光柵莫爾條紋技術(shù)的發(fā)展

光柵莫爾條紋技術(shù)是一門既古老又現(xiàn)代的測量技術(shù)。對莫爾條紋的研究最早可以追溯到十九世紀(jì)末期，二十世紀(jì)五十年代以后開始應(yīng)用于實(shí)際測量，并逐步對莫爾條紋的形成機(jī)理開展了廣泛的研究，至今已形成了三種主要的理論：（1）基于陰影成像原理：認(rèn)為由條紋構(gòu)成的新的軌跡可表示莫爾條紋的光強(qiáng)分布；（2）基于衍射干涉原理：認(rèn)為由條紋構(gòu)成的新的光強(qiáng)分布可按衍射波之間的干涉結(jié)果來描述；（3）基于傅立葉變換原理：認(rèn)為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項(xiàng)所組成。這三種理論都可以較完滿地解釋莫爾條紋現(xiàn)象。一般來說，第三種理論是一種廣義的解釋。光柵條紋較疏的可直接用遮光陰影原理來解釋，而光柵條紋較密的用衍射干涉原理來解釋則更為恰當(dāng)。

上世紀(jì)六、七十年代，由于光柵制造工藝的改進(jìn)以及電子技術(shù)的發(fā)展，能夠批量提供廉價(jià)的光柵產(chǎn)品，并出現(xiàn)了電子細(xì)分技術(shù)，使光柵的分辨率和精度能夠適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)量的要求，莫爾條紋技術(shù)得到迅速推廣應(yīng)用，且出現(xiàn)了許多嶄新的光柵莫爾條紋測量技術(shù)。

傳統(tǒng)的四場掃描光柵系統(tǒng)（成都工具研究所開發(fā)的光柵傳感器均屬這種系統(tǒng)）由于受污染影響較大，已逐漸被準(zhǔn)單場掃描和單場掃描系統(tǒng)所取。準(zhǔn)單場掃描系統(tǒng)的指示光柵由兩個(gè)相位不同的光柵組成，標(biāo)尺光柵（主光柵）反射后由四個(gè)光電池接收，得到相位差為90°的4個(gè)莫爾條紋信號；單場掃描系統(tǒng)采用柵距與主光柵略有不同的一個(gè)大光柵組成指示光柵，用柵狀光電器件接收信號。這兩種結(jié)構(gòu)中，由于都使用一個(gè)掃描場，光柵上的局部污染對各組信號的光強(qiáng)影響大致相同，大幅度減少了因污染造成的測量誤差。這二種掃描系統(tǒng)都屬于成像掃描原理，是目前廣泛應(yīng)用的光柵系統(tǒng)。

1987年，Haidenhain公司推出了一種干涉掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，標(biāo)尺光柵和指示光柵均采用相位光柵，通過合理設(shè)計(jì)光柵線紋高度方向的形狀來控制衍射的級次和相位，莫爾條紋由輸入光兩次衍射后的干涉光形成。干涉掃描系統(tǒng)是一種高精度、高分辨率的光柵系統(tǒng)，如Haidenhain的LIP382，測量長度270mm，分辨率1nm，精度0.1μm。

為保證形成莫爾條紋的質(zhì)量，避免陰影與衍射并存，莫爾條紋系統(tǒng)采用的光柵柵距明顯向兩端（疏或密）發(fā)展。在成像掃描系統(tǒng)中，認(rèn)為光線完全是直線傳播的，符合幾何成像原理，采用的光柵柵距一般大于20μm；而在干涉掃描系統(tǒng)中，系統(tǒng)完全處于衍射、干涉狀態(tài)，使用的光柵柵距一般小于8μm。由于干涉掃描系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)心成像和Fraunhofer衍射系統(tǒng)，使光柵副能夠工作在大間距狀態(tài)（甚至接近1mm），且間距的變化對信號幅值的影響很小，調(diào)整系統(tǒng)時(shí)，完全不必像過去那樣去尋找Frensnel焦面，這對于實(shí)際測量是極其有利的。

為適應(yīng)數(shù)控機(jī)床的需要，絕對式光柵正成為發(fā)展趨勢。絕對式光柵是在增量光柵上設(shè)置絕對軌，在絕對軌上設(shè)計(jì)了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時(shí)通過探測相鄰零位光柵的距離來確定絕對位置，與絕對軌配合使用的EnDat雙向數(shù)據(jù)接口除可判斷絕對位置外，當(dāng)光柵出現(xiàn)故障時(shí)還能即時(shí)向數(shù)控機(jī)床發(fā)出報(bào)警信號，以保證加工的安全性。

光柵線紋的位置精度和一個(gè)信號周期內(nèi)的線紋質(zhì)量是影響光柵精度的主要因素，通過對光柵制造環(huán)境的嚴(yán)格控制和采用特殊的二維刻蝕工藝以及單場掃描的平均效應(yīng)，目前光柵的精度已可達(dá)±0.1μm/m，在一個(gè)條紋周期內(nèi)誤差小于1%。優(yōu)異的莫爾條紋信號是高倍細(xì)分的前提，Haidenhain光柵產(chǎn)品的最高細(xì)分?jǐn)?shù)可達(dá)4096。

上世紀(jì)九十年代出現(xiàn)了二維光柵，其線紋是網(wǎng)格狀的，可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)方向的測量，是一種新型的光柵系統(tǒng)。如PP271R、PP281R光柵的精度為±0.1μm，系統(tǒng)可以直接利用X—Y工作臺作為坐標(biāo)系統(tǒng)，也可以用于檢測數(shù)控機(jī)床的插補(bǔ)誤差（KGM182）。

由于光柵莫爾條紋技術(shù)的不斷發(fā)展，光柵傳感器已成為一種可與激光干涉儀媲美的測量儀器，目前除測量精度不及激光干涉儀外，在測量成本低、測量速度高（480m/min）、測量范圍大（100m以上）、受環(huán)境影響小等方面都是激光干涉儀所不及的?？梢灶A(yù)見，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光柵莫爾條紋技術(shù)的應(yīng)用必將日益廣泛。

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