[发明专利]一种基于液体浮力的光学平板面形的测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于液体浮力的光学平板面形的测量方法和装置，属于光电技术检测领域。该装置包括干涉仪测量系统、标准平板、液槽支撑装置和溶液。将被测样品浸没在密度可调的液体中，使得标准平板下表面和被测样品上表面在液体中形成干涉腔。通过干涉仪测量干涉腔进而获得样品的表面面形。本发明有效解决了零重力面形测量难的问题，可以测量大口径平板和厚度极小的薄平板。本发明结构简单，通用性强，测量结果准确可靠。

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测领域，特别涉及一种基于液体浮力的光学平板面形的测量方法及装置。

背景技术

随着科技的发展和人类对宇宙空间的不断探索，为了提高性能、减轻质量、降低成本，高精度、大口径、轻量化光学元件被广泛地研究和应用。在过去的数十年中，受大口径地基望远镜、空间相机、太空望远镜、惯性约束聚变装置、同步辐射装置以及深紫外、极紫外光刻机等项目的驱动，高端光学元件的需求日益增加。这些光学元件的研制给面形检测提出了新的挑战，使得传统的检测手段已经难以满足现代高端光学元件研制的需求。一方面，此类光学元件的高精度面形检测已经成为限制面形误差进一步减小的重要因素，是制约其加工技术和应用规模扩大的关键所在。另一方面，目前此类光学元件面形加工、检测和装调都是在地面重力环境下(1g，g为地面重力加速度)进行；然而很多情况下，光学元件的工作工况与检测工况之间存在差异，从而导致面形精度无法达到设计指标：比如有的无法保证光学元件加工、检测与实际工作工况始终一致、有的要求空间在轨运行(零重力0g或微重力ug环境)却没有在轨检测手段、有的明确要求给出与支撑无关的零重力面形。

重力变形可以通过有限元计算近似补偿，但是实践表明有限元计算结果会比实际检测结果偏小(如果重力变形能实测出来的话)，因此有限元计算结果的可靠性仍然需要验证。重力变形补偿方法是一种间接获取零重力面形的方法。其中最常用的一种重力变形补偿方法是反转法(Reversal)，即通过分别测量正常重力方向(+1g)的镜面面形和方位反向(-1g)后的镜面面形，最后平均消除掉重力变形得到被测表面的零重力面形。反转法理论简单，针对中小孔径光学元件容易实施，但是针对大口径光学元件方位反向却很难实现。气囊支撑和泡沫支撑对所选支撑材料有严格要求，虽然对背部形状平整的光学元件能够产生均匀的卸载力，但对于背部形状不规则的元件则难以实现较好的卸载效果。同时该方法的残余重力往往会很大，实践中很难从物理上实现零重力或微重力环境，并且残余重力变形的评估也是一个难题。

本发明利用液体密度的改变来控制液体浮力进而改变重力引起的变形，最终通过运算得到待测平板的零重力面形。在避免液体表面张力的情况下，使用容易获得的低密度液体，同时在残余重力下被测表面更加稳定，保证了测量结果的准确性。本发明方法具有很强的通用性，适用于超薄平板的高精度检测，同时可以扩展到任意面型的光学元件的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液体浮力的光学平板面形的测量方法及装置，该方法可以通过液体密度的改变来控制液体浮力进而改变重力引起的变形，最终通过运算得到待测平板的零重力面形。在避免液体表面张力的情况下，使用容易获得的低密度液体，同时在残余重力下被测表面更加稳定，保证了测量结果的准确性。

本发明采用的技术方案是：

一种基于液体浮力的光学平板面形的测量方法，该方法利用的装置包括被测平板、液槽、支撑装置、液体、标准平板、干涉仪测量系统。该方法利用密度可调的液体对浸入其中的被测平板产生大小可控的浮力，经过支撑装置后部分抵消被测平板自重引起的变形，被测平板上表面与标准平板下表面形成一组液体腔，通过干涉仪测量系统测量液体腔进而获得被测平板在不同重力载荷下的表面面形，最后通过计算机处理可以得到被测平板上表面的零重力面形和全重力支撑条件下的重力变形。

测量方法的具体步骤如下：