长度计量中干涉条纹的运用及影响干涉条纹清晰度的成因

　　摘要:长度计量在工业生产、日常生活中应用广泛,对技术的发展和进步作用巨大。所以为提高零件产量、增强所生产零件的精确度，提高长度计量的准确性非常重要。光波干涉是零件生产中对长度进行计量的重要方法，在长度计量工作中的应用也十分广泛，这种计量方法需要借助光学仪器来完成操作。

　　关键词：长度计量;光波干涉;影响因素

　　光波干涉在长度计量领域应用广泛，通过测量和分析干涉条纹，我们可以准确测量零件的平面度、平行度、工作面表面粗糙度，测量量块的中心长度和长度变动量，检验光学镜头的加工曲率以及高精度棱镜的角度偏差等很多方面。利用光波干涉法进行精密测量，具有测量效率高、适用范围广、检测数据精确等优点。

　　一、长度计量相关知识简介

　　所谓测量,就是把一个检测量的值和另一个作为标准单位的量相比作为确定被测对象的量值而进行的实验过程。公式可以表达为:Q=qu式中:Q—被测量的物理量,u—单位量,q—比值。长度测量以一个测量基面为基础,这个测量基面可以是点和线。任何长度测量首先要确定测量基面,再测量它与另一面的距离;其次要考虑工件的定位以方便测量。测量基面的选择要遵守基面统一的原则,即设计、工艺、测量和装配等基面必须一致,但有时加工过程中由于各种原因使得工艺基面与设计基面不一致,因而测量基面也应随之改变。此时,测量基面应该遵循以下原则:①在工序间检验时,测量基面应与工艺基面一致;②终结检验时,应与装配基面一致。为了保证长度量值的准确,除需要建立长度基准外,还需要根据各种需要建立不同的标准器。下一级标准器的精度比上一级稍差,而其数量比上一级标准器的数量多好几倍或几十倍。通过这样的逐级比较,把米定义标准器所复现的单位量值逐级传递下去,传递到生产中使用的仪器和量具。用这些仪器和量具去测量,就建立了基准单位量值和产品尺寸的关系,这种关系的建立就是量值传递系统。

　　二、长度计量中光波干涉的运用及方法

　　1.迈克尔逊干涉系统。迈克尔逊干涉系统是长度计量仪器中应用最广的系统，它的特点就是把平晶和量块造成的空气楔用平面镜成像的方法来实现。把光源放在聚光镜焦点上，光源发出平行光束，经过半透镜分光后垂直照射反射镜，故光束人射角为零。经半透镜成像，并形成空气楔，虽然两光束真实光线在进程中相遇，但根据平面干涉条纹的定域性，条纹仍产生在空气楔中，这种系统就能在空气楔中放入样品和观察显微镜系统。显微系统把条纹成像于分划板上，用目镜放大进行观察。在长度计量中，利用迈克尔逊干涉系统制成了各种干涉仪器，如接触式干涉仪、干涉显微镜、多光束干涉仪都是采用该系统。迈克尔逊系统属于空板平板等厚干涉系统，它满足入射角为零和n值为l的条件，因此只要波长准确，测量的精度是非常高的。根据平板干涉可知，当出现黑条纹，其他地方由于空气楔厚度不同而出现一级、二级……暗条纹。只有把反射镜与测头连接起来，使反射镜垂直于光轴移动，才能引起0级条纹的移动，把黑色0级条纹作为指标标记，就得到了我们测量长度量块的接触式干涉仪。

　　2.用光波干涉法检定工作台平面度。根据平板干涉原理我们知道，凡是厚度等于四分之一波长的偶数倍的地方，都会出现暗干涉条纹，而且每隔二分之一波长的厚度再次出现暗干涉条纹，所以凡是在出现暗条纹处所对应的厚度都是二分之一波长。条纹的不同形状就反应了厚度的不均匀性。下面以平晶检定工作台为例分析条纹形状和工件平面度的关系。第一种情况：当平晶与工作台完全贴合时，在白光下呈一片颜色，如果在平晶某处施压，呈现出的条纹平直，且间隔相等，说明工作台平面度很好。第二种情况：当平晶与工作台完全贴合时，在白光下呈一片颜色，如果在平晶某处施压，干涉带边缘部分弯曲，而中央平直，说明此工作台塌边。第三种情况：当平晶与工作台完全贴合时，在白光下呈一片颜色，如果在平晶某处施压，干涉带一边为不等距的直条纹，另一边为等距曲条纹，说明工作台为圆柱形。第四种情况：当平晶与工作台完全贴合时，在白光下呈一片颜色，如果在平晶某处施压，干涉条纹形状为不等距圆形，说明工作台中间凸或者中间凹。

