平面等厚干涉儀數顯化改造

顏 蓉 張改革 胡志剛

（1.江西省檢驗檢測認證總院 計量科學研究院 南昌 330027；2.許昌市質量技術監督檢驗測試中心 河南許昌 461000）

1 引言

平晶作為平面度量值傳遞標準，在幾何量檢測中發揮著重要作用，而平晶最主要的計量特性是平面度，其測量結果的準確度將直接影響長度量值傳遞中的各個環節以及工件設備的互相性和精度。目前國內大部分計量檢定機構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研究院在上世紀70年代生產的Φ150mm口徑的平面等厚干涉儀進行平晶檢定，該平面等厚干涉儀采用鈉光燈做光源，不帶標準平晶，具有光路簡單、使用方便等優點，但其具有以下缺點：使用目鏡讀數，測量人員的主觀因素對測量影響較大；采用鈉光燈進行照明，相干長度較小，視場較暗；使用時需要將被檢平晶和標準平晶進行研合，不利于控制條紋走向和條紋數量，會加劇平晶工作面的磨損。

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

2 儀器數顯化改造方案

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

圖1 平面等厚干涉儀數顯化改造布置圖

3 儀器數顯化改造關鍵技術點

3.1 高精度工業相機選型設計

平面等厚干涉儀測微目鏡的作用是對其接管內的干涉條紋進行放大讀數，因此采用高分辨率的工業相機代替測微目鏡，對被檢平晶和標準平晶等厚干涉所產生的干涉條紋進行識別并將其圖像采集后顯示在圖像處理軟件中。該環節的關鍵是如何將光學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的輪廓圖形，在此采用MV-UBS500M-T黑白工業相機對干涉條紋進行采集，該工業相機采用1/2.5″CMOS傳感器，像素為500萬，像元尺寸為2.2 μm×2.2 μm，經測試成像效果良好，其外形如圖2所示。

圖2 MV-UBS500M-T工業相機外形圖

3.2 鏡頭選型設計

在選擇工業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，使用工業相機的最合理做法是使成像的面積占工業相機靶面尺寸的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，經過計算選用25mm焦距鏡頭最佳，其視場角為19.60°，經測試成像大小適中，鏡頭外形如圖3所示。

圖3 25mm焦距鏡頭外形圖

3.3 濾光片選型設計

平面等厚干涉儀的鈉光燈發出的光線經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，以滿足工業相機要求。因此為保證測量準確度，濾光片采用中性濾光片，經試驗采用透過率為 10%的中性濾光片，其光潔度為60/40，T=10%，波長為400nm～700nm。

3.4 圖像處理軟件設計

圖像處理軟件是用 MATLAB工具開發，通過使用 MATLAB圖像處理工具箱中的庫函數，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，可對干涉圖像進行采集存儲、圖像濾波、細化，可以生成模擬十字線實現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致在CCD靶面上形成2個亮光斑。在采集到的圖像經過圖像相減、灰度變換、圖像濾波、條紋細化、圖像二值化、圖像修整等一系列的處理后，才能進行平晶的平面度測量，如圖6所示為圖5 Hilditch算法細化后的干涉條紋圖像。

圖5 工業相機采集的干涉條紋

圖6 Hilditch算法細化后干涉條紋

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 JJG28-2019《平晶檢定規程》

1.2 環境條件：(20±2)℃

1.3 測量標準：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）數學模型

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為標準平晶在96mm范圍內平面度(μm)；Fi為平面等厚干涉儀測量值；

3）方差和靈敏系數

當各輸入量相互獨立時：

Fi的靈敏系數C（Fi）=1

F0的靈敏系數 C（F0）?(D/96)2

4）計算標準不確定度分量

4.1 平面等厚干涉儀測量值引入的標準不確定度u(Fi)

（1）平面度測量重復性引入的標準不確定度u(Fi)1

在重復條件下，對Fi值共進行10次測量，按貝塞爾公式計算得出實驗標準差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準不確定度u(Fi)2

由校準證書可知150 mm內儀器示值誤差不超過0.020 μm，該誤差在區間0.02 μm范圍內認為服從均勻分布，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 標準平晶平面度引入的標準不確定度u(F0)

(1) 二等標準平晶的平面度的測量不確定度引入的標準不確定度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) 二等標準平晶兩截面平面度之差引入的標準不確定度u(F0)2

二等標準平晶兩截面平面度差值≤0.005μm ，認為該差值在區間為0.0050μm內為均勻分布，則

u(F0)2=0.005/=0.003μm

4.3 合成標準不確定度uc的計算

當 D=Φ100mm 時：uc(F)= 0.010 μm

當 D=Φ60mm 時：uc(F)= 0.008 μm

當 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 結語

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