光柵測(cè)量技術(shù)

1、一、光柵尺將光源、圓型的旋轉(zhuǎn)編碼盤（編碼盤的線數(shù)有 360 線至 I2400 線數(shù)不同）和光電檢測(cè)器件等組合在一起構(gòu)成的通常稱光電旋轉(zhuǎn)編碼器，碼盤的線數(shù)決定了旋轉(zhuǎn)角精度。同樣兩塊長(zhǎng)光柵（動(dòng)尺和定尺）光柵的單位密度也決定了其單位精度，與光電檢測(cè)器件等組合在一起構(gòu)成的光柵傳感器通常稱為光柵尺。旋轉(zhuǎn)編碼器每旋轉(zhuǎn)一格光柵角，每一個(gè)光柵電信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)角或光柵尺每輸出一個(gè)電信號(hào)，動(dòng)尺移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出電信號(hào)便變化一個(gè)周期，通過對(duì)信號(hào)變化周期的測(cè)量來(lái)測(cè)出動(dòng)就與定就職相對(duì)位移。目前使用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器與光柵尺的輸出信號(hào)一般有兩種形式，一是相位角相差 90o 的 2 路方波信號(hào)，二是相位依次相差 90o 的

2、 4 路正弦信號(hào)。這些信號(hào)的空間位置周期為 Wo 針對(duì)輸出方波信號(hào)的光柵進(jìn)行計(jì)數(shù)，而對(duì)于輸出正弦波信號(hào)的光柵，經(jīng)過整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)。就可以檢測(cè)。輸出方波的旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵尺有 A 相、B 相和 Z 相三個(gè)電信號(hào)，A 相信號(hào)為主信號(hào)，B 相為副信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)周期相同，均為 W,相位差 90o。Z 信號(hào)可以作為較準(zhǔn)信號(hào)以消除累積誤差。二、光柵光柵是結(jié)合數(shù)碼科技與傳統(tǒng)印刷的技術(shù)，能在特制的膠片上顯現(xiàn)不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立體世界，電影般的流暢動(dòng)畫片段，匪夷所思的幻變效果。光柵是一張由條狀透鏡組成的薄片，當(dāng)我們從鏡頭的一邊看過去，將看到在薄片另一面上的一條很細(xì)的線條上的圖

3、像，而這條線的位置則由觀察角度來(lái)決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線條上的圖像，對(duì)應(yīng)于每個(gè)透鏡的寬度，分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上，當(dāng)我們從不同角度通過透鏡觀察，將看到不同的圖像。光柵原理光柵也稱衍射光柵。是利用多縫衍射原理使光發(fā)生色散（分解為光譜）的光學(xué)元件。它是一塊刻有大量平行等寬、等距狹縫（刻線）的平面玻璃或金屬片。光柵的狹縫數(shù)量很大，一般每毫米幾十至幾千條。單色平行光通過光柵每個(gè)縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細(xì)的圖樣，這些銳細(xì)而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長(zhǎng)而異，當(dāng)復(fù)色光通過光柵后，不同波長(zhǎng)的譜線在不同的位置出現(xiàn)而形成光譜。光通過光柵形成光譜是單縫衍射和多

4、縫干涉的共同結(jié)果。1衍射光柵在屏幕上產(chǎn)生的光譜線的位置，可用式（a+b）（sin 小sin8）表示。入式中 a代表狹縫寬度，b 代表狹縫間距，小為衍射角，8 為光的入射方向與光柵平面法線之間的夾角，k 為明條紋光譜級(jí)數(shù)（k=0,土，2），入為波長(zhǎng)，a+b 稱作光柵常數(shù)。用此式可以計(jì)算光波波長(zhǎng)。光柵產(chǎn)生的條紋的特點(diǎn)是：明條紋很亮很窄，相鄰明紋間的暗區(qū)很寬，衍射圖樣十分清晰。因而利用光柵衍射可以精確地測(cè)定波長(zhǎng)。衍射光柵的分辨本領(lǐng) R=l/Dl=kN。其中 N 為狹縫數(shù)，狹縫數(shù)越多明條紋越亮、越細(xì)，光柵分辨本領(lǐng)就越高。增大縫數(shù) N 提高分辨本領(lǐng)是光柵技術(shù)中的重要課題。最早的光柵是 1821 年由德國(guó)

