長度計量中干涉條紋的運用及影響干涉條紋清晰度的原因分析

辛永強，郭芮君

長度計量中干涉條紋的運用及影響干涉條紋清晰度的原因分析

辛永強，郭芮君

（甘肅省計量研究院，甘肅蘭州730070）

光波干涉是長度計量重要的技術(shù)手段，從目前使用最為廣泛的雙頻激光干涉儀到我們?nèi)粘Ｊ褂闷骄z定工作臺的平面度都離不開光波的干涉。本論述從光學儀器的干涉原理入手，分析邁克爾遜干涉系統(tǒng)在長度計量中的運用及演變，研究用光波干涉法檢定工作臺平面度的方法，以及多束光干涉原理和羅埃鏡干涉原理在長度計量中的實際運用等方面；并從干涉光源單色性、干涉光源的強度、光源大小等方面對影響干涉條紋清晰度的原因進行了分析。通過對干涉原理和測量方法的研究，分析此類儀器中影響光波干涉的因素，方便使用人員發(fā)現(xiàn)并改進設(shè)備使用及測量中容易出現(xiàn)的問題，使測量過程更合理，從而得到理想的測量數(shù)據(jù)。

長度計量；光波；干涉；影響因素

光波干涉在長度計量領(lǐng)域應用廣泛，通過測量和分析干涉條紋，我們可以準確測量零件的平面度、平行度、工作面表面粗糙度，測量量塊的中心長度和長度變動量，檢驗光學鏡頭的加工曲率以及高精度棱鏡的角度偏差等很多方面。利用光波干涉法進行精密測量，具有測量效率高、適用范圍廣、檢測數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點。本論述通過介紹邁克爾遜干涉系統(tǒng)以及羅埃鏡干涉原理和幾種長度計量中容易被忽視的測量方法，闡述了光波干涉在實際長度精密計量中的具體運用，并從干涉光源單色性、干涉光源的強度、光源大小等方面對影響干涉條紋清晰度的原因進行了分析。

1　長度計量中光波干涉的運用及方法

1.1邁克爾遜干涉系統(tǒng)

邁克爾遜干涉系統(tǒng)是長度計量儀器中應用最廣的系統(tǒng)，它的特點就是把平晶和量塊造成的空氣楔用平面鏡成像的方法來實現(xiàn)。

把光源放在聚光鏡焦點上，光源發(fā)出平行光束，經(jīng)過半透鏡分光后垂直照射反射鏡，故光束入射角為零。經(jīng)半透鏡成像，并形成空氣楔，雖然兩光束真實光線在進程中相遇，但根據(jù)平面干涉條紋的定域性，條紋仍產(chǎn)生在空氣楔中，這種系統(tǒng)就能在空氣楔中放入樣品和觀察顯微鏡系統(tǒng)。顯微系統(tǒng)把條紋成像于分劃板上，用目鏡放大進行觀察。在長度計量中，利用邁克爾遜干涉系統(tǒng)制成了各種干涉儀器，如接觸式干涉儀、干涉顯微鏡、多光束干涉儀都是采用該系統(tǒng)。

邁克爾遜系統(tǒng)屬于空板平板等厚干涉系統(tǒng)，它滿足入射角為零和n值為1的條件，因此只要波長準確，測量的精度是非常高的。

根據(jù)平板干涉可知，當出現(xiàn)黑條紋，其他地方由于空氣楔厚度不同而出現(xiàn)一級、二級……暗條紋。只有把反射鏡與測頭連接起來，使反射鏡垂直于光軸移動，才能引起0級條紋的移動，把黑色0級條紋作為指標標記，就得到了我們測量長度量塊的接觸式干涉儀。如果把反射鏡換成反射率很高的其他表面，并在工件和反射鏡之間各放入顯微系統(tǒng)，就形成了測量零件表面的干涉顯微鏡系統(tǒng)。在使用邁克爾遜的干涉儀器中，需要注意的是這些干涉系統(tǒng)都要采用補償系統(tǒng)。

1.2用光波干涉法檢定工作臺平面度

根據(jù)平板干涉原理我們知道，凡是厚度等于四分之一波長的偶數(shù)倍的地方，都會出現(xiàn)暗干涉條紋，而且每隔二分之一波長的厚度再次出現(xiàn)暗干涉條紋，所以凡是在出現(xiàn)暗條紋處所對應的厚度都是二分之一波長。條紋的不同形狀就反應了厚度的不均勻性。下面以平晶檢定工作臺為例分析條紋形狀和工件平面度的關(guān)系。

