（光学工程专业论文）高等级量块自动激光干涉测量系统的研究.pdf

堕兰兰篁笙兰 壹竺堡星鉴旦垫堂堂! 鲨型里墨竺! 墅墅翌上 摘要 l 随着我国加入世界贸易组织的f 临近，以及适应我国经济的发展，因此，我 国在量块计量方面必须尽快与国际组织( 国际标准化协会i s o ( i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d so r g n i z a t i o n ) 和国际计量法制协会o i m l ( o r g n i s a t i o ni n t e r n a t i o n a l d e m e t r 0 1 0 9 i el e g a l e ) ) 及相关国际标准接轨。为此，我国修订了原量块部颁标准 为量块国家标准，修订了原量块国家计量检定规程，并制定了一个适用于全量 量块，长度测量不确定度为d = ( o0 5 + 05x l ) f m ，其中的单位均为m 。这样t 原有的光机型计量测试仪器柯氏干涉仪己不能适应新标准的需要，迫切需 要研制新型的高精度测量仪器。第九个五年计划期间，原国防科工委立项，由 由国防第一计量测试中心研制激光量块干涉i 望如上海市计量测试研究院立项 技术改造柯氏干涉仪为光、机、面算相结合融软、硬件一体的仪器( 下称新 型柯氏干涉仪) 。前者将用于新的1 等量块测量，后者将用于新的2 等量块测量。 导师项目组协作参加该两项的科研工作，本论文是以此为背景就某些学术技术 关键问题开展研究，撰写论文。 量块激光干涉仪采用了稳频的h e n e 激光器作光源，经光纤传输光线进入 干涉仪作为测量波长，c c d 接收干涉图像，自动图像处理系统分析处理干涉条 纹图像，被测量块长度经量块温度和环境参数修正诸擎后，给出量块检定的测 量结果，完成一个量块自动化、智能化的测量过程。脸文中研究应用移相干涉 术测量新的i 等量块的方法。对干涉图像进行多蝠笪采样，由移相法计算量 块测量面和与其研合的辅助钢平晶表面的波面面形，尤其研究了在量块干涉图 中有阶跃不连续的波面复原运算的原理与技术，得到一幅表征它们的离散波差 值，再把离散波差值拟合为连续、光滑曲面表示的波差值数据，计算量块测量 面上任意点的干涉条纹小数韶分，并经量块温度和环境参数自动修正后，从而 得到被测量量块的测量结果。( - 读数是客观的，测量过程是自动的，提高了测量 效率。作者参加了我国第一台新的l 等量块测量仪器的研制，完成一套应用移 相干涉术的量块长度测量的软件系统，给出被测量块测量面的面形波差，提供 协作单位作为参考应用技术基础。，把移相干涉术应用到量块测量，这在我国量 块测量技术上是一个新的创举。y 论文中研究了新型的柯氏光波干涉仪用于翌熳新的2 等量块的测量系统。 f 系统改用两只稳频的诼五确宪器弋蔼 警：疗i ，- o6 3 3fm 和 ，：o5 4 3 脚) 作 为测量波长，替代原有的光源氪( k r ) 等光谱辐射灯，大大改善了干涉条纹的亮 度和对比度，论文中研究了量块测量中干涉条纹的分析识别技术，创新地利用 数字图像处理技术和频域f f t 方法分析处理干涉条纹，去除噪声，缅：c e 手i 夏j 纹- 拜百芴读取重蕻舜面苌茇两手话磊历习蔼f 1 翮判读，发展到光电蒜测。， 图像处理，定量测量，提高了读数分辨率和测量不确定度，自动的双波长小数 如妁j 篆 摘要2 0 0 0 年1 0 月 重合法计算量块的中心长度，并实时地读取环境参数( 空气压力，大气压力， 水蒸气压力( 绝对湿度) ) 以及量块温度，对测量结果，修正计算后，最后得到 被测量块的中心长度，干涉仪测量系统完成一个自动的测量量块中心长度的过 程，提供了一套工程化应用的计量测试软件，基本上满足并解决了新的2 等量 块检测时对量块中心长度自动激光干涉测量的要求。、卜一7 粼计量一沙环移澎相够耗秒一缈 稳频激光 “ 一 v o 堕主兰笙堕茎 壹竺堡里鉴! 垫堂堂三鲨型呈墨竺堕堕至旦 a b s t r a c t w i t ht h ei m m i n e n c eo fi o i n i n gi h ew o r l dt r a d eo r g a n i z a t i o n ，t h eg a u g e b l o c k m e a s u r e m e n ts t a n d a r d so fo u rc o u n t r ys h o u l db em o d i f i e dt o m e e tt h o s eo ft h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s o r g a n i z a t i o n ( i s o ) a n do r g a n i z a t i o n i n t e r n a t i o n a id e m e t r o l o g i el e g a l e ( o i m l 、a n d o t h e rr e l a t e di n t e m a t i o n a ls t a n d a r d sa ss o o na s p o s s i b l ei no r d e rt o f i ti nw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m yt h u st h e d e p a r t m e n tg a u g eb l o c ks t a n d a r d sa r er e v i s e da n dr e e r e c t e da st h en a t i o n a lg a u g e b l o c ks t a n d a r d sa n dt h eo l dn a t i o n a jm e a s u r e m e n tr u l e si sm o d i f i e d ，a n dan e w g a u g eb l o c kn a t i o n a lm e a s u r e m e n tr u l ej j g l 4 6 9 4 w h i c hc a nb eu s e di nf u l lr a n g e a n df u l l g r a d e ，i s e n a c t e dan e wf i r s t g r a d eg a u g eb l o c k ，w h o s eu n c e r t a i n t y i s ( o0 2 + 02 l ) “m ( 三i s t h el e n g t ho f t h eg a u g eb l o c kw i t ht h e u n i t 脚) ，i sa d d e dw h i l e t h ef o r m e rf i r s tg r a d eg a u g eb l o c ki sr e p l a c e db yan e ws e c o n dg r a d eg a u g eb l o c k w h o s eu n c e r t a i n t yi s ( o0 5 + 05 上) 口m i st h el e n g t ho ft h eg a u g eb l o c kw i t ht h e u n i t 卅1i nt h i sw a y , t h ep r e v i o u so p t i c a l m e c h a n i c a lt y p ei n s t r u m e n to fm e a s u r i n g a n dt e s t i n g k 6 s t e r so p t i c a lw a v ei n t e r f e r o m e t e rd o e sn o ts a r i s f yt h en e ws t a n d a r d s a n dt h en e wr u l et h e r e f o r e i ti s u r g e n t l yn e e d e dt od e v e l o pan e wh i g h p r e c i s i o n i n s t r u m e n t d u r i n g t h en i n t h f i v e y e a rp l a n ，t h e f o r m e rc o m m i s s i o no fs c i e n c e t e c h n o l o g y & i n d u s t r yf o r n a t i o n a ld e f e n s es e t u p ap r o j e c t g a u g el a s e r i n t e r f e r o m e t e rw a sd e v e l o p e db yt h en a t i o n a ld e f e n s ef i r s ti n s t i t u t ec e n t e ro f m e a s u r e m e n ta n dt e s ta n o t h e rp r o j e c t t h ek 6 s t e r so p t i c a lw a v ei n t e r f e r o m e t e ri s m o d i f i e d b y t h e s h a n g h a i r e s e a r c hi n s t i t u t eo fm e t r o l o g ya n dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y t ot h en e w s t y l e t h ek 6 s t e r s o p t i c a l w a v e i n t e r f e r o m e t e r ，t h e i n t e r f e r o m e t e ri sa o p t i c a l - m e c h a n i c a l e l e c t r i c c a l c u l a t i o n a l i n s t r u m e n t w h i c h i n c l u d e ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e