平面等厚干涉儀數(shù)顯化改造

顏 蓉 張改革 胡志剛

（1.江西省檢驗檢測認(rèn)證總院 計量科學(xué)研究院 南昌 330027；2.許昌市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心 河南許昌 461000）

1 引言

平晶作為平面度量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在幾何量檢測中發(fā)揮著重要作用，而平晶最主要的計量特性是平面度，其測量結(jié)果的準(zhǔn)確度將直接影響長度量值傳遞中的各個環(huán)節(jié)以及工件設(shè)備的互相性和精度。目前國內(nèi)大部分計量檢定機構(gòu)對平晶平面度測量主要采用光波干涉原理，幾乎都是使用中國計量科學(xué)研究院在上世紀(jì)70年代生產(chǎn)的Φ150mm口徑的平面等厚干涉儀進(jìn)行平晶檢定，該平面等厚干涉儀采用鈉光燈做光源，不帶標(biāo)準(zhǔn)平晶，具有光路簡單、使用方便等優(yōu)點，但其具有以下缺點：使用目鏡讀數(shù)，測量人員的主觀因素對測量影響較大；采用鈉光燈進(jìn)行照明，相干長度較小，視場較暗；使用時需要將被檢平晶和標(biāo)準(zhǔn)平晶進(jìn)行研合，不利于控制條紋走向和條紋數(shù)量，會加劇平晶工作面的磨損。

本文通過對傳統(tǒng)平面等厚干涉儀進(jìn)行平晶檢定過程中的讀數(shù)部分和數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行改進(jìn)，采用高分辨率的工業(yè)相機對干涉條紋圖像進(jìn)行采集，利用圖像處理軟件對圖像進(jìn)行自動識別和數(shù)據(jù)處理，可以解決傳統(tǒng)平面等厚干涉儀的測微目鏡結(jié)構(gòu)和人員因素產(chǎn)生的測量誤差，提高平晶檢定結(jié)果的準(zhǔn)確度，大大減輕檢定人員工作強度。

2 儀器數(shù)顯化改造方案

傳統(tǒng)平面等厚干涉儀檢定平晶主要是由干涉條紋、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等三部分組成。其中干涉條紋形成部分由等厚干涉儀、標(biāo)準(zhǔn)平晶等組成，依據(jù)光波等厚干涉原理形成干涉條紋，測量原理嚴(yán)密，具有非常高的準(zhǔn)確度；數(shù)據(jù)采集部分由人眼通過測微目鏡，對干涉條紋進(jìn)行對線瞄準(zhǔn)，并在測微鼓輪上進(jìn)行讀數(shù)，受視覺影響較大；數(shù)據(jù)處理部分是通過手工記錄、手工計算來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，工作繁瑣且效率較低。因此在保留傳統(tǒng)平面等厚干涉儀的原有光路系統(tǒng)不變且確保其能輸出準(zhǔn)確干涉條紋的前提下，僅對數(shù)據(jù)采集部分和數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行數(shù)顯化改造，如圖1所示。采用高精度工業(yè)相機代替測微目鏡進(jìn)行圖像識別采集，并將其采集的圖像信號通過接口傳輸?shù)接嬎銠C上。通過圖像處理軟件對干涉條紋進(jìn)行圖像濾波、像素細(xì)分、標(biāo)記、采樣等處理過程，得到相關(guān)的原始數(shù)據(jù)，并通過圖像處理軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算出被測平晶的平面度。

圖1 平面等厚干涉儀數(shù)顯化改造布置圖

3 儀器數(shù)顯化改造關(guān)鍵技術(shù)點

3.1 高精度工業(yè)相機選型設(shè)計

平面等厚干涉儀測微目鏡的作用是對其接管內(nèi)的干涉條紋進(jìn)行放大讀數(shù)，因此采用高分辨率的工業(yè)相機代替測微目鏡，對被檢平晶和標(biāo)準(zhǔn)平晶等厚干涉所產(chǎn)生的干涉條紋進(jìn)行識別并將其圖像采集后顯示在圖像處理軟件中。該環(huán)節(jié)的關(guān)鍵是如何將光學(xué)成像所得到的干涉條紋清晰識別，并能夠完整地采集和顯示平晶測量范圍內(nèi)的輪廓圖形，在此采用MV-UBS500M-T黑白工業(yè)相機對干涉條紋進(jìn)行采集，該工業(yè)相機采用1/2.5″CMOS傳感器，像素為500萬，像元尺寸為2.2 μm×2.2 μm，經(jīng)測試成像效果良好，其外形如圖2所示。

圖2 MV-UBS500M-T工業(yè)相機外形圖

3.2 鏡頭選型設(shè)計

在選擇工業(yè)相機鏡頭時主要是考慮焦距大小，焦距越長，在靶面上成像尺寸就越大，使用工業(yè)相機的最合理做法是使成像的面積占工業(yè)相機靶面尺寸的70%-80%，在平面等厚干涉儀中，干涉條紋的邊界就是平晶的邊緣，經(jīng)過計算選用25mm焦距鏡頭最佳，其視場角為19.60°，經(jīng)測試成像大小適中，鏡頭外形如圖3所示。