第一種情況：當平晶與工作臺完全貼合時，在白光下呈一片顏色，如果在平晶某處施壓，呈現(xiàn)出的條紋平直，且間隔相等，說明工作臺平面度很好。

第二種情況：當平晶與工作臺完全貼合時，在白光下呈一片顏色，如果在平晶某處施壓，干涉帶邊緣部分彎曲，而中央平直，說明此工作臺塌邊。

第三種情況：當平晶與工作臺完全貼合時，在白光下呈一片顏色，如果在平晶某處施壓，干涉帶一邊為不等距的直條紋，另一邊為等距曲條紋，說明工作臺為圓柱形。

第四種情況：當平晶與工作臺完全貼合時，在白光下呈一片顏色，如果在平晶某處施壓，干涉條紋形狀為不等距圓形，說明工作臺中間凸或者中間凹。

一般根據(jù)實驗總結(jié)判斷凸凹的方法有兩種：

（1）根據(jù)顏色進行判別

根據(jù)白光干涉知道，0級干涉帶是黑色（即接觸點），一級干涉帶干涉程差較小，各色光還未分開，故條紋顏色很深，以后干涉程差越大，彩色越不鮮明。故若工作臺為凸起，則黑條紋在中間出現(xiàn)；如果工作臺為凹表面，則黑條紋在邊緣出現(xiàn)。

（2）在平晶上輕微加壓進行判別

當在平晶上輕輕施壓時，如果觀察到條形條紋由中間向外跑，說明工作臺為凸起；如果觀察到條形條紋由外向里跑，說明工作臺為凹表面。

1.3多光束干涉的運用

要使多數(shù)光都參加干涉必須在平板表面上鍍高反射系數(shù)的銀層，這樣鍍銀的平板反射出許多光亮度是可觀察的光線，甚至于在產(chǎn)生出若干根入射、透射光線后，入射光還有部分的光能未被利用。反射系數(shù)越高，能參加干涉的光線就越多，在諸多反射光中，第一根光線亮度最大，在透射諸光線中，其亮度相差不多，因此鍍銀平板反射光線的投射光線都能夠各自相互干涉，這種參與干涉的光線不是兩條，而是多條的光波干涉，叫做多光束干涉。

利用多光束干涉原理，除了可以制成干涉設(shè)備、測量儀器以外，還可以制造金屬干涉濾光片，例如接觸式干涉儀中的濾光片就是根據(jù)該原理做成的。該濾光片的波長準確性決定了儀器的精度，這種金屬濾光片是在一塊玻璃上先用真空方法鍍上氟化鎂介質(zhì)，再鍍上一層銀介質(zhì)，并保持其厚度為一定值。若是h=0.5461μm，則多光束干涉的結(jié)果要產(chǎn)生數(shù)個峰值波長。所以白熾燈光發(fā)出的連續(xù)光譜，通過金屬干涉濾光片就可以得到某一波段的透射光，這種金屬濾光片目前運用廣泛。

1.4利用羅埃鏡干涉原理測量螺紋

利用干涉法在萬能工具顯微鏡或同類型的工具顯微鏡上測量螺紋，特別是測量小齒距的螺紋是一種很好的方法。這種測量方法原理同羅埃鏡反射所產(chǎn)生的干涉理論基本一樣，是在螺紋輪廓邊緣上獲得如同細線一樣的干涉條紋，一般出現(xiàn)這種干涉條紋三到五條，其形狀就是被測螺紋輪廓邊緣的實際反映。其產(chǎn)生的位置距離每一齒形輪廓都是相等的，這樣就給螺紋測量打開了方便之門，因此只要略微調(diào)整一下顯微鏡的位置，使輪廓邊緣兩條干涉帶清晰，然后利用顯微鏡米字虛刻線去和兩干涉帶之間的縫隙對準，這樣就可以測量螺紋的齒距和半角了。羅埃鏡干涉原理應用到萬能工具顯微鏡上就能很大程度地提高測量精度。這種干涉測量法，同樣可以用于測量螺紋的螺距、半角中徑，只要把螺紋螺旋面轉(zhuǎn)換成相對的曲率半徑就可以，公式如下：

式中，d2——螺紋中徑

α——螺紋螺形角同時還要考慮測量時對線受螺紋角的影響。通常，我們測量時多以線對線的測量方法，但很多測量中由于螺旋面的影響，總是使測量不確定度增大，用測量力能獲得較小的測量不確定度，但安裝調(diào)試非常麻煩。用干涉法測量時，目鏡中米字線的壓線不是零件像的邊緣，而是采用離輪廓像最近的兩條暗干涉帶進行對線，這種用干涉法測量得到的結(jié)果一般比以線對線的測量方法得到的結(jié)果更接近于真值。故運用干涉法測量結(jié)果更準確可靠，測量過程更方便高效。