t e c h n o l o g y t h ef o r m e rp r o j e c tw i l lb eu s e dt o m e a s u r et h en e wf i r s tg r a d eg a u g eb l o c k ，a n dt h el a t t e ro n ew i l lb eu s e dt om e a s u r e n e ws e c o n dg r a d eg a u g eb l o c km y s u p e r v i s o r sr e s e a r c hg r o u pt o o kp a r ti nt h et w o r e s e a r c hp r o j e c t s ，a n dt h i s p a p e rf o c u s e so ns o m eo ft h e i ra c a d e m i ct e c h n i c a lk e y p r o b l e m s i ng a u g el a s e ri n t e r f e r o m e t e r , t h ef r e q u e n c ys t a b i l i z e dl a s e ri su s e da sl i g h tr e s o u r c e t h el i g h ti st r a n s m i t t e db yt h eo p t i c a lf i b e ri n t ot h ei n t e r f e r o m e t e r , t h ei n t e r f e f e n c e p a t t e r n si sc a p t u r e db yc c d a n dp r o c e s s e db ya na u t o m a t i ci m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m a f t e rt h el e n g t ho ft h eg a u g ei sm o d i f i e d b yt e m p e r a t u r eo ft h eg a u g ea n da m b i e n t p a r a m e t e r s ，w ec a ng e tt h eg a u g ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ，t h u sa na u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n t m e a s u r i n gp r o c e d u r el sc o m p l e t e di nt h i sp a p e r ，t h em e t h o do fm e a s u r i n gn e wf i r s t g r a d eg a u g eb l o c kb yp h a s e s h i f ti n t e r f e r o m e t r yh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y , m u l t i f l a m e i n t e r f e r e n c ep a t t e r n sa r ec a p t u r e db yc c d ，t h e nt h es h a p eo ft h em e a s u r e ds u f f a c eo f v t h eg a u g ea n dt h ea s s i s t a n tr e f e r e n c ef l a tt ob ew r u n ga r eo b t a i n e db yp h a s e s h i f t a r i t h m e t i ci n p a r t i c u l a r ，t h eu n w r a p p i n gw a v e f r o n tp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g yw h e n t h e r ea r es t e pa n dd i s c o n t i n u i t yi nt h eg a u g ei n t e r f e r e n c ep a t t e r n sa r es t u d i e di nt h i s p a p e r ，a n dt h ed i s c r e t ew a v e e r r o ri sc a l c u l a t e d ，w h i c hi sf i t t e dt ob eac o n t i n u o u sa n d s m o o t hs u r f a c et h e nt h ei n t e r f e f e n c e f r i n g e s f r a c t i o no fa r b i t r a