CN117783199B - 一种线膨胀系数检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，具体提供一种线膨胀系数检测装置及方法，能够在高度共光路的情况下，最大程度地消除空气热膨胀与振动对系统的影响，同时也避免了外差激光干涉检测方式造成的非线性周期误差导致影响检测结果，还能够有效扩大线膨胀系数测量系统的测试范围，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体提供一种线膨胀系数检测装置及方法。
背景技术
热胀冷缩在日常生产生活中无时无刻不在发生，对于航空航天这种在较大温度范围内工作的领域，需要系统在大范围温度变化下仍具有较高的稳定性；而像EUV光刻及微电子领域，随着电子器件的微小化，热形变带给元器件的影响越来越大。由于这些领域要求更接近零线膨胀系数的材料，对测量线膨胀系数精度提出了更为严苛的要求，所以测量更高精度的线膨胀系数变得尤为重要。
近些年来，为了线膨胀系数测量，从各种检测微小位移的方法到热真空控温方式都被广泛的研究。除此之外，如何进一步提升线膨胀系数精度也成了大家重点研究的方向。为了解决这一难点，多种方法被应用到线膨胀系数测量中。目前，线膨胀系数测量方法分为接触式和非接触式两大类，接触式为顶杆法和示数法，接触式的检测方法直接快速，但接触试件会造成试件形变影响测量，测量精度较低。非接触式检测为光学杠杆法、干涉法及光栅法等，不仅不影响测量，而且精度较高，现已渐渐成为线膨胀系数测量的主流方法。传统线膨胀系数测量中微小形变测量的实现方式主要有以下几种：
顶杆法，顶杆法的原理为被测样品的膨胀量通过一膨胀系数较小的顶杆进行传递，再将顶杆的长度变化量检测出来。此方法无法避免顶杆随温度变化而膨胀的误差。
示差法，示差法是将试样制成中心带通孔的圆柱体在加热炉中以一定速率加热圆柱体试样，连续记录温度和试样的高度变化，从而得到试样的线膨胀率。但此种方法测量分辨率较低，不能用于精密测量。
光学杠杆法，光学杠杆法的基本原理为将被测样品的热膨胀通过一根传递杆引出，传递杆推动一个带光学镜面的光脚架（或其它光杠杆机械）转动，将被测样品的膨胀量转成光点的位移量，并借助于照相或光电转换的方法观察测量光点的位移量。这种方法虽有更大的温度测量范围，但这种方法由于利用传递杆作为参考物引进了不可避免的误差，不能满足髙精度测量。
激光外差干涉法，外差激光干涉测量系统用干涉镜组的偏振分光镜将双频激光束进行分光为参考臂光束和测量臂光束，参考臂光束和测量臂光束再分别由各自的角锥反射器返回并会合形成拍频干涉，将位移信息叠加到拍频信号上，最后通过信号解调获得测量目标的位移值。但其周期非线性误差易使双频激光交叉混叠，形成虚反射引入大量误差，从而无法准确测出样品的微小形变。针对目前线膨胀系数检测技术及装置存在检测精度低、效率低等问题，亟需提供一种可靠地检测装置和检测方法。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种线膨胀系数检测装置及方法，能够在高度共光路的情况下，最大程度地消除空气热膨胀与振动对系统的影响，同时也避免了外差激光干涉检测方式造成的非线性周期误差导致影响检测结果，还能够有效扩大线膨胀系数测量系统的测试范围，提高测量精度。
第一方面，本发明提供一种线膨胀系数检测装置，包括斐索干涉系统和温控系统，其中所述斐索干涉系统具有激光器、扩束镜、参考光路准直镜、测试光路准直镜以及标准镜，所述温控系统包括用于容纳组合镜并提供真空环境的热真空腔，所述热真空腔采用热沉技术进行精准温度的控制，所述热真空腔开口处设有透明窗口；
由所述激光器发出的工作光经过所述扩束镜进行扩束后，经过所述测试光路准直镜、所述标准镜以及所述透明窗口照射在所述热真空腔内，一部分反射光经过所述透明窗口、所述标准镜、所述测试光路准直镜后经由所述参考光路准直镜射出，根据实时长度变化量、变化温度以及初始高度确定所述组合镜的线膨胀系数，其中，所述组合镜的初始高度由三坐标测量仪测量得出，所述实时长度变化量通过在温度变化的情况下所述组合镜的上下表面同时进行不同程度的形变，从所述面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出，所述变化温度通过所述组合镜膨胀前后对热真空腔进行精准温度的控制获得。
