光栅基础知识介绍 .pdf

光栅技术

从20世纪50年代至70年代，栅式测量系统从感应同步器发展到光

栅、磁栅、容栅和球栅，这5种测量系统都是将一个栅距周期内的绝对式

测量和周期外的增量式测量结合起来，测量单位不是像激光一样的光波波

长，而是通用的米制(或英制)标尺。它们有各自的优点，相互补充，在竞

争中都得到了发展。但光栅测量系统的综合技术性能优于其它4种，而且

其制造费用又比感应同步器、磁栅、球栅低，因此光栅发展最快，技术性

能最高，市场占有率最高，产业最大。在栅式测量系统中，光栅的占有率

已超过80%，光栅长度测量系统的分辨率已覆盖微米级、亚微米级和纳米级；

测量速度从60m/min至480m/min。测量长度从1m、3m至30m和100m。

光栅测量技术的发展

计量光栅技术的基础——莫尔条纹(Moirefringes)是由英国物理学家

LRayleigh首先提出的。到20世纪50年代才开始利用光栅的莫尔条纹进

行精密测量。1950年，德国Heidenhain首创DIADUR复制工艺，即在玻璃

基板上蒸发镀铬的光刻复制工艺，可制造出高精度、价格低廉的光栅刻度

尺，所以光栅计量仪器才被广大用户所接受，并进入商品市场。1953年，

英国Ferranti公司提出了一个4相信号系统，可以在一个莫尔条纹周期实

现4倍频细分，并能鉴别移动方向，这就是4倍频鉴相技术，是光栅测量

系统的基础，并一直应用至今。

60年代初，德国Heidenhain公司开始开发光栅尺和圆栅编码器，并制

造出栅距为4μm(250线/mm)的光栅尺和10000线/转的圆光栅测量系统，

可实现1μm和1角秒的测量分辨率。1966年又制造出了栅距为20μm(50

线/mm)的封闭式直线光栅编码器。在80年代又推出了AURODUR工艺，是在

钢基材料上制作高反射率的金属线纹反射光栅，并在光栅一个参考标记(零

位)的基础上增加了距离编码。1987年，又提出一种新的干涉原理，即采用

衍射光栅实现纳米级的测量，并允许较宽松的安装。1997年推出用于绝对

编码器的EnDat双向串行快速连续接口，使绝对编码器和增量编码器一样

很方便地应用于测量系统。现在光栅测量系统已十分完善，应用的领域很

广，全世界光栅直线传感器的年产量在60万件左右，其中封闭式光栅尺约

占85%，开启式光栅尺约占15%。在Heidenhain公司的产品销售额中，直

线光栅编码器约占40%，圆光栅编码器占30%，数显、数控及倍频器占30%。

Heidenhain公司总部的年销售额约为7亿欧元(不含Heidenhain跨国公司

所属的40家企业)。国外企业的人均产值在10～15万美元左右，研究开发

人员约占雇员的10%，产品研发经费约占销售额的15%。

当今采用的光电扫描原理及其产品系列

根据形成莫尔条纹原理的不同，激光可分为几何光栅(幅值光栅)和衍

射光栅(相位光栅)，又可根据光路的不同分为透射光栅和反射光栅。微米

级和亚微米级的光栅测量是采用几何光栅，光栅栅距为100μm至20μm，

远大于光源光波波长，衍射现象可以忽略，当两块光栅相对移动时产生低

频拍现象形成莫尔条纹，其测量原理称影像原理。纳米级的光栅测量是采

用衍射光栅，光栅栅距为8μm或4μm，栅线的宽度与光的波长很接近，则

产生衍射和干涉现象形成莫尔条纹，其测量原理称干涉原理。现将德国

Heidenhain公司产品采用的三种测量原理加以介绍。

(1)具有四场扫描的影像测量原理(透射法)

采用垂直入射光学系统均为4相信号系统，是将指示光栅(扫描掩膜)

开四个窗口分为4相，每相栅线依次错位1/4栅距，在接收的4个光电元

件上可得到理想的4相信号，这称为具有四场扫描的影像测量原理。

Heidenhain的LS系列产品均采用此原理，其栅距为20μm，测量步距为

0.5μm，准确度为±10、±5、±3μm三种，最大测量长度为3m，载体为玻

璃。

(2)有准单场扫描的影像测量原理(反射法)

反射标尺光栅是采用40μm栅距的钢带，指示光栅(扫描掩膜)用两个

相互交错并有不同衍射性能的相位光栅组成，为此，一个扫描场