平面等厚干涉仪数显化改造

颜 蓉 张改革 胡志刚

（1.江西省检验检测认证总院 计量科学研究院 南昌 330027；2.许昌市质量技术监督检验测试中心 河南许昌 461000）

1 引言

平晶作为平面度量值传递标准，在几何量检测中发挥着重要作用，而平晶最主要的计量特性是平面度，其测量结果的准确度将直接影响长度量值传递中的各个环节以及工件设备的互相性和精度。目前国内大部分计量检定机构对平晶平面度测量主要采用光波干涉原理，几乎都是使用中国计量科学研究院在上世纪70年代生产的Φ150mm口径的平面等厚干涉仪进行平晶检定，该平面等厚干涉仪采用钠光灯做光源，不带标准平晶，具有光路简单、使用方便等优点，但其具有以下缺点：使用目镜读数，测量人员的主观因素对测量影响较大；采用钠光灯进行照明，相干长度较小，视场较暗；使用时需要将被检平晶和标准平晶进行研合，不利于控制条纹走向和条纹数量，会加剧平晶工作面的磨损。

本文通过对传统平面等厚干涉仪进行平晶检定过程中的读数部分和数据处理部分进行改进，采用高分辨率的工业相机对干涉条纹图像进行采集，利用图像处理软件对图像进行自动识别和数据处理，可以解决传统平面等厚干涉仪的测微目镜结构和人员因素产生的测量误差，提高平晶检定结果的准确度，大大减轻检定人员工作强度。

2 仪器数显化改造方案

传统平面等厚干涉仪检定平晶主要是由干涉条纹、数据采集和数据处理等三部分组成。其中干涉条纹形成部分由等厚干涉仪、标准平晶等组成，依据光波等厚干涉原理形成干涉条纹，测量原理严密，具有非常高的准确度；数据采集部分由人眼通过测微目镜，对干涉条纹进行对线瞄准，并在测微鼓轮上进行读数，受视觉影响较大；数据处理部分是通过手工记录、手工计算来实现数据处理，工作繁琐且效率较低。因此在保留传统平面等厚干涉仪的原有光路系统不变且确保其能输出准确干涉条纹的前提下，仅对数据采集部分和数据处理部分进行数显化改造，如图1所示。采用高精度工业相机代替测微目镜进行图像识别采集，并将其采集的图像信号通过接口传输到计算机上。通过图像处理软件对干涉条纹进行图像滤波、像素细分、标记、采样等处理过程，得到相关的原始数据，并通过图像处理软件对原始数据进行处理，计算出被测平晶的平面度。

图1 平面等厚干涉仪数显化改造布置图

3 仪器数显化改造关键技术点

3.1 高精度工业相机选型设计

平面等厚干涉仪测微目镜的作用是对其接管内的干涉条纹进行放大读数，因此采用高分辨率的工业相机代替测微目镜，对被检平晶和标准平晶等厚干涉所产生的干涉条纹进行识别并将其图像采集后显示在图像处理软件中。该环节的关键是如何将光学成像所得到的干涉条纹清晰识别，并能够完整地采集和显示平晶测量范围内的轮廓图形，在此采用MV-UBS500M-T黑白工业相机对干涉条纹进行采集，该工业相机采用1/2.5″CMOS传感器，像素为500万，像元尺寸为2.2 μm×2.2 μm，经测试成像效果良好，其外形如图2所示。

图2 MV-UBS500M-T工业相机外形图

3.2 镜头选型设计

在选择工业相机镜头时主要是考虑焦距大小，焦距越长，在靶面上成像尺寸就越大，使用工业相机的最合理做法是使成像的面积占工业相机靶面尺寸的70%-80%，在平面等厚干涉仪中，干涉条纹的边界就是平晶的边缘，经过计算选用25mm焦距镜头最佳，其视场角为19.60°，经测试成像大小适中，镜头外形如图3所示。

图3 25mm焦距镜头外形图

3.3 滤光片选型设计

平面等厚干涉仪的钠光灯发出的光线经过平晶干涉后所形成的干涉条纹的亮度不能太高，需要采用滤光片降低其光强，以满足工业相机要求。因此为保证测量准确度，滤光片采用中性滤光片，经试验采用透过率为 10%的中性滤光片，其光洁度为60/40，T=10%，波长为400nm～700nm。

