光栅测量技术

1、一、光栅尺将光源、圆型的旋转编码盘（编码盘的线数有 360 线至 I2400 线数不同）和光电检测器件等组合在一起构成的通常称光电旋转编码器，码盘的线数决定了旋转角精度。同样两块长光栅（动尺和定尺）光栅的单位密度也决定了其单位精度，与光电检测器件等组合在一起构成的光栅传感器通常称为光栅尺。旋转编码器每旋转一格光栅角，每一个光栅电信号对应一个旋转角或光栅尺每输出一个电信号，动尺移动一个栅距，输出电信号便变化一个周期，通过对信号变化周期的测量来测出动就与定就职相对位移。目前使用的光电旋转编码器与光栅尺的输出信号一般有两种形式，一是相位角相差 90o 的 2 路方波信号，二是相位依次相差 90o 的

2、 4 路正弦信号。这些信号的空间位置周期为 Wo 针对输出方波信号的光栅进行计数，而对于输出正弦波信号的光栅，经过整形可变为方波信号输出进行计数。就可以检测。输出方波的旋转编码器、光栅尺有 A 相、B 相和 Z 相三个电信号，A 相信号为主信号，B 相为副信号，两个信号周期相同，均为 W,相位差 90o。Z 信号可以作为较准信号以消除累积误差。二、光栅光栅是结合数码科技与传统印刷的技术，能在特制的胶片上显现不同的特殊效果。在平面上展示栩栩如生的立体世界，电影般的流畅动画片段，匪夷所思的幻变效果。光栅是一张由条状透镜组成的薄片，当我们从镜头的一边看过去，将看到在薄片另一面上的一条很细的线条上的图

3、像，而这条线的位置则由观察角度来决定。如果我们将这数幅在不同线条上的图像，对应于每个透镜的宽度，分别按顺序分行排列印刷在光栅薄片的背面上，当我们从不同角度通过透镜观察，将看到不同的图像。光栅原理光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱。光通过光栅形成光谱是单缝衍射和多

4、缝干涉的共同结果。1衍射光栅在屏幕上产生的光谱线的位置，可用式（a+b）（sin 小sin8）表示。入式中 a代表狭缝宽度，b 代表狭缝间距，小为衍射角，8 为光的入射方向与光栅平面法线之间的夹角，k 为明条纹光谱级数（k=0,土，2），入为波长，a+b 称作光栅常数。用此式可以计算光波波长。光栅产生的条纹的特点是：明条纹很亮很窄，相邻明纹间的暗区很宽，衍射图样十分清晰。因而利用光栅衍射可以精确地测定波长。衍射光栅的分辨本领 R=l/Dl=kN。其中 N 为狭缝数，狭缝数越多明条纹越亮、越细，光栅分辨本领就越高。增大缝数 N 提高分辨本领是光栅技术中的重要课题。最早的光栅是 1821 年由德国

5、科学家 J.夫琅和费用细金属丝密排地绕在两平行细螺丝上制成的。因形如栅栏，故名为光栅”。现代光栅是用精密的刻划机在玻璃或金属片上刻划而成的。光栅是光栅摄谱仪的核心组成部分,其种类很多。 按所用光是透射还是反射分为透射光栅、反射光栅。反射光栅使用较为广泛；按其形状又分为平面光栅和凹面光栅。此外还有全息光栅、正交光栅、相光栅、闪耀光栅、阶梯光栅等。分光原理由光栅方程 d（sina 土 sn=mX 可知，对于相同的光谱级数 m,以同样的入射角 a 投射到光栅上的不同波长入 1 入 2 入 2组成的混合光，每种波长产生的干涉极大都位于不同的角度位置；即不同波长的衍射光以不同的衍射角 B 出射。这就说明

6、，对于给定的光栅，不同波长的同一级主级大或次级大（构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线）都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开。这就是衍射光栅的分光原理。2三、光栅测量技术1.历史从 20 世纪 50 年代至 70 年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光栅、磁栅、容栅和球栅,这 5 种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波长,而是通用的米制（或英制）标尺。它们有各自的优点，相互补充，在竞争中都得到了发展。但光栅测量系统的综合技术性能优于其它 4 种，

7、而且其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率已超过 80%,光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微上级、亚微米级和纳米级;测量速度从 60m/min 至 480m/min。测量长度从 1m、3m至30m 和 100m。2 发展计量光栅技术的基础莫尔条纹（Moirefringes）是由英国物理学家 LRayleigh首先提出的。到 20 世纪 50 年代才开始利用光栅的莫尔条纹进行精密测量。1950 年，德国 Heidenhain 首创 DIADUR 复制工艺，即在玻璃基板上蒸发镀铭的光刻复制工艺，可制造出高精度、

