光柵測量技術(shù)

1、一、光柵尺一、光柵尺將光源、圓型的旋轉(zhuǎn)編碼盤（編碼盤的線數(shù)有360線到2400線數(shù)不同）和光電檢測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。同樣兩塊長光柵（動尺和定尺）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，每一個光柵電信號對應(yīng)一個旋轉(zhuǎn)角或光柵尺每輸出一個電信號，動尺移動一個柵距，輸出電信號便變化一個周期，通過對信號變化周期的測

2、量來測出動就與定就職相對位移。目前使用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器與光柵尺的輸出信號一般有兩種形式，一是相位角相差90o的2路方波信號，二是相位依次相差90o的4路正弦信號。這些信號的空間位置周期為W。針對輸出方波信號的光柵進行計數(shù)，而對于輸出正弦波信號的光柵，經(jīng)過整形可變?yōu)榉讲ㄐ盘栞敵鲞M行計數(shù)。就可以檢測。輸出方波的旋轉(zhuǎn)編碼器、光柵尺有A相、B相和Z相三個電信號，A相信號為主信號，B相為副信號，兩個信號周期相同，均為W，相位差90o。Z信號可以作

3、為較準信號以消除累積誤差。二、光柵二、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的線條上的圖像，而這條線的位置則由觀察角度來決定。如果我們將這數(shù)幅在不同線條上的圖像，對應(yīng)于每個透鏡的寬度，分別按順序分行排列印刷在光柵薄片的背面上，當我們從不同角

4、度通過透鏡觀察，將看到不同的圖像。光柵原理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縫的衍射和各縫間的干涉，形成暗條紋很寬、明條紋很細的圖樣，這些銳細而明亮的條紋稱作譜線。譜線的位置隨波長而異，當復(fù)色光通過光柵后，不同波長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

5、譜是單縫衍射和多縫干涉的共同結(jié)果。[1]衍射光柵在屏幕上產(chǎn)生的光譜線的位置，可用式（ab)(sinφsinθ)=kλ表示。式中a代表狹縫寬度，b代表狹縫間距，φ為衍射角，θ為光的入射方向與光柵平面法線之間的夾角，k為明條紋光譜級數(shù)（k=0，1，2……），λ為波長，ab稱作光柵常數(shù)。用此式可以計算光波波長。光柵產(chǎn)生的條紋的特點是：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定波長。衍射光柵的分辨本領(lǐng)

6、R=lDl=kN。其中N為狹縫數(shù)，狹縫數(shù)越多明條紋越亮、越細，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年由德國科學家J.夫瑯和費用細金屬絲密排地繞在兩平行細螺絲上制成的。因形如柵欄，故名為“光柵”?，F(xiàn)代光柵是用精密的刻劃機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

7、。此外還有全息光柵、正交光柵、相光柵、閃耀光柵、階梯光柵等。光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm，遠大于光源光波波長，衍射現(xiàn)象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，光柵柵距為8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產(chǎn)生衍射和干涉現(xiàn)象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理?，F(xiàn)將德國Heidenhain公司產(chǎn)品采用的三種測量原理加以介紹。(1)具有

8、四場掃描的影像測量原理(透射法)采用垂直入射光學系統(tǒng)均為4相信號系統(tǒng)，是將指示光柵(掃描掩膜)開四個窗口分為4相，每相柵線依次錯位14柵距，在接收的4個光電元件上可得到理想的4相信號，這稱為具有四場掃描的影像測量原理。Heidenhain的LS系列產(chǎn)品均采用此原理，其柵距為20μm，測量步距為0.5μm，準確度為10、5、3μm三種，最大測量長度為3m，載體為玻璃。(2)有準單場掃描的影像測量原理(反射法)反射標尺光柵是采用40μm柵距

9、的鋼帶，指示光柵(掃描掩膜)用兩個相互交錯并有不同衍射性能的相位光柵組成，為此，一個掃描場就可以產(chǎn)生相移為14柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影像測量原理。由于只用一個掃描場，標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，并對四個光電接收元件的影響是相同的，因此不會影響光柵信號的質(zhì)量。與此同時，指示光柵和標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，其柵

10、距為40μm和20μm，測量步距為0.1μm，準確度有5μm、3μm，測量長度可達30m，最大速度為480mmin。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達120mmin。(3)單場掃描的干涉測量原理對于柵距很小的光柵，指示光柵是一個透明的相位光柵，標尺光柵是自身反射的相位光柵，光束是通過雙光柵的衍射，在每一級的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋，其中1和1級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應(yīng)的。光調(diào)制產(chǎn)

11、生3個相位差120的測量信號，由三個光電元件接收，隨后又轉(zhuǎn)換成通用的相位差90的正弦信號。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)品都是亞微米和鈉米級的，其中最小分辨率達到1納米。在20世紀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格(0.10.015)mm。由于采用了新的干涉測量原理，對納米級的衍射光柵

12、安裝公差就放得比較寬，例如指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度都很寬(見表1)。表1指示光柵和標尺光柵之間的間隙和平行度光柵型號－信號周期(μm)－分辨率(nm)－間隙(mm)－平行度(mm)LIP372－0.218－1－0.3－0.02LIP471－2－5－0.6－0.02LIP571－4－50－0.5－0.06只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512μm，經(jīng)光學倍頻后，信號周期為0.128μm其它柵距均為8μm和4μm，經(jīng)光學二倍