3.4 图像处理软件设计

图像处理软件是用 MATLAB工具开发，通过使用 MATLAB图像处理工具箱中的库函数，可以大大减少在基本算法方面的工作，方便快速地得到处理完成的图像。该软件可以实时显示平晶干涉图像，可对干涉图像进行采集存储、图像滤波、细化，可以生成模拟十字线实现模拟测微目镜测量干涉条纹功能，可自动测量平晶干涉图像平面度弯曲量，原始记录报告输出，软件界面如图4所示。

图4 图像处理软件界面

首先使用工业相机自带的图像采集程序拍摄灰度图像然后存储，然而工业相机采集到的干涉条纹图像存在着一定的噪声及缺陷，如图5所示为Φ60 mm的平面平晶在钠光灯源直射时的光未能被遮挡导致在CCD靶面上形成2个亮光斑。在采集到的图像经过图像相减、灰度变换、图像滤波、条纹细化、图像二值化、图像修整等一系列的处理后，才能进行平晶的平面度测量，如图6所示为图5 Hilditch算法细化后的干涉条纹图像。

图5 工业相机采集的干涉条纹

图6 Hilditch算法细化后干涉条纹

4 改造后平面等厚干涉仪的测量不确定度评定

1）概述

1.1 测量方法：依据 JJG28-2019《平晶检定规程》

1.2 环境条件：(20±2)℃

1.3 测量标准：平面等厚干涉仪(MPE:±0.02μm)，二等平面平晶

1.4 被测对象：Φ30mm-Φ100mm工作平晶

2）数学模型

式中：F为被检平晶工作面平面度(μm)；D 为被检平晶有效直径(mm)；F0为标准平晶在96mm范围内平面度(μm)；Fi为平面等厚干涉仪测量值；

3）方差和灵敏系数

当各输入量相互独立时：

Fi的灵敏系数C（Fi）=1

F0的灵敏系数 C（F0）−(D/96)2

4）计算标准不确定度分量

4.1 平面等厚干涉仪测量值引入的标准不确定度u(Fi)

（1）平面度测量重复性引入的标准不确定度u(Fi)1

在重复条件下，对Fi值共进行10次测量，按贝塞尔公式计算得出实验标准差s：

s=0.003μm 即：u(Fi)1=0.003μm

（2）平面等厚干涉仪示值误差引入的标准不确定度u(Fi)2

由校准证书可知150 mm内仪器示值误差不超过0.020 μm，该误差在区间0.02 μm范围内认为服从均匀分布，即u(Fi)2=0.020/=0.011 μm，实际测量范围在100 mm范围。

则u(Fi)2=0.007 μm

以上两项合成为u(a)：u(a)＝0.008μm

4.2 标准平晶平面度引入的标准不确定度u(F0)

(1) 二等标准平晶的平面度的测量不确定度引入的标准不确定度u(F0)

二等平晶平面度的测量不确定度u(k=3)为0.020μm，则u(F)1＝0.020/3=0.0067μm

(2) 二等标准平晶两截面平面度之差引入的标准不确定度u(F0)2

二等标准平晶两截面平面度差值≤0.005μm ，认为该差值在区间为0.0050μm内为均匀分布，则

u(F0)2=0.005/=0.003μm

4.3 合成标准不确定度uc的计算

当 D=Φ100mm 时：uc(F)= 0.010 μm

当 D=Φ60mm 时：uc(F)= 0.008 μm

当 D=Φ30mm 时，uc(F)= 0.008 μm

4.4 扩展不确定度评定

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

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

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

5 结语

本文在保留平面等厚干涉仪的原有光路系统确保其输出准确的干涉条纹的前提下，采用高分辨率的工业相机对干涉条纹图像进行采集，利用图像处理软件对图像进行自动识别和数据处理，实现了平晶检定数据存储处理自动化，改造后仪器各项精度指标满足平晶检定的要求，不仅提高了平晶检定的准确度，而且提高了平晶检定效率。