r y p o i n t o ng a u g e s u f f a c ei sc a l c u l a t e d ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l t so ft h eg a u g ec a nb eo b t a i n e da f t e ri t a u t o m a t i c a l l y m o d i f i e d b y t h eg a u g e t e m p e r a t u r e a n da m b i e n t p a r a m e t e r s t h e p r o c e s so fm e a s u r e m e n ti s a u t o m a t i c a n dt h er e a d i n gi so b j e c t i v et h ea u t h o rh a s t o o k p a r t i nt h er e s e a r c ho ft h ef i r s t g r a d eg a u g em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，a n d f i n i s h e ds o f t w a r eo f g a u g eb l o c km e a s u r e m e n tw i t hp h a s e s h i f ti n t e r f e r o m e t r y , w h i c h p r e s e n t st h es u r f a c es h a p ew a v ee r r o ro f t h eg a u g et h ea p p l i c a t i o no f p h a s e s h i f t i n t e r f e r o m e t r yi ng a u g em e a s u r e m e n ti so r i g i n a l t h ep a p e rs t u d i e dam e a s u r e m e n ts y s t e mo fn e wt y p eo fk 6 s t e r s o p t i c a lw a v e i n t e r f e r o m e t e r ，a n da p p l i e di tt om e a s u r en e ws e c o n dg r a d eg a u g eb l o c kt w o s t a b i l i z e dh e n e l a s e r ( w a v e l e n g t h r = 06 3 3 掣ma n da 产05 4 3fm ) a r eu s e d a s i l l u m i n a t i v es y s t e m ，w h i c h r e p l a c e dt h ep r e v i o u sk r y p t o nl a m p ，i m p r o v i n gb r i g h t n e s s a n dc o n t r a s tg r e a t l yt h e p a p e ra n a l y z e si n t e r f e r e n c ep a t t e r n st e c h n o l o g yi nt h eg a u g e b l o c km e a s u r e m e n t u s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ef f t m e t h o dt o a n a l y z e a n d p r o c e s s i n t e r f e r e n c e f r i n g e s ，t og e t r i do f f r i n g e s n o i s e ，t ot h i n i n t e r f e r e n c e p a t t e r n s ，a n d t or e a dt h ef r a c t i o no fc e n t r a l f r i n g e s o fg a u g eb l o c k a u t o m a t i c a l l y t h em e t h o do fe s t i m a t i n gb ye y ei n t oo p t o e l e c t r i cd e t e c t i n g ，a n di m a g e p r o c e s s i n g ，q u a n t i f i c a t i o n a l l ym e a s u r i n gg a u g eb l o c k , w h i c hi m p r o v e d r e a d i n g r e s o l u t i o na n d u n c e r t a i n t yd o u b l ew a v e l e n g t hi n