摘 要:在车间条件下操作时,光栅干涉仪在测量精度方面优于He-Ne激光干涉仪。基于光栅干涉测量系统有一些特别的优点,导致其在高精密测量中用途不断增加。阐述了衍射式光栅干涉测量系统的工作原理和特点,同时详细总结了国际上生产和研究衍射光栅干涉测量系统的厂家和研究机构及他们的产品。并指出该系统的发展趋势和存在的问题,为衍射式光栅测量系统的研究和发展提供参考。
0 引 言
由于精密及超精密加工技术的提高,对加工和测量系统的定位精度和测量精度也就相应地提高了要求,特别是在MEMS产业中,对测量精度的要求达到微米级甚至是纳米级。现在广泛被应用的有激光干涉测量系统和光栅干涉测量系统。对于激光干涉测量系统,其量程大,高精度测量可以通过在真空中操作激光来实现,但是对于机床或车间中的其它测量设备是不可能达到此项条件的。而纳米级的光栅干涉系统的测量标准量是衍射光栅栅距而不是光的波长,因此对环境要求低[1]。鉴于以上比较分析,对于纳米级测量精度的要求,现代机床及车间测量器具以基于衍射光栅干涉原理的技术应用更为广泛,国际上有一些生产和研究衍射光栅干涉测量系统的厂家和研究机构,其成果也层出不穷,但是目前在国内该技术仅处于起步阶段。
1 衍射光栅干涉测量的原理
衍射光栅干涉测量系统按衍射次数分为一次衍射和二次衍射测量系统(由于随着级次的增加衍射强度迅速降低,所以实际上衍射级次限制在K≤3)。图1为简单的一次衍射和二次衍射光栅干涉测量系统的原理简图。
激光器发出的光束入射到光栅上,并发生衍射,对于一条栅距为d的光栅尺与衍射光束之间的相对位移为X,K级衍射光束的相移由下式确定
两束衍射光在分光镜处会合,并发生干涉,如果两束衍射光波的全幅值设为1,则两列光波的和的复合幅值由下式得出
因为=1=-2,所以光强可能通过幅值和的共轭复数乘积推出
对于光栅与衍射光束之间一个光栅距的相对位移,正一级与负一级衍射光的干涉产生两个信号周期。如果二级衍射光迭加,K=±2,那么每个栅距将产生四个信号周期。由此可见,光电探测器获得了频率与光栅位移成正比的条纹信号,通过对条纹的计数可以计算出位移,该条纹表现为正弦波形貌[2]。
2 衍射光栅干涉测量系统研究的现状
在相当长的时间内,光栅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。利用干涉型光栅尺进行位移测量,率先由德国海德汉公司在1987年推出,采用衍射光栅实现纳米级的测量。自此,干涉式光栅尺得到了较快地发展。下面主要以海德汉公司产品为例,根据目前国际上出现的衍射光栅干涉测量系统可以按照一级和二级衍射分为两大类,下面分别进行总结和介绍。
2.1 一级衍射光干涉测量系统
图2是海德汉公司最早提出的一次衍射光干涉产生两个周期信号的系统简图[3]。一个相干光源,如激光二极管,产生线性偏振和准直的光束,当到达光栅尺时产生衍射,被反射的第一级衍射在反射镜M上偏折。正一级光路上的半波片H产生一个180°相移和偏振方向90°的旋转。在经过非偏振分光片N之后,衍射波列相互叠加。因为两束光的偏振方向互相垂直,所以还不能产生干涉。一束光由四分之一波片Q移相90°。而所有两束光经过分光器P后,使偏振方向分别旋转+45°和-45°,从而正一级和负一级具有相同的偏振方向并产生干涉。当光栅尺相对信号接收器作相对运动时,两路具有180°相移的调制信号可以在分光器的两输出端检出。通过反向光电池抵消直流成份,从而可以获得两路相位差为90°对称的正弦波信号。该结构采用全息照相法制作光栅尺,使其长度限制在250mm之内。
随着对高精度测量系统需求的增加,国际各大公司和研究机构相继出现了自己的研究产品,分别有其自身的特点。如日本的Sawada R等人利用平版印刷术缩小整个衍射光栅干涉测量系统的外形尺寸,外形尺寸为500μm2,是传统测量系统的1/100,可与微小仪器组合,同时由于其具有极小的惯性,可以实现高速测量[4]。其系统分辨率小于0.01μm。佳能公司在1992年的发明专利中提到的衍射光栅测量系统采用对称结构[5],避免由于温度等变化可能改变正负一级衍射光光程所引起的误差。台湾大学李世光提出的方案中,设计上采用对称光路搭配单倍率望远镜的架构,单倍率望远镜的特殊结构,使得光路沿原路返回。整体系统对光栅的对位公差优于目前全球最先进商用系统之5倍至25倍[5]。此外,在光路设计上使光束大部分的情况正入射于光学组件,并且巧妙地利用偏振分光镜和四分之一波片及反射面的组合,尽可能地将单一光学组件的利用率提升。同时使用严格耦合波理论对光栅几何外形进行最佳化的设计,增进系统的整体性能。索尼在2001年的专利中提到测量系统方案[6],将入射光所在平面和正负一级衍射光所在平面之间设置一定角度δ,避免了0级衍射光进入系统,提高了信噪比。波兰的Dobosz M设计一种测量系统[7],同样是利用入射光平面和衍射光平面有夹角,避免了0级回射,同时缩小系统尺寸。台湾大学范光照教授提出LDGI(线性光栅干涉仪)系统[8]成功的运用到纳米三坐标测量机中,并达到了测量要求。
