阶跃型边界平面干涉测量技术

　　0 引言

　　平面样板测量在几何量测量中具有重要地位。随着技术的发展，工业生产与科学研究领域对平面样板的测量准确程度提出了新的要求，特别是测量具有复杂结构的平面样板，传统意义上的平面干涉仪[1 -2]已经无法胜任，研究适合特殊结构平面样板的测量技术及仪器对提升相关技术具有重要的现实意义。小数重合法和波长合成技术是经典的应用技术，用于多种干涉测量系统; 相位偏移测量技术以其拥有的技术优势在平面干涉测量中广泛应用并不断发展。基于上述技术的测量仪器及相关研究工作为实现复杂平面测量提供了基础条件。开展数字化测量技术及图像处理技术的研究工作，能够进一步提升干涉测量的应用领域和测量水平。针对复杂平面干涉测量的发展需要，文中提出了开展阶跃型边界平面测量研究的思路与办法;将波长合成技术和小数重合法应用到相位偏移干涉测量系统; 研究了相关图像处理及相位还原技术，将数字图像处理技术的优势发挥到复杂平面干涉测量领域中去。该项工作将在精密测量领域中发挥重要作用。

　　1 平面干涉测量系统

　　光学干涉测量方法是一种非接触的测量手段，对测量对象没有损害，因此广泛应用到精密检测当中。平面干涉仪对于测量一定口径的样板的平面度及表面形貌是一种较好选择，通常能够满足测量结果的要求。这里讨论的测量技术及结果都是基于平面干涉测量仪器，其工作原理如图 1 所示。泰曼 - 格林型干涉仪以 He-Ne 激光波长为基准，通过测量干涉条纹的小数部分得到干涉波面的几何参数的测量信息。

　　由原理图可以看出，为了提高测量准确度，仪器的光学系统采用相位偏移干涉技术和数字图像处理技术，也就是使干涉仪中参考光束在一个干涉周期 2π内，作轴向等间距位移 (压电晶体 PZT 来实现)，使干涉图像相对探测器作整体有规则平移，对应每次移动都可以获得一幅干涉条纹图像，通过这几幅干涉图像光强合成可精确地计算出被测面上任意点相位值。图 2 为该干涉仪的干涉图示意图，图中中心方形区域和底部存在高度差，用干涉条纹表示时，图中ε为测量结果的小数部分，I0为干涉带的宽度代表 2π相位差或 λ/2 的位移值。可见在测量具有阶跃型边界的平面样板时，通常需将该样板划分几个区域，通过不同区域表面的相位之间的比较，计算出平面样板最终的几何形貌信息。

　　2 平面干涉测量中的小数重合法和双波长合成技术

　　平面干涉测量通过获取干涉图像中的测量相位而最终确定测量形貌信息的。通常光学干涉仪测量长度时，干涉仪的干涉条纹和被测光程差之间存在如下的关系: