【摘 要】光柵測量技術(shù)是制造工業(yè)中（機(jī)床工業(yè)）應(yīng)用最為廣泛的幾何量測試技術(shù)?；谀獱枟l紋的光柵測量方法已經(jīng)有上百年的歷史了，隨著現(xiàn)代超精密加工技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)步，基于莫爾條紋的光柵讀數(shù)方法已經(jīng)可達(dá)亞微米精度，但是如果要實(shí)現(xiàn)更高精度的測量，莫爾條紋光柵讀數(shù)方法目前面臨著諸多瓶頸問題。結(jié)合現(xiàn)代光電技術(shù)的最新成果，開展光柵新型讀數(shù)方法研究，對(duì)于推動(dòng)光柵測量技術(shù)進(jìn)步，發(fā)展現(xiàn)代光電信息產(chǎn)業(yè)具有推動(dòng)作用。

【關(guān)鍵詞】DVD激光頭；光柵；莫爾條紋；納米測量

0.引言

以DVD光學(xué)讀取頭作為非接觸式的光學(xué)測量探頭，其內(nèi)部的光學(xué)激光讀取技術(shù)不斷的更新與發(fā)展，已相當(dāng)成熟。從激光光源、光路設(shè)計(jì)以及傳感器等，系統(tǒng)整合的完整度還有聚焦的特性，只需進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b以及控制手段的改進(jìn)，將可以成為實(shí)用的非接觸探頭。一般高精度的探頭價(jià)格相當(dāng)昂貴。為適應(yīng)現(xiàn)今各種產(chǎn)業(yè)的低成本高精度的需求，本設(shè)計(jì)以建立光柵測量的探頭系統(tǒng)為目的，對(duì)DVD讀取頭加以改進(jìn)，發(fā)展出符合測量要求的精密探頭系統(tǒng)。測量范圍約為5um，測量重復(fù)性誤差的單標(biāo)準(zhǔn)差約為1.1nm。且可以實(shí)現(xiàn)納米分辨率小于30nm的測量精度。

1.DVD激光頭的工作原理

DVD激光頭組件中包括激光二極管，提供穩(wěn)定的測量用光源的激光光源；以及分光鏡、穿透式光柵、光電傳感器、聚焦物鏡、四分之一波片等光學(xué)組件。光信號(hào)由光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，光電傳感器輸出的電壓信號(hào)的強(qiáng)弱可得出入射光的光強(qiáng)度。本設(shè)計(jì)中所使用的DVD激光頭的內(nèi)部傳感器由四片面積相同且光電形式也相同的光電傳感器所組成，被稱為四象限傳感器（Quadrant detector）。當(dāng)光點(diǎn)打在檢測器上時(shí)，光點(diǎn)落在各檢測器上的能量是不相等的，因此信號(hào)輸出也不同，然后比較各檢測器的輸出，就可得知光點(diǎn)位置差。激光讀數(shù)頭就是利用四象限傳感器來檢測四個(gè)象限分別的感光強(qiáng)度，并且由后續(xù)的運(yùn)算電路計(jì)算出來聚焦誤差信號(hào)（Focus Error Signal，即FES）。

DVD激光讀取頭的聚焦原理為像散法（Astigmatic Method）。像散是指光線經(jīng)過像散透鏡，造成成像時(shí)橫向與縱向的放大率不同，由此會(huì)造成像點(diǎn)的失真。利用此像散特性作為測量依據(jù)，并結(jié)合感測組件四象限傳感器，共同工作，達(dá)到測量距離的目的。透鏡的垂直焦距與水平焦距不同，因此物體會(huì)偏離透鏡前焦平面的位置。當(dāng)物體處于透鏡的正焦平面位置時(shí)，物理在四象限光傳感器上的成像光點(diǎn)呈現(xiàn)圓形（FES=0），當(dāng)物理偏離透鏡的焦平面位置時(shí)，成像光點(diǎn)呈現(xiàn)橢圓變化，經(jīng)信號(hào)處理，即對(duì)四象限傳感器的(A+C）-（B+D），失焦信號(hào)對(duì)失焦位移量的關(guān)系成一曲線，即所謂的S曲線。

DVD激光讀取頭的聚焦誤差信號(hào)（FES）的線形范圍為7μm左右，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般只用到其中焦點(diǎn)位置附近±1μm左右的線形范圍，在此范圍內(nèi)，具有優(yōu)異的線形度、高測量分辨率和高測量精度的特點(diǎn)。

