一等量块光波干涉测量要件

　　0 引 言

　　一等量块代表着目前人们期望并可实现的端面长度最佳测量水平。如图 1 示意，基于光波干涉理论，通过等厚干涉光学系统，CCD 摄像机获得与被测量块长度相关的干涉条纹图像，经对量块温度和测量环境空气温度、大气压力、湿度和二氧化碳等参数的测量和相应修正，应用干涉条纹小数重合法，被测一等量块长度 Lb可表达为：

　　在上述一等量块光波干涉长度测量表达式中，干涉条纹整数部分 K，可通过其他测量方式的预测来确定;对于一等量块测量波长λ，目前已有 633 nm(红)、612 nm(橙黄)和 543 nm(绿)稳频激光实际可用[1];而成熟的理论计算与实验也已完备地解决了测量光倾斜修正 C4的问题。

　　1 干涉条纹小数部分(ε)

　　干涉条纹小数的分辩率和测量不确定度是开展一等量块测量的支撑基础。如图 2 示意，所谓干涉条纹小数是指干涉参考面分别与量块和量块辅助体工作面产生的干涉条纹位置差(a)与干涉条纹间距(b)的比，即 ε=a/b。

　　计算机由 CCD 得到干涉图像，对其进行逐像素灰度级别的数字化处理，从而在 CCD 像素矩阵坐标系上可得到干涉条纹光强分布，并将灰度低于最大灰度 35%以下的区域考虑为暗条纹区域。在保证图像光强分布对称性(优于 90%)与干涉条纹对比度(大于 120 个灰度级别)的前提条件下，等概率考虑影响灰度分布的各因素，暗条纹灰度与像素乘积的面积中心，便是正确性和重复性最佳的各暗干涉条纹几何中心。如每一干涉条纹间距(b)对应 120 个以上 CCD像素，在其他相关条件的支撑下，干涉条纹小数可实现优于 0.010 个干涉条纹的分辩率(约 3 nm)。

　　由于被测量块遮挡了量块辅助体研合区域，测量无法直接获得量块辅助体上实际定位干涉条纹;再考虑到干涉参考面、被测量块和量块辅助体工作面平面度导致干涉条纹畸变弯曲[2]，测量须对视场中各段干涉条纹进行平差和拟合处理，以客观准确地求出量块辅助体实际定位干涉条纹中心(图中虚线坐标位置)。实验表明，干涉条纹小数的标准不确定度可达到0.007 个干涉条纹(约 2 nm)。

　　事实上，上述测量所得量块长度实际上是涉及干涉条纹小数的量块上干涉条纹中心处的量块任意长度。就测量量块中心长度而言，为降低量块长度变动量对量块中心长度测量的影响，测量须将该干涉条纹中心与量块工作面几何中心重合。通过量块边缘对应CCD 像素灰度的突变，可在 CCD 矩阵坐标系上得到量块工作面边缘及工作面几何中心，利用计算机在该中心生成一瞄准靶，调节干涉系统可实现该量块干涉条纹中心与瞄准靶的重合。最终，通过计算机判断，可将该干涉条纹中心与量块工作面几何中心重合控制在(0.05～0.10)mm范围以内[3]。