t e r f e r e n c ef r i n g e sf r a c t i o nc o i n c i d e n t m e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h ec e n t r a l l e n g t ho fg a u g eb l o c kt h em e a s u r e m e n t s y s t e mr e a d r e a l t i m ea m b i e n tp a r a m e t e r s ( a i r t e m p e r a t u r e ，a t m o s p h e r i cp r e s s u r e ， v a p o rp r e s s u r e ( a b s o l u t eh u m i d i t y ) ) a n dg a u g et e m p e r a t u r et h ec e n t r a l l e r i g t h o f g a u g e b l o c kc a nb eo b t a i n e d b ym o d i f y i n gt h em e a s u r e m e n tr e s u l tw i t hg a u g e t e m p e r a t u r ea n da m b i e n tp a r a m e t e r s a na u t o m a t i cm e a s u r e m e n to f t h ec e n t r a il e n g t h o f g a u g eb l o c ki sc o m p l e t e d ，a n dae n g i n e e r i n ga p p l i e ds o f t w a r ef o rm e a s u r e m e n ta n d t e s t i n gl sp r o v i d e da sw e l l t h ec a ns a t i s f i e sar e q u e s to fn e ws e c o n dg r a d eg a u g e b l o c kf o rm e a s u r e m e n to f t h ea u t o m a t i c g a u g eb l o c kl a s e ri n t e r f e r e n c e k e yw o r d s ：g a u g eb l o c k ，m e a s u r e m e n t ，i n t e r f e r o m e t e r ，a m b i e n t p a r a m e t e r s 、 p h a s e 。s h i f ti n t e r f e r o m e t r y ，f r i n g em e t h o d ，i n t e r f e r e n c e p a t t e r n ，f r e q u e n c ys t a b i l i z e d l a s e r 高等级量块自动激光干涉测量系统的研究 绪论 l 课题研究的背景 为适应我国经济的发展，在许多工业生产领域，特别是机械加工、精密仪 器和电子工业领域，均对精密长度计量提出了很高的要求。在各种长度量具中， 量块是使用最广泛和准确度较高的实物标准量具之一，在长度的量值传递中起 着很重要的作用。量块的长度常被用作计量器具的标准。通过它对长度计量仪 器、量具和量规等示值误差的检定、对精密机械零件尺寸的测量和对精密机床、 夹具在加工中定位尺寸的调整等方式，把机械制造中各种制成品的尺寸，与国 家的以至国际的实现米定义所推荐的基准光谱辐射线的波长联系起来，以达到 长度量值在全国和国际间的统一，使零件、配件都具有良好的互换性。 随着我国加入国际世界贸易组织，国际间的技术交流与合作将越来越频繁。 因此，我国在量块方面必须尽快与国际标准化组织( i s o ) 和国际法制计量组织 ( o m 几) 及相关国际文件接轨。与国际组织( i s o 和o i m l ) 关于量块的技术 要求方面相接轨必须解决两个方面的问题： 第一软件方面 l 要制定与之接轨的我国新的量块国家标准i l l 。 在原来的量块部颁标准j b l 0 7 8 6 7 中最高为0 级，量块新的国家标准中要 求提高并增设0 0 级( 即对标称长度偏差的允许值由d = ( o1 0 + 2 l ) z 删提高到 d = ( o0 5 + l e 砌) ，其中l 为量块的标称长度，单位为脚，下同； 2 要制定与之相接轨的我国新的量块国家计量检定系统和新的量块国 家计量检定规程。并对部分要作大的改进1 ； ( 1 ) 要增设新的1 等量块( 其长度测量不确定度要求提高到： d = ( o 0 2 + o 2 上枷) ； ( 2 ) 要把旧的1 等量块( 其长度测量不确定度为：d = ( 0 0 5 + 0 5 ) 朋) 改为新的2 等量块； ( 3 ) 要撤消旧的2 等量块( 其长度测量不确定度为：d = ( o0 7 + l x ) 朋) ； ( 4 ) 要把旧的3 等量块( 其长度测量不确定度为：d = f o1 0 + 2 x l ) p m 改 为新的3 等量块( 其长度测量不确定度为：d = ( 0 1 0 + 1 ) 删) ； ! 