计量光栅制造综述

　　1　引　言

　　计量光栅,已经广泛用于精密测量、自动定位、跟踪测试和光学信息处理等领域。光栅质量的优劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低将直接影响光栅测量仪器的精度和性能。因此,制造高精度和低成本的光栅是光栅制造部门的重要课题和任务。

　　计量光栅的种类很多,计量光栅大部分使用黑白相间的振幅光栅,有时也用相位光栅。由于各种光栅的节距相差很大,精度要求也不一样,因此制造方法各不相同。10 l/mm～250 l/mm左右的光栅可采用刻划机刻划、投影光刻和照相复制等方法,而作为计量用的600 l/mm～3000 l/mm的衍射光栅可采用光栅刻划机刻划和全息法制造等。

　　近年来,为了进一步探索光刻技术,在准分子激光技术上做了不少工作,诸如准分子激光投影光刻、电子束投影光刻、X射线光刻等技术应运而生,将光刻极限由原来的0.5μm推进到现在的0.1μm左右。激光直写法和全息法作为制造光栅的两种方法,与传统制造方法相比,由于其诸多优点而日渐在衍射光栅和二元衍射元件中应用。光栅复制多采用照相复制法,现对虫胶复制、聚乙烯醇复制、光刻胶复制作了介绍。文章还对光栅质量的基本指标项目及检测方法进行了述评。

　　2　光栅种类

　　计量光栅大部分采用黑白相间的振幅光栅,为了消除偶次谐波,采用光闸莫尔条纹时,计量光栅的黑白比往往作成1:1。圆光栅刻划时刀子刻划的线条在径向上是均匀一致的,这样线条在径向上宽度一样或者透光缝隙在径向上宽度是相等的,在复制时通过采用正性胶和负性胶工艺,使得光栅副中的一块为线条等宽,另一块透光缝隙等宽,这样产生的光闸条纹效果较好。近年来,不少场合也应用相位光栅,其应用特性更具优越性[1]。

　　长光栅又叫光栅尺,其片基有玻璃、少量为钢带及特种材料。根据国内外光栅尺加工和使用情况,目前国内外采用的光栅尺每毫米线数为5、10、25、50、125、250等规格,长光栅尺也采用的是二进制及其他规格。传统的长光栅尺主要有两种:增量式,其起始零点可任意选择;绝对式的零点是固定的。零位光栅采用一条透光狭缝,狭缝的宽度常采用0.5P～1P(P为光栅节距)。当光栅节距较小时,常常采用多缝组成的零位光栅,零位光栅光通量要求符合次最大通光量与最大通光量之比优于1/3—1/2。圆光栅根据制造材料不同可分成玻璃光栅和金属光栅。根据国内外使用情况,每周的线数有三种进制,即60进制、10进制和2进制。当用作记录每周信号数时常用10进制,而国防工业中较多用2进制,民用的计测系统中则多采用60进制。圆光栅刻划中径上的黑白比一般为1∶1,其误差范围为10%～15%。圆光栅测角装置也包括有绝对式和增量式两种,零位光栅的选择也与长光栅尺相同。编码盘同圆光栅一样,也是一种重要的测角元件,它在光学圆盘上刻有很多同心图案,圈与圈之间以一定规律编排,任何某一径向位置只有惟一的一组代码,这一特征图案叫做绝对编码,圆盘上刻有此编码的叫做编码盘。编码盘一般采用2进制,即如果将一个圆周角分成2n等份,定义n为码盘的“位数”,黑白线数总数为2n线,若采用循环码时,码盘的线数会减少一半。在光电编码器中只有一圈图案的叫做单圈编码器,有多圈图案而又能起到更多位编码作用的叫做准绝对式编码器[2]。