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(mén)既古老又現代的測量技術(shù)。對莫爾條紋的研究最早可以追溯到十九世紀末期，二十世紀五十年代以后開(kāi)始應用于實(shí)際測量，并逐步對莫爾條紋的形成機理開(kāi)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：認為由條紋構成的新的軌跡可表示莫爾條紋的光強分布；（2）基于衍射干涉原理：認為由條紋構成的新的光強分布可按衍射波之間的干涉結果來(lái)描述；（3）基于傅立葉變換原理：認為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項所組成。這三種理論都可以較完滿(mǎn)地解釋莫爾條紋現象。一般來(lái)說(shuō)，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(lái)解釋?zhuān)鈻艞l紋較密的用衍射干涉原理來(lái)解釋則更為恰當。

上世紀六、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，并出現了電子細分技術(shù)，使光柵的分辨率和精度能夠適應現代計量的要求，莫爾條紋技術(shù)得到迅速推廣應用，且出現了許多嶄新的光柵莫爾條紋測量技術(shù)。

傳統的四場(chǎng)掃描光柵系統（成都工具研究所開(kāi)發(fā)的光柵傳感器均屬這種系統）由于受污染影響較大，已逐漸被準單場(chǎng)掃描和單場(chǎng)掃描系統所取。準單場(chǎng)掃描系統的指示光柵由兩個(gè)相位不同的光柵組成，標尺光柵（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(chǎng)掃描系統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。這兩種結構中，由于都使用一個(gè)掃描場(chǎng)，光柵上的局部污染對各組信號的光強影響大致相同，大幅度減少了因污染造成的測量誤差。這二種掃描系統都屬于成像掃描原理，是目前廣泛應用的光柵系統。

1987年，Haidenhain公司推出了一種干涉掃描系統，該系統中，標尺光柵和指示光柵均采用相位光柵，通過(guò)合理設計光柵線(xiàn)紋高度方向的形狀來(lái)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。干涉掃描系統是一種高精度、高分辨率的光柵系統，如Haidenhain的LIP382，測量長(cháng)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。在成像掃描系統中，認為光線(xiàn)完全是直線(xiàn)傳播的，符合幾何成像原理，采用的光柵柵距一般大于20μm；而在干涉掃描系統中，系統完全處于衍射、干涉狀態(tài)，使用的光柵柵距一般小于8μm。由于干涉掃描系統采用了遠心成像和Fraunhofer衍射系統，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，調整系統時(shí)，完全不必像過(guò)去那樣去尋找Frensnel焦面，這對于實(shí)際測量是極其有利的。

為適應數控機床的需要，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置絕對軌，在絕對軌上設計了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時(shí)通過(guò)探測相鄰零位光柵的距離來(lái)確定絕對位置，與絕對軌配合使用的EnDat雙向數據接口除可判斷絕對位置外，當光柵出現故障時(shí)還能即時(shí)向數控機床發(fā)出報警信號，以保證加工的安全性。

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

上世紀九十年代出現了二維光柵，其線(xiàn)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。如PP271R、PP281R光柵的精度為±0.1μm，系統可以直接利用X—Y工作臺作為坐標系統，也可以用于檢測數控機床的插補誤差（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?jì)x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見(jiàn)，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光柵莫爾條紋技術(shù)的應用必將日益廣泛。

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