光栅测量系统的几个关键问题

光栅测量系统的几个关键问题

光栅测量系统是实现纳米级精度位移测量的核心技术，其在实际应用中的精度与可靠性，取决于对几个关键问题的深刻理解与妥善解决。首先，是光栅尺自身的精度与稳定性，包括刻划误差、热膨胀系数及长期稳定性。其次，是读数头的细分误差与信号质量，这直接影响分辨率与抗干扰能力。再者，是整个系统的安装与阿贝误差控制，导轨的直线度、读数头与光栅尺的间隙及平行度都至关重要。最后，是环境因素，尤其是温度波动对系统精度的影响，必须通过精密测温与软件补偿来抑制。在将这些系统集成至高精度仪器检测设备（如三坐标测量机、光刻机）时，上述问题的协同优化是确保仪器检测结果达到设计指标的根本前提，任何一环的疏忽都可能导致整个仪器检测系统的精度崩溃。

在光栅测量系统的技术演进中，光栅测量系统的几个关键问题始终是设计和应用的核心焦点。回顾其发展历程可见，对关键参数的要求随技术原理的创新而发生显著变化。例如，在20世纪80年代后期，对于栅距为10μm的透射光栅LID351（其分辨率为0.05μm），其读数头与光栅尺之间的间隙要求就非常严格，需控制在(0.1±0.015)mm。而随着技术进步，当采用了新的干涉测量原理后，对于实现纳米级测量的衍射光栅，其安装公差反而可以放宽，例如指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度要求都变得更为宽松（具体数据见表1）。这清晰地表明，深入理解并解决光栅测量系统的几个关键问题，是推动其性能突破与应用拓展的根本。

表1 指示光栅和标尺光栅之间的间隙和平行度 光栅型号——信号周期(μm)——分辨率(nm)——间隙(mm)——平行度(mm) LIP372——0.218——1——0.3——±0.02 LIP471——2——5——0.6——±0.02 LIP571——4——50——0.5——±0.06 只有衍射光栅LIP372的栅距是0.512μm，经光学倍频后，信号周期为0.128μm,其它栅距均为8μm和4μm，经光学二倍频后得到的信号周期为4μm和2μm，其分辨率为5nm和50nm，计量校准系统准确度为±0.5μm和±1μm，速度为30m/min。

LIF系列栅距是8μm,分辨率0.1μm,准确度±1μm，速度为72m/min。其载体为温度系数近于零的玻璃陶瓷或温度系数为8ppm/K的玻璃。衍射光栅LF系列是闭式光栅尺，其栅距为8μm,信号周期为4μm，测量分辨率0.1μm,系统准确度±3μm和±2μm，最大速度60m/min，测量长度达3m,载体采用钢尺和钢膨胀系数(10ppm/K)一样的玻璃。

光栅测量系统的几个关键问题 测量准确度(精度) 光栅线位移传感器的测量准确度，首先取决于标尺光栅刻线划分度的质量和指示光栅扫描的质量(栅线边沿清晰至关重要)，其次才是信号处理电路的质量和指示光栅沿标尺光栅导向的误差。