一种新的大平面平面度测量方法

    小平面的平面度测量，一般是在高精度光学基准平面的基础上 ( 或以平面平晶为基准平面) ，利用光波干涉原理，用组合互检或用标准平面进行比较测量而得到被测平面的平面度误差。目前，小平面平面度测量已经取得了很好的进展，达到了测量准确度优于λ /50的水平，一般用平晶和干涉仪，测量范围有限，被测物一般不超过 300 mm。

    大平面的平面度测量方法很多，但要想达到高精度则比较困难，主要有水平仪法、自准直仪法、光轴法［1］、多测头误差分离法，还有干涉条纹拼接法［2］、衍射平面基准法［3］、三坐标机测量法等方法。目前，应用最广和商品化最成功的是水平仪和自准直仪，但精度不够高，测量速度慢; 光轴法是以光束绕轴旋转而得到的平面为基准，该法精度不够高，建立高精度的光学平面基准也不易; 多测头误差分离法可获得0. 1 μm 的高精度［4］，且测量速度快，但使用的传感器太多，结构复杂，需要处理的数据量大; 三坐标测量机法不但精度不高，且价格昂贵; 衍射平面基准法目前还难以实现高精度测量; 干涉条纹拼接法测量平面度误差可达 λ/20，但是拼接几十或者几百个条纹图形是相当困难的，而且有些大工件如花岗石等是做不出干涉条纹图的。

    另外还有一种高精度平面度测量方法，即液面法，利用液面作为一种绝对基准来进行测量，精度较高。该法可以分为两类，第一类是利用光干涉原理，第二类是利用连通器原理。第一类液面法是将被测件放在液面上方，利用干涉仪得到被测面的干涉条纹，该法的准确度也达到了 λ/50 的水平［5］。1981 年，德国 D MALACARA 用尺寸为1 m ×1 m 液体表面作基准平面，以连通器的工作原理为基础 ( 即第二类液面法) ，对 450 mm ×200 mm 面上分布的 14 个点进行测量，测得值的标准偏差小于 0. 2 μm［6］。

    1 液面法测平面度的原理与方法

    上面提高的两类液面法虽然能达到高精度，但各自还存在一定的局限与缺点。第一类液面法应用范围小，主要用于测光学玻璃等透明器件，受激光光径大小的限制，被测件的大小一般不超过 300 mm。第二类液面法效率低，因为每个测点都需等待液面稳定后才可以测。基于上述液面法的思想，作者提出一种新的液面法，其误差分离的原理与多传感器误差分离法不一样，但同样可达到误差分离的效果。

    实验中以水平面作为 xOy 平面，以垂直于水平面方向作为 z 向。事先要确定好测点的个数及布置方式。以方形布局为例，假设测点的布局为 M 行 N 列，第 i 行第 j 列的测点记为 ( i，j) ( i = 1，2，…，M;j = 1，2，…，N) 。测量框只有 x 向、y 向及 z 向的移动，其中 z 向运动误差最重要，是要分离出的系统误差。作者原想采用一次测量就同时得到系统误差和被测物形貌误差的，如图 1( a) 所示。但是由于大型物件不便于安放，且有重力悬垂的影响，故而实验分两步进行。第一步: 给气浮垫通气，测量框架便悬浮起来，使 Nd∶ YAG 激光干涉仪运动到指定测点 ( i，j)后，关闭气源，测量框及气浮垫则又落在花岗岩平台上，这时记录干涉仪的读数，记为 Ai，j，如图 1( b) 所示。测量完所有点后关闭干涉仪，移走容器，放上被测物。第二步测量步骤与第一步一样，只是用的传感器不一样而已，因为该干涉仪测量范围有限，对于表面反光率低或者表面比较粗糙的物体不适用，所以，测被测物时改用接触式位移传感器。当测量到测点( i，j) 时，记录该位移传感器的读数 Bi，j，如图1( c)所示。假设被测物测点 ( i，j) 处的实际形貌偏差量为 Ti，j，则 Ti，j= Bi，j－ Ai，j，得到 T，j后，在计算机上根据相应的平面度评定算法即可算出被测物的平面度。