圖3 25mm焦距鏡頭外形圖

3.3 濾光片選型設(shè)計

平面等厚干涉儀的鈉光燈發(fā)出的光線經(jīng)過平晶干涉后所形成的干涉條紋的亮度不能太高，需要采用濾光片降低其光強，以滿足工業(yè)相機要求。因此為保證測量準(zhǔn)確度，濾光片采用中性濾光片，經(jīng)試驗采用透過率為 10%的中性濾光片，其光潔度為60/40，T=10%，波長為400nm～700nm。

3.4 圖像處理軟件設(shè)計

圖像處理軟件是用 MATLAB工具開發(fā)，通過使用 MATLAB圖像處理工具箱中的庫函數(shù)，可以大大減少在基本算法方面的工作，方便快速地得到處理完成的圖像。該軟件可以實時顯示平晶干涉圖像，可對干涉圖像進(jìn)行采集存儲、圖像濾波、細(xì)化，可以生成模擬十字線實現(xiàn)模擬測微目鏡測量干涉條紋功能，可自動測量平晶干涉圖像平面度彎曲量，原始記錄報告輸出，軟件界面如圖4所示。

圖4 圖像處理軟件界面

首先使用工業(yè)相機自帶的圖像采集程序拍攝灰度圖像然后存儲，然而工業(yè)相機采集到的干涉條紋圖像存在著一定的噪聲及缺陷，如圖5所示為Φ60 mm的平面平晶在鈉光燈源直射時的光未能被遮擋導(dǎo)致在CCD靶面上形成2個亮光斑。在采集到的圖像經(jīng)過圖像相減、灰度變換、圖像濾波、條紋細(xì)化、圖像二值化、圖像修整等一系列的處理后，才能進(jìn)行平晶的平面度測量，如圖6所示為圖5 Hilditch算法細(xì)化后的干涉條紋圖像。

圖5 工業(yè)相機采集的干涉條紋

圖6 Hilditch算法細(xì)化后干涉條紋

4 改造后平面等厚干涉儀的測量不確定度評定

1）概述

1.1 測量方法：依據(jù) JJG28-2019《平晶檢定規(guī)程》

1.2 環(huán)境條件：(20±2)℃

1.3 測量標(biāo)準(zhǔn)：平面等厚干涉儀(MPE:±0.02μm)，二等平面平晶

1.4 被測對象：Φ30mm-Φ100mm工作平晶

2）數(shù)學(xué)模型

式中：F為被檢平晶工作面平面度(μm)；D 為被檢平晶有效直徑(mm)；F0為標(biāo)準(zhǔn)平晶在96mm范圍內(nèi)平面度(μm)；Fi為平面等厚干涉儀測量值；

3）方差和靈敏系數(shù)

當(dāng)各輸入量相互獨立時：

Fi的靈敏系數(shù)C（Fi）=1

F0的靈敏系數(shù) C（F0）?(D/96)2

4）計算標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

4.1 平面等厚干涉儀測量值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fi)

（1）平面度測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fi)1

在重復(fù)條件下，對Fi值共進(jìn)行10次測量，按貝塞爾公式計算得出實驗標(biāo)準(zhǔn)差s：

s=0.003μm 即：u(Fi)1=0.003μm

（2）平面等厚干涉儀示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fi)2

由校準(zhǔn)證書可知150 mm內(nèi)儀器示值誤差不超過0.020 μm，該誤差在區(qū)間0.02 μm范圍內(nèi)認(rèn)為服從均勻分布，即u(Fi)2=0.020/=0.011 μm，實際測量范圍在100 mm范圍。

則u(Fi)2=0.007 μm

以上兩項合成為u(a)：u(a)＝0.008μm

4.2 標(biāo)準(zhǔn)平晶平面度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(F0)

(1) 二等標(biāo)準(zhǔn)平晶的平面度的測量不確定度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(F0)

二等平晶平面度的測量不確定度u(k=3)為0.020μm，則u(F)1＝0.020/3=0.0067μm

(2) 二等標(biāo)準(zhǔn)平晶兩截面平面度之差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(F0)2

二等標(biāo)準(zhǔn)平晶兩截面平面度差值≤0.005μm ，認(rèn)為該差值在區(qū)間為0.0050μm內(nèi)為均勻分布，則

u(F0)2=0.005/=0.003μm

4.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的計算

當(dāng) D=Φ100mm 時：uc(F)= 0.010 μm

當(dāng) D=Φ60mm 時：uc(F)= 0.008 μm

當(dāng) D=Φ30mm 時，uc(F)= 0.008 μm

4.4 擴展不確定度評定

D =Φ100m 時，U=k×uc=0.010 × 2 =0.020μm ，k=2

D =Φ60m時，U=k × uc=0.008 × 2 = 0.016μm ，k=2

D =Φ30m 時，U=k ×uc=0.008× 2 = 0.016μm ，k=2。

5 結(jié)語

本文在保留平面等厚干涉儀的原有光路系統(tǒng)確保其輸出準(zhǔn)確的干涉條紋的前提下，采用高分辨率的工業(yè)相機對干涉條紋圖像進(jìn)行采集，利用圖像處理軟件對圖像進(jìn)行自動識別和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)了平晶檢定數(shù)據(jù)存儲處理自動化，改造后儀器各項精度指標(biāo)滿足平晶檢定的要求，不僅提高了平晶檢定的準(zhǔn)確度，而且提高了平晶檢定效率。