摘要:長(zhǎng)度計(jì)量在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中應(yīng)用廣泛,對(duì)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步作用巨大。所以為提高零件產(chǎn)量、增強(qiáng)所生產(chǎn)零件的精確度，提高長(zhǎng)度計(jì)量的準(zhǔn)確性非常重要。光波干涉是零件生產(chǎn)中對(duì)長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)量的重要方法，在長(zhǎng)度計(jì)量工作中的應(yīng)用也十分廣泛，這種計(jì)量方法需要借助光學(xué)儀器來(lái)完成操作。
關(guān)鍵詞：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)。
一、長(zhǎng)度計(jì)量相關(guān)知識(shí)簡(jiǎn)介
所謂測(cè)量,就是把一個(gè)檢測(cè)量的值和另一個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)單位的量相比作為確定被測(cè)對(duì)象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。公式可以表達(dá)為:Q=qu式中:Q—被測(cè)量的物理量,u—單位量,q—比值。長(zhǎng)度測(cè)量以一個(gè)測(cè)量基面為基礎(chǔ),這個(gè)測(cè)量基面可以是點(diǎn)和線。任何長(zhǎng)度測(cè)量首先要確定測(cè)量基面,再測(cè)量它與另一面的距離;其次要考慮工件的定位以方便測(cè)量。測(cè)量基面的選擇要遵守基面統(tǒng)一的原則,即設(shè)計(jì)、工藝、測(cè)量和裝配等基面必須一致,但有時(shí)加工過(guò)程中由于各種原因使得工藝基面與設(shè)計(jì)基面不一致,因而測(cè)量基面也應(yīng)隨之改變。此時(shí),測(cè)量基面應(yīng)該遵循以下原則:①在工序間檢驗(yàn)時(shí),測(cè)量基面應(yīng)與工藝基面一致;②終結(jié)檢驗(yàn)時(shí),應(yīng)與裝配基面一致。為了保證長(zhǎng)度量值的準(zhǔn)確,除需要建立長(zhǎng)度基準(zhǔn)外,還需要根據(jù)各種需要建立不同的標(biāo)準(zhǔn)器。下一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的精度比上一級(jí)稍差,而其數(shù)量比上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)器的數(shù)量多好幾倍或幾十倍。通過(guò)這樣的逐級(jí)比較,把米定義標(biāo)準(zhǔn)器所復(fù)現(xiàn)的單位量值逐級(jí)傳遞下去,傳遞到生產(chǎn)中使用的儀器和量具。用這些儀器和量具去測(cè)量,就建立了基準(zhǔn)單位量值和產(chǎn)品尺寸的關(guān)系,這種關(guān)系的建立就是量值傳遞系統(tǒng)。
二、長(zhǎng)度計(jì)量中光波干涉的運(yùn)用及方法
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，故光束人射角為零。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(mǎn)足入射角為零和n值為l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。
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。
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)生出若干根人射、透射光線后，人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。
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(lèi)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。
計(jì)量論文投稿刊物：計(jì)量學(xué)報(bào)刊登具有創(chuàng)造性的學(xué)術(shù)論文、研究簡(jiǎn)報(bào)。內(nèi)容包括：幾何量、溫度與熱物性、力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、聲學(xué)、時(shí)間頻率、電離輻射、化學(xué)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、生物等學(xué)科的計(jì)量基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的研制;測(cè)量原理和方法的研究;新技術(shù)的應(yīng)用及計(jì)量學(xué)科的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)等。
三、影響干涉條紋清晰度的原因分析
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)。
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(mǎn)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。
3.光源大小對(duì)清晰度的影響。測(cè)量中使用的薄板厚度是光源大小的主要決定因素，這是確保以干涉條紋是等厚度為前提而言的。如果薄板的厚度較小，那么其對(duì)光源的阻隔作用較弱，在對(duì)其進(jìn)行干涉時(shí)光源的大小并不會(huì)對(duì)條紋的清晰度產(chǎn)生影響，所以在這種情況下對(duì)光源的大小并沒(méi)有特殊限制;而當(dāng)薄板的厚度相對(duì)較大時(shí)，必須將光源大小進(jìn)行縮減，這就需要相關(guān)工作人員在照明燈前加設(shè)小孔光欄以確保光源縮小，這樣才能保證干涉條紋的清晰度。由于在薄板較厚的情況下來(lái)自于光源多個(gè)位置的光線聚集在某一點(diǎn)上會(huì)造成這些不同管線所生成的干涉條紋匯聚在一起，經(jīng)過(guò)疊加和重合最終形成圖像的清晰度也就無(wú)法保證。
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(lèi)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)。
參考文獻(xiàn)：
[1]譚貢.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[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2018.
[2]于思.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(xué)出版社，2018.
作者：欒景佳1侯陽(yáng)2
相關(guān)閱讀
