衍射式光栅干涉测量系统发展现状及趋势

　　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。