10月23日，上海市科學(xué)技術(shù)獎再度揭曉。胸懷“國之大者”，堅(jiān)持“四個面向”，一大批標(biāo)志性成果競相涌現(xiàn)，為正處于關(guān)鍵躍升期的上海國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)增添底色和亮度。
2023年度上海市科學(xué)技術(shù)一等獎獲獎項(xiàng)目優(yōu)秀創(chuàng)新成果來啦！本欄目以“強(qiáng)國復(fù)興有我”為主題，重點(diǎn)圍繞項(xiàng)目要解決的問題、取得的重要創(chuàng)新、實(shí)際應(yīng)用效果等方面，向社會公眾作科普宣傳。
本期“檔案”大揭秘
項(xiàng)目名稱：超高精度大口徑絕對面形光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)及儀器
第一完成單位：上海理工大學(xué)
第一完成人：韓森
獎勵等級：科技進(jìn)步獎一等獎
21世紀(jì)世界高端制造業(yè)將產(chǎn)品表面性能推進(jìn)到近原子尺度，尖端測量儀器對前沿科學(xué)研究及重大物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)發(fā)揮著不可估量的作用。我國正面臨著諸多大型戰(zhàn)略性工程項(xiàng)目需要應(yīng)對標(biāo)準(zhǔn)化超高精度計(jì)量各種光滑元件表面形貌的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，攻克在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下超高精度標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)制高端儀器是我們這一代科技工作者責(zé)無旁貸的義務(wù)。
針對上述發(fā)展需求，本項(xiàng)目突破諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，攻克大量復(fù)雜工程和工藝難題，打碎光機(jī)電軟系統(tǒng)集成優(yōu)化瓶頸，創(chuàng)制了一系列特別的“超級尺子”，并進(jìn)行了全方位的科技升級。它們涉及到參考鏡絕對面形校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)解析和數(shù)值相移的精確校準(zhǔn)算法，就像用數(shù)學(xué)方法給鏡子做一個精確的“整形”；一體式大口徑系統(tǒng)的光學(xué)像差校正（極大減小分離系統(tǒng)對接偏心、偏角和混合誤差），就像把拼圖拼得更加精準(zhǔn)；光源波長的穩(wěn)定性和溯源、超重載荷機(jī)械相移的力學(xué)機(jī)理，就像是給儀器做了一個體檢，看它“肌肉”有多穩(wěn)定和強(qiáng)壯；非穩(wěn)環(huán)境影響測量誤差的物理模型，就像是給儀器穿上了“防護(hù)服”，不管環(huán)境怎么變，它都能正常工作；物象關(guān)系X/Y軸對應(yīng)的幾何光學(xué)原理、參考鏡TF和反射鏡RF固化裝配和精密旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力分布邊緣條件設(shè)定、超高精度測量重復(fù)性隨測量次數(shù)和環(huán)境影響（溫度、濕度、振動、氣流）的最佳函數(shù)值、非連續(xù)區(qū)域數(shù)據(jù)斷裂的數(shù)值濾波方法、超ppm量級光學(xué)均勻性絕對測量的物理邏輯，就像是給儀器裝上了一個“大腦”，讓它更加聰明、更加高效；使用國產(chǎn)高端儀器參與全球大口徑平面平晶國際計(jì)量比對、國際ISO標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)和國標(biāo)規(guī)范的創(chuàng)建，這樣大家在做精密測量時，就有了更加準(zhǔn)確和統(tǒng)一的“尺子”。
項(xiàng)目面向國家戰(zhàn)略性科技需求，立足突破國外高科技壟斷和打碎高技術(shù)瓶頸，自主研發(fā)了超高精度大口徑絕對面形光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)。從光學(xué)干涉基本原理出發(fā)，集成計(jì)量溯源的光源波長、數(shù)字化相移技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)納米精度的非接觸式光學(xué)測量，開發(fā)了相關(guān)的系列光學(xué)測量儀器，解決了超精密光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量難題，服務(wù)于國家大科學(xué)裝置及工程、高端工業(yè)檢測領(lǐng)域。關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新點(diǎn)包括：項(xiàng)目技術(shù)突破了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量經(jīng)典極限，提出大口徑絕對面形自校準(zhǔn)算法和一體式小像差光學(xué)設(shè)計(jì)方法，使絕對面形測量精度比國家一等平面平晶提高了6倍，PV值最高精度達(dá)到λ/120（λ=632.8nm），參與德國計(jì)量院主導(dǎo)的300mm平面平晶國際比對；發(fā)明了三點(diǎn)集束式PZT大出力（1000公斤級）微驅(qū)動相移技術(shù)，突破了重載荷機(jī)械相移測量瓶頸；創(chuàng)新研發(fā)了光學(xué)均勻性絕對測量技術(shù)，精度達(dá)到8*10-7量級；開發(fā)了抗擾動性強(qiáng)的QHL檢測技術(shù)，破解了測量環(huán)境不穩(wěn)定對檢測數(shù)據(jù)的干擾難題，使測量重復(fù)性精度提高10倍以上；突破了高精度參考面水平放置時產(chǎn)生自重變形對絕對測量結(jié)果的巨大限制，10根條紋時重復(fù)性精度比國外同類產(chǎn)品提高了3.3倍，實(shí)現(xiàn)了無應(yīng)力平面絕對測量。本項(xiàng)目就像是給光學(xué)測量裝上了一雙更明亮的眼睛和更強(qiáng)壯的四肢，讓我們能看到更細(xì)微的世界，測量得更精準(zhǔn)、更穩(wěn)定。
圖1 532nm波長超高精度激光干涉儀
532nm波長超高精度激光干涉儀實(shí)現(xiàn)用低精度參考平晶測量高精度平晶平面度的目標(biāo)，突破一等平面平晶溯源的瓶頸限制，達(dá)到了測量精度PV值λ/120，即6倍提升，這一測量精度在國產(chǎn)大科學(xué)儀器裝置的“高精度干涉儀研制”項(xiàng)目中得到驗(yàn)證。
圖2 450/100mm大口徑雙光路一體式激光干涉儀