作为一种优选的方案，所述透明窗口采用玻璃窗口。
作为一种优选的方案，所述热真空腔具有热沉、温度传感器和控制器，所述温度传感器用于采集所述热沉的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度控制所述热沉的温度。
第二方面，本发明提供一种线膨胀系数检测方法，应用于上述的线膨胀系数检测装置，所述方法包括：
利用三坐标法测量所述组合镜的初始高度；
利用斐索干涉法同时检测组合镜上下表面面形，所述组合镜由不同半径与不同高度的镜片叠放而成；
在温度变化的情况下所述组合镜的上下表面同时进行不同程度的形变，从所述面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出所述组合镜的实时长度变化量，利用热沉技术对热真空腔进行精准温度控制，得出所述组合镜膨胀前后的变化温度，根据所述实时长度变化量、所述变化温度以及所述初始高度确定所述线膨胀系数。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明提出了一种线膨胀系数检测装置及方法，能够在高度共光路的情况下，最大程度地消除空气热膨胀与振动对系统的影响，同时也避免了外差激光干涉检测方式造成的非线性周期误差导致影响检测结果，还能够有效扩大线膨胀系数测量系统的测试范围，提高测量精度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的线膨胀系数检测装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的线膨胀系数检测方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：
1斐索干涉系统、2激光器、3扩束镜、4参考光路准直镜、5测试光路准直镜、6标准镜、7透明窗口、8组合镜、9热真空腔。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种线膨胀系数检测装置，包括斐索干涉系统1和温控系统，其中所述斐索干涉系统1具有激光器2、扩束镜3、参考光路准直镜4、测试光路准直镜5以及标准镜6，所述温控系统包括用于容纳组合镜8并提供真空环境的热真空腔9，所述热真空腔9采用热沉技术进行精准温度的控制，组合镜可以放置在热真空腔的中心区域，所述热真空腔开口处设有透明窗口7。
由所述激光器2发出的工作光经过所述扩束镜3进行扩束后，经过所述测试光路准直镜5、所述标准镜6以及所述透明窗口7照射在所述热真空腔9内，一部分反射光经过所述透明窗口7、所述标准镜6、所述测试光路准直镜5后经由所述参考光路准直镜4射出，根据实时长度变化量、变化温度以及初始高度确定组合镜8的线膨胀系数，其中，所述组合镜8的初始高度由三坐标测量仪测量得出，所述实时长度变化量通过在温度变化的情况下所述组合镜8的上下表面同时进行不同程度的形变，从所述面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出，所述变化温度通过所述组合镜膨胀前后对热真空腔进行精准温度的控制获得。
在一种实施例中，所述透明窗口采用玻璃窗口，便于光线通过，透明窗口和热真空腔之间可以增加密封圈以提高气密性。
在一种实施例中，所述热真空腔具有热沉（图中未示出）、温度传感器（图中未示出）和控制器（图中未示出），温度传感器用于采集热沉的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度控制所述热沉的温度，使用热沉在真空环境中进行控温，并加入温度作为反馈，构成控温闭环。在热沉升温的同时对热真空腔中真空环境进行测温，并将设定温度与实际温度进行比对，对温度把控更加精确。