8、价格低廉的光栅刻度尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。1953 年，英国 Ferranti 公司提出了一个 4 相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实现 4 倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是 4 倍频鉴相技术，是光栅测量系统的基础，并一直应用至今。60 年代初，德国 Heidenhain 公司开始开发光栅尺曲圆栅编码器，并制造出栅距为 4 仙m（25 哦/mm）的光栅尺和 10000 线/转的圆光栅测量系统，可实现 1 小和 1 角秒的测量分辨率。1966 年又制造出了栅距为 20 仙 m（5 瞰/mm）的封闭式直线光栅编码器。在 80 年代又推出了 AURODUR 工艺，

9、是在钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记（零位）的基础上增加了距离编码。1987 年，又提出一种新的干涉原理，即采用衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997 年推出用于绝对编码器的 EnDat 双向串行快速连续接口， 使绝对编码器和增量编码器一样很方便地应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很广，全世界光栅直线传感器的年产量在 60 万件左右，其中封闭式光栅尺约占 85%,开启式光栅尺约占 15%。 在 Heidenhain 公司的产品销售额中，直线光栅编码器约占 40%,圆光栅编码器占 30%,数显、数控及倍频器占 30%。Heiden

10、hain 公司总部的年销售额约为 7 亿欧元（不含 Heidenhain 跨国公司所属的 40家企业）。国外企业的人均产值在 1015 万美元左右，研究开发人员约占雇员的 10%,产品研发经费约占销售额的 15%。3.光电扫描原理及产品根据形成莫尔条纹原理的不同，激光可分为几何光栅（幅值光栅）和衍射光栅（相位光栅），又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。微米级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为 100 小至 20 小，远大于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采用衍射光栅，光栅栅距为8NHI或4

11、NHI,栅线的宽度与光的波长很接近，则产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现将德国 Heidenhain公司产品采用的三种测量原理加以介绍。（1）具有四场扫描的影像测量原理（透射法）采用垂直入射光学系统均为 4 相信号系统，是将指示光栅（扫描掩膜）开四个窗口分为4 相，每相栅线依次错位 1/4 栅距，在接收的 4 个光电元件上可得到理想的 4 相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。Heidenhain 的 LS 系列产品均采用此原理，其栅距为 20Nm,测量步距为 0.5 仙叫准确度为土 0、i5、3 以种，最大测量长度为 3m,载体为玻璃。（2）有准单场扫描的影像测量原

12、理（反射法）反射标尺光栅是采用 40rn 栅距的钢带，指示光栅（扫描掩膜）用两个相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，为此，一个扫描场就可以产生相移为 1/4 栅距的四个图象，称此原理为准单场扫描的影像测量原理。由于只用一个扫描场，标尺光栅局部的污染使光场强度的变化是均匀的，并对四个光电接收元件的影响是相同的，因此不会影响光栅信号的质量。与此同时，指示光栅和标尺光栅的间隙和间隙方差能大一些。HeidenhainLB 和 LIDA 系列的金属反射光栅就是采用这一原理。LIDA 系列开式光栅，具栅距为 40 小和 20 小，测量步距为 0.1 岬准确度有5（IKI3测量长度可达 30m,最大速度

13、为 480m/min。 LB 系列闭式光栅栅距都是 40m,最大速度可达 120m/min。（3）单场扫描的干涉测量原理对于栅距很小的光栅，指示光栅是一个透明的相位光栅，标尺光栅是自身反射的相位光栅，光束是通过双光栅的衍射，在每一级的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹，其中+1 和-1 级组干涉条纹是基波条纹， 基波条纹变化的周期与光栅的栅距是同步对应的。 光调制产生 3 个相位差 120。的测量信号，由三个光电元件接收，随后又转换成通用的相位差 90的正弦信号。HeidenhainLF、LIP、LIF 系列光栅尺是按干涉原理工作，其光栅尺的载体有钢板、钢带、玻璃和玻璃陶瓷，这些系列产品都是亚微

14、米和钠米级的，其中最小分辨率达到 1 纳米。在 20 世纪 80 年代后期，栅距为 10 的透射光栅 LID351（分辨率为 0.05Nm）其间隙要求就比较严格（0.10;015）mmo由于采用了新的干涉测量原理，对纳米级的衍射光栅安装公差就放得比较宽， 例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度都很宽 （见表 1）。表 1 指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度光栅型号信号周期（1m）分辨率（nm）一间隙（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只有衍射光栅 LIP372 的栅距是 0.5