5、科學(xué)家 J.夫瑯和費(fèi)用細(xì)金屬絲密排地繞在兩平行細(xì)螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為光柵”?，F(xiàn)代光柵是用精密的刻劃?rùn)C(jī)在玻璃或金屬片上刻劃而成的。光柵是光柵攝譜儀的核心組成部分,其種類很多。 按所用光是透射還是反射分為透射光柵、反射光柵。反射光柵使用較為廣泛；按其形狀又分為平面光柵和凹面光柵。此外還有全息光柵、正交光柵、相光柵、閃耀光柵、階梯光柵等。分光原理由光柵方程 d（sina 土 sn=mX 可知，對(duì)于相同的光譜級(jí)數(shù) m,以同樣的入射角 a 投射到光柵上的不同波長(zhǎng)入 1 入 2 入 2組成的混合光，每種波長(zhǎng)產(chǎn)生的干涉極大都位于不同的角度位置；即不同波長(zhǎng)的衍射光以不同的衍射角 B 出射。這就說(shuō)明

6、，對(duì)于給定的光柵，不同波長(zhǎng)的同一級(jí)主級(jí)大或次級(jí)大（構(gòu)成同一級(jí)光柵光譜中的不同波長(zhǎng)譜線）都不重合，而是按波長(zhǎng)的次序順序排列，形成一系列分立的譜線。這樣，混合在一起入射的各種不同波長(zhǎng)的復(fù)合光，經(jīng)光柵衍射后彼此被分開。這就是衍射光柵的分光原理。2三、光柵測(cè)量技術(shù)1.歷史從 20 世紀(jì) 50 年代至 70 年代，柵式測(cè)量系統(tǒng)從感應(yīng)同步器發(fā)展到光柵、磁柵、容柵和球柵,這 5 種測(cè)量系統(tǒng)都是將一個(gè)柵距周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合起來(lái)，測(cè)量單位不是像激光一樣的光波波長(zhǎng),而是通用的米制（或英制）標(biāo)尺。它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，相互補(bǔ)充，在競(jìng)爭(zhēng)中都得到了發(fā)展。但光柵測(cè)量系統(tǒng)的綜合技術(shù)性能優(yōu)于其它 4 種，

7、而且其制造費(fèi)用又比感應(yīng)同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發(fā)展最快，技術(shù)性能最高，市場(chǎng)占有率最高，產(chǎn)業(yè)最大。在柵式測(cè)量系統(tǒng)中，光柵的占有率已超過 80%,光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微上級(jí)、亞微米級(jí)和納米級(jí);測(cè)量速度從 60m/min 至 480m/min。測(cè)量長(zhǎng)度從 1m、3m至30m 和 100m。2 發(fā)展計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)莫爾條紋（Moirefringes）是由英國(guó)物理學(xué)家 LRayleigh首先提出的。到 20 世紀(jì) 50 年代才開始利用光柵的莫爾條紋進(jìn)行精密測(cè)量。1950 年，德國(guó) Heidenhain 首創(chuàng) DIADUR 復(fù)制工藝，即在玻璃基板上蒸發(fā)鍍銘的光刻復(fù)制工藝，可制造出高精度、

8、價(jià)格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計(jì)量?jī)x器才被廣大用戶所接受，并進(jìn)入商品市場(chǎng)。1953 年，英國(guó) Ferranti 公司提出了一個(gè) 4 相信號(hào)系統(tǒng)，可以在一個(gè)莫爾條紋周期實(shí)現(xiàn) 4 倍頻細(xì)分，并能鑒別移動(dòng)方向，這就是 4 倍頻鑒相技術(shù)，是光柵測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，并一直應(yīng)用至今。60 年代初，德國(guó) Heidenhain 公司開始開發(fā)光柵尺曲圓柵編碼器，并制造出柵距為 4 仙m（25 哦/mm）的光柵尺和 10000 線/轉(zhuǎn)的圓光柵測(cè)量系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn) 1 小和 1 角秒的測(cè)量分辨率。1966 年又制造出了柵距為 20 仙 m（5 瞰/mm）的封閉式直線光柵編碼器。在 80 年代又推出了 AURODUR 工藝，

