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1、高精度光栅干涉测量技术及仪器36国外计测2000年第20卷第1期高精度光栅干涉测量技术及仪器(哈皋滨工业大学精密工程研究所,哈工426信箱.150001)GratingInterferenceMeasuringTechniqueandInstrumentwithHighAccuracy;z摘要在超精密测量和控制技术中,对测量精度提出了越来越昀要末,如尺寸精度1nm和角度o?001.由于光栅洲量具有精度高,抗干扰能力强,寿命长和价格便宜等优,最近几年光栅干涉测量技术被广泛研究和使用.丰史简单舟绍几种在超精密测量和制造过程中常的僦纳米光栅干涉测量技术.关薯词.盟茎.垄煎.!王生丛Ab
2、stractInultra-precisionmeasurementandcontroltechniquesthehigherandhigherrequirementofaccuracyofmeasurementareputforward,forexamp]etheaccuracyofsizeis1nmandforangleis0.001%Becausethegratinginterferencemeasuringtechniqueispossessedofhighaccuracy,stronganti—jammingability,longservicelifeandcheap
3、priceeta1.ithasbeenwidelyresearchedandusedinrecentyears.InthispaperseveralcommonlyadoptedmicroIiqanometer(atto—meter)gratinginterferencetechniquesinultra-precisionmeasurementandmanufactureprocessesareintroduced.KeywordsMeasurement,Grating,Laser,Interferometer在超精密制造业中,对光学,半导体电子学,精密工程,天文学和航空航天
4、工程等零件或元件的加工尺寸或形状精度,要求达到亚微米或纳米级#因此,近几年对徽纳米测量技术的研究越来越多.在这其中,由于光栅具有精度高,抗干扰能力强,寿命长维护方便,体积小和价格便宜等优点,所以光栅干涉馒l量技术的发展十分引人瞩目,而且随着光电子和计算机技术的飞速发展,使得几何量图像处理技术和智能化程度大大提高.光栅测量在长度,角度等精密计量仪器和数控机床等方面被广泛应用,如三坐标测量仪,万工显,测长仪和程控机床等.因圆分度的封闭性,其分度误差可用多头读数及指示光栅的平均效应来减小,所以圆光栅被广泛用于精密四刻机圆转台,度盘检验仪和圊编码器中本文介绍几种常用光栅干涉测量技术的基本
5、原理和方法1采用光栅干涉法的线性编码器]光栅干涉法如图1所示,波长为^的激光投射在间距为P的周期光栅上.则在由式=arcsin(mA/P)(m—o,土1,士2,…)确定的角度的方向上产生衍射,这些衍射光之间相互干涉.该法的}则量原理就是对干涉系数强度变化进行检测处理.2缎图1光栅干涉中的衍射光图1中所示的周期光栅若沿其排列方向移动,则衍射光的强度不变,但相位发生变化,通过掏成干涉仪来检测此种相位变化对于周期光栅产生的士垅级衍航空计测技术国外计测37射光相互间的干涉,光电传感器的输出信号可表示为,)一!exp(i(++))+exp(i(oat+铷一兰苎!))i一2(1+cos)』式
6、中:60为激光的角频率,佛为从激光器到光电传感器的光程长构成的相位.上式是x=P/(2m)为周期的完全正弦波.现在如果用土1级的衍射光,则光栅只要移动一个栅格闻距,就能得到2个周期的正弦波输出,可使分辨力倍增如用土2经衍射光,则分辨力成为4倍但若使用普通的振幅光栅,随着级趺的增加衍射强度迅速降低,既使2级衍射光量也比1级衍射光时大大减少.为此设计了图2所示的应用光栅干涉浩的线性编码器结构由于激光是衍射角入射到光栅上+故反射的衍射光沿垂直方向返回,经由反射光学系统再次入射到光栅上,构成二次衍射.这种结构可使光栅每移动一个栅格间距得到4个周期的正弦渡,能构成4倍的高分辨力若采用电气细
7、分,可使分辨力高达s～5Onm.图2激光线性编码器体器2采用傅里叶影像法的圆编码器使用准直相干光照亮衍射光栅时+在向着光栅的一侧,隔一定距离会出现与光栅完全相同的博立叶影像,此影像随着光栅的移动而等量,同方向地移动.在博立叶影像位置处可设置分度刻度的回转式编码器,其分辨力与原来的主刻度相同.将这一原理用于圆筒光栅+用经准直的半导体激光器的光照射刻在透明圆筒上的光栅+从排列在激光光轴方向上的博立叶影像中选取适当者,使其恰好与位于圆筒光栅被照射部分的轴对称位置处的光栅相重合当圆筒旋转
