辛永強(qiáng)，郭芮君

長(zhǎng)度計(jì)量中干涉條紋的運(yùn)用及影響干涉條紋清晰度的原因分析

辛永強(qiáng)，郭芮君

（甘肅省計(jì)量研究院，甘肅蘭州730070）

光波干涉是長(zhǎng)度計(jì)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(tái)的平面度都離不開(kāi)光波的干涉。本論述從光學(xué)儀器的干涉原理入手，分析邁克爾遜干涉系統(tǒng)在長(zhǎng)度計(jì)量中的運(yùn)用及演變，研究用光波干涉法檢定工作臺(tái)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(zhǎng)度計(jì)量中的實(shí)際運(yùn)用等方面；并從干涉光源單色性、干涉光源的強(qiáng)度、光源大小等方面對(duì)影響干涉條紋清晰度的原因進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)干涉原理和測(cè)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(jìn)設(shè)備使用及測(cè)量中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，使測(cè)量過(guò)程更合理，從而得到理想的測(cè)量數(shù)據(jù)。

長(zhǎng)度計(jì)量；光波；干涉；影響因素

光波干涉在長(zhǎng)度計(jì)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過(guò)測(cè)量和分析干涉條紋，我們可以準(zhǔn)確測(cè)量零件的平面度、平行度、工作面表面粗糙度，測(cè)量量塊的中心長(zhǎng)度和長(zhǎng)度變動(dòng)量，檢驗(yàn)光學(xué)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(jìn)行精密測(cè)量，具有測(cè)量效率高、適用范圍廣、檢測(cè)數(shù)據(jù)精確等優(yōu)點(diǎn)。本論述通過(guò)介紹邁克爾遜干涉系統(tǒng)以及羅埃鏡干涉原理和幾種長(zhǎng)度計(jì)量中容易被忽視的測(cè)量方法，闡述了光波干涉在實(shí)際長(zhǎng)度精密計(jì)量中的具體運(yùn)用，并從干涉光源單色性、干涉光源的強(qiáng)度、光源大小等方面對(duì)影響干涉條紋清晰度的原因進(jìn)行了分析。

1　長(zhǎng)度計(jì)量中光波干涉的運(yùn)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(zhǎng)度計(jì)量?jī)x器中應(yīng)用最廣的系統(tǒng)，它的特點(diǎn)就是把平晶和量塊造成的空氣楔用平面鏡成像的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

把光源放在聚光鏡焦點(diǎn)上，光源發(fā)出平行光束，經(jīng)過(guò)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(shí)光線在進(jìn)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(jìn)行觀察。在長(zhǎng)度計(jì)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(zhǎng)準(zhǔn)確，測(cè)量的精度是非常高的。

根據(jù)平板干涉可知，當(dāng)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(jí)、二級(jí)……暗條紋。只有把反射鏡與測(cè)頭連接起來(lái)，使反射鏡垂直于光軸移動(dòng)，才能引起0級(jí)條紋的移動(dòng)，把黑色0級(jí)條紋作為指標(biāo)標(biāo)記，就得到了我們測(cè)量長(zhǎng)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(cè)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(bǔ)償系統(tǒng)。

1.2用光波干涉法檢定工作臺(tái)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(zhǎng)的偶數(shù)倍的地方，都會(huì)出現(xiàn)暗干涉條紋，而且每隔二分之一波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的厚度都是二分之一波長(zhǎng)。條紋的不同形狀就反應(yīng)了厚度的不均勻性。下面以平晶檢定工作臺(tái)為例分析條紋形狀和工件平面度的關(guān)系。

第一種情況：當(dāng)平晶與工作臺(tái)完全貼合時(shí)，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(shuō)明工作臺(tái)平面度很好。

第二種情況：當(dāng)平晶與工作臺(tái)完全貼合時(shí)，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(shuō)明此工作臺(tái)塌邊。

第三種情況：當(dāng)平晶與工作臺(tái)完全貼合時(shí)，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(shuō)明工作臺(tái)為圓柱形。

第四種情況：當(dāng)平晶與工作臺(tái)完全貼合時(shí)，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(shuō)明工作臺(tái)中間凸或者中間凹。

一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)總結(jié)判斷凸凹的方法有兩種：

（1）根據(jù)顏色進(jìn)行判別

根據(jù)白光干涉知道，0級(jí)干涉帶是黑色（即接觸點(diǎn)），一級(jí)干涉帶干涉程差較小，各色光還未分開(kāi)，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(tái)為凸起，則黑條紋在中間出現(xiàn)；如果工作臺(tái)為凹表面，則黑條紋在邊緣出現(xiàn)。

（2）在平晶上輕微加壓進(jìn)行判別

當(dāng)在平晶上輕輕施壓時(shí)，如果觀察到條形條紋由中間向外跑，說(shuō)明工作臺(tái)為凸起；如果觀察到條形條紋由外向里跑，說(shuō)明工作臺(tái)為凹表面。

