光柵技術

從20世紀50年代至70年代，柵式測量系統從感應同步器發展到光柵、磁柵、容柵和球柵，這5種測量系統都是將一個柵距周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合起來，測量單位不是像激光一樣的光波波長，而是通用的米制(或英制)標尺。它們有各自的優點，相互補充，在競爭中都得到了發展。但光柵測量系統的綜合技術性能優於其它4種，而且其製造費用又比感應同步器、磁柵、球柵低，因此光柵發展最快，技術性能最高，市場佔有率最高，產業最大。在柵式測量系統中，光柵的佔有率已超過80%，光柵長度測量系統的解析度已覆蓋微米級、亞微米級和納米級；測量速度從60m/min至480m/min。測量長度從1m、3m至30m和100m。

1950年，德國Heidenhain首創DIADUR複製工藝，即在玻璃基板上蒸發鍍鉻的光刻複製工藝，可製造出高精度、價格低廉的光柵刻度尺，所以光柵計量儀器才被廣大用戶所接受，並進入商品市場。1953年，英國Ferranti公司提出了一個4相信號系統，可以在一個莫爾條紋周期實現4倍頻細分，並能鑒別移動方向，這就是4倍頻鑒相技術，是光柵測量系統的基礎，並一直應用至今。

60年代初，德國Heidenhain公司開始開發光柵尺和圓柵編碼器，並製造出柵距為4μm(250線/mm)的光柵尺和10000線/轉的圓光柵測量系統，可實現1μm和1角秒的測量解析度。1966年又製造出了柵距為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，是在鋼基材料上製作高反射率的金屬線紋反射光柵，並在光柵一個參考標記(零位)的基礎上增加了距離編碼。1987年，又提出一種新的干涉原理，即採用衍射光柵實現納米級的測量，並允許較寬鬆的安裝。1997年推出用於絕對編碼器的EnDat雙向串列快速連續介面，使絕對編碼器和增量編碼器一樣很方便地應用於測量系統。現在光柵測量系統已十分完善，應用的領域很廣，全世界光柵直線感測器的年產量在60萬件左右，其中封閉式光柵尺約佔85%，開啟式光柵尺約佔15%。在Heidenhain公司的產品銷售額中，直線光柵編碼器約佔40%，圓光柵編碼器佔30%，數顯、數控及倍頻器佔30%。Heidenhain公司總部的年銷售額約為7億歐元(不含Heidenhain跨國公司所屬的40家企業)。國外企業的人均產值在10～15萬美元左右，研究開發人員約佔僱員的10%，產品研發經費約佔銷售額的15%。

根據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)，又可根據光路的不同分為透射光柵和反射光柵。微米級和亞微米級的光柵測量是採用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm，遠大於光源光波波長，衍射現象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現象形成莫爾條紋，其測量原理稱影像原理。納米級的光柵測量是採用衍射光柵，光柵柵距為8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，則產生衍射和干涉現象形成莫爾條紋，其測量原理稱干涉原理。現將德國Heidenhain公司產品採用的三種測量原理加以介紹。

(1)具有四場掃描的影像測量原理(透射法)

採用垂直入射光學系統均為4相信號系統，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1/4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系列產品均採用此原理，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)

反射標尺光柵是採用40μm柵距的鋼帶，指示光柵(掃描掩膜)用兩個相互交錯並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生相移為1/4柵距的四個圖象，稱此原理為準單場掃描的影像測量原理。由於只用一個掃描場，標尺光柵局部的污染使光場強度的變化是均勻的，並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。Heidenhain LB和LIDA系列的金屬反射光柵就是採用這一原理。LIDA系列開式光柵，其柵距為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480m/min。LB系列閉式光柵柵距都是40μm，最大速度可達120m/min。

(3)單場掃描的干涉測量原理

對於柵距很小的光柵，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的。光調製產生3個相位差120°的測量信號，由三個光電元件接收，隨後又轉換成通用的相位差90°的正弦信號。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，這些系列產品都是亞微米和鈉米級的，其中最小解析度達到1納米。

在20世紀80年代後期，柵距為10μm的透射光柵LID351(解析度為0.05μm)，其間隙要求就比較嚴格(0.1±0.015)mm。由於採用了新的干涉測量原理，對納米級的衍射光柵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)－解析度(nm)－間隙(mm)－平行度(mm)

LIP372－0.218－1－0.3－±0.02

LIP471－2－5－0.6－±0.02

LIP571－4－50－0.5－±0.06

只有衍射光柵LIP372的柵距是0.512μm，經光學倍頻后，信號周期為0.128μm,其它柵距均為8μm和4μm，經光學二倍頻后得到的信號周期為4μm和2μm，其解析度為5nm和50nm，系統準確度為±0.5μm和±1μm，速度為30m/min。LIF系列柵距是8μm,解析度0.1μm,準確度±1μm，速度為72m/min。其載體為溫度係數近於零的玻璃陶瓷或溫度係數為8ppm/K的玻璃。衍射光柵LF系列是閉式光柵尺，其柵距為8μm,信號周期為4μm，測量解析度0.1μm,系統準確度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，測量長度達3m,載體採用鋼尺和鋼膨脹係數(10ppm/K)一樣的玻璃。

光柵測量系統的幾個關鍵問題

(1)測量準確度(精度)

光柵線位移感測器的測量準確度，首先取決於標尺光柵刻線劃分度的質量和指示光柵掃描的質量(柵線邊沿清晰至關重要)，其次才是信號處理電路的質量和指示光柵沿標尺光柵導向的誤差。影響光柵尺測量準確度的是在光柵整個測量長度上的位置偏差和光柵一個信號周期內的位置偏差。

