光栅尺纳米测量技术研究及其发展.pdf

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XUEBAO2008.02.20*收稿日期2007-11-30作者简介闫如胜（1982-）,安徽大学在读硕士研究生,主要研究方向为检测技术及其自动化装置。

马修水（1963-）,博士、教授,主要研究方向为检测技术与自动化装置,测控技术与仪器。

基金项目安徽省教育厅自然科学基金项目资助1.引言计量科学技术的水平集中体现了一个国家科技发展的水平,纳米测量技术与仪器是纳米科学和技术的一个重要分支。

我国纳米测量技术的研究相对于西方发达国家要落后,这直接影响到我国高新技术的进一步发展,针对我国国情,研制大量程、纳米级分辨力的位移测量系统,进一步提高我国机械加工制造业的水平,对我国国民经济以及国防工业的发展具有积极而深远的意义。

本文综述了光栅尺纳米测量技术的国内外研究成果,并对光栅干涉测量系统将实现样机仪器化、产业化进行了展望。

2.基于光栅尺测量技术研究概况利用光栅来进行位移测量要追朔到上个世纪50年代,在相当长时间里,仅仅被天文学家和物理学家作为衍射元件应用于光谱分析和光波波长的测定,最开始是基于双光栅的莫尔条纹（Moirefringes）技术,其栅距在20um左右,精度一般为几个微米,但是随着制造技术的进步,现在的光栅栅距可以达到0.8um,分辨力达到1nm,在生产、制造业的发展中扮演了重要角色。

纳米级的光栅测量是采用衍射光栅,光栅栅距是1um或0.8um,栅线的宽度与光的波长很接近（红外激光632.8um）,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。

干涉型光栅尺由德国Heidenhain公司在1987年率先推出,采用闪耀光栅或黑白实现纳米级的测量,并允许较宽松的安装,干涉式光栅尺得到较快的发展。

由于其高分辨力,且比较不受外界环境影响之优越性能,越来越多的研究采用光栅干涉技术来开发测量仪器,而针对不同的环境需要也有不同的结构设计。

一般来说,光栅尺的工作原理可以分为两大类:

影像原理和干涉原理,下面就简要概述一些近几年的科学文献成果2,4。

1990年Ishii和Nishhimura等科学家提出利用衍射光栅的转动来测量机床位移量的光学尺,其精度达到0.8um2,3。

此系统由光栅之衍射光来调整激光光源强度,以补偿环境变化对输出的干涉信号的影响,从而提高测量精度。

1991年Nishhimura和Kubota等针对先前光学系统进行改良,避免零级衍射光进入光电探测器,进而提高干涉信号的信噪比。

1992年,日本Canon公司研究出了一种能抵抗机械偏摆的旋转式光学尺。

他们使用特殊棱镜做为偏振分光及全反射的组件,并采用两对对称排列棱镜组,使得入射光栅上的对称点具有成像作用,可避免因光学组件或机构偏摆造成信号的瞬间消失。

1994年,Dobosz利用栅距1um的正弦式表面起伏光栅,设计了一个非线性度50nm的光学尺。

由于其光栅节距沿着圆柱面对个别入射光束而言不等间距,将造成相差问题,且系统测量局限在极小的范围内。

1995年,美国IBM公司Chiang与Lee首次将相差补偿应用在光学尺,它利用双单倍率望远镜重建光学架构,使得产生的衍射输出光回复至与原来入射光具有同样特性的平面波前,可提高系统光学读数头与光栅尺之间的对位公差。

1995年Mollenhauer及Ifju等人发展一套容许光栅偏摆的干涉仪,其理论先将光束入射到一参考二维光栅,产生水平及垂直四束绕射光,将四束光入射到欲测量的光栅上,经一次衍射后进行干涉。

此系统干涉条纹不因光栅偏摆而有所变动,大幅提高系统的应用性。

1996年美国MicroE公司的Mitchell于Thorburn,采用与几何式光栅约同一等级间距的光栅作为量测标尺,而由排列在光栅前端的光电探测器阵列来检测干涉信号。

为了将目前商用线状排列光电探测器应用于测量旋转角光栅尺纳米测量技术研究及其发展闫如胜,马修水,李桂华,应仲阳（安徽大学测量与控制工程系,合肥230039）摘要介绍了光栅尺纳米测量技术的国内外研究现状,并对它们优劣进行了分析,在上述成果的基础上,得出一种以光栅栅距为测量基准,测量精度主要取决于光栅栅线的刻制精度的光栅干涉测量方法,它受光源光强和波长变化的影响很小,因此在工况条件下能够具有较好的测量精度和稳定性,符合大量程、高分辨力、动态等纳米测量技术的发展趋势,最后对此测量系统将实现样机仪器化、产业化进行了展望。

关键词光栅尺;纳米测量;光栅干涉中图分类号TN98文献标识码ANo.12008GeneralNo.34Vol.72008年第1期第7卷（总第34期）安徽电子信息职业技术学院学报JOURNALOFANHUIVOCATIONALCOLLEGEOFELECTRONICS&INFORMATIONTECHNOLOGY文章编号1671-802X（2008）01-0070-02702008.02.20XUEBAO度,提出了波前矫正器的概念,除了可使衍射光+1级和-1级绕射光所形成的干涉条纹被矫正为直线外,放大了干涉条纹间距。

