuring range of the sampling-beam autocollimator in the NSP instrument. It is therefore necessary to change the pitch angle to measure the whole tangential profile of M1. Compared to M1, M2 is even more &#x201c;extreme&#x201d;. The mirror sag is 1.65&#xa0;mm and the total slope range is about 45&#xa0;mrad.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>The height, slope, RoC, and curvature profiles of M1 on the <bold>(A)</bold> and M2 on the <bold>(B)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g007.tif"/>
</fig>
<p>These mirrors are intended to focus the incoming X-ray beam to a diffraction limited spot size at 1&#xa0;keV and 250&#xa0;eV for M1 and M2, respectively (the diffraction limited spot size of about 37 and 72.6&#xa0;nm for M1 and M2). To satisfy the Mar&#xe9;chal criterion, the height error of the diffraction limited mirror should be less than <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>28</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This means that the mirror height error must be in the order of 1.16&#xa0;nm RMS and 1.98&#xa0;nm RMS for M1 and M2, respectively.</p>
<p>In this study, we disregard the RoC limit by the sample-beam autocollimator in our NSP instrument (around 7&#x2013;8&#xa0;m). We assume the optical head can measure the mirror surfaces with these RoC values. Our main objective is to evaluate the tolerance of the pitch rotation center location. The RMS values of the multi-pitch NSP reconstructed slope residuals are calculated when the <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> varies within <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m254">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 3&#xa0;mm for M1 and <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>0.3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mm for M2 as shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>The RMS value of the slope residuals varies along the measurement error of the vertical distance <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the M1 on the <bold>(A)</bold> and the M2 on the <bold>(B)</bold>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g008.tif"/>
</fig>
<p>Applying the 10-nrad-RMS threshold as the error budget analyzed above, the tolerance of the <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for M1 is about <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m258">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 2.2&#xa0;mm. The tolerance for the <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for M2 is only around <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m260">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 0.23 mm, which is very tight and not easy to measure with simple approaches.</p>
<p>By numerically searching the intersections between the curve of the RMS of slope residuals and the red dash line of 10-nrad-RMS threshold, we can determine the tolerance values of <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for all ellipses of this study. If we use the variation range of the mirror curvature (1/RoC) as the horizontal axis, these different ellipses in series (<inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m262">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-, <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m263">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-, and <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m264">
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-series in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>) and two real mirror designs (M1 and M2) can be included into one unified plot as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>The <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> tolerance values versus the curvature variation ranges of the ellipses of <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m266">
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-series, <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m267">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-series, <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m268">
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-series, M1, and M2. The tolerance of the <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> generally gets tighter when a mirror with a larger curvature range is under test.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g009.tif"/>
</fig>
<p>An elliptical mirror becomes more &#x201c;extreme&#x201d; when its curvature varies in a larger range. The requirement on the pitch rotation center measurement becomes tight if the ellipse to test is very &#x201c;extreme&#x201d; as shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>. The use the multi-pitch NSP technique to measure these kind of X-ray mirrors requires a precise auxiliary measurement of the pitch rotation center.</p>
<p>The vertical error of the pitch rotation center <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> introduces a systematic bias (or say a systematic error) on the reconstructed slope of the elliptical mirror under test from its true values. This systematic bias affects the fitting parameters (e.g., <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m271">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and the fitting residuals (on slope and height), as well as their uncertainties.</p>
<p>Let&#x2019;s take a critical condition, M2 with <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.237</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm (the red cross marker in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>), as an example. In presence of a 70&#xa0;nrad RMS angular noise, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10B</xref>, we get 14.2&#xa0;nrad RMS slope residuals and the corresponding height residuals are 0.36&#xa0;nm RMS after optimizing <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m274">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, though they only require a small adjustment. Since M2 should be characterized with a diffraction limited shape error below <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>28</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 1.98&#xa0;nm RMS, the 0.36&#xa0;nm RMS bias added by an <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.237</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm estimation error in the rotation center location, is barely acceptable.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>The slope and height residuals when measuring M2 with <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad angular noise: <bold>(A)</bold> when <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm, <bold>(B)</bold> under a critical condition of <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.237</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm, and <bold>(C)</bold> when <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g010.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10A</xref>, the slope and height residuals are smaller when the center of rotation error is reduced to <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm, and the best fit parameters <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m283">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are closer to their nominal target values, compared to the critical condition <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.237</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm.</p>