1.3多光束干涉的運(yùn)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(cè)量?jī)x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(zhǎng)準(zhǔn)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(gè)峰值波長(zhǎng)。所以白熾燈光發(fā)出的連續(xù)光譜，通過(guò)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(yùn)用廣泛。

1.4利用羅埃鏡干涉原理測(cè)量螺紋

利用干涉法在萬(wàn)能工具顯微鏡或同類型的工具顯微鏡上測(cè)量螺紋，特別是測(cè)量小齒距的螺紋是一種很好的方法。這種測(cè)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(xì)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(cè)螺紋輪廓邊緣的實(shí)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(cè)量打開(kāi)了方便之門(mén)，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(duì)準(zhǔn)，這樣就可以測(cè)量螺紋的齒距和半角了。羅埃鏡干涉原理應(yīng)用到萬(wàn)能工具顯微鏡上就能很大程度地提高測(cè)量精度。這種干涉測(cè)量法，同樣可以用于測(cè)量螺紋的螺距、半角中徑，只要把螺紋螺旋面轉(zhuǎn)換成相對(duì)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(shí)還要考慮測(cè)量時(shí)對(duì)線受螺紋角的影響。通常，我們測(cè)量時(shí)多以線對(duì)線的測(cè)量方法，但很多測(cè)量中由于螺旋面的影響，總是使測(cè)量不確定度增大，用測(cè)量力能獲得較小的測(cè)量不確定度，但安裝調(diào)試非常麻煩。用干涉法測(cè)量時(shí)，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(jìn)行對(duì)線，這種用干涉法測(cè)量得到的結(jié)果一般比以線對(duì)線的測(cè)量方法得到的結(jié)果更接近于真值。故運(yùn)用干涉法測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確可靠，測(cè)量過(guò)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(duì)條紋清晰度的影響

通常在測(cè)量過(guò)程中，會(huì)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(duì)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(shí)，由于它的光是由不同波長(zhǎng)的光混合作用的結(jié)果，所以除了光程差為零時(shí)是最亮的白色條紋外，其他各種干涉條紋均按顏色分開(kāi)。例如：紅光的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，干涉條紋較寬；綠光的波長(zhǎng)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(guò)程中，要調(diào)整干涉帶時(shí)，要人為形成單色光，我們通常加入濾光片來(lái)確保光源的單色性。

2.2相干光的強(qiáng)度對(duì)條紋清晰度的影響

光的干涉很容易實(shí)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(yīng)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(diǎn)疊加時(shí)，兩束光的周期差相同或者周期差恒定而不隨時(shí)間而變化；（3）兩束光在空間任意一點(diǎn)所產(chǎn)生的振動(dòng)位移要有相同的方向。因?yàn)橹挥羞@樣的相互疊加，按照光的疊加原理，在兩光波的交迭處，才會(huì)形成穩(wěn)定的明暗條紋而被人眼觀察到。也就是說(shuō)：兩束干涉光強(qiáng)度相同，條紋清晰程度就好；強(qiáng)度不同，條紋清晰程度就差；強(qiáng)度相差太懸殊，實(shí)際上就起不到干涉的作用，因而就沒(méi)有干涉條紋的出現(xiàn)。

2.3光源大小對(duì)清晰度的影響

對(duì)于等厚干涉條紋來(lái)說(shuō)，光源的大小與薄板的厚度有關(guān)。在板很薄時(shí)，即只有幾個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，光源的大小可以不受限制；當(dāng)板厚度增加時(shí)，光源就必須縮?。ㄔ谡彰鳠羟凹有】坠鈾冢?，否則會(huì)造成干涉場(chǎng)上圖樣的模糊不清。這是因?yàn)楣庠瓷系牟煌c(diǎn)所發(fā)出的光線匯聚到場(chǎng)上的某一點(diǎn)，由于各自形成干涉條紋，這些干涉條紋在該點(diǎn)疊加后相互影響，導(dǎo)致圖樣模糊。

3　結(jié)束語(yǔ)

在幾何量計(jì)量中，廣泛運(yùn)用光的干涉原理來(lái)進(jìn)行精密測(cè)量工作。例如檢定量塊的平面度，用干涉顯微鏡測(cè)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(cè)量物體長(zhǎng)度等都離不開(kāi)光波干涉。由于利用光的干涉原理設(shè)計(jì)制造的測(cè)量設(shè)備一般可估讀到條紋間隔的1/10，即十分之一波長(zhǎng)，也就是說(shuō)該類設(shè)備的分辨力更小，測(cè)量精度更高。

本論述通過(guò)對(duì)干涉原理和測(cè)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(jìn)設(shè)備使用及測(cè)量中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，使測(cè)量過(guò)程更合理，從而得到理想的測(cè)量數(shù)據(jù)。

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TH744

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.011

2016-7-8

辛永強(qiáng)（1979-），男，漢族，甘肅蘭州人，碩士，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)計(jì)量師，主要研究方向：幾何量及光學(xué)儀器精密測(cè)量。