85栅在测量位移中的应用_莫尔条纹技术

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 计量光栅在测量位移中的应用 一 莫 尔 条 纹 技 术 一 朱 应 时 摘要 本文系统地介绍计量光栅的特点和测量位移的原 理 并且还介绍了莫尔条纹 读数系统中的一般的读数头的结构 , 其中特别介绍了两倍 、 四倍和多倍的读数系统 。 最 后介绍我们在莫尔条纹技术应用上的几项效果显著的成果 。 一 、 概 述 莫尔条纹是一种光学现象 , 当光束通过 某种周期性结构的物体后 , 使光束在一定的 空间平面上相应地形成相位的或幅度的周期 性变化 。 如果将这种具有相近似的周期性变 化的两束光进行 “千涉 ” , 就会形成肉眼可看 得见的明暗相间的光花样 , 这种光花样称为 莫尔条纹 。 莫尔条纹实际上是一 种 光 学 的 “放大 ” 现象 , 因而具有广泛的应用 , 其中 特别引人注 目的是 用光栅作 “ 莫尔 ” 元件 而产生的莫尔条纹可用来测量线位移和角位 移 。 莫尔条纹用于测量位移有其下列独特的 优点 测量精度高 计量光栅一般地是由精密刻划机刻制出 来的 , 其刻线精度比较高 。 莫尔条纹是由许 多刻线综合作用而形成的 , 对刻划误差具有 消除或平均作用 。 所以莫尔条纹信号代表的 位置精度要比光栅上单根刻线的位置精度要 局 。 读数速率高 莫尔条纹的取数速率一般取决于光电接 收元件和使用的电路的时间常数 。 取数速度 的范围可从每秒零至数十万次 , 因此被测件 可以是静止的 , 也可以是快速运动的 , 莫尔 条纹这种快速取数的特性非常适合对位移进 行动态测量 。 分辨率高 常用的刻线节距为 微米一 微米 , 再 加上将每个条纹细分 一 等分的电子学 细分技术 , 是很容易做到 微米一 微米 数量级的分辨率 。 目前已经研究成功了所谓 “ 超干涉仪 ” 的莫尔条纹读数系统 , 每个条 纹间隔代表 微米 。 相当于 入 若波 长 。 微米 。 这比一般光波干涉仪条纹的 分辨率还高一倍 读数能数字化 自动化 莫尔条纹信号是接近正弦形的 , 比较适 合电路上的处理 , 由于 目前数字电路比较成 熟 , 因此测量位移的莫尔条纹信号可用数字 形式显示出来 , 还可用数码形式输给专用计 算机直接将测量的结果打印出来 。 二 、 莫尔条纹测量位移的原理 利用莫尔条纹测量位移的核心元件是光 栅 。 光栅不但具有按波长分光的本领 , 而且 还对位移具有 “ 敏感 ” 的作用 。 当一束平面 光波通过光栅后 , 光波的相位 除零级衍射 波外 或幅度将发生变化 , 这种相位或幅度 的变化与光栅的刻线周期有着对应关系 , 这 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 是光栅测量位移的基础 。 用作计量位移的光栅称为 “ 计量光栅 ”。 计量光栅一般分为相位光栅和振 幅 光 栅 两 种 。 其中每种都有透射和反射的两种类型 , 并且都能产生莫尔条纹 , 但是两者产生莫尔 条纹的原理是不同的 。 相位光栅测量位移原理 当一束平面波以 里的入射角射入透射的 相位光栅 图 , 经其衍射后衍射角为 的第 级衍射波在空间任一 点 上 的 相 位 为 刀刀刀 图 切今” ’ 切 “ ’ 汀 一 久 式 中 和 为衍射级次 , 为光栅节距 在 物理光学上称光栅常数 。 对于一定的参考点 和给定的衍射级来说 上式中第一 、 第二两 项都是常量 , 因此可以看出 , 在 。 点 , 给定 的两束衍射波的相位差与位移 成线性的关 系 。 若这两束衍射光符合相干条件 , 在 点 就要发生干涉 即光栅在 方向上连续移动 时 , 在 点就可产生光强的交替变化 , 这种 由相位变化导至光强度的变化就是测量位移 的基础 。 在光栅衍射的一侧加上一个 “ 指示 器 ” , 使给定的两束衍射波前之间形成一个微 小的特定的角度以满足在视场中形成具有一 定宽度的莫尔条纹 , 并除掉其余衍射级的影 响 。 这种 “ 指示器 ” 可用光栅 、 分光镜 、 或 双折射晶体 。 在用光栅时 , 通常把作指示器 的光栅称为 “ 指示光栅 ” , 而和指示光栅配对 的那个光栅称为 “ 标尺光栅 ”。 