9、是在鋼基材料上制作高反射率的金屬線紋反射光柵，并在光柵一個(gè)參考標(biāo)記（零位）的基礎(chǔ)上增加了距離編碼。1987 年，又提出一種新的干涉原理，即采用衍射光柵實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的測(cè)量，并允許較寬松的安裝。1997 年推出用于絕對(duì)編碼器的 EnDat 雙向串行快速連續(xù)接口， 使絕對(duì)編碼器和增量編碼器一樣很方便地應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)在光柵測(cè)量系統(tǒng)已十分完善，應(yīng)用的領(lǐng)域很廣，全世界光柵直線傳感器的年產(chǎn)量在 60 萬(wàn)件左右，其中封閉式光柵尺約占 85%,開啟式光柵尺約占 15%。 在 Heidenhain 公司的產(chǎn)品銷售額中，直線光柵編碼器約占 40%,圓光柵編碼器占 30%,數(shù)顯、數(shù)控及倍頻器占 30%。Heiden

10、hain 公司總部的年銷售額約為 7 億歐元（不含 Heidenhain 跨國(guó)公司所屬的 40家企業(yè)）。國(guó)外企業(yè)的人均產(chǎn)值在 1015 萬(wàn)美元左右，研究開發(fā)人員約占雇員的 10%,產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)費(fèi)約占銷售額的 15%。3.光電掃描原理及產(chǎn)品根據(jù)形成莫爾條紋原理的不同，激光可分為幾何光柵（幅值光柵）和衍射光柵（相位光柵），又可根據(jù)光路的不同分為透射光柵和反射光柵。微米級(jí)和亞微米級(jí)的光柵測(cè)量是采用幾何光柵，光柵柵距為 100 小至 20 小，遠(yuǎn)大于光源光波波長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象可以忽略，當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱影像原理。納米級(jí)的光柵測(cè)量是采用衍射光柵，光柵柵距為8NHI或4

11、NHI,柵線的寬度與光的波長(zhǎng)很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測(cè)量原理稱干涉原理?，F(xiàn)將德國(guó) Heidenhain公司產(chǎn)品采用的三種測(cè)量原理加以介紹。（1）具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理（透射法）采用垂直入射光學(xué)系統(tǒng)均為 4 相信號(hào)系統(tǒng)，是將指示光柵（掃描掩膜）開四個(gè)窗口分為4 相，每相柵線依次錯(cuò)位 1/4 柵距，在接收的 4 個(gè)光電元件上可得到理想的 4 相信號(hào)，這稱為具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。Heidenhain 的 LS 系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為 20Nm,測(cè)量步距為 0.5 仙叫準(zhǔn)確度為土 0、i5、3 以種，最大測(cè)量長(zhǎng)度為 3m,載體為玻璃。（2）有準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原

12、理（反射法）反射標(biāo)尺光柵是采用 40rn 柵距的鋼帶，指示光柵（掃描掩膜）用兩個(gè)相互交錯(cuò)并有不同衍射性能的相位光柵組成，為此，一個(gè)掃描場(chǎng)就可以產(chǎn)生相移為 1/4 柵距的四個(gè)圖象，稱此原理為準(zhǔn)單場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。由于只用一個(gè)掃描場(chǎng)，標(biāo)尺光柵局部的污染使光場(chǎng)強(qiáng)度的變化是均勻的，并對(duì)四個(gè)光電接收元件的影響是相同的，因此不會(huì)影響光柵信號(hào)的質(zhì)量。與此同時(shí)，指示光柵和標(biāo)尺光柵的間隙和間隙方差能大一些。HeidenhainLB 和 LIDA 系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA 系列開式光柵，具柵距為 40 小和 20 小，測(cè)量步距為 0.1 岬準(zhǔn)確度有5（IKI3測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá) 30m,最大速度

