什么是光柵技術(shù)？發(fā)布時(shí)間：2013-01-31
（濟(jì)南開(kāi)思研發(fā)中心整理）
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，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(guò)80%，光柵長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的分辨率已覆蓋微米級(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。
光柵測(cè)量技術(shù)的發(fā)展
計(jì)量光柵技術(shù)的基礎(chǔ)——莫爾條紋(Moire fringes)是由英國(guó)物理學(xué)家L Rayleigh首先提出的。到20世紀(jì)50年代才開(kāi)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)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，可制造出高精度、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(kāi)始開(kāi)發(fā)光柵尺和圓柵編碼器，并制造出柵距為4μm(250線/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)1μm和1角秒的測(cè)量分辨率。1966年又制造出了柵距為20μm(50線/mm)的封閉式直線光柵編碼器。在80年代又推出了AURODUR工藝，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(kāi)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%。Heidenhain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10～15萬(wàn)美元左右，研究開(kāi)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%。
當(dāng)今采用的光電掃描原理及其產(chǎn)品系列
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100μm至20μm，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8μm或4μm，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。現(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(kāi)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20μm，測(cè)量步距為0.5μm，準(zhǔn)確度為±10、±5、±3μm三種，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)量原理(反射法)
反射標(biāo)尺光柵是采用40μm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。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是采用這一原理。LIDA系列開(kāi)式光柵，其柵距為40μm和20μm，測(cè)量步距為0.1μm，準(zhǔn)確度有±5μm、±3μm，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)30m，最大速度為480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，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(guò)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)。Heidenhain LF、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10μm的透射光柵LID351(分辨率為0.05μm)，其間隙要求就比較嚴(yán)格(0.1±0.015)mm。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(jiàn)表1)。
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)量速度高。
Heidenhain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5μm,倍頻數(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(jiàn)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)：0－2－10－25－50－100－200－400 輸入頻率（KHz）：600－500－200－100－50－25－12.5－6.25 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)?
①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)電路處理后參考信號(hào)的脈沖寬度和系統(tǒng)一個(gè)測(cè)量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain公司設(shè)計(jì)了在測(cè)量全長(zhǎng)內(nèi)按距離編碼的參考標(biāo)記，每當(dāng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)參考標(biāo)記后就可以確定光柵尺的絕對(duì)位置，如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對(duì)于標(biāo)尺的移動(dòng)20mm后就可確定絕對(duì)位置，柵距為40μm的光柵尺要移動(dòng)80mm才能確定絕對(duì)位置。
②絕對(duì)坐標(biāo)傳感器?
為了在任何時(shí)刻測(cè)量到絕對(duì)位置，Heidenhain設(shè)計(jì)制造了LC系列絕對(duì)光柵尺，它是用七個(gè)增量碼道得到絕對(duì)位置，每個(gè)碼道是不同的，刻線最細(xì)碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其分辨率都可為0.1μm，準(zhǔn)確度±3μm，測(cè)量長(zhǎng)度可達(dá)3m，最大速度120m/min。它所采用的光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場(chǎng)掃描的影像測(cè)量原理。
(4)光柵的載體?
光柵尺在20°±0.1℃環(huán)境中制造，光柵尺的熱性能直接影響到測(cè)量精度，在使用上光柵尺的熱性能最好和被測(cè)件的熱性能一致。考慮到不同的使用環(huán)境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹系數(shù)?，F(xiàn)有的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹系數(shù)為8ppm/K，現(xiàn)在Heidenhain已采用了具有鋼一樣膨脹系數(shù)的玻璃。這些材料對(duì)振動(dòng)、沖擊不敏感，具有確定的熱特性，不受氣壓和濕度變化的影響。對(duì)測(cè)量長(zhǎng)度在3m以下的光柵尺載體材料都采用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過(guò)3m以上則用鋼帶。通過(guò)對(duì)標(biāo)尺載體所用材料和相應(yīng)結(jié)構(gòu)的選擇，使光柵尺與被測(cè)件的熱性能有最佳的匹配。