CN110595351B - 具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其测量步骤为：在白光干涉仪的光路中分光光路前增加通光孔径相同平行光路系统，并在其中放置标准具；调整干涉仪的干涉条纹，将干涉仪两个相干光路调整到完全垂直；调整使两相干光自分光点至两参考镜的距离相等，出现白光零次干涉带；通过参考镜和量块工作台的调整，达到钢平晶上的干涉带平行于被测量块短边，并且被测量块上的零次干涉带通过被测量块中部的中点；测出钢平晶上的零次干涉带与被测量块中心点上零次干涉带的距离并修正。本发明方法提高了量块测量精度，不会产生粗大误差，提高测量效率，不磨损，寿命长，易于实现测量的自动化与半自动化，可以进行许多精密测量。

Description

具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法

技术领域

本发明属于长度量值测量技术领域，具体涉及了一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法。

背景技术

目前，测量量块中心长度的相关仪器的研制层出不穷，至今归纳有如下几种：1）小数重合法原理的光波干涉仪，这类装置的测量范围分为0.5-100mm和125-1000mm两种，测量不确定度达到，满足1等量块的测量要求；2）接触式激光量块测长仪，这类装置的测量范围为0.5-100mm，只能测量2、3等量块；3）基于电感测微仪、摄像以及光栅式等原理的自动化比较仪，其主要功能是代替传统的肉眼主观判读，代之以计算机自动判读标准量块和被测量块的差值，并实现测量数据的自动处理。这些仪器均取得了成功，有的在仪器的分辨率、性能上均较原接触式干涉仪有了提高。

量块技术规范的制定、量块测量仪器的研制，至今都取得了长足发展，但是量块测量准确度的提高始终是量块计量技术人员的研究课题和不懈追求。量块测量相关技术的研究课题包括：量块激光干涉仪各部件的精心设计和调试；量块干涉测量位相修正的研究；量块线膨胀系数的测定以及非钢质量块的测量技术，干涉条纹小数部分、空气折射率、量块温度、量块线膨胀系数的测量等方面。另外，传统仪器在进行长度传递时必须使用基准量块实现被测量块的溯源性。这样就不可避免地造成基准量块的磨损，降低其精度，减少其寿命。其次，量块的自动化检定，特别是量块生产厂的批量自动分选等级都急需相关技术的研发。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，提高精密测量的精度，不会产生粗大误差，易于实现测量的自动化与半自动化。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，在白光干涉仪光路中加入平行光路系统，标准具置于其中；其测量步骤如下：

步骤1：在白光干涉仪的分光光路前增加通光孔径相同的平行光系统，在此平行光系统中放置标准具；

步骤2：调整白光干涉仪的相干光路；

将白光干涉仪两个相干光路调整到完全垂直，即两相干光完全重合，采用单色光照明时能够看到干涉条纹；

对于接触式白光干涉仪其干涉系统是完整的，出厂时应已调好；对于检定一等量块的白光干涉仪，其被测量块及研合的钢平晶构成相干光路中一支的参考平面，在调整干涉时先将被测量块研合在钢平晶上，并放置在量块工作台上，构成完整的干涉系统，再调整相干光路；

步骤3：调整出零次白光干涉条纹；

在单色光照明下能够看到单色干涉条纹，此时增加白光照明，调整使两相干光自分光点至两参考镜的距离相等，在调整过程单色光干涉条纹越来越清晰，最终在单色光干涉条纹中出现白光彩色干涉带组，彩色干涉带中，零次黑色干涉条纹最清晰；将干涉带的方向和间隔调整至所需；

对于接触式白光干涉仪出厂时都应调整好；

对于一等量块白光干涉仪，此时在钢平晶和被测量块上能够同时看到零次黑色干涉条纹，先调整钢平晶上的零次黑色干涉条纹，使其平行于被测量块的短边，及适当的间隔；然后上下调整工作台，使被测量块上的零次黑色干涉条纹通过被测量块的中心点，再次检查钢平晶上的干涉带是否仍旧平行于被测量块短边，钢平晶的质量应保证此时在工作台放入任意一块钢平晶都能看到单色光干涉条纹；

