一种新型高精度平面度图像测量系统

　　1引言

　　目前，计量部门对于微米级以上的精度大平面(如Φ150mm的圆平晶、长210mm以上的长平晶或300mm长的刀口尺对板)的平面度测量大都采用平面等倾干涉仪。它直接通过人工瞄准干涉条纹并读数，测量精度只能达到入/10，重复精度低且费时。类似通过测量干涉条纹变化而感知被测量的文献「2,3]，都提到被测量与条纹变化量N的关系，但对其中的N都未详　　细说明，而N的确定是干涉条纹测量系统的关键所在。本文介绍的测量系统，在平面等倾干涉仪基础上，选用CCD图像采集系统，利用窗口尺跟踪技术得到精确的N，它为干涉条纹图像测量系统中条纹的变化量跟踪提供了一种可行的新方法。

　　2系统的构成及原理

　　2.1系统的构成

　　系统由两大部分组成(图1)。

　　2.1.1光学和机械部分由光学成像部分、安装被测件和标准器具的机械夹具及机械传动部分、以及用于等温用的恒温箱(控制温度范围为:20士0.5℃)和碘光源组成。

　　2.1.2计算机图像采集、处理、电机控制部分(系统改造中新增加部分)主要由三部分组成:一是步进电机、驱动器以及用于控制的接口板部分，用于电机控制;二是图像采集部分，由图像采集卡和CCD摄像机组成，用于采集干涉条纹图像;三是计算机及相关输入输出部分，完成所有的控制、存储、处理、显示等工作。

　　2.2工作原理

　　2.2.1平面等倾干涉基本原理光从一均匀介质射向另一均匀介质时，在另一介质上下表面反射，产生两束反射光。由于该两束反射光具有相干光的特征，因而在空间产生干涉现象，相同入射角的光形成相同直径的干涉条纹(图2)。

　　如果两束反射光的波面振幅分别为:

　　则两波面在空间干涉后光强分布是:

　　当两束反射光的光强相等时，形成的干涉条纹的强度与光程差之间的关系为:

　　式中Imax—干涉条纹最大光强   △—两束反射光的光程差   入—入射光波的波长而两束反射光的光程差与反射层厚度的关系为:

　　式中h—测量点介质层厚度n

　　—介质的折射率i—光的入射角系统利用等倾干涉原理，通过测量与入射角i直接相关的干涉条纹直径变化，得到标准平晶与被测量工件间空气层厚度相对于起始测量点的变化量，最终得到被测工件的平面度。

　　2.2.2系统成像原理碘光源发出的6328A单色光，经过光栅变为点光源，入射到聚光镜1上，经聚光镜的折射投到半反射透镜上，光经过反射后射向放在被测工件上面的标准平晶某一点，光穿过标准平晶后，在平晶与被测量工件间的空气层上下表面分别反射，形成两束反射光。这两束反射光经过半反射透镜后，穿过聚光镜投影到CCD的感光面上形成同心圆环状等倾干涉条纹。干涉条纹经CCD采集，计算机处理，得到被测量点与起始测量点的空气层厚度的差。被测件上各点在步进电机驱动下顺序通过光照区斑点，则在CCD上产生了各点的干涉条纹图像。