堕i 型鉴坐旦 ( 5 ) 要把旧的4 等量块( 其长度测量不确定度为：d = ( o 2 0 + 35 ) m 改为新的4 等量块( 其长度测量不确定度为：d = 【0 2 0 + 2 l ) p r o ) ： ( 6 ) 修改相关的名词和定义。 第二硬件方面口。2 0 1 1 改进5 0 年代量块的精加工工艺装备，以适应把最高只能加工0 级量块提 7 高到能加工o o 级量块的需要； 2 要研制和改进只能测量1 等量块长度( 其长度测量不确定度为： d ：( 00 5 + o5 l ) ，册) 的测量设备，以适应国际法制计量组织相关的文件量 块国际建议g a u g eb l o c ko i m li r 3 0 1 9 8 0 ) ) 和长度计量器具国际检定系统 h i e r a c h es c h e m ef o rl e n g t hm e a s u r i n gi n s t r u m e n t 国际文件i d 一1 9 8 8 ) ) 规定的技 术要求。为此，我国必须研制量块测量的一种新方法，其长度测量不确定度应 不低于：d = ( 0 0 2 + o2 x l k 删； 3 提高新2 等量块测量设备的测量效率，这是由于： ( 1 ) 旧的1 等量块要套改为新的2 等量块； ( 2 ) 被取消的旧2 等量块，有部分要套改为新的2 等量块； ( 3 ) 按规定在生产中大量的0 级量块要使用不低于新2 等量块的测量方法 进行测量。 因此，在全国使用中、修理后和新制造的量块中，新2 等量块和0 级量块 的数量将大大地增多。5 0 年代建立起来的能够测量旧的1 等量块长度( 其长度 测量不确定度为：d = ( o0 5 + o5 枷”) 的测量方法，就其长度测量不确定度 来讲可以测量新2 等量块的长度，但其测量效率将远不能满足要求。为此，我 国必须研制一种新的量块长度测量方法，在保证其长度测量不确定度 d = ( o 0 5 + o5 l ) o n 的前提下还要大大提高测量效率。 4 要按接轨后的技术要求生产出相当数量的新量块，以便替换仍在使用按 新要求衡量不合格又无法修理的量块。 - 由此可见，实现接轨必将涉及到量块的加工、生产、修理和长度测量方法 等硬件方面的问题；也涉及到制定量块国家标准、量块国家计量检定规 程、量块国家计量检定系统和量块计量技术管理办法等软件方面的问题。 所以，这是一个涉及到范围比较广泛的系统工程。 按照硬件、软件相结合，先易后难分步骤实施接轨的方针，近年来，我国 已陆续制定编制了一系列关于量块新技术的文件，如量块国家标准0 8 6 0 9 3 8 5 、长度计量器具( 量块部分)国家计量检定系统j j g 2 0 5 6 9 0 、3 6 等 量块国家计量检定规程j j g l o o 一9 1 、薄量块国家计量检定规程j j g 7 6 7 9 2 、硬质合金量块国家计量检定规程j j g 8 4 9 9 3 、长度( 量块) 计量保证 堕! 兰堡堡壅壹竺堡量坚! 垫堂堂王鲨型里至堕塑! 壅二 方案国家计量技术规范j j g l 0 4 5 9 3 和量块国家计量检定规程j j g l 4 6 一9 4 旧 ，这些文件已经取代了量块部颁标准j b l 0 7 8 6 7 、量块国家计量检定 规程ij g l 4 67 6 和2 6 等量块国家计量检定规程j j g l 0 0 8 l ，运系列 关于量块新的技术文件都已经与国际文件，如国际标准量块( g a u g eb l o c k 1 s 03 6 5 0 1 9 7 8 ) 、国际建议量块( g a u g e b l o c ko i m li r3 0 1 9 8 0 ) 、国际 文件长度计量器具国际检定系统( h i e r a c h e s c h e m ef o rl e n g t hm e a s u r i n g i n s t r u m e n ti d 一1 9 8 8 ) 和国际建议量块第三章补充( r e v i s i o no fc h a p t e r 3t oi r3 0 1 9 9 0 ) 的技术要求相接轨了”“3 。 在八十年代初期，我国量块精加工的研究成果使量块测量面的表面粗糙度、 平面度、长度变动量和长度偏差的精加工质量有可能达到并正常地生产出符合 量块国际标准i s o3 6 5 0 1 9 7 8 和量块国家标准g b 6 0 9 3 8 5 技术要求 的量块。多年来，在量块长度测量方法的研究、符合接轨要求量块的生产、现 代计量仪器的改进和新型计量仪器的研制等各方面取得突破性的进展，有力地 推动了我国量块与国际相应技术要求接轨的进程。1 9 9 5 年2 月1 日颁布实施的 量块国家计量检定规程j j g l 4 6 - 9 4 ) ) 标志着新旧两种等级同时并存的“过度 期”已经结束。 在量块长度测量技术方面，七十年代末期，我国研制的第一台j l g 型激光 量块干涉仪是应用光波干涉条纹定位、光波干涉条纹脉冲计数的光波干涉仪。 