步骤4：进行量值测量；

对于接触式白光干涉仪，将测头与工作台的测球或筋接触找到转折点，并调整零次干涉带于视场中间的零刻线，进行读数a₁；再将测头升高放入被测量块，根据干涉仪主体上的光栅读数让测头与被测量块接触，得到被测量块的第二个读数a₂，被测量块与标准具的尺寸差L=a₂-a₁；

对于一等小量块白光干涉仪，测量被测量块中心点的零次干涉带至钢平晶上的零次干涉带在单色光下的距离L₁，以及用单色光测量钢平晶上的N条干涉带间的距离L₂，求出量块与标准具尺寸差L=L₁×N×λ/(2×L₂)，λ为单色光波长；

检定纳米级传感器：干涉仪与传感器同时与工作台接触，传感器位于零位时，零次干涉带位于视场中央零刻线读数为a_0，传感器对到相应受检点时干涉仪的读数为a_i，则传感器在该点与标准具的差值L_i=a_i-a₀；

步骤5：确定被测量实际尺寸；标准具尺寸加上与其尺寸差L，再加上环境条件的修正，得到被测量块的准确尺寸。

进一步的，在步骤1中，标准具中的空气应与大气相通；对于尺寸较大的被测物，标准具应尽量与被测物靠近，保证标准具内的空气与被测物附近的空气折射率一致。

进一步的，测量高等级量块时，整个测量装置置于保温罩内，且在保温罩内采用温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别采集温度、湿度、气压，并对温度、湿度、气压进行调控，使得空气各项参数满足JJG 146-2003 量块检定规程的要求。

进一步的，在步骤4中，通过面阵CCD测出钢平晶上的零次干涉带与被测量块中心点上零次干涉带的距离；从被测量块的零次干涉条纹到钢平晶上的零次干涉条纹的方向与工作台向上移动时干涉条纹的运动方向一致时，表明量块上零次干涉带的光程比钢平晶上的零次干涉带的光程大；即表明量块尺寸比标准具尺寸小；则其差值取负值，相反则取正值。

进一步的，在步骤2中，所述白光干涉仪采用单色光源，单色光源为白光基础上加干涉滤光片产生或采用单色光源进行切换产生。

进一步的，在步骤5中，所述被测量块的修正值是通过传感器测出空气的气压、温度、湿度参数对标准具进行长度修正，进而转换至标准参数状况下的测量结果。

进一步的，所述标准具的标准尺寸与被测量块的尺寸相同，或者采用一定倍数的光学倍增方法达到与被测量块尺寸一致，或者用标准具尺寸的和差方法达到与被测量块尺寸一致。

进一步的，尺寸小于或等于100mm的白光干涉仪，所述标准具与被测量块都处于立式状态；尺寸大于100mm的白光干涉仪，则为卧式状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明用不接触的标准具代替检定2-5等量块所用要接触测量的基准量块，用标准具直接测量量块，所以效率高、不磨损，用基准量块要先在基准量块上校准，然后再测量被测量块。这样效率低、对基准量块有磨损。

2）用一套标准具就可以检定不同等级的量块，而不需要大量的基准量块。

3）用白光干涉仪测量零次干涉带，比现有的方法在较大程差的单色光干涉带的图像要清晰很多，当然电信号也要强很多倍；所以用白光干涉仪测量不仅效率高，而且准确，还避免发生粗大误差。