13、為 480m/min。 LB 系列閉式光柵柵距都是 40m,最大速度可達(dá) 120m/min。（3）單場(chǎng)掃描的干涉測(cè)量原理對(duì)于柵距很小的光柵，指示光柵是一個(gè)透明的相位光柵，標(biāo)尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，在每一級(jí)的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中+1 和-1 級(jí)組干涉條紋是基波條紋， 基波條紋變化的周期與光柵的柵距是同步對(duì)應(yīng)的。 光調(diào)制產(chǎn)生 3 個(gè)相位差 120。的測(cè)量信號(hào)，由三個(gè)光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差 90的正弦信號(hào)。HeidenhainLF、LIP、LIF 系列光柵尺是按干涉原理工作，其光柵尺的載體有鋼板、鋼帶、玻璃和玻璃陶瓷，這些系列產(chǎn)品都是亞微

14、米和鈉米級(jí)的，其中最小分辨率達(dá)到 1 納米。在 20 世紀(jì) 80 年代后期，柵距為 10 的透射光柵 LID351（分辨率為 0.05Nm）其間隙要求就比較嚴(yán)格（0.10;015）mmo由于采用了新的干涉測(cè)量原理，對(duì)納米級(jí)的衍射光柵安裝公差就放得比較寬， 例如指示光柵和標(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度都很寬 （見表 1）。表 1 指示光柵和標(biāo)尺光柵之間的間隙和平行度光柵型號(hào)信號(hào)周期（1m）分辨率（nm）一間隙（mm）平行度（mm）LIP372-0.218-1-0.3-d0.02LIP471-2-5-0.6-垃 02LIP571-4-50-0.5-i0.06只有衍射光柵 LIP372 的柵距是 0.5

15、12 經(jīng)光學(xué)倍頻后，信號(hào)周期為 0.128m,其它柵距均為 8 小和 4 小，經(jīng)光學(xué)二倍頻后得到的信號(hào)周期為 4 小和 2 小，其分辨率為5nm 和 50nm,系統(tǒng)準(zhǔn)確度為0.5利1 仙 1；1 速度為30m/min。 LIF 系列柵距是 8m分辨率 0.1 仙 m1 確度1 仙91 速度為 72m/min。具載體為溫度系數(shù)近于零的玻璃陶瓷或溫度系數(shù)為 8ppm/K 的玻璃。 衍射光柵 LF 系列是閉式光柵尺， 具柵距為 8 仙 mg 號(hào)周期為 4m,測(cè)量分辨率 0.1 仙 n統(tǒng)準(zhǔn)確度3 仙講口2NW最大速度 60m/min,測(cè)量長(zhǎng)度達(dá) 3m,載體采用鋼尺和鋼膨脹系數(shù)（10ppm/K）一樣的玻

16、璃。光柵測(cè)量系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問題（1）測(cè)量準(zhǔn)確度（精度）光柵線位移傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確度，首先取決于標(biāo)尺光柵刻線劃分度的質(zhì)量和指示光柵掃描的質(zhì)量（柵線邊沿清晰至關(guān)重要），其次才是信號(hào)處理電路的質(zhì)量和指示光柵沿標(biāo)尺光柵導(dǎo)向的誤差。影響光柵尺測(cè)量準(zhǔn)確度的是在光柵整個(gè)測(cè)量長(zhǎng)度上的位置偏差和光柵一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差。光柵尺的準(zhǔn)確度（精度）用準(zhǔn)確度等級(jí)表示，Heidenhain 定義為：在任意 1m 測(cè)量長(zhǎng)度區(qū)段內(nèi)建立在平均值基礎(chǔ)上的位置偏差的最大值 Fmax 均落在a（仙 mj 內(nèi)，則蟲為準(zhǔn)確度等級(jí)。Heidenhain 準(zhǔn)確度等級(jí)劃分為：此 1、此 2、W.5、土、2、以母土 0 和15 呢由此可見，