指示光栅和标 尺光栅的节距一般是相等的 、 接近的 、 或具 有整倍数关系的 。 如果把标尺光栅和指示光 栅面对面的 , 刻线几乎相平行地 放 在 一 起 如图 所示 , 假定这两块光栅是一样的 , 切犷〕 汀 几 夕 汀 义 几 至 夕 其中 久 —光波波长 。 同理衍射角为 口二 的第 川 级波在 点上 的 相 位为 切俨’ 华罗‘ 十 汀 久 口 , 汀 义 几 于 夕 图 因此 , 这两束衍射波在该点的相位差为 切 。 切岁’一 切卿 厅 几 口 万 一 〔, 民· 夕 一 厌 、 夕, 一 夕。‘ 根据光栅的光谱最大值方程 , 将相位差刀切 。 改写成如下形式 刀明 。 二 甲梦、 一 卿少’ 十 旦叮只 乡 。 、 、 兀 多 一 口 。 一 又月 一 阴 一之灯 并 巨衍射光大部分集中在 级和 级上 , 当光线通过 , 衍射出 、 两束光射到第二块 光栅 上时 , 每一束光又进行一次衍射 , 可以发现 强度占优势而相近的两束衍射光 , 。 和 , 以相同的方向射出 , 它 们各 自的波前 , 。, 和 。 , , 相互平行 。 当光 栅 , 相对 沿 方向移动时 , 光束 , 相对于 , 的相位发生变化 , 光栅移过 一个节距时 , 其相位恰好变化 。 弧度 , 此时 在 出射光的光场上亮度均匀地变化一周 , 这 一 理 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 就是莫尔条纹信号 。 将 相对 转动 , 使两 者的刻线交叉一个很小的角度 , 便可获得垂 直于刻线方向的具有一定宽度的莫尔条纹 。 振幅光栅测量位移原理 当平行光射入振幅光栅上 时 , 光 栅 的 “ 黑线条 ” 将光吸收或反射 , 而 “ 白线条 ” 允许光线通过 , 在接近光栅表面的平面上形 成与光栅刻线周期相对应的明暗相间的光花 样 图 。 当光栅沿 方向移动时光栅表面 附近参考点 上的光强度将交替变化 , 这种 光强的变化就是测量位移的基础 。 由于光栅 刻得较密 一般刻线密 度 为 一 条 毫 米 , 光花样也很微细 , 这种光花 样 无 法 使 用 , 通常采用刻线节距与标尺光栅相等 、 或 相近的指示光栅实现多狭缝取光 。 如果将指 示光栅与标尺光栅面对面重合在一起 , 使两 者的刻线交叉一个小的 角度 , 在平行光的 照明下 , 出射光一侧的光场中将出现明暗相 间的莫尔条纹 。 条纹宽度近似 为 , 调 整 值便可得到任意宽度的莫尔条纹 。 这种莫尔 条纹实际上就是上述微细光花样的放大象 。 面上出现和光栅线周期一样的明暗相间的光 花样 。 当 二 时 , 称为光栅的第一菲涅耳 象面 , 在此象面上光花样的周期与黑 白光栅 的刻线周期相同 , 只是相位差 二 , 如果把指示 光栅放在这个象面上 , 就好象放在标尺光栅 表面 一样 , 可得到对比度较好的莫尔条纹 。 三 、 莫尔条纹读数系统 莫尔条纹读数系统的作用就是将光栅的 位移转换成近似正弦形的莫尔条 纹 光 电 信 号 。 尽管莫尔条纹读数系统已经发展成多种 形式 , 但基本上 由光源产生平行光的透镜组 、 光栅付 标尺光栅和指示光栅 、 限 光 光阑 狭缝 , 集光透镜 有的系统无此透镜 和 光电接收器等几种元件组成 。 通常 , 除标尺 光栅外 , 其余的元件结合在一 起 , 构 成 组 件 , 称为莫尔条纹读数头 。 常用的莫尔条纹 读数头有用在相位光栅上的 “ 光谱仪系统 ” 图 和用在振幅光栅上的 “ 法向入射系 统 ” 图 两种形式 。 图 砰乒岌歹引到寻平行丸 图 当黑白光栅刻线密到一定程度时 , 衍射 现象十分明显 , 只有减小指示光栅与标尺光 栅之间的间隙才能得到一定对比度的莫尔条 纹 。 光栅刻线愈密 , 间隙必然愈小 , 在实际 应用中间隙愈小愈容易造成擦伤 光 栅 的 事 故 。 在这种情况下 , 利用光栅的菲涅耳衍射 成象效应 , 可使两者之间的间隙加大 。 