光柵尺的準確度(精度)用準確度等級表示，Heidenhain定義為：在任意1m測量長度區段內建立在平均值基礎上的位置偏差的最大值Fmax均落在±a(μm)之內，則±a為準確度等級。Heidenhain準確度等級劃分為：±0.1、±0.2、±0.5、±1、±2、±3、±5、±10和±15μm。由此可見，Heidenhain光柵尺的準確度等級和測量長度無關，這是很高的一個要求，目前還沒有一家廠商能夠達到這一水平。

現在Heidenhain玻璃透射光柵和金屬反射光柵的柵距只採用20μm和40μm，對衍射光柵柵距採用4μm和8μm，光學二倍頻后信號周期為2μm和4μm。Heidenhain要求開式光柵一個信號周期的位置偏差僅為±1%，閉式光柵僅為±2%，光柵信號周期及位置偏差見表2。

表2 光柵信號周期及位置偏差

光柵類別－信號周期(μm)－一個信號周期內的位置偏差(μm)

幾何光柵－20和40－開啟式光柵尺±1%，即±0.2～±0.4；封閉式光柵尺±2%，即±0.4～±0.8

衍射光柵－2和4－開啟式光柵尺±1%，即±0.02～±0.04；封閉式光柵尺±2%，即±0.02～±0.08

(2)信號的處理及柵距的細分

光柵的測量是將一個周期內的絕對式測量和周期外的增量式測量結合在一起，也就是說在柵距一個周期內將柵距細分後進行絕對的測量，超過周期的量程則用連續的增量式測量。為了保證測量的精度，除了對光柵的刻劃質量和運動精度有要求外，還必須對光柵的莫爾條紋信號的質量有一定的要求，因為這影響電子細分的精度，也就是影響光柵測量信號的細分數(倍頻數)和測量解析度(測量步距)。柵距的細分數和準確性也影響光柵測量系統的準確度和測量步距。對莫爾條紋信號質量的要求主要是信號的正弦性和正交性要好；信號直流電平漂移要小。對讀數頭中的光電轉換電路和後續的數字化插補電路要求頻率特性好，才能保證測量速度高。

Heidenhain公司專門為光柵感測器和crc相聯結設計了光柵倍頻器，即將光柵感測器輸出的正弦信號(一個周期是一個柵距)進行插補和數字化處理后給出相位相差90°的方波，其細分數(倍頻數)有5、10、25、50、100、200和400，再考慮到數控系統的4倍頻后對柵距的細分數有20、40、100、200、400、800和1600，能實現測量步距從1nm到5μm,倍頻數選擇取決於光柵信號一個柵距周期的質量。隨著倍頻數的增加，光柵感測器的輸出頻率要下降，倍頻器的倍頻細分數和輸入頻率的關係見表3。

表3 倍頻器的倍頻細分和輸入頻率

倍頻細分數：0－2－10－25－50－100－200－400

輸入頻率（KHz）：600－500－200－100－50－25－12.5－6.25

選擇不同的倍頻數可以得到不同的測量步距。在Heidenhain的數顯表中可以設置15種之多的倍頻數，最高頻數可達1024，即1，2，4，5，10，20，40，50，64，80，100，128，200，400，1024。在微機上用的數顯卡最大倍頻數可到4096。

(3)光柵的參數標記和絕對坐標

①光柵絕對位置的確立

光柵是增量測量，光柵尺的絕對位置是利用參考標記(零位)確定。參考標記信號的寬度和光柵一個柵距的信號周期一致，經後續電路處理后參考信號的脈衝寬度和系統一個測量步距一致。為了縮短回零位的距離，Heidenhain公司設計了在測量全長內按距離編碼的參考標記，每當經過兩個參考標記后就可以確定光柵尺的絕對位置，如柵距為4μm和20μm的光柵尺掃描單元相對於標尺的移動20mm后就可確定絕對位置，柵距為40μm的光柵尺要移動80mm才能確定絕對位置。

②絕對坐標感測器

為了在任何時刻測量到絕對位置，Heidenhain設計製造了LC系列絕對光柵尺，它是用七個增量碼道得到絕對位置，每個碼道是不同的，刻線最細碼道的柵距有兩種，一種是16μm，另一種是20μm，其解析度都可為0.1μm，準確度±3μm，測量長度可達3m，最大速度120m/min。它所採用的光電掃描原理和常用的透射光柵一樣，是具有四場掃描的影像測量原理。

(4)光柵的載體

光柵尺在20°±0.1℃環境中製造，光柵尺的熱性能直接影響到測量精度，在使用上光柵尺的熱性能最好和被測件的熱性能一致。考慮到不同的使用環境，Heidenhain光柵尺刻度的載體具有不同的熱膨脹係數。現有的材料有玻璃、鋼和零膨脹的玻璃陶瓷。普通玻璃的膨脹係數為8ppm/K，現在Heidenhain已採用了具有鋼一樣膨脹係數的玻璃。這些材料對振動、衝擊不敏感，具有確定的熱特性，不受氣壓和濕度變化的影響。對測量長度在3m以下的光柵尺載體材料都採用玻璃、玻璃陶瓷和鋼，超過3m以上則用鋼帶。通過對標尺載體所用材料和相應結構的選擇，使光柵尺與被測件的熱性能有最佳的匹配。