17、Heidenhain 光柵尺的準(zhǔn)確度等級(jí)和測(cè)量長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，這是很高的一個(gè)要求，目前還沒有一家廠商能夠達(dá)到這一水平?，F(xiàn)在 Heidenhain 玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只采用 20 小和 40pm,對(duì)衍射光柵柵距采用4NHI和 8m,光學(xué)二倍頻后信號(hào)周期為2NHI和 4m0Heidenhain 要求開式光柵一個(gè)信號(hào)周期的位置偏差僅為%， 閉式光柵僅為2%,光柵信號(hào)周期及位置偏差見表 2。表 2 光柵信號(hào)周期及位置偏差光柵類別信號(hào)周期（m）一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的位置偏差（m）幾何光柵一 20和 40開啟式光柵尺土,即如.2W.4;封閉式光柵尺2%,即此 4W8衍射光柵一 2 和 4開啟式光柵尺=y

18、%,即 W.02如.04;封閉式光柵尺2%,即此 02此08（2）信號(hào)的處理及柵距的細(xì)分光柵的測(cè)量是將一個(gè)周期內(nèi)的絕對(duì)式測(cè)量和周期外的增量式測(cè)量結(jié)合在一起，也就是說(shuō)在柵距一個(gè)周期內(nèi)將柵距細(xì)分后進(jìn)行絕對(duì)的測(cè)量，超過周期的量程則用連續(xù)的增量式測(cè)量。為了保證測(cè)量的精度，除了對(duì)光柵的刻劃質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)精度有要求外，還必須對(duì)光柵的莫爾條紋信號(hào)的質(zhì)量有一定的要求，因?yàn)檫@影響電子細(xì)分的精度，也就是影響光柵測(cè)量信號(hào)的細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）和測(cè)量分辨率（測(cè)量步距）。柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)和準(zhǔn)確性也影響光柵測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測(cè)量步距。對(duì)莫爾條紋信號(hào)質(zhì)量的要求主要是信號(hào)的正弦性和正交性要好；信號(hào)直流電平漂移要小。對(duì)讀數(shù)頭中的光電轉(zhuǎn)換電

19、路和后續(xù)的數(shù)字化插補(bǔ)電路要求頻率特性好，才能保證測(cè)量速度局 0Heidenhain 公司專門為光柵傳感器和 crc 相聯(lián)結(jié)設(shè)計(jì)了光柵倍頻器，即將光柵傳感器輸出的正弦信號(hào)（一個(gè)周期是一個(gè)柵距）進(jìn)行插補(bǔ)和數(shù)字化處理后給出相位相差 90的方波，其細(xì)分?jǐn)?shù)（倍頻數(shù)）有 5、10、25、50、100、200 和 400,再考慮到數(shù)控系統(tǒng)的 4倍頻后對(duì)柵距的細(xì)分?jǐn)?shù)有 20、 40、 100、 200、 400、 800 和 1600,能實(shí)現(xiàn)測(cè)量步距從 1nm到 5 仙 m（音頻數(shù)選擇取決于光柵信號(hào)一個(gè)柵距周期的質(zhì)量。隨著倍頻數(shù)的增加，光柵傳感器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)和輸入頻率的關(guān)系見表 3。表 3 倍頻器的倍頻細(xì)分和輸入頻率倍頻細(xì)分?jǐn)?shù)：021025-50-100-200400輸入頻率（KHz）:600500200100502512.56.25選擇不同的倍頻數(shù)可以得到不同的測(cè)量步距。在 Heidenhain 的數(shù)顯表中可以設(shè)置 15 種之多的倍頻數(shù)，最高頻數(shù)可達(dá) 1024,即1,2,4,5,10,20,40,50,64,80,100,128,200,400,1024。在微機(jī)上用的數(shù)顯卡最大倍頻數(shù)可到 4096。(3)光柵的參數(shù)標(biāo)記和絕對(duì)坐標(biāo)光柵絕對(duì)位置的確立光柵是增量測(cè)量，光柵尺的絕對(duì)位置是利用參考標(biāo)記(零位)確定。參考標(biāo)記信號(hào)的寬度和光柵一個(gè)柵距的信號(hào)周期一致，經(jīng)后續(xù)電路