绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用

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1、第３１卷第８期光学学报Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．８２０１１年８月ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＡｕｇｕｓｔ，２０１１绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用赵勇１，２１１苏显渝张启灿１四川大学光电科学技术系，四川成都６１００６４（２成都千嘉科技公司，四川成都６１０２００）摘要提出通过光栅条纹相位的精密测量，获取光栅高精度位移信息的方法。具体方法是对光栅图像采用多码道设计，用ＣＣＤ二维图像传感器获取测量段光栅图像多码道信息。对最低码道图形的周期函数序列进行傅里叶变换、基频滤波和逆傅里叶变换获得光栅截断相位分布，其余码道信息提供相位展开的级次，以此获得测量段光栅的绝对相

2、位分布。用光刻的手段制作了实用的绝对编码光栅，基元码道的尺寸是：２７．３６μｍ用于明条纹，２７．３６μｍ用于暗条纹，最小基元码道空间周期为５４．７２μｍ，光栅长度为１４００８．３２μｍ。在步长近似３μｍ的位移测试中，与比对的标准仪器记录值比较，标准偏差为０．２０５７μｍ，精度在亚微米量级。重复性实验表明，位置测试的稳定性为０．０９μｍ（标准差），得到６００倍以上细分的分辨力。关键词光学测量；绝对编码；光栅；位移测量；相位细分中图分类号Ｏ４３８文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１１３１．０８１２００５ＰｈａｓｅＳｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆＡｂｓｏｌｕｔｅＣｏ

3、ｄｉｎｇＧｒａｔｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ１，２１１ＺｈａｏＹｏｎｇＳｕＸｉａｎｙｕＺｈａｎｇＱｉｃａｎ１Ｏｐｔｏ－ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００６４，Ｃｈｉｎａ（２ＣｈｅｎｇｄｕＱｉａｎｊｉａＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１０２００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｐｈａｓｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆａｂｓｏｌｕｔｅｃｏｄｉｎｇｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｒｅｓｏｌｕ

4、ｔｉｏｎｏｆａｂｓｏｌｕｔｅｃｏｄｉｎｇｇｒａｔｉｎｇｉｎｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｕｓｅｄｇｒａｔｉｎｇｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｄｅｃｈａｎｎｅｌｇｒａｔｉｎｇ．ＣＣＤｉｍａｇｅｓｅｎｓｏｒａｃｑｕｉｒｅｓｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｍｕｌｔｉｐｌｅｃｏｄｅｃｈａｎｎｅｌｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｅａｂｓｏｌｕｔｅｐｈａｓｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｅｃｔｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ，ｉｎｖｅｒｓｅＦｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆ

5、ｏｒｍ，ａｎｄｐｈａｓｅｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌａｂｓｏｌｕｔｅｃｏｄｉｎｇｇｒａｔｉｎｇｉｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｍｉｎｉｍｕｍｃｏｄｅｐａｔｔｅｒｎｉｓ２７．３６μｍｆｏｒｌｉｇｈｔａｎｄｄａｒｋｆｒｉｎｇｅ．Ｓｐａｃｅｐｅｒｉｏｄｏｆｂｅｎｃｈｍａｒｋｃｏｄｅｓｅｑｕｅｎｃｅｐａｔｔｅｒｎｉｓ５４．７２μｍ，ａｎｄｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｇｒａｔｉｎｇｉｓ１４００８．３２μｍ．Ａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｅｓｔｓａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｉｎｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｅ

6、ｓｔｏｆｓｔｅｐｌｅｎｇｔｈａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ３μｍ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｃｏｒｄｖａｌｕｅｏｆｓｔａｎｄａｒｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｄｅｖｉａｔｉｏｎｉｓ０．２０５７μｍ．Ｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｒｅａｃｈｅｓｓｕｂ－ｍｉｃｒｏｎｌｅｖｅｌ．Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ６００ｔｉｍｅｓｏｆｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｓｏｎｍｉｎｉｍｕｍｃｏｄｅｐａｔｔｅｒｎｉｓｇｏｔｔｅｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｏｐｔｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｂｓｏｌｕｔｅｃｏｄｉｎｇ；ｇｒａｔｉ

7、ｎｇ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｐｈａｓｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎＯＣＩＳｃｏｄｅｓ１２０．２８２０；１２０．５０５０；０７０．００７０１引言精密测量已在世界上取得普遍应用，其主要方法为［１］位移测量技术是现代测量技术中最基础、最普光栅叠栅条纹技术，激光干涉仪技术等。与增量遍的一种测量技术，利用光电转换技术进行位移的式光栅编码器比较，绝对编码光栅有很多优势，由于收稿日期：２０１１－０３－２５；收到修改稿日期：２０１１－０５－０２基金项目：国家自然科学基金（６０８３８００２）资助课题。作者简介：赵勇（１９６６—），男，博士研究生，主要从事光电检