摘要：平面度是具有独立量值传递系统的重要参数，平面度计量是几何量计量专业的重要分支之一。激光干涉计量是公认的高精度检测方法，高精度的平面度标准都是通过干涉原理和方法来实现。目前有等厚干涉仪和等倾干涉仪两种类型应用于平面度标准。发展趋势是采用压电陶瓷移相技术和CCD视觉图像处理技术，可以得到整个被测平晶面形的三维形貌图。平面度干涉仪广泛用于检测平面光学元件的平面度，比如平晶、反射镜、棱镜、窗口玻璃。关于平面度干涉仪研制过程中的关键技术进行了详细阐述。
1 绪论
平面度计量是几何量计量专业的重要分支，平面度是具有独立量值传递系统的重要参数。平面度的计量工作关系到国防工业中一系列相关产业的发展水平。据英国国家物理实验室、美国国家标准与技术研究所、德国国家物理技术研究院、日本国立计测研究所等网站信息，国外计量部门的平面度标准测量范围都已经达到 。
激光干涉测量是公认的高精度检测方法，高精度的平面度标准都是基于激光干涉原理来实现的。目前国家计量体系中平面度标准的干涉测量方法分为两种：等厚干涉和等倾干涉。等厚干涉条纹是由同一方向的入射光产生的干涉条纹。等厚干涉仪，采用条纹的最大弯曲量与条纹间隔的比值乘以半波长来确定，能充分反映被测平面信息。但是通过采集单幅干涉条纹图来判断条纹弯曲度来获取平面度，测量不确定度只有l/20，还是属于简单的几何测量方法。等倾干涉条纹是一系列与不同倾角对应的同心圆形干涉条纹，由于同一条干涉条纹对应的倾斜度相同,故称之为等倾干涉。等倾干涉仪，采用条纹的直径变化来表征平面度，测量只在相互垂直的两条直径上进行，不能充分反映被测平面的真实状况。在等倾干涉仪上应用三面互检法、四面互检法可以将精度提高到l/40，但工作量大、测量时间长。国内原有的平面度计量仪器，无论基于等厚干涉原理还是等倾干涉原理，大多数采用目视估读、手工操作、计算的方法，已经不能适应目前国内外干涉测量技术和干涉仪器的发展需求。目前国际上平面度计量都是采用压电陶瓷移相技术和图像处理技术，可以得到整个被测平晶面形的三维形貌图，最终测量结果以整个被测平晶面形的峰谷值、均方根值为平面度指标。
2 原理
移相，即在两相干光之间引入有序的位移，干涉条纹的位置也作相应的移动，从而引起干涉条纹图发生变化。移相应用于平晶表面测量，则是在移相过程中使用光电探测器采集多幅干涉条纹图来获取整个平晶表面形貌，最终测量结果以峰谷值和均方根值为指标来表示平面度。
课题研制的平面度干涉仪基于等厚干涉原理引入移相干涉测量方法，传统等厚干涉用于平面度测量，是采集单幅干涉条纹图来判断条纹弯曲度进而获取平面度。引入移相干涉测量方法，是通过采集多幅干涉条纹图，构建一个数学物理模型，解算出整个平晶表面的灰度分布状况，获取整个平晶表面形貌。多幅干涉条纹图一定程度上可以抑制噪声的影响，整个光瞳面上的光强不均匀影响较小，可以避免激光高斯分布的影响。
平面度干涉仪使用的移相器，由压电陶瓷构成。压电陶瓷在适当电压作用下，产生微位移，驱动参考镜改变两相干光之间的光程差。控制系统采用四步移相法，在一个周期内驱动压电陶瓷移动四步，分别测定对应的光强分布，即采集四幅干涉条纹图。
3 光路设计
平面度干涉仪光源选用国产稳频He-Ne激光器，中心波长632.8nm。空间滤波器又由针孔和高倍显微物镜构成。空间滤波器的作用是实现显微物镜压缩激光器发出的，点光源，即所需的点衍射照明系统，提取了衍射的零级条纹。
光路形式选择斐索类型而不是泰曼-格林类型。干涉仪按照参考光路和测量光路的组合方式，分为斐索类型和泰曼-格林类型。斐索类型干涉仪，参考光路和测量光路使用同一光路。泰曼-格林类型干涉仪，参考光路和测量光路使用不同光路，一般情况两条光路相互垂直，空气、温度环境影响不同。泰曼-格林类型干涉仪的优点：光程可调，由于两支光路不重合，因此测试光路的安排比较灵活，可完成多种测试目的。缺点：受外界干扰较大，易受环境影响,对光源相干性要求较高。斐索类型干涉仪由于共光路，因此对被比较的两波面具有相同影响，形成的干涉条纹比较稳定。