4）由于标准具在测量中是非接触的，没有磨损，所以它的使用寿命长，检定周期时间比基准量块要长，可以减少送检的管理费用和材料的消费的费用。

5）由于标准具采用光学倍增及和差处理方法，可以大大减少标准具的数量。从而降低标准具的费用；采用差法可以测量极小尺寸，而避免小尺寸标准具制造困难。

6）用标准具检定低等级量块用一套标准具时，由于标准具的精度高，可以适当放宽环境条件的要求，也可以节省环境条件的费用。

7）由于提高精密测量的精度，不会产生粗大误差，所以易于实现测量的自动化与半自动化；特别是量块生产厂对同一尺寸的大批量量块进行分选时更显得自动化测量的效果。

8）标准具加白光干涉仪不仅可以检定各等级量块，还可以检定标准环规、标准硬度计压痕尺寸的测量、精密仪器(如电子显微镜等)的定度、纳米级传感器的检定等等。

附图说明

图1是本发明中采用白光干涉仪进行量块测量的光路原理图。

图2是本发明中检定高等级量块白光干涉仪视野图。

图1：1-光源、2-光栏、3-透镜、4-第一反射镜、5-标准具工位台、6-标准具、7-第二反射镜、8-被测量块、9-成像透镜、10-面阵CCD、11-分束镜、12-补偿玻璃、13-参考镜、14-量块工位台、15-钢平晶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明是用标准具6量值采用白光干涉仪测量，将量值传递到被测长度尺寸。采用白光干涉仪，在其光路中增加放置标准具6，达到被测长度尺寸与标准具6的标准长度尺寸作比较，而得到被测尺寸的实际尺寸。为达到测量的准确性，白光干涉仪应有单色光源作为定度用。单色光源可以是在白光基础上加干涉滤光片，或采用单色光源进行切换。白光干涉仪的结构与原理不作任何限制。量块量值是通过传感器测出空气的气压、温度、湿度等参数对特制标准具进行长度修正，进而转换至标准参数状况下的测量结果。

如图1所示，测量仪器整个光路及其相应器件都被良好的保温罩覆盖。光源由白光和单色光组成，置于保温罩外；单色光由一般的钠光灯、钾光灯、水银灯或白光加干涉滤光片构成，白光、单色光可由程序控制自动生成。检定一等量块的白光干涉仪其光路通光孔径不得小于40mm，接触式白光干涉仪的通光孔径不受限制。常用检定100mm及其以下量块的仪器是立式的，所以标准具6在光路中及其在检定时也应是立式的。检定100mm以上量块的仪器是卧式的，标准具6在光路中及其在检定时也应是卧式的。

为保证标准具6内空气与白光干涉仪光路的空气折射率一致，应将标准具6与被测量块8的位置尽量靠近，标准具6的空间应与大气相通。为控制保温罩内空气各项参数满足JJG 146-2003 量块检定规程的要求，保温罩内应有测量温度、湿度、气压的传感器，在保温罩外显示其测量结果并调控。

由于被测量块8检定等温时间较长，而检定时间较短，为提高效率，标准具工位台5及量块工作台14应有多个工位放置标准具6和被测量块8进行等温和准备测量，一次等温可以检定多块被测量块8。

被测量块8研合在钢平晶15上，放置在量块工作台14上。量块研合技术需要进行培训，要达到研合膜厚度变化小于5nm。由于钢平晶15及标准具6零件的尺寸公差的控制及仪器事先已有调整，所以当标准具6及被测量块8放入工作台上即可看到单色光干涉带。通过参考镜13和量块工作台14的调整，达到钢平晶15上的干涉带平行于被测量块8短边，适当的干涉带条纹的间距，并且被测量块8上的零次干涉带通过被测量块8中部的中点，在钢平晶15上也能看到零次干涉带如图2所示，对于1000mmK级大量块，由于偏差较大可能在钢平晶15上看不到零次干涉带，采取适当措施仍然能进行准确测量；这些操作也可以通过压电陶瓷实现自动调整。

