摘要:長度計量在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活中應(yīng)用廣泛,對技術(shù)的發(fā)展和進步作用巨大。所以為提高零件產(chǎn)量、增強所生產(chǎn)零件的精確度，提高長度計量的準確性非常重要。光波干涉是零件生產(chǎn)中對長度進行計量的重要方法，在長度計量工作中的應(yīng)用也十分廣泛，這種計量方法需要借助光學儀器來完成操作。
關(guān)鍵詞：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(yīng)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。
一、長度計量相關(guān)知識簡介
所謂測量,就是把一個檢測量的值和另一個作為標準單位的量相比作為確定被測對象的量值而進行的實驗過程。公式可以表達為:Q=qu式中:Q—被測量的物理量,u—單位量,q—比值。長度測量以一個測量基面為基礎(chǔ),這個測量基面可以是點和線。任何長度測量首先要確定測量基面,再測量它與另一面的距離;其次要考慮工件的定位以方便測量。測量基面的選擇要遵守基面統(tǒng)一的原則,即設(shè)計、工藝、測量和裝配等基面必須一致,但有時加工過程中由于各種原因使得工藝基面與設(shè)計基面不一致,因而測量基面也應(yīng)隨之改變。此時,測量基面應(yīng)該遵循以下原則:①在工序間檢驗時,測量基面應(yīng)與工藝基面一致;②終結(jié)檢驗時,應(yīng)與裝配基面一致。為了保證長度量值的準確,除需要建立長度基準外,還需要根據(jù)各種需要建立不同的標準器。下一級標準器的精度比上一級稍差,而其數(shù)量比上一級標準器的數(shù)量多好幾倍或幾十倍。通過這樣的逐級比較,把米定義標準器所復(fù)現(xiàn)的單位量值逐級傳遞下去,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量,就建立了基準單位量值和產(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、長度計量中光波干涉的運用及方法
1.邁克爾遜干涉系統(tǒng)。邁克爾遜干涉系統(tǒng)是長度計量儀器中應(yīng)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l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。
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(yīng)的厚度都是二分之一波長。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。
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(yīng)用到萬能工具顯微鏡上就能很大程度地提高測量精度。
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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。
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(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。
3.光源大小對清晰度的影響。測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，那么其對光源的阻隔作用較弱，在對其進行干涉時光源的大小并不會對條紋的清晰度產(chǎn)生影響，所以在這種情況下對光源的大小并沒有特殊限制;而當薄板的厚度相對較大時，必須將光源大小進行縮減，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自于光源多個位置的光線聚集在某一點上會造成這些不同管線所生成的干涉條紋匯聚在一起，經(jīng)過疊加和重合最終形成圖像的清晰度也就無法保證。
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)。
參考文獻：
[1]譚貢.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[M].北京：中國計量出版社，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：科學出版社，2018.
作者：欒景佳1侯陽2
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