准直系统有多种实施路径，各有优缺点。其一，反射式离轴抛物面只需要一个非球面反射镜，原理简单。存在问题：原理上反射式仪器测量精度要低于透射式;加工质量无法保障;离轴造成结构设计以及仪器装调困难。其二，透射式非球面只需要一片镜片，其中一面为平面，仅一个非球面就能实现。存在问题：没有成熟的检测手段、加工质量无法保障。其三，透射式组合球面，制造、检测技术都很成熟。因此，选择透射式准直系统而不是反射式准直系统，选择成熟的球面组合而不是非球面。准直系统的口径为310mm，由于国产BK7玻璃的大型块料制造工艺成熟而且比较容易购买。准直系统在设计时选择了三片式正负正结构而没有选用经典的两片式。准直系统的初始设计为焦距500mm，但是在作冗余分析时发现折射率的微小改变就会引起波像差的很大变化。准直系统的最终设计为焦距1440mm，波像差为百分之一波长，而且对折射率小数点后第5位的变化才有反应。
平面度干涉仪的基本组成：稳频激光器、空间滤波器、大口径透射式准直系统、压电陶瓷移相系统、图像采集系统。
4 结构设计
平面度干涉仪设计为立式结构，分为三部分：底箱、准直镜筒，顶部箱体。底箱上支撑准直镜筒，镜筒顶端是箱体，内有小型光学平台。
第一部分：底箱内安装有步进电机驱动的微位移台、导轨、滑块、限位块、转接板、压电陶瓷外壳、参考平晶托盘、被测平晶托盘。四根导轨分别两两负责上(参考平晶)下(被测平晶)两层平晶的传入和传出，每层平晶还各自具有托盘，三个压电陶瓷均匀分布在上层平晶托盘外圆三点。上层参考平晶的托盘和压电陶瓷之间的是单点接触，工作时依靠压电陶瓷的变形挤压，使连接处的机械支撑产生单方向上的变形， 保证反射镜沿轴线方向运动，实现参考平晶的相位移动不产生倾斜和旋转，因此在压电陶瓷封装套的顶部加装有三个钢球。共有六个微位移台实现上下两层平晶姿态调整，三个一组互成120°分别位于内外两个圆上。上层平晶姿态调整机构位于外圆，下层位于内圆。
第二部分：激光准直镜筒外壳的内部，还有一层高度 的内镜筒，内镜筒来实现三块球面透镜的组合工作，准直系统的设计是采用正负正三块球面透镜密隙组合方式。内镜筒：凸透镜、凹透镜、凸透镜的三片装球面透镜组合，内镜筒中的分为四个层次，三块球面透镜分别放置在上透镜托、中透镜托、下透镜托三个层次，在上透镜托和中透镜托之间还有一个层次光栏，同时还可以起到调节镜子间距的作用。
第三部分：仪器顶部箱体内是小光学平台，小光学平台上主要有激光光源和激光器调整装置、针孔滤波器、全反射镜、分光棱镜以及图像采集系统。
5 数据处理
操作过程：激光频率稳定后放置平晶，调整平晶姿态，使干涉条纹呈竖直状态;采集图像;按照四步移相法，移动压电陶瓷步长为四分之一波长;采集完四幅图像后，检测图像噪声，低噪声的干涉条纹图才符合要求;将图像采集系统得到的四幅移相干涉条纹图，分别存入四个矩阵中，使用四步等间距移相算法处理得到一个相位被包裹的反正切数值矩阵。再通过解包裹波面复原、 多项式波面拟合得到相位矩阵，这一矩阵代表着参考面和被测面之间的光程差。最后计算得到波面的PV值(矩阵中最大值和最小值之差)、波面的RMS值(矩阵中所有值计算得到的标准差)。第一部分干涉图采样预处理，又包含了检测噪声点和检测残差点，实现了消除图像噪声和残差点的过滤。在解包裹处理前保证了采集的干涉图满足采样定理。第二部分移相解包裹复原波面，连续采集四幅移相干涉图，构建平晶表面形貌模型，复原平晶表面形貌的256色灰度分布图，即包裹着的相位图。第三部分干涉波面的拟合，就是对离散的干涉条纹相位的数值进行数学处理，把这些包含着被测表面信息的干涉波面上的离散点拟合成一个与实际的干涉波面尽可能一致的波面函数。第四部分因为不可能将一个百万元素的矩阵作为最后计算结果，最后结果采用峰谷值 和均方根 来表示。
6 结论
综上所述，平面度干涉仪采用压电晶体驱动参考镜实现移相干涉测量中的相位调制，图像采集系统采集多幅干涉图像按照相位偏移算法求得被测平面与参考平面的相位差值。还通过误差分离技术将系统误差分离，保证了整套标准装置达到 的测量不确定度指标。
作者：刘梦夏1 张鑫2 马晓苏1 左勇1