同年,台大李四光等人提出一种应用于磁盘驱动器伺服写入机构的光学尺,它利用透镜及反射面所组成的波前重建光学镜组,来修正绕射光束的波前。

1999年Sawada等研究人员透过微影术及特殊的半导体工程技术,将光学组件全部制作在同一个基底（Sub-strate）上,制造出一个可微小化光栅干涉仪。

光学读数头的整体几何尺寸可以小至0.5mm,制造成本低、适合于大量生产。

但是由于此系统光学头与光栅尺间对位公差无法提高,使得光学尺在安装时相对较为困难。

2000年日本Kuroda提出一种光学架构,可以避免经光栅衍射后的光束返回激光光源,造成光源输出功率不稳定,以此提高光学尺测量的可靠性与分辨力。

2002年华中科技大学的郭军等提出一二维测长单元,其采用正交衍射光栅作为二维位移测量传感器,使系统具有阿贝误差极小,分辨力极高的特点。

2005年台大范光照教授和沈欣懋提出一种新型微小化光学尺,利用第二级衍射光进行干涉,从而提高了测量的分辨力,且该光学尺具有较好的抵抗光栅偏摆的能力,该光学尺系统在10mm的行程范围内,误差最大值为53nm。

2006年马修水和费业泰提出了一种以计量光栅为基础的基于二次莫尔条纹信号的新型光学结构,光线经标尺光栅发生一次衍射,再经指示光栅形成二次莫尔条纹,在接受面发生干涉。

它去除了光源不稳定因素,因其测量系统结构简单,抗干扰能力强,并能进行大位移测量,可在三坐标测量机标尺和高精度仪器中应用。

3.纳米测量研究展望纳米测量技术总的趋势是向大量程、高分辨力、多功能、动态、自动化等方向发展。

通过探索纳米长度和角度标准以及其它物理效应来进一步提高分辨力,将是一段时间内纳米测量技术的重点研究内容之一。

另外,研制多功能和多参量的计量仪器设备使纳米技术实用化,也是纳米测量技术发展的一个重要方面6,7。

光栅测量法以光栅栅距为测量基准,测量精度主要取决于光栅栅线的刻制精度,受光源光强和波长变化的影响很小,因此在工况条件下能够具有较好的测量精度和稳定性。

目前对大量程、纳米级光栅干涉位移测量技术的研究,主要体现在理论研究和解决关键技术的层面上,工程应用还局限在实验室的范围内。

虽然研究的光栅干涉位移测量系统已经取得了阶段性进展,但是要完全将实现样机仪器化、产业化,还有许多内容值得进一步研究,总结为以下几点:

（1）硬件条件限制,高线数大长度的光栅刻制困难,体现在测长上就是测量分辨力与量程的矛盾;测量精度与光栅的刻制精度有直接的关系,因此受光栅加工工艺的影响比较人;光栅测量系统的性能与承载它的机械结构密切相关,精密的机械系统是光栅测量法实现纳米测量的重要保证,而且一千倍以上的电子细分方法和技术还不够成熟,有待进一步研究。

（2）由于缺少大量程、高精度、纳米分辨力的比对设备和其它实验环境条件所限,对系统性能的比对实验只能在很小的量程上进行,未能实现整个量程的比对,因此下一步研究中需要重点解决比对方法和比对手段的问题。

（3）任意相位差条纹信号计数细分法使用的前提条件是信号处理系统能够对条纹信号的变化进行实时跟踪,是以正弦信号为细分模型的。

当条纹信号中含有二次谐波、三次谐波、背景噪声和电路噪声等时,信号的正弦性会变差,导致细分准确度降低。

因此还需要在提高条纹信号质量方面进行更多的研究。

（4）由于实时测量,莫尔条纹计数系统计算量较大,所以测量速度还有待提高,这可以通过采用高性能处理器和优化软件结构来实现。

（5）建立相应的纳米测量环境也是实现纳米测量需要解决的问题,并且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的,目前应该建立一个合适的纳米测量环境。

参考文献1卢国钢.现代光栅测量技术J.世界制造技术与装备,2002,（5）:

10-13.2刘玉圣.高精度线性衍射光栅干涉仪系统的研制D,合肥工业大学精密仪器与机械硕士论文,2006.3IshiiS,NishimuraT,IshizukaKandTsukijiM.Op-ticaltypeencoderincludingdiffractiongratingforproducinginterferencefringesthatareprocessedtomeasuredisplace-mentJ,U.S.PatentNo.4912320,1990.4陈本永,李达成.纳米测量技术的挑战与机遇J.仪器仪表学报,2005,（5）:

547551.5马修水,费业泰,陈晓怀等.一种新型纳米光栅传感器的理论研究J.仪器仪表学报,2006,

（2）:

159164.6楚兴春.纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究D.国防科技大学仪器科学与技术研究生论文,2005.7程晓辉,赵洋,李达成.光学纳米测量方法及发展趋势J.光学技术,1999,（5）:

73-76.技术园地闫如胜*马修水*李桂华*应仲阳光栅尺纳米测量技术研究及其发展第1期71