在八十年代初期，我国安装使用又几经完善的j l g 型激光量块干涉仪可以测量 0 5 1 0 0 0 脚量块的长度，其测量不确定度为( o0 3 + 0 2 ) 册。并且确认在 i l g 型激光量块干涉仪上测是长度大于1 0 0 1 0 0 0 r m 其对量块长度测量不确定 度达到了新标准的要求。这给制定长度大于1 0 0 1 0 0 0 m m 量块检定规程创造了 有力的条件。 在现有光波干涉仪上采用动、静态图像测量系统的研究成果表明：高精度 量块动、静测量系统的研究，在0 5 1 0 0 脚，量块长度测量不确定度优于新标准 的要求，达到了( 0 0 1 6 0 0 3 2 ) u r n 。我国已经研制出的具有广泛用途的系 列计量仪器m 1 唧】，为我国在量块的计量、制造、使用技术等方面与国际标准化 组织( i s o ) 和国际法制计量组织( o i m l ) 相关的量块技术要求接轨创造了有 力的条件。三种仪器的数据如表1 所示，其中，b j g 一1 型量块激光干涉仪适用 于钟表行业小规格、小量程的专用量块的检定；g l i 1 0 0 型薄量块激光干涉仪 具有较高的测量效率，适用于新的2 等或其以下，新的0 级或其以下常用量块 的检定；c d i 1 0 0 型量块激光干涉仪具有较高的测量不确定度和较高的测量效 率，适用于新的1 等或其以下，新的0 0 级或其以下常用量块的检定。这些大都 是接触定位干涉测量法，仪器使用一种可精确控制测量力的电感测头使定位精 度小于1 0 n m 。仪器的类型是迈克尔逊干涉仪，以测量位移来测量量块的长度。 目前对于2 0 m m 以上的量块其测量值和柯氏干涉仪相差较大。对于l 等量块的 直接测量方法是一项正在研究中的课题，除了接触定位干涉测量法外，还有改 进的原干涉条纹小数重合法原理，仪器类型有柯氏干涉仪或泰曼一格林型干涉 绪言 2 0 0 0 年1 0 月 仪，这些仪器要求测量人员的技术要高，测量效率低，对于薄量块由于与平晶 研合引起的量块长度的测量不确定性对于1 等量块精度的要求也是很大的。为 了研究高精度1 等量块测量，国防科工委第一计量测试研究中心承担了我们国 家高精度的“1 0 0 m m 的1 等量块自动激光干涉测量”，导师课题组作为协作单 位对应用移相干涉术测量量块的技术也进行了深入的研究。同时，为了研究高 精度新的2 等量块测量，上海市计量测试技术研究院承担了柯氏干涉仪的改造， 导师课题组也作为协作单位对应用条纹法处理技术测量量块的技术作了深入的 研究。本论文以这两个仪器为背景，就某些关键技术问题作深入研究而撰写。 表1 已经研制的量块激光干涉仪数据 序号量块激光干涉仪 量块长度测量不确定度( u ) 达蛩的指标( a n ) 代号测量范围实际测量理论分析预期要求 1b j g 1o0 5 lo0 4 6o0 3 5o0 7 2g l i 1 0 0 o5 l o o ( o0 3 5 + 0 4 6 1 ) ( 0 0 4 + o4 8 1 )( 00 5 + 0 5 1 ) 3c d l l 0 005 1 0 0 ( 00 1 5 + 0 1 5 1 )( 0 0 1 8 + 01 8 1 )( 0 0 2 + 02 x 1 ) 2 量块干涉计量技术的发展概况 近年来，国内外在发展光学检测新技术、研制新仪器方面都是综合了光、 机、电、算技术，采用了一种应用图像处理技术来分析处理干涉条纹数据的方 法1 2 1 - 5 4 1 ，使仪器能实时地测出被测件的物理量( 面形、波像差及微小长度量) 。 随着稳频激光和现代干涉仪的发展，用干涉法测量几何长度精度有了很大 提高。量块是长度计量领域中使用最广泛和准确度较高的实物标准量具之一。 柯氏光波干涉仪是较高精度的测量量块长度的仪器，被测量块研合在一个抛光 了的辅助平晶参考平面上，并且放在干涉仪中，产生一组横过量块和平晶的干 涉条纹。在量块上条纹位移相对于平晶上条纹位移是干涉条纹的小数部分，通 过人眼依次对多种波长的每一种波长目测估计其干涉条纹的实测小数部分。如 果较准确地预测量块的实际长度( 15 , u m 以内) ，预测长度除以光谱波长的 一半所得到的小数部分是对应于该光谱线的理论小数部分。用小数重合法求取 被测量块在测量条件下对其标称长度的偏差值。尽管现有的干涉仪测量系统有 极好的性能，但是它还是依赖于有经验的操作技术人员，而且非常消耗时间。 最重要的问题之一是操作人员从由光谱灯提供的低亮度的干涉图像中估读干涉 条纹位移( 条纹小数) 。特别是对于长量块测量中，光源的时间相干性短引起被 观察的干涉条纹的可见度下降。此外操作人员利用玻璃水银温度计，无液气压 表通风式的湿度计分别人工地测量空气温度，大气压力和水蒸气压力( 绝对湿 度) 等环境参数口3 】。在测量一组量块的过程中，仅仅能读取有限的几组环境参 数，而且人工操作会引起环境条件的变化，由此而产生的不确定度将被带入到 被测量块的测量结果中去。 随着科技的不断发展，测量不确定度优于( o0 2 + 02 l )i 的l 等量块检测 技术越来越要求对非整数级条纹作精确测量。被测量块的, u 个n 测量面研合在一 竖主堂垡堕茎 堕篓丝量堡! 垫燮垄三鲨型里至堕塑! ! ! l 二 个辅助平晶的测量面上，以干涉条纹小数部分重合方式，用光谱辐射线的波长 直接测量被测量块长度，是基于光波干涉理论。