光學(xué)線型編碼器中的成像掃描、干涉掃描及全息型原理

本文介紹了光學(xué)線型編碼器中涉及到的成像掃描原理、干涉掃描原理以及全息型原理。

一、成像掃描原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)成像掃描原理用透射光生成信號(hào)：兩個(gè)柵距相同或相近的光柵與掃描掩膜彼此相對(duì)運(yùn)動(dòng)。掃描掩膜的基體為透明色，而作為測(cè)量基準(zhǔn)的光柵材料可為透明材料也可以為反光材料。 當(dāng)平行光穿過光柵時(shí)，在一定距離處投影形成明/暗區(qū)。掃描光柵位于此處。當(dāng)兩個(gè)光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，入射光被調(diào)制：在狹縫對(duì)齊時(shí)，光線通過。如果一條光柵的柵線與另一條光柵上的狹縫對(duì)齊，光線無(wú)法通過。光電池組將光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。掃描掩膜的特殊柵狀結(jié)構(gòu)將光強(qiáng)調(diào)制為近正弦輸出信號(hào)。 光柵條紋的柵距越小，掃描掩膜與光柵尺間的間距越小，公差越嚴(yán)。

二、干涉掃描原理

干涉掃描原理是用精細(xì)柵狀結(jié)構(gòu)的光衍射和光干涉生成位移信號(hào)，測(cè)量運(yùn)動(dòng)。 階梯光柵作為測(cè)量基準(zhǔn)：在平整反光表面上刻有高度為0.2μm的反光線。其前方是掃描掩膜，其柵距與光柵尺的柵距相同，是透射相位光柵。 光波穿過掃描掩膜時(shí)，將光波衍射為光強(qiáng)近似的三束光：+1、0和-1。光柵尺所衍射的光波是反射的衍射光+1和–1中光強(qiáng)最強(qiáng)的光束。這兩束光波在掃描掩膜的相位光柵處再次相遇，再一次被衍射和干涉。也形成三束光，并以不同的角度離開掃描掩膜。光電池將這些交變的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。 當(dāng)光柵與掃描掩膜之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，衍射波面產(chǎn)生相位移：移過一個(gè)柵距時(shí)將正一級(jí)衍射波面在正方向上偏移一個(gè)光波波長(zhǎng)，而負(fù)一級(jí)衍射光波面在負(fù)方向上偏移一個(gè)光波波長(zhǎng)。由于這兩束光離開相位光柵時(shí)相互發(fā)生干涉，這兩束光彼此相對(duì)位移兩個(gè)光波波長(zhǎng)。也就是說(shuō)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距可以得到兩個(gè)信號(hào)周期。 干涉光柵尺的柵距較小，例如8μm、4μm甚至更小。其掃描信號(hào)基本沒有高次諧波，能進(jìn)行高倍頻細(xì)分。因此，這些光柵尺特別適用于小測(cè)量步距和高精度應(yīng)用。

三、全息型原理

全息型編碼器在標(biāo)尺上采用了全息衍射光棚。LD光源發(fā)出光束經(jīng)偏振分束鏡分為兩路，入射于全息標(biāo)尺上。為了避免模糊或者劃痕，全息光棚放在兩塊玻璃板之間。 以某款全息編碼器為例，它僅用了一個(gè)標(biāo)尺，配有間距為0.55μm的全息衍射光柵；標(biāo)尺的長(zhǎng)度幾乎和所用光源的波長(zhǎng)一樣。其中一路沿右方向傳播的光束經(jīng)光柵衍射后到左方向，然后衍射光經(jīng)反射鏡反射后，回到光柵和偏振分束鏡處。經(jīng)過光柵的兩次衍射，使得光束位相發(fā)生了△φ＝4πx/p偏移，式中x表示標(biāo)尺的位移，p為光柵柵距。另外一束沿左方向傳播的光束經(jīng)兩次衍射后，位相偏移了△φ＝-4πx/p。兩束光在光電探洌器前面的分束鏡處發(fā)生干涉。干涉信號(hào)的強(qiáng)度隨{t標(biāo)尺位移的變化而呈正弦形式變化。光強(qiáng)變化周期為8πx/p，是位相變化一個(gè)周期的4倍。接收信號(hào)的周期為p/4，4個(gè)周期的位相變化對(duì)應(yīng)標(biāo)尺位移變化一個(gè)柵距p，若光柵柵距為0.55μm，則信號(hào)間距為0.14μm。 采用4個(gè)探測(cè)器接收干涉信號(hào)。1/4波片及半透半反鏡使干涉光束分成位相差為90 °的兩個(gè)信號(hào)。從4個(gè)光電探測(cè)器輸出的位相相反的信號(hào)進(jìn)行相減，通過電子線路產(chǎn)生一周期為0.14μm的正弦與余弦信號(hào)。經(jīng)電阻分壓和A/D轉(zhuǎn)換，正弦與余弦信號(hào)進(jìn)行4000次插值。這種編碼器的分辨率可達(dá)到0.034nm。這種全息光柵型編碼器不僅有高的分辨率，而且不受振動(dòng)、空氣波動(dòng)及空氣壓力變化的影響，這是因?yàn)樗且环N雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。

參考資料1、光學(xué)計(jì)量手冊(cè) 原理與應(yīng)用_（日）吉澤徹編_北京：國(guó)防工業(yè)出版社 , 2015 2、海德漢直線光柵尺資料 3、Handbook of Optical Systems, Volume 5 Metrology of Optical Components and Systems 4、傳周科技官網(wǎng)