所谓 光栅的菲涅耳象就是平行光法向 射 入 光 栅 一 上 在离光栅表面大约是 一犷 一远的各个平 、、 一 「「 」」 图 有些莫尔条纹读数系统除了能取出莫尔 条纹光电信号外 , 还具有光学细分信号的作 用 , 这种读数系统可在光栅移动一个刻线节 距过程中获得两个 以上周期的莫 尔 条 纹 信 号 , 下面重点介绍几种具有细分作用的莫尔 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 条纹读数头 。 二倍频成象读数系统 图 说明一个二倍频成象系统的原理 , 光源 通过透镜 , 产生平行光照明光栅 , 光栅的另一侧放置物镜 和反射镜 , 照 明光栅的光线经过物镜投至反射镜 , 再由反 射镜反回至物镜 , 使光栅的象正好 和 光 栅重合 , 由于此成象系统的倍数为 一 , 光 栅象的运动和光栅相反 , 能形成二倍频的莫 尔条纹信号 。 乓二 厂 门门 卫卫卫卫一 ’ 、、」」」」」 长长 图 四倍频读数系统 图 所示的莫尔条纹读数头 中 , 凹球面 反射镜 的曲率中心位于光栅表面 点上 , 白炽灯光源 经 发出的平行光经过半反 半透镜 反射至靠近光栅的透镜 后 , 的焦点 正好处在凹面镜的反射面宝 经过 光栅 的衍射形成许多光点 。 , 二 , , 十 , , 和 等等 这些光点相对应的衍射级 为 、 一 、 、 一 、 等等 。 一 和 的光反回至光栅表面再次进行 衍 射 后 , 经 在它的焦面上形成一系列的灯丝 象 , 中 心的那个象 是由光栅的 一 和 级光束形 成的 , 而前者由 工反射而来 , 后者由 , 反射而来 , 所以 这 两 束 光 一 , 一 和 , 在 点处产生干涉 。 当光栅沿 方向移动时 , 点处形成亮暗交替变化的 莫尔条纹信号 。 经推导光强度的变化为 《二 。 二二 二 式中 。一背景的强度 , 一交变光强度的幅值 。 上式表明 光栅移过一个光栅节距 , 光强度 人一 。 卜 , 图 二 变化四个周期 , 即获得四倍频的莫尔条 纹信号 。 多倍频莫尔条纹读数系统 图 所示系统采用具有对称闪烁作用的 反射相位光栅 , 所谓对称 闪烁就是在 。 , 二 。 和 一 的两个衍射级上获得较大并 且 接近等值的集光效能 。一 。 · 一 · 光电元许 系统中反射衍射光栅上面放置一块分束 板 即半反射半透射的 , 其 分 束面垂直于 光栅表面 , 一 且平行于光栅刻线方向 。 一束平 行光射入分束板被分成两束 , 它们以等值而 符号相反的入射角射入光栅表 面 , 经 衍 射 后 , 以 和 一 。 衍射级方向 , 经过等长的光 程相遇于分束面上 , 再经分束板的作用 , 在 选定的方向上只有某种波长相等的两束光射 出来 , 在这个方向上可以观察到亮暗变化的 莫尔条纹信号 。 这种条纹的频率比光栅的刻 线频率提高 。倍 。 据称用这种系统对 条 毫米的反射光栅进行实验 , 应用其 士 、 一 一 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 士 和 士 衍射级获得了对 比 度为 左 右的莫尔条纹信号 , 条纹的一个周期分别等 于 、 和 微米 。 它对 位 移 的 灵 敏度已经超过了迈克尔逊干涉仪 。 四 、 我所在莫尔条纹技术 上的应用 莫尔条纹技术工作 , 在我所已经开展好 多年了。 我们利用莫尔条纹的光电信号控制 圆分度刻划机 , 控制光栅刻划机 , 检测圆光 栅和码盘的刻划分度误差 。 另外还用于测量 精密小丝杆 , 拾取光学轴角编码器的高位数 的光电信号等 。 下面简单介绍莫尔条纹控制 圆分度机 、 控制光栅刻划机以及检测圆光栅 和码盘的工作 。 莫尔条纹控制圆分度刻划机 一般的圆分度刻划机是用精密蜗轮作为 分度基准的 , 由于工艺上的限制 , 这样的刻 划机通常只做到 秒左右的精度 。 我所利用 圆光栅的多头取信号获得高精度的莫尔条纹 光电信号的原理 , 改装了一合原精度低于一 秒的圆分度刻划机 , 刻出的圆光栅的精度比 原来的提高近一个数量级 , 图 的曲线就 是用莫尔条纹控制刻出的一块圆光栅的直径 误差曲线 , 后来又采用这种原理 与昆明机床 厂合作研制了 “ 圆分度刻划机 , 图 是 它刻出的一块圆光栅的误差曲线 。 