2　影響干涉條紋清晰度的原因分析

2.1干涉光源的單色性對條紋清晰度的影響

通常在測量過程中，會發(fā)現(xiàn)干涉條紋不僅不清楚，而且在寥寥幾條之后，變成一片白色了，這主要原因是光源單色性不好。對于等厚干涉條紋，單色性好，條紋清晰；反之，如果用單色性不好的光源做等厚干涉時，由于它的光是由不同波長的光混合作用的結(jié)果，所以除了光程差為零時是最亮的白色條紋外，其他各種干涉條紋均按顏色分開。例如：紅光的波長較長，干涉條紋較寬；綠光的波長較短，干涉條紋較窄。由于各色光的干涉條紋寬度不同且相互影響，條紋將變得模糊，到了5～6條帶以后就看不到干涉條紋了，而是一片白色。所以，在使用接觸式干涉儀的過程中，要調(diào)整干涉帶時，要人為形成單色光，我們通常加入濾光片來確保光源的單色性。

2.2相干光的強度對條紋清晰度的影響

光的干涉很容易實現(xiàn)，但是并不是任意兩束光相遇就可以產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，為了產(chǎn)生光的干涉，這兩束光應該滿足以下條件：（1）在空間相互疊加的兩束光必須頻率相同；（2）兩束光在空間任意一點疊加時，兩束光的周期差相同或者周期差恒定而不隨時間而變化；（3）兩束光在空間任意一點所產(chǎn)生的振動位移要有相同的方向。因為只有這樣的相互疊加，按照光的疊加原理，在兩光波的交迭處，才會形成穩(wěn)定的明暗條紋而被人眼觀察到。也就是說：兩束干涉光強度相同，條紋清晰程度就好；強度不同，條紋清晰程度就差；強度相差太懸殊，實際上就起不到干涉的作用，因而就沒有干涉條紋的出現(xiàn)。

2.3光源大小對清晰度的影響

對于等厚干涉條紋來說，光源的大小與薄板的厚度有關(guān)。在板很薄時，即只有幾個波長時，光源的大小可以不受限制；當板厚度增加時，光源就必須縮?。ㄔ谡彰鳠羟凹有】坠鈾冢?，否則會造成干涉場上圖樣的模糊不清。這是因為光源上的不同點所發(fā)出的光線匯聚到場上的某一點，由于各自形成干涉條紋，這些干涉條紋在該點疊加后相互影響，導致圖樣模糊。

3　結(jié)束語

在幾何量計量中，廣泛運用光的干涉原理來進行精密測量工作。例如檢定量塊的平面度，用干涉顯微鏡測量物體表面粗糙度，用接觸式干涉儀檢定量塊的示值誤差，用激光雙頻干涉儀測量物體長度等都離不開光波干涉。由于利用光的干涉原理設(shè)計制造的測量設(shè)備一般可估讀到條紋間隔的1/10，即十分之一波長，也就是說該類設(shè)備的分辨力更小，測量精度更高。

本論述通過對干涉原理和測量方法的研究，分析此類儀器中影響光波干涉的因素，方便使用人員發(fā)現(xiàn)并改進設(shè)備使用及測量中容易出現(xiàn)的問題，使測量過程更合理，從而得到理想的測量數(shù)據(jù)。

［1］譚慶永，何貢.長度計量技術(shù)問答［M］.北京：中國計量出版社，1995.

［2］于起峰，伏思華.基于條紋方向和條紋等值線的ESPI與InSAR干涉條紋圖處理方法［M］.北京：科學出版社，2007.

［3］齊永岳，趙美蓉，林玉池.高精度激光干涉條紋細分系統(tǒng).［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006（8）.

［4］葛愛明，陳進榜，等.量塊中心長度絕對測量中干涉條紋的自動判讀［J］.南京理工大學學報，2000（3）.

［5］蘇俊宏.長度測量中干涉條紋的自動識別技術(shù)研究［J］.光子學報，2003（5）.

［6］孟曉辰，郝群，祝連慶.干涉條紋帶寬與波前斜率分布關(guān)系研究［J］.激光與光電子學進展，2015（3）.

TH744

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.011

2016-7-8

辛永強（1979-），男，漢族，甘肅蘭州人，碩士，國家一級注冊計量師，主要研究方向：幾何量及光學儀器精密測量。