在调整过程中应确定钢平晶15上的零次干涉带在被测量块8中点位置的上面，表明被测量块8大于标准具6尺寸或小于标准具6尺寸。在工作台上升时，看钢平晶15上的干涉带的移动方向，并确定之。通过面阵CCD（电荷藕合器件图像传感器）测出钢平晶15上的零次干涉带与被测量块8中心点上零次干涉带的距离，即可知道被测量块8与标准具6的差值，加上各种修正值得到被测量块8中心长度的实际尺寸。

本发明的测量对象包括一等量块在内的各精度等级的量块，以及光滑量规、光滑环规、三线直径尺寸、硬度块标准压痕尺寸、纳米级传感器的检定、电子显微镜视场定度、重力加速度精密测量、超精密工作台位移量的定度等等。

为减少标准具6的数量和降低成本，标准具6的标准尺寸除了与被测量块8尺寸相同外，可以采用一定倍数的光学倍增方法达到与被测量块8尺寸一致，还可以用标准具6尺寸的和差方法达到与被测量块8尺寸一致。对于高精度测量，光学倍增应不大于4倍，因此测量尺寸不大于1000mm以内的标准具6尺寸最大为300mm。在测量不确定度允许条件下，光学倍增倍数可以达到6-8倍。标准具6尺寸的和差法可以解决许多特殊尺寸，如检定千分尺、卡尺的专用量块尺寸；还可以解决小尺寸测量问题，因为小尺寸标准具6是不易制造，特别是小于1mm尺寸，从而降低仪器成本。用于标准具6量值传递的，其空间应与大气相通；标准具6的制作材料应与被测对象的材料一致。对于高精度测量标准具6应尽量与被测对象近一些，标准具6的放置方式也应与被测对象的放置方式（立式或卧式）一致，对测量环境的要求应与被测对象测量不确定度对环境要求相一致。

对于高精度测量，干涉条纹的读取必须采用CCD器件测量；对于低精度测量允许用观测零次干涉条纹在刻度尺位置进行测量。对于被测量块8尺寸与标准具6尺寸相差超过10个干涉条纹时，可以增密干涉条纹的间距，使零次干涉条纹落在视场范围内，便于进行初测，然后调宽干涉带间隔再用单色光进行条纹小数的精密测量；例如大尺寸的K级量块对标准具尺寸之差就有可能超过10个干涉条纹。

标准具6用接触式白光干涉仪测量一等量块也能够满足其不确定度的要求，由于它不符合国际米定义，不能用于国家级计量部门检定一等量块。但可用于其它等级量块的检定。对于非国家级计量部门在通过国家验证许可，可以检定境内一等量块检定。对于量块生产厂通过国家验证许可，可以对生产的0级和K级量块进行出厂检定。在检定一等量块时，把一等量块的主要误差给了标准具6，检定量块时是比较测量，由于标准具与量块材料相同，没有主要误差，主要误差以标准具的基准误差形式计入，因此对总误差影响不大。

Claims (8)

1.一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，在白光干涉仪光路中加入平行光路系统，标准具置于其中；其测量步骤如下：

步骤1：在白光干涉仪的分光光路前增加通光孔径相同的平行光系统，在此平行光系统中放置标准具（6）；

步骤2：调整白光干涉仪的相干光路；

将白光干涉仪两个相干光路调整到完全垂直，即两相干光完全重合，采用单色光照明时能够看到干涉条纹；

对于接触式白光干涉仪其干涉系统是完整的，出厂时应已调好；对于检定一等量块的白光干涉仪，其被测量块(8)及研合的钢平晶(15)构成相干光路中一支的参考平面，在调整干涉时先将被测量块（8）研合在钢平晶（15）上，并放置在量块工作台（14）上，构成完整的干涉系统，再调整相干光路；

步骤3：调整出零次白光干涉条纹；

在单色光照明下能够看到单色干涉条纹，此时增加白光照明，调整使两相干光自分光点至两参考镜的距离相等，在调整过程单色光干涉条纹越来越清晰，最终在单色光干涉条纹中出现白光彩色干涉带组，彩色干涉带中，零次黑色干涉条纹最清晰；将干涉带的方向和间隔调整至所需；