被测量块的长度为： = ( 十s ) ( a 2 ) ( 1 ) 等效于用光的半波长( 目l j - + 光波干涉条纹) 为间隔的刻度尺，测量量块的长 度。数出干涉条纹间隔的整数部分和干涉条纹的小数部分占，只要所用光源光 谱辐射线的波长五己知，即可得到被测量块的长度l 。 用传统的干涉测量方法”i ，只能对量块指定点长度进行测量，例如，量块的 中心长度就是量块一个测量面上的中心点到与该量块此面相对的另一测量面之 间的垂直距离，量块的长度变动量就是在量块测量面上( 不包括距其四周侧面 各为o8 m m 的区域) 任意点长度中的最大长度k 与该量块测量面上任意点长度 中的最小长度三。之差的绝对值，而在实际测量中则用“量块测量面的中心点和 距相邻两侧面各为15 m m 的四周各代表点位置的量块最大长度和最小长度之差 的绝对值来表示”，不能反映被测量块测量面的平面度( 包容量块测量面而且其 间距离为最小的两平行平面之间的距离) ，而且目视判读干涉条纹，测量效率低。 为了探索和寻求更为高效，更为完善的测量方法来解决高精度量块长度的测量 问题，给出整个量块测量面上任意一点到与该量块此面相对的另- - n 量面之间 的垂直距离，即量块( 在测量面上任意点) 的长度，并给出量块测量面的平面 度及量块长度变动量，我们在现有干涉测量方法的基础上，采用稳频的h e ，n e 激光器，利用高精度的移相干涉术的特点，对多幅干涉图像的处理，给定这些 测量结果。 被测量块的一个测量面研合在一个辅助平晶的测量面上，以干涉条纹小数 重合方式，用光谱灯辐射线的波长直接测量被测量块中心长度的方法在量块计 量领域得到广泛的应用 3 , 5 5 - 5 7 】。传统的光波干涉仪，如英国( n p l ) 的海尔格瓦 兹( h i l g e r w a t t s ) 光波干涉仪、原德意志民主共和国的柯氏( k 0 s t e r s ) 光波干 涉仪，原德意志联邦共和国的奥普通( o p t o n ) 光波干涉仪和日本的津上光波干 涉仪等都属于这一类测量原理。以柯氏光波干涉仪上直接测量量块中心长度为 例，柯氏干涉仪是一种准确度较高的量块中心长度绝对测量仪器，其中量块中 心长度的小数部分是通过目测估读对应于不同光谱灯辐射线光波干涉条纹的小 数部分，称为实测读数小数。预测长度除以光谱灯辐射线波长的一半所得到的 小数部分是对应于该光谱灯辐射线的理论小数，计算与换算是把实测小数与理 论小数一一对应地相减，得到一组差数小数，预制的专用计算尺是根据干涉条 纹小数重合法求取被测量块中心长度在测量条件下对其标称长度的偏差值，移 动专用计算尺上的游标线，寻找与这一组计算差数小数相重合( 或最为接近) 的一组读数小数( 称为计算尺上重合时读数小数) ，此时，游标线所对应计算尺 上的长度偏差值即为被测量块的中心长度在该测量条件下对其标称长度的偏差 值。这些过程都是用目测和手工操作来完成的，人为带来的误差和劳动强度相 对而言比较大。 为了提高测量精度，减小操作人员的劳动强度，在本文中研究j ，应用激光 技术和数字图像处理技术以及f f t 方法分析单幅干涉图像“s s s ) ，并解决了量块 中心长度绝对测量中干涉条纹小数部分的自动判读，即量块中心长度的实测读 绪言 数小数的测量，而且自动计算与换算成对其标称长度的偏差值。主要的中心思 想是将原来在柯氏干涉仪上由人为主观测量量块中心长度的过程改为由计算机 且高对比度的正弦波干涉条纹能更好地适合计算机分析处理，利用数字图像处 理技术和f f t 方法分析处理并自动读取量块中心长度的干涉条纹小数，自动小 数重合法计算量块的中心长度，并实时地读取环境参数( 空气压力，大气压力， 经修正计算后，最后得到被测量块的中心长度，干涉仪测量系统完成一个自动 3 本论文的主要研究工作 件接轨，其中，对解决新的l 、2 等量块检定方法的研究、试验难度比较大，工 作也比较多。国防科工委第一计量测试研究中心作为我国具法定权威的长度计 量单位承担了高精度的“1 0 0 m m 的1 等量块自动激光干涉测量”。上海市计量 测试技术研究院作为我国华东地区具法定权威的长度计量单位承担了高精度新 的2 等量块测量方法的研究柯氏干涉仪的改造。他们的工作标志了我国在该领 域最先进的水平，我们作为协作单位，参加了该项工作。本论文就是结合新的 l 、2 等量块的测量方法、测量原理以及测量系统方面作了比较深入系统的研究。 涉技术应用于测量量块，采样多幅干涉图像进行分析处理，计算量块表面和与 塑錾辱孽篓墼墨萼黩- 研囊i 壅里整塑王挲尴露：i 塞墅：萝法。 差篇器湫黼戮荐焉黟器糯萎熊盏蒜往传统的测量方法的测量耍验数据进行了比较，并证实了测量结果与传统的测 量方法具有法定权威和具有较高置信度的测量结果之间，没有明显的系统误差， 3 在第二章中研究了新的2 等量块的测量问题。创堑地应用条纹法处理王涉图 像的技术自动测量量块，利用数字图像处理技术和磊亍j 蒙霸帝霞e 垂委；蓿动读 取量块中心长度的干涉条纹小数，自动的双波长小数重合法计算量块的中心长 度，具有很高的准确性、重复性，并实时地读取环境参数( 空气压力，大气压 力，水蒸气压力( 绝对湿度) ) 以及量块温度，对由干涉仪直接测量得到的测量 结果，