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

辛永强，郭芮君

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

辛永强，郭芮君

（甘肃省计量研究院，甘肃兰州730070）

光波干涉是长度计量重要的技术手段，从目前使用最为广泛的双频激光干涉仪到我们日常使用平晶检定工作台的平面度都离不开光波的干涉。本论述从光学仪器的干涉原理入手，分析迈克尔逊干涉系统在长度计量中的运用及演变，研究用光波干涉法检定工作台平面度的方法，以及多束光干涉原理和罗埃镜干涉原理在长度计量中的实际运用等方面；并从干涉光源单色性、干涉光源的强度、光源大小等方面对影响干涉条纹清晰度的原因进行了分析。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。

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。本论述通过介绍迈克尔逊干涉系统以及罗埃镜干涉原理和几种长度计量中容易被忽视的测量方法，阐述了光波干涉在实际长度精密计量中的具体运用，并从干涉光源单色性、干涉光源的强度、光源大小等方面对影响干涉条纹清晰度的原因进行了分析。

1　长度计量中光波干涉的运用及方法

1.1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，故光束入射角为零。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1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。如果把反射镜换成反射率很高的其他表面，并在工件和反射镜之间各放入显微系统，就形成了测量零件表面的干涉显微镜系统。在使用迈克尔逊的干涉仪器中，需要注意的是这些干涉系统都要采用补偿系统。

1.2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。

一般根据实验总结判断凸凹的方法有两种：

（1）根据颜色进行判别

根据白光干涉知道，0级干涉带是黑色（即接触点），一级干涉带干涉程差较小，各色光还未分开，故条纹颜色很深，以后干涉程差越大，彩色越不鲜明。故若工作台为凸起，则黑条纹在中间出现；如果工作台为凹表面，则黑条纹在边缘出现。

（2）在平晶上轻微加压进行判别

当在平晶上轻轻施压时，如果观察到条形条纹由中间向外跑，说明工作台为凸起；如果观察到条形条纹由外向里跑，说明工作台为凹表面。

1.3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入射、透射光线后，入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。

利用多光束干涉原理，除了可以制成干涉设备、测量仪器以外，还可以制造金属干涉滤光片，例如接触式干涉仪中的滤光片就是根据该原理做成的。该滤光片的波长准确性决定了仪器的精度，这种金属滤光片是在一块玻璃上先用真空方法镀上氟化镁介质，再镀上一层银介质，并保持其厚度为一定值。若是h=0.5461μm，则多光束干涉的结果要产生数个峰值波长。所以白炽灯光发出的连续光谱，通过金属干涉滤光片就可以得到某一波段的透射光，这种金属滤光片目前运用广泛。

1.4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。这种干涉测量法，同样可以用于测量螺纹的螺距、半角中径，只要把螺纹螺旋面转换成相对的曲率半径就可以，公式如下：

式中，d2——螺纹中径

α——螺纹螺形角同时还要考虑测量时对线受螺纹角的影响。通常，我们测量时多以线对线的测量方法，但很多测量中由于螺旋面的影响，总是使测量不确定度增大，用测量力能获得较小的测量不确定度，但安装调试非常麻烦。用干涉法测量时，目镜中米字线的压线不是零件像的边缘，而是采用离轮廓像最近的两条暗干涉带进行对线，这种用干涉法测量得到的结果一般比以线对线的测量方法得到的结果更接近于真值。故运用干涉法测量结果更准确可靠，测量过程更方便高效。

2　影响干涉条纹清晰度的原因分析

2.1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。例如：红光的波长较长，干涉条纹较宽；绿光的波长较短，干涉条纹较窄。由于各色光的干涉条纹宽度不同且相互影响，条纹将变得模糊，到了5～6条带以后就看不到干涉条纹了，而是一片白色。所以，在使用接触式干涉仪的过程中，要调整干涉带时，要人为形成单色光，我们通常加入滤光片来确保光源的单色性。

2.2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。也就是说：两束干涉光强度相同，条纹清晰程度就好；强度不同，条纹清晰程度就差；强度相差太悬殊，实际上就起不到干涉的作用，因而就没有干涉条纹的出现。

2.3光源大小对清晰度的影响

对于等厚干涉条纹来说，光源的大小与薄板的厚度有关。在板很薄时，即只有几个波长时，光源的大小可以不受限制；当板厚度增加时，光源就必须缩小（在照明灯前加小孔光栏），否则会造成干涉场上图样的模糊不清。这是因为光源上的不同点所发出的光线汇聚到场上的某一点，由于各自形成干涉条纹，这些干涉条纹在该点叠加后相互影响，导致图样模糊。

3　结束语

在几何量计量中，广泛运用光的干涉原理来进行精密测量工作。例如检定量块的平面度，用干涉显微镜测量物体表面粗糙度，用接触式干涉仪检定量块的示值误差，用激光双频干涉仪测量物体长度等都离不开光波干涉。由于利用光的干涉原理设计制造的测量设备一般可估读到条纹间隔的1/10，即十分之一波长，也就是说该类设备的分辨力更小，测量精度更高。

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。

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TH744

A

10.3969/j.issn.1672-6375.2016.09.011

2016-7-8

辛永强（1979-），男，汉族，甘肃兰州人，硕士，国家一级注册计量师，主要研究方向：几何量及光学仪器精密测量。