对于接触式白光干涉仪出厂时都应调整好；

对于一等量块白光干涉仪，此时在钢平晶(15)和被测量块（8）上能够同时看到零次黑色干涉条纹，先调整钢平晶上的零次黑色干涉条纹，使其平行于被测量块（8）的短边，及适当的间隔；然后上下调整工作台，使被测量块（8）上的零次黑色干涉条纹通过被测量块（8）的中心点，再次检查钢平晶上的干涉带是否仍旧平行于被测量块（8）短边，钢平晶(15)的质量应保证此时在工作台放入任意一块钢平晶（15）都能看到单色光干涉条纹；

步骤4：进行量值测量；

对于接触式白光干涉仪，将测头与工作台的测球或筋接触找到转折点，并调整零次干涉带于视场中间的零刻线，进行读数a₁；再将测头升高放入被测量块（8），根据干涉仪主体上的光栅读数让测头与被测量块（8）接触，得到被测量块（8）的第二个读数a₂，被测量块（8）与标准具（6）的尺寸差L=a₂-a₁；

对于一等小量块白光干涉仪，测量被测量块（8）中心点的零次干涉带至钢平晶（15）上的零次干涉带在单色光下的距离L₁，以及用单色光测量钢平晶（15）上的N条干涉带间的距离L₂，求出量块与标准具尺寸差L=L₁×N×λ/(2×L₂)，λ为单色光波长；

检定纳米级传感器：干涉仪与传感器同时与工作台接触，传感器位于零位时，零次干涉带位于视场中央零刻线读数为a_0，传感器对到相应受检点时干涉仪的读数为a_i，则传感器在该点与标准具（6）的差值L_i=a_i-a₀；

步骤5：确定被测量实际尺寸；

标准具（6）尺寸加上与其尺寸差L，再加上环境条件的修正，得到被测量块（8）的准确尺寸。

2.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，在步骤1中，标准具中的空气应与大气相通；对于尺寸较大的被测物，标准具（6）应尽量与被测物靠近，保证标准具（6）内的空气与被测物附近的空气折射率一致。

3.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，测量高等级量块时，整个测量装置置于保温罩内，且在保温罩内采用温度传感器、湿度传感器、气压传感器分别采集温度、湿度、气压，并对温度、湿度、气压进行调控，使得空气各项参数满足JJG 146-2003 量块检定规程的要求。

4.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，在步骤4中，通过面阵CCD（10）测出钢平晶（15）上的零次干涉带与被测量块（8）中心点上零次干涉带的距离；从被测量块（8）的零次干涉条纹到钢平晶（15）上的零次干涉条纹的方向与工作台向上移动时干涉条纹的运动方向一致时，表明量块上零次干涉带的光程比钢平晶（15）上的零次干涉带的光程大；即表明量块尺寸比标准具尺寸小；则其差值取负值，相反则取正值。

5.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，在步骤2中，所述白光干涉仪采用单色光源，单色光源为白光基础上加干涉滤光片产生或采用单色光源进行切换产生。

6.根据权利要求1所述的一种具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，在步骤5中，所述被测量块（8）的修正值是通过传感器测出空气的气压、温度、湿度参数对标准具（6）进行长度修正，进而转换至标准参数状况下的测量结果。

7.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，所述标准具（6）的标准尺寸与被测量块（8）的尺寸相同，或者采用一定倍数的光学倍增方法达到与被测量块（8）尺寸一致，或者用标准具（6）尺寸的和差方法达到与被测量块（8）尺寸一致。

8.根据权利要求1所述的具有标准具的白光干涉仪的量值测量方法，其特征在于，尺寸小于或等于100mm的白光干涉仪，所述标准具（6）与被测量块（8）都处于立式状态；尺寸大于100mm的白光干涉仪，则为卧式状态。

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