基于平面等倾干涉原理的平面度视觉测量系统

　　平面等倾干涉仪作为目前计量部门最高精度平面度测量仪器,广泛地用于高精度的平面度标准件测量[1]。由于该仪器完全通过人裸眼瞄准和读取模糊的干涉条纹数据,同时通过手工或配以计算机进行复杂的运算,得到被测量标准件的平面度误差,结果使得测量效率和精度很难满足实际检测需要,成为计量部门的一大难题。大量的研究文献介绍了用于不同场景的干涉条纹图像测量[2~5]系统,但没能从图像角度解决小数波长计数问题。为解决高精度条纹计数,笔者介绍一种新颖的基于平面等倾干涉原理的平面度测试系统:CCD摄像头用于提取随平面度变化的条纹图像信息,依据条纹的中心对称原理,只处理部分选定窗口中的条纹信息,根据条纹在窗口中的位置和相邻前前一测量点条纹的位置,得到测量点相对于起测点的条纹变化量,它反映了测量点和起测点的高度差。该系统不仅能得到整数倍的条纹变化量信息,同时可得到反映微小倍数的条纹变化量。试验证明,由于系统解决好了干涉条纹的细分计数等问题,因而具有非常高的测量速度和精度。

　　1　系统构成及原理

　　1.1　系统的构成

　　测量系统由两大部分组成,如图1所示。

　　光学和机械部分由光学成像部分、被测件和标准件的机械夹具及机械传动部分、以及用于等温的恒温箱和光源组成。

　　计算机图像采集、处理、控制部分,一是步进电机、驱动器以及控制接口板,用于机械传动控制;二是图像采集部分,它由图像采样卡和CCD摄像机和相应软件组成,保证干涉条纹信息抓取;三是计算机及相关外围设备软硬件,所有的控制、存储、处理等工作由它完成。

　　1.2　平面等倾干涉基本原理

　　当入射光从一均匀介质以一定的入射角射向另一均匀介质时,光在另一介质上下表面反射形成两束反射光(如图2)。由于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同一级干涉条纹(如图3)。

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：

其中：

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关系为：

　　其中:Imax—干涉条纹最大光强;Δ—两束反射光的光程差;λ—入射光波的波长。

由几何光学理论知，光程差与反射层介质厚度关系为：

　　其中:h为测量点介质层厚度,n为介质的折射率,i为入射光的入射角。

　　该测量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变化,进而推断出空气层厚度h的变化,得到被测量标准件表面的平面度。