<p>When <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm as shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10C</xref>, the height residuals increase to 0.71&#xa0;nm RMS which is more than 1/3 of the diffraction limited allowed shape error. In this case, the characterization of M2 would be significantly biased because the systematic error due to <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm is too large.</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>Framework to Determine the Measurement Tolerance of the Pitch Rotation Center</title>
<p>Before performing a multi-pitch NSP, it is required to ensure that the measurement of the pitch rotation center can meet the tolerance requirement. Therefore, we suggest a framework to determine the needed measurement accuracy of <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) Set the RMS threshold of slope residuals from the best fit. This RMS threshold should be 1/10 of the RMS value of the desired slope errors in total. For example, if 100&#xa0;nrad RMS total slope error is pursued based on the mirror specification, the RMS threshold of slope residuals should be set as 10&#xa0;nrad.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) Calculate the tolerance of the <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to the target ellipse parameters and the preset RMS threshold of slope residuals.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) The RMS value <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement should be 1/6 of the range of the <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> tolerance, if we take the <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the full range of the <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> tolerance.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Within this framework, one can estimate if the selected metrology tool is adequate to measure <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a particular elliptical mirror. Knowing the ellipse parameters and the uncertainty of the <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement device, step 2 can be realized by simulating the multi-pitch NSP measurement without introducing any angular noise.</p>
<p>Moreover, we can also carry out Monte Carlo simulations considering both uncertainties of the angular sensor and of the <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement device. As a result, it will give the uncertainties of the fit parameters, <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m298">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and of the slope residuals as well.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Monte Carlo Simulation on M1</title>
<p>From what precedes we can infer that a correlation exists between the error committed on <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the resulting errors in estimating the fit parameters. We use Monte Carlo simulations to study this correlation considering that the uncertainty of the two inputs, coming from the two separate metrology tools, are uncorrelated. The standard deviation of the additive angular noise <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is still set to 70&#xa0;nrad, as previously.</p>
<p>M1 is selected as the test mirror in this Monte Carlo simulation. The average pitch steps are about 0.2&#xa0;mrad, and 76 pitch angles are performed in the multi-pitch NSP simulation. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figures 8</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F9">9</xref>, the tolerance of the <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for M1 is about <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m303">
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula> 2.2&#xa0;mm if the RMS threshold of slope residuals is set at 10&#xa0;nrad, so we will need a metrology technique to measure <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with an accuracy of <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2.2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2248;</mml:mo>
<mml:mn>0.7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm. We simulated a sequence of 1,000 independent measurements of M1 mirror with the multi-pitch NSP technique, taking <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm and <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad for standard deviation of the two random inputs, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>The Monte Carlo simulation of measuring M1 using the multi-pitch NSP with a pitch rotation center measurement error <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with a standard deviation <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm and a normally-distributed angular noise with <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad gives the ellipse fitting results of the grazing angle <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m311">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in an uncertainty of <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;&#xb5;rad, the <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with an uncertainty of <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>36</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;&#xb5;m, and the RMS of the slope residuals from the best fit around <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad RMS.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-10-880772-g011.tif"/>
</fig>
<p>After the best fit of ellipse (optimization of <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m316">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), as shown in the right panel of <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, the Monte Carlo simulation can give the uncertainty of the measurement in <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m318">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the slope residuals from the best fit as the result of the measurement and data analysis. Taking this simulation as an example, if we measure the vertical distance <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.7</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm and perform the angle acquisition for multi-pitch NSP with <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>70</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;nrad, the slope residuals will end up at 10&#xa0;nrad RMS level (the RMS of slope residuals due to <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is less than 10&#xa0;nrad RMS threshold). The grazing angle is estimated with a <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> uncertainty as <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>30.7178</mml:mn>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>0.006</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mrad and the chief ray location, with a <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> uncertainty, as <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>16</mml:mn>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>0.036</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;mm. The Monte Carlo simulation offers a better picture of what we are expecting to get from the multi-pitch NSP measurement of a specific test mirror with a particular measurement of the pitch rotation center.</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>Conclusion</title>
<p>To take the challenge of measuring extreme off-axis elliptical mirrors, we revisit the multi-pitch NSP technique from its basic theory to the reconstruction algorithm. The true abscissa <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the measured position in the mirror coordinate system is needed in the reconstruction algorithm. This abscissa <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the mirror coordinate system is derived as a function of recorded position in the instrumental word coordinate system, the mirror height profile <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the measurement error on the pitch rotation center (<inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). We discuss the failure of the &#x201c;flat assumption&#x201d; (<inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) when measuring &#x201c;extreme&#x201d; ellipses and propose a solution with iterative reconstruction in multi-pitch NSP system.</p>
<p>The tolerance of the measurement of the pitch rotation center location (<inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is studied with simulations on a series of ellipse parameters. We find out from both theoretical analysis and simulations that the tolerance of the <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement is large, and the requirement can easily be satisfied. When measuring &#x201c;extreme&#x201d; ellipses, the tolerance of the <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement is much tighter. We proposed a practical framework to determine the needed measurement accuracy of the <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> measurement. For some extreme cases, the tolerance of the <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is so small that the measurement of <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be a challenge.</p>
<p>A Monte Carlo simulation on a real design of an &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirror shows that, with a known accuracy of the pitch rotation center measurement, we can estimate <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m341">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with their uncertainties and get the slope residuals from the best fit. The RMS value of the slope residuals due to measurement error <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is controlled by meeting the tolerance of the <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>This simulation study can guide the real multi-pitch NSP measurement for &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirrors. The tolerance of <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be calculated before the design of the measurement. A proper way to measure <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> becomes the key to the &#x201c;extreme&#x201d; elliptical mirror characterization with the multi-pitch NSP technique.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s7">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author Contributions</title>
<p>LH and MI contributed to conception, methodology and funding acquisition. LH wrote the first draft of the manuscript. TW and KN contributed to the review of the manuscript. FP reviewed and modified the manuscript. JN contributed to the review of the revised version. MI supervised the research. All authors discussed the results, revised the manuscript, and approved the submitted version.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by NSLS-II Facility Improvement Project (21153) and DOE Office of Science (DE-SC0012704).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ack>
<p>This research used resources of the National Synchrotron Light Source II, a U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, operated for the DOE Office of Science by Brookhaven National Laboratory under Contract No. DE-SC0012704.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Takacs</surname>
<given-names>PZ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qian</surname>
<given-names>S-n.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Colbert</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. (<year>1987</year>). <article-title>Design of A Long Trace Surface Profiler</article-title>, <source>Metrol Fig Finish</source>, p. <fpage>59</fpage>. <comment>Proc. SPIE 0749</comment>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1117/12.939842</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Siewert</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Noll</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schlegel</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeschke</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lammert</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Nanometer Optical Component Measuring Machine: A New Sub-nm Topography Measuring Device for X-ray Optics at BESSY</article-title>. <source>AIP Conf Proc</source> (<year>2004</year>) <volume>705</volume>:<fpage>847</fpage>&#x2013;<lpage>50</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1757928</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qian</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jark</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takacs</surname>