这种圆分 度机提高分度精度的工作原理是这样的 , 在 圆分度机的主轴上同心地安装上一块称为动 光栅的圆光栅 , 其刻线稍许偏离中心 , 切于 一个半径为 毫米小圆 , 在动光栅上面装 一块与动光栅一样的圆光栅称为静光栅 , 它 与动光栅同心 , 这种条件下 , 在圆光栅上形成 同心环莫尔条纹 , 在圆光栅的刻划圆周上以 一定间隔分布十个大视场莫尔条纹读数头 , 从中获得莫尔条纹光电信号进行相加平均 , 平均掉或大大减小圆光栅中的长周期误差 、 中周期误差 、 短周期误差和一些局部的 “ 突 跳 ” 性误差 , 因而这种信号具有 很 高 的 精 度 , 用以作为圆分度机的分度定位基准 。 由 于莫尔条纹是空间的正弦信号 , 所以这种刻 划机既能进行间歇刻划又能连续刻划 。 莫尔条纹控制光栅刻划机 光栅刻划机的关键机构是分度机构 。 分 度机构的精度直接决定着光栅的质量 。 为了 获得高分辨本领的光栅 。 我所的光栅刻划机 采用了由反射衍射计量光栅和分 束 棱 镜 组 成的莫尔条纹读数系统 图 的 , 把从这系统 中得到正弦光电信号用来控制光栅机。 图 的莫尔条纹读数系统是顾去吾同志研制成功 的 , 由于这个系统实际上是一个等光程干涉 系统 , 所以可用普通的白炽灯作光源 , 并对气 压 、 温度 、 湿度 、 振动等环境要求比迈克尔 逊干涉仪低得多 。 由此可见 , 这个干涉系统 是一个既简单而又可靠的系统 , 再加上电子 学系统又不复杂 , 故称 “ 简易干涉系统 ”。 在 这种简易干涉控制系统中的 条 毫米的反 产生余技的 确无 出射冬索 引直似差洲 , 广、 口尸 蔽 。 、丫篇 一 之 盯 。 仍 ’ 会束校晚 冬 , 丸材 图 射衍射计量光栅 刻线的槽形是对称的 , 俗 称样板光栅 安装在放置被刻光栅的工作台 上 , 含有分束棱镜 , 光源 , 光电接收元件的 © 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 差为 士 夕 , 对精度比较高的被测件可用组 合测试的方法提高测量精度 , 图 , 是本仪器 翻刃口侧砚 图 对一块圆光栅两次组合测试的直径误差曲线 一次组合测试有四个测回 。 参 考 文 献 王 , 走 , , 月 力 王 , , , , , 一生 , , , , , 一 里 , 力 , , , 一 , , 中 、 , 班 巧 只 , , , 一 , , 王 刀 , , , 一 邹 自强 , 机床通讯 , , 第 期 光机所 、 十六所 , 光学机械 , 第 期 杨厚民 , 简易干涉控制光栅刻划机 , 。 勺门勺勺﹁﹃,门」飞出勺乙,性︸口厅‘厂﹂厂子﹄厂‘‘‘厂﹄ 读数头固定在机座上 。 当装有计量光栅的滑 座移动时光电元件就能输出正弦形的光电信 号 , 由于采用 十 级和 一 级形成的莫尔条 纹 , 所以莫尔条纹变化一个周期相当于移动 微米 , 在一个分度过程中滑座所走的距 离由条纹计数器控制 , 由于这种莫尔条纹精 度高 , 加上机械环节的精度也很高 , 所以分 度定位精度优于 微米 。 在这台光栅机上 刻出了面积为 ‘ 平方毫米 , 分辨本领 为 万的光栅 , 这种光栅即使在高级次使用 时 , 罗兰鬼线的强度也低至可忽略不计 。 莫尔条纹检验圆光栅及码盘的分度 误差 码盘和圆光栅是两种新的圆分度元件 , 为了获得这两种圆分度元件的分度误差 , 用 原有的测量光学度盘的方法不能满足要求 。 我们采用了莫尔条纹信号的比相原理研制了 一台码盘 、 圆光栅光电检验仪 , 仪器的工作 原理是这样的 在仪器的精密主轴上装一块 精度比较高的圆光栅 , 多头取得平均莫尔条 纹光电信号作为分度的基准信号 , 被检圆光 栅或码盘和输出基准信号的圆光 栅 同 轴 旋 转 , 基准信号与被测圆光栅中取得的被测信 号一起输入相位计 。 由于基准信号的相位与 转角之间保持着正确的关系 , 而被测信号中 存在着刻划误差 , 因此相位与转角之间有着 相应的误差 , 当两者比相时 , 它们的相位差 有变化 , 相位计输出的直流电压也具有相应 的变化 , 这种变化表示着被测的圆光栅或码 盘的刻划误差 。 误差是由记录仪画出曲线 , 再将曲线作对径平均处理便可得 出被测圆光 栅或码盘的直径误差 。 本仪器经多次测试证明 , 单次测量中误 〔 〕 〔 〕 〔 」 一 一