二次衍射可以达到四次细分,为了提高系统的分辨率,利用二次衍射光干涉的测量系统也得到广泛应用。
2.2 二级衍射光干涉测量系统
海德汉公司提出的利用二次衍射光干涉进行机床运动位移测量的系统如图3所示。准直光束B垂直入射到光栅尺上发生第一次衍射,正负一级衍射光通过直角棱镜回折到光栅上发生二次衍射,二次衍射光经过偏振分光镜后产生干涉,获得两路相位相差90°的信号。当光栅尺有一个栅距的位移时,光电检测器得到4个周期的信号,即达到四细分的目的。细分后最高可实现1nm的分辨率。日本的佳能公司1990~1992年连续发表了关于衍射光栅测量系统的三个专利[4,9,10],是将若干光学元件设计为对称放置两个整体元件,便于调整。同一束光在光栅对称的两个位置发生衍射后再进行干涉,可以降低对光栅的对位公差的要求。但对该元件的加工精度要求很高。结构中采用“猫眼”代替了传统的反射镜,可以使入射光沿入射方向出射,不需要调角度。美国IBM公司1995年提出的衍射光栅干涉系统读数头结构,其中添加了球面透镜和1×望远镜系统,当入射光偏离球面透镜光轴L时,则0级衍射光反射回来偏离光轴2L,不能进入系统,即避免回射到激光器的作用。1×望远镜可以补偿光程的改变,使得正负一级衍射光可以共线的入射到检测元件上[11]。台湾大学吴教授和范光照教授提出了另外二种衍射光栅干涉测量系统[12,13],使用更少的光学元件,获得更高的信号品质,同时提高安装容许度。
2.3 三光栅测量系统
另外海德汉公司推出一种全新的衍射光栅干涉测量系统,利用一个反射和一个透射光栅组成三光栅系统,具体工作原理如图4所示。由LED及准直器件产生的平面波穿过指示光栅G1时,主要被衍射到三个方向:-1、0和+1。指示光栅设计成使零级光束的相位滞后于±1级光束。当光束遇到尺光栅G2时,每束光被衍射到两个方向,即±1级。光栅尺设计成没有零级衍射出现。当光栅尺相对光栅1(=光栅3)运动时,衍射到尺光栅上的1级(K=±1)光束产生与位移X成比例相移Ω,同时-1级(K=-1)光束产生-Ω的相移。光波穿过光栅G3时被再次衍射并移相,同一方向和同一光路的波产生干涉。干涉波的相位来自各单束光相移的和,用非单色和空间不相干光源照明,只有+1、0和-1方向上的干涉波对信号的形成起作用。三路相位相差一定度数的干涉信号被相应的光电池接收。该种结构的光路严格对称防止了光谱漂移对测量的影响。光栅的平均效应可减少对光栅面清洁度的要求。允许系统有相对较大的装配公差。其产品被广泛用于数控机床,作为参考测量系统来测量由于导轨不良以及阿贝误差引起的定位误差。8μm栅距的光栅尺最长可以做到1000mm, 4μm栅距可最长做到220mm。该项技术同样被其它公司和研究机构应用。
3 衍射光栅干涉测量系统研究存在的问题
国内外各大公司和科研机构致力于研究更高精度的衍射光栅干涉测量系统。为了达到低成本、高精度和大量程的目的,分别采用各种方法和特殊结构实现。但是仍然有一些问题有待完善和解决。目前仍然采用激光干涉仪对衍射光栅干涉测量系统进行检定,对于更高精度的衍射光栅干涉测量系统仍然无法检测和标定。由于衍射光栅测量系统由一系列光学元件搭建而成,理论上来说,光栅干涉测量系统中,各光学元件应当摆放于其理想位置,光栅运动没有误差,才可以获得最佳的输出信号,但是每个光学元件均有六个自由度,光栅运动导轨存在直线度误差,要完全消除此项误差相当困难,需要采取措施降低测量精度对光学元件和光栅的对位公差的敏感度。为了更广泛地应用衍射光栅干涉系统,例如应用在车间的数控机床上,要使系统具有高稳定性,高适应性。即提高系统的环境适应性,降低环境对测量的影响。在完善上述问题的同时,尽可能减少元件,降低系统尺寸。使系统更加简单,可以应用在微测量设备中。
4 结 论
在精密的位移或角度测量中,衍射光栅测量系统现的应用逐渐成为主流,该系统使用光栅栅距作为位移标准,而非激光波长,从而大大地提高了读数的稳定性。而当激光入射光栅时,由于光点尺寸远大于光栅栅距,所以刻线误差也由于平均效应而影响甚小。与激光干涉仪比较,衍射光栅干涉系统有很大的优势。上文以海德汉公司产品为例,总结了近20年内国际上各大公司和科研机构设计的衍射光栅干涉测量系统结构特点。并提出目前衍射光栅干涉测量系统的发展存在的问题。为国内科研机构对该系统做近一步的研究提供参考。
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收稿日期:2010-11-25 E-mail:shangping0902@yahoo.com.cn
基金项目:国家自然科学基金(50805043)资助项目.
作者简介:尚平(1985-),女,合肥工业大学博士研究生,从事光学测量、光栅测量研究。