整体设计，为了提升线膨胀系数的测量精度，提出一种基于斐索干涉技术与热沉热控技术相结合的线膨胀系数检测方式，首先为了能更好的测量由于升温导致的微小位移，要同时考虑干涉系统测量部分和热真空腔部分。在干涉系统测量部分需要对测量的组合镜进行几何空间的规划与设计。为实现此装置精准运行，还需考虑组合镜倾斜对活塞值重复性的影响、干涉仪频率稳定性及光轴振动对测量的影响。而在热真空腔部分，要求真空度≤100Pa，温度范围在-20℃到80℃之间，控制精度要求在±0.01℃以内（热真空腔技术指标为一般工况，可根据实际应用需求进行调整）。为了保证测量温度的准确性，进行真空度测试与温度精度测试。
论证计算及仿真，线膨胀系数的公式为：
（1）
其中为线膨胀系数，/>为测试材料样品（即组合镜）的初始高度，/>分别为环境改变温度和由于环境温度变化样品所改变的实时长度变化量。为了求出线膨胀系数必须具备/>、/>几个参数。首先通过高精度三坐标测量仪测量出初始高度/>，再如图1所示，利用斐索干涉法检测叠放的半径不同且高度也不同的组合镜的面形，从而可以获得上下两镜不同的面形数据，利用斐索干涉方法，通过检测面形的方法检测叠放的半径不同且高度也不同的组合镜，可以在MetroPro软件中提取出上下两平面到干涉仪标准镜不同的距离，该距离即活塞值。在温度变化的情况下两镜同时进行不同程度的形变，从面形数据中提取出的两个活塞值作差得出所述组合镜的实时长度变化量/>。通过使用热沉方法在真空环境中进行控温，并加入温度作为反馈，构成控温闭环。热沉通常由高导热性的材料制成，例如金属或热导率较高的合金。热沉的设计应考虑到所需的散热能力、材料的热导率、大小和形状等因素，在热沉升温的同时对热真空腔中真空环境进行测温，并将设定温度与实际温度进行比对，对温度把控更加精确，利用热沉技术的热真空腔可以实现对其内部真空环境的精准温度控制，即得出在组合镜膨胀不同实时长度变化量/>时的环境改变温度即变化温度/>，通过线膨胀系数公式计算得出线膨胀系数。
试验验证及误差分析，由于面形缺陷在升温后会更为严重导致平移变化量受影响，所以首先检测镜面面形以确保面形对测量实时长度变化量没有影响，再通过改变倾斜观察活塞值的重复性试验探究镜片平行度是否影响测量初始高度/>，重复性试验是通过相同的方法，同一试验材料，在相同的条件下获得的一系列结果之间的一致程度。相同的条件是指同一操作者，同一测量仪器，同一地点，相同的测量程序和短暂时间内重复测量。一个数值在上述条件下得到的两次试验结果之差的绝对值以某个指定的概率低于这个数值。将最终得出的试验数据和同步热分析仪STA449F3与外差激光线膨胀测试仪L75PT等得出的结果进行比对分析与验证。
通过似然估计等统计学方法，建立适用于线膨胀系数检测装置的统计学分布模型。结合线膨胀系数测量试验结果，建立误差优化模型。由于、/>几个参数之间相互独立，合成标准不确定度如式（2）：
(2)
其中，u c （y）表示整体不确定度，f是因变量，x i为自变量，u（x i ）表示对应x i的不确定度。
在计算不确定度时还应考虑仪器的测量重复性，最终不确定性如式（3）：
(3)
其中，u c表示最终不确定度，u 1表示L0的不确定度，c1为线膨胀系数对应L0的相关因子，u 2表示/>的不确定度，c 2为线膨胀系数/>对应/>的相关因子，u 3表示/>的不确定度，c 3为线膨胀系数/>对应/>的相关因子，u 4 （σ）表示测量重复性。
本发明提出了一种线膨胀系数检测装置，能够在高度共光路的情况下，最大程度地消除空气热膨胀与振动对系统的影响，同时也避免了外差激光干涉检测方式造成的非线性周期误差导致影响检测结果，还能够有效扩大线膨胀系数测量系统的测试范围，提高测量精度。
结合图2所示，本发明提供一种线膨胀系数检测方法，应用于上述的线膨胀系数检测装置，所述方法包括：
S201、利用三坐标法测量所述组合镜的初始高度；
S202、利用斐索干涉法同时检测组合镜上下表面的面形数据，所述组合镜由不同半径与不同高度的镜片叠放而成；