<given-names>PZ</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Penta&#x2010;prism LTP: A Long&#x2010;trace&#x2010;profiler with Stationary Optical Head and Moving Penta Prisma)</article-title>. <source>Rev Scientific Instr</source> (<year>1995</year>) <volume>66</volume>:<fpage>2562</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.1145658</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ali</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yashchuk</surname>
<given-names>VV</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Automated Suppression of Errors in LTP-II Slope Measurements of X-ray Optics</article-title> .(<year>2011</year>) <comment>Part 2 : Specification for automated rotating/flipping/aligning system n.d.:1&#x2013;8</comment>. <comment>Available at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.osti.gov/servlets/purl/1170543">https://www.osti.gov/servlets/purl/1170543</ext-link>
</comment>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2172/1170543</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Siewert</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Buchheim</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zeschke</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Characterization and Calibration of 2nd Generation Slope Measuring Profiler</article-title>. <source>Nucl Instr Methods Phys Res Section A: Acc Spectrometers, Detectors Associated Equipment</source> (<year>2010</year>) <volume>616</volume>:<fpage>119</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nima.2009.12.033</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nicolas</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pedreira</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>&#x160;ics</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ram&#xed;rez</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campos</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Nanometer Accuracy with Continuous Scans at the ALBA-NOM</article-title>. <source>Adv Metrol X-ray EUV Opt VI</source> (<year>2016</year>) <volume>9962</volume>:<fpage>996203</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1117/12.2238128</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Alcock</surname>
<given-names>SG</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sawhney</surname>
<given-names>KJS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scott</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pedersen</surname>
<given-names>U</given-names>
</name>
<name>
<surname>Walton</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Siewert</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>The Diamond-NOM: A Non-contact Profiler Capable of Characterizing Optical Figure Error with Sub-nanometre Repeatability</article-title>. <source>Nucl Instr Methods Phys Res Section A: Acc Spectrometers, Detectors Associated Equipment</source> (<year>2010</year>) <volume>616</volume>:<fpage>224</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nima.2009.10.137</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nicolas</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mart&#xed;nez</surname>
<given-names>JC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Characterization of the Error Budget of Alba-NOM</article-title>. <source>Nucl Instr Methods Phys Res Section A: Acc Spectrometers, Detectors Associated Equipment</source> (<year>2013</year>) <volume>710</volume>:<fpage>24</fpage>&#x2013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nima.2012.10.125</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qian</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Idir</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Innovative Nano-Accuracy Surface Profiler for Sub-50 Nrad Rms Mirror Test</article-title>. <source>8th Int Symp Adv Opt Manuf Test Technol Subnanom Accuracy Meas Synchrotron Opt X-ray Opt</source> (<year>2016</year>) <volume>9687</volume>:<fpage>96870D</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1117/12.2247575</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Avila</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Boury</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
<name>
<surname>Caja-Mu&#xf1;oz</surname>
<given-names>B</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lorcy</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Asensio</surname>
<given-names>MC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Optimal Focusing System of the Fresnel Zone Plates at the Synchrotron SOLEIL NanoARPES Beamline</article-title>. <source>J Phys Conf Ser</source> (<year>2017</year>) <volume>849</volume>:<fpage>012039</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-6596/849/1/012039</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Polack</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Thomasset</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brochet</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rommeveaux</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>An LTP Stitching Procedure with Compensation of Instrument Errors: Comparison of SOLEIL and ESRF Results on Strongly Curved Mirrors</article-title>. <source>Nucl Instr Methods Phys Res Section A: Acc Spectrometers, Detectors Associated Equipment</source> (<year>2010</year>) <volume>616</volume>:<fpage>207</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.nima.2009.10.166</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nicolas</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Polack</surname>
<given-names>F</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zuo</surname>
<given-names>C</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakhoda</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Multi-pitch Self-Calibration Measurement Using a Nano-Accuracy Surface Profiler for X-ray Mirror Metrology</article-title>. <source>Opt Express</source> (<year>2020</year>) <volume>28</volume>:<fpage>23060</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1364/oe.392433</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>