　　3.多光束干涉的运用。要使多数光都参加干涉必须在平板表面上镀高反射系数的银层，这样镀银的平板反射出许多光亮度是可观察的光线，甚至于在产生出若干根人射、透射光线后，人射光还有部分的光能未被利用。反射系数越高，能参加干涉的光线就越多，在诸多反射光中，第一根光线亮度最大，在透射诸光线中，其亮度相差不多，因此镀银平板反射光线的投射光线都能够各自相互干涉，

　　这种参与干涉的光线不是两条，而是多条的光波干涉，叫做多光束干涉。

　　4.利用罗埃镜干涉原理测量螺纹。利用干涉法在万能工具显微镜或同类型的工具显微镜上测量螺纹，特别是测量小齿距的螺纹是一种很好的方法。这种测量方法原理同罗埃镜反射所产生的干涉理论基本一样，是在螺纹轮廓边缘上获得如同细线一样的干涉条纹，一般出现这种干涉条纹三到五条，其形状就是被测螺纹轮廓边缘的实际反映。其产生的位置距离每一齿形轮廓都是相等的，这样就给螺纹测量打开了方便之门，因此只要略微调整一下显微镜的位置，使轮廓边缘两条干涉带清晰，然后利用显微镜米字虚刻线去和两干涉带之间的缝隙对准，这样就可以测量螺纹的齿距和半角了。罗埃镜干涉原理应用到万能工具显微镜上就能很大程度地提高测量精度。

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　　三、影响干涉条纹清晰度的原因分析

　　1.干涉光源的单色性对条纹清晰度的影响。通常在测量过程中，会发现干涉条纹不仅不清楚，而且在寥寥几条之后，变成一片白色了，这主要原因是光源单色性不好。对于等厚干涉条纹，单色性好，条纹清晰;反之，如果用单色性不好的光源做等厚干涉时，由于它的光是由不同波长的光混合作用的结果，所以除了光程差为零时是最亮的白色条纹外，其他各种干涉条纹均按颜色分开。

　　2.相干光的强度对条纹清晰度的影响。光的干涉很容易实现，但是并不是任意两束光相遇就可以产生干涉现象，为了产生光的干涉，这两束光应该满足以下条件：(1)在空间相互叠加的两束光必须频率相同;(2)两束光在空间任意一点叠加时，两束光的周期差相同或者周期差恒定而不随时间而变化;(3)两束光在空间任意一点所产生的振动位移要有相同的方向。因为只有这样的相互叠加，按照光的叠加原理，在两光波的交迭处，才会形成稳定的明暗条纹而被人眼观察到。

　　3.光源大小对清晰度的影响。测量中使用的薄板厚度是光源大小的主要决定因素，这是确保以干涉条纹是等厚度为前提而言的。如果薄板的厚度较小，那么其对光源的阻隔作用较弱，在对其进行干涉时光源的大小并不会对条纹的清晰度产生影响，所以在这种情况下对光源的大小并没有特殊限制;而当薄板的厚度相对较大时，必须将光源大小进行缩减，这就需要相关工作人员在照明灯前加设小孔光栏以确保光源缩小，这样才能保证干涉条纹的清晰度。由于在薄板较厚的情况下来自于光源多个位置的光线聚集在某一点上会造成这些不同管线所生成的干涉条纹汇聚在一起，经过叠加和重合最终形成图像的清晰度也就无法保证。

　　本论述通过对干涉原理和测量方法的研究，分析此类仪器中影响光波干涉的因素，方便使用人员发现并改进设备使用及测量中容易出现的问题，使测量过程更合理，从而得到理想的测量数据。

　　参考文献：

　　[1]谭贡.长度计量中干涉条纹的运用及影响干涉条纹清晰度的原因分析[M].北京：中国计量出版社，2018.

　　[2]于思.基于条纹方向和条纹等值线的EsPI与InSAR干涉条纹图处理方法[M].北京：科学出版社，2018.

　　作者：栾景佳1侯阳2