15、12 经光学倍频后，信号周期为 0.128m,其它栅距均为 8 小和 4 小，经光学二倍频后得到的信号周期为 4 小和 2 小，其分辨率为5nm 和 50nm,系统准确度为0.5利1 仙 1；1 速度为30m/min。 LIF 系列栅距是 8m分辨率 0.1 仙 m1 确度1 仙91 速度为 72m/min。具载体为温度系数近于零的玻璃陶瓷或温度系数为 8ppm/K 的玻璃。 衍射光栅 LF 系列是闭式光栅尺， 具栅距为 8 仙 mg 号周期为 4m,测量分辨率 0.1 仙 n统准确度3 仙讲口2NW最大速度 60m/min,测量长度达 3m,载体采用钢尺和钢膨胀系数（10ppm/K）一样的玻

16、璃。光栅测量系统的几个关键问题（1）测量准确度（精度）光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量（栅线边沿清晰至关重要），其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。影响光栅尺测量准确度的是在光栅整个测量长度上的位置偏差和光栅一个信号周期内的位置偏差。光栅尺的准确度（精度）用准确度等级表示，Heidenhain 定义为：在任意 1m 测量长度区段内建立在平均值基础上的位置偏差的最大值 Fmax 均落在a（仙 mj 内，则虫为准确度等级。Heidenhain 准确度等级划分为：此 1、此 2、W.5、土、2、以母土 0 和15 呢由此可见，

17、Heidenhain 光栅尺的准确度等级和测量长度无关，这是很高的一个要求，目前还没有一家厂商能够达到这一水平。现在 Heidenhain 玻璃透射光栅和金属反射光栅的栅距只采用 20 小和 40pm,对衍射光栅栅距采用4NHI和 8m,光学二倍频后信号周期为2NHI和 4m0Heidenhain 要求开式光栅一个信号周期的位置偏差仅为%， 闭式光栅仅为2%,光栅信号周期及位置偏差见表 2。表 2 光栅信号周期及位置偏差光栅类别信号周期（m）一个信号周期内的位置偏差（m）几何光栅一 20和 40开启式光栅尺土,即如.2W.4;封闭式光栅尺2%,即此 4W8衍射光栅一 2 和 4开启式光栅尺=y

18、%,即 W.02如.04;封闭式光栅尺2%,即此 02此08（2）信号的处理及栅距的细分光栅的测量是将一个周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合在一起，也就是说在栅距一个周期内将栅距细分后进行绝对的测量，超过周期的量程则用连续的增量式测量。为了保证测量的精度，除了对光栅的刻划质量和运动精度有要求外，还必须对光栅的莫尔条纹信号的质量有一定的要求，因为这影响电子细分的精度，也就是影响光栅测量信号的细分数（倍频数）和测量分辨率（测量步距）。栅距的细分数和准确性也影响光栅测量系统的准确度和测量步距。对莫尔条纹信号质量的要求主要是信号的正弦性和正交性要好；信号直流电平漂移要小。对读数头中的光电转换电

19、路和后续的数字化插补电路要求频率特性好，才能保证测量速度局 0Heidenhain 公司专门为光栅传感器和 crc 相联结设计了光栅倍频器，即将光栅传感器输出的正弦信号（一个周期是一个栅距）进行插补和数字化处理后给出相位相差 90的方波，其细分数（倍频数）有 5、10、25、50、100、200 和 400,再考虑到数控系统的 4倍频后对栅距的细分数有 20、 40、 100、 200、 400、 800 和 1600,能实现测量步距从 1nm到 5 仙 m（音频数选择取决于光栅信号一个栅距周期的质量。随着倍频数的增加，光栅传感器的输出频率要下降，倍频器的倍频细分数和输入频率的关系见表 3。表 3 倍频器的倍频细分和输入频率倍频细分数：021025-50-100-200400输入频率（KHz）:600500200100502512.56.25选择不同的倍频数可以得到不同的测量步距。在 Heidenhain 的数显表中可以设置 15 种之多的倍频数，最高频数可达 1024,即1,2,4,5,10,20,40,50,64,80,100,128,200,400,1024。在微机上用的数显卡最大倍频数可到 4096。(3)光栅的参数标记和绝对坐标光栅绝对位置的确立光栅是增量测量，光栅尺的绝对位置是利用参考标记(零位)确定。参考标记信号的宽度和光栅一个栅距的信号周期一致，经后续电路