S203、在温度变化的情况下所述组合镜的上下表面同时进行不同程度的形变，从所述面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出所述组合镜的实时长度变化量，利用热沉技术对热真空腔进行精准温度控制，得出组合镜膨胀前后的变化温度，根据所述实时长度变化量、所述变化温度以及所述初始高度确定所述线膨胀系数。
具体地，基于三坐标法测量镜组初始高度，利用三坐标法测量镜片初始高度，由于三坐标法测距基本能达到微米量级，所以能满足本发明对镜片高度的精度需求。
进一步地，基于斐索干涉技术的微小变形检测，利用斐索干涉方法，通过检测面形的方法检测叠放的半径不同且高度也不同的组合镜，可以在MetroPro软件中提取出上下两平面到干涉仪标准镜不同的距离为平移变化量，即活塞值。而在温度变化的情况下两镜同时进行不同程度的形变，从面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出组合镜随温度升高而膨胀的实时长度变化量，进一步由线膨胀系数公式计算得出线膨胀系数。
进一步地，基于热沉方式的热真空环境温控技术，在测量线膨胀系数时需要一个温控环境为组合镜提供温度变化，由于直接进行温控易在空间中造成空气热膨胀影响干涉测量，本发明使用热沉方法在真空环境中进行控温，并加入PID反馈，构成控温闭环。在热沉升温的同时在热真空环境中测温，并将设定温度与实际温度进行比对，对温度把控更加精确。
本发明提出了一种线膨胀系数检测方法，能够在高度共光路的情况下，最大程度地消除空气热膨胀与振动对系统的影响，同时也避免了外差激光干涉检测方式造成的非线性周期误差导致影响检测结果，还能够有效扩大线膨胀系数测量系统的测试范围，提高测量精度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (4)
1.一种线膨胀系数检测装置，其特征在于，包括斐索干涉系统和温控系统，其中所述斐索干涉系统具有激光器、扩束镜、参考光路准直镜、测试光路准直镜以及标准镜，所述温控系统包括用于容纳组合镜并提供真空环境的热真空腔，所述热真空腔采用热沉技术进行精准温度的控制，所述热真空腔开口处设有透明窗口，所述组合镜由不同半径与不同高度的镜片叠放而成；
由所述激光器发出的工作光经过所述扩束镜进行扩束后，经过所述测试光路准直镜、所述标准镜以及所述透明窗口照射在所述热真空腔内，一部分反射光经过所述透明窗口、所述标准镜、所述测试光路准直镜后经由所述参考光路准直镜射出，根据实时长度变化量、变化温度以及初始高度确定所述组合镜的线膨胀系数，其中，所述组合镜的初始高度由三坐标测量仪测量得出，所述实时长度变化量通过在温度变化的情况下所述组合镜的上下表面同时进行不同程度的形变，从面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出，两个平移变化量为MetroPro软件中提取出的所述组合镜的上下两平面到所述标准镜不同的距离，所述变化温度通过所述组合镜膨胀前后对热真空腔进行精准温度的控制获得。
2.根据权利要求1所述的线膨胀系数检测装置，其特征在于，所述透明窗口采用玻璃窗口。
3.根据权利要求1所述的线膨胀系数检测装置，其特征在于，所述热真空腔具有热沉、温度传感器和控制器，所述温度传感器用于采集所述热沉的温度，所述控制器根据所述温度传感器采集的温度控制所述热沉的温度。
4.一种线膨胀系数检测方法，其特征在于，应用于权利要求1至3中任一项所述的线膨胀系数检测装置，所述方法包括：
利用三坐标法测量所述组合镜的初始高度；
利用斐索干涉法同时检测组合镜上下表面面形，所述组合镜由不同半径与不同高度的镜片叠放而成；
在温度变化的情况下所述组合镜的上下表面同时进行不同程度的形变，从所述面形数据中提取出的两个平移变化量作差得出所述组合镜的实时长度变化量，两个平移变化量为MetroPro软件中提取出的所述组合镜的上下两平面到所述标准镜不同的距离，利用热沉技术对热真空腔进行精准温度的控制，得出所述组合镜膨胀前后的变化温度，根据所述实时长度变化量、所述变化温度以及所述初始高度确定所述线膨胀系数。
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