2.基于干涉原理的光柵位移測量讀數(shù)系統(tǒng)原理

當(dāng)光柵的柵距較小，相當(dāng)于光波波長數(shù)量級(jí)時(shí)，光的衍射效果是十分明顯的，會(huì)由各級(jí)衍射光束之間相互干涉形成衍射型莫爾條紋。衍射型莫爾條紋同樣需要兩個(gè)光柵組成光柵副。一個(gè)作為主光柵，另一個(gè)作為指示光柵。相位光柵可以分為透射型光柵和反射型光柵兩種，相位光柵的測量系統(tǒng)根據(jù)使用不同類型的光柵有著不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總的來說可以分為多光柵測量系統(tǒng)和單光測量系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)用的衍射光柵測量系統(tǒng)是采用兩個(gè)或者兩個(gè)以上的光柵對(duì)入射光進(jìn)行多次衍射產(chǎn)生與被測運(yùn)動(dòng)成正比的條紋測量信號(hào)，這些測量方法都可以使用普通光源，例如本設(shè)計(jì)中的DVD激光作為測量用光源。在應(yīng)用中，可以利用激光源的單色性和單光柵組成位移測量系統(tǒng)，這類測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較為簡單。同時(shí)這種光柵讀數(shù)測量方法一般精度較高，在精度要求較高的相位光柵測量系統(tǒng)中一般采用這種測量方法。

3.信號(hào)的處理方法

DVD激光頭輸出的信號(hào)為四象限傳感器的電壓信號(hào)。因此需要設(shè)計(jì)運(yùn)算電路來進(jìn)行后續(xù)的（A+C）-（B+D）的計(jì)算。以下為主要運(yùn)算電路。

本設(shè)計(jì)主要的關(guān)鍵技術(shù)為光柵讀數(shù)頭信號(hào)處理技術(shù)。光柵讀數(shù)頭信號(hào)處理包括兩個(gè)部分：激光頭輸出信號(hào)的處理和正交信號(hào)的處理。激光頭四象限探測器輸出信號(hào)的高質(zhì)量放大和濾波是設(shè)計(jì)成功關(guān)鍵。因此我們使用了如下圖的濾波設(shè)計(jì)，其使輸出的正余弦信號(hào)能夠準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)被測光柵物理表面周期位置的變化。

而且其轉(zhuǎn)化精度的高低關(guān)系到后繼電路對(duì)信號(hào)的計(jì)數(shù)細(xì)分。讀數(shù)頭信號(hào)的質(zhì)量受到光柵安裝、光路、電路以及使用環(huán)境的變化等多種因素的影響，信號(hào)的幅值、零點(diǎn)、相位差會(huì)發(fā)生波動(dòng)，并伴有波形失真，從而給后繼的電子細(xì)分引入較大的誤差。因此要根據(jù)測量條件對(duì)電路進(jìn)行精確調(diào)整，在保證不丟失有效測量信息的同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，增強(qiáng)正交信號(hào)質(zhì)量。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和總結(jié)

將DVD觸頭放置在光柵尺對(duì)面，利用微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整觸頭和光柵尺的相對(duì)位置，利用示波器來記錄輸出信號(hào)。在觸頭離光柵尺很遠(yuǎn)或者很近的時(shí)候，都沒有信號(hào)的輸出。只有在一個(gè)固定的距離范圍內(nèi)，信號(hào)才會(huì)有很敏感的信號(hào)的反應(yīng)。這個(gè)距離就是觸頭的焦點(diǎn)距離，而范圍則是其的線性范圍。在敏感區(qū)域內(nèi)，將觸頭沿著光柵尺的方向移動(dòng)，可以明顯的看到周期性的波形信號(hào)。這是因?yàn)楣鈻懦叩拿靼禇l紋，在反射光線時(shí)所產(chǎn)生的效果，對(duì)于激光頭來說就是在不停的失焦和變焦。因此會(huì)根據(jù)光柵線距離產(chǎn)生周期性的信號(hào)。又因?yàn)楣鈻诺木€距是根據(jù)光柵決定的，是已知的。因此只要對(duì)周期進(jìn)行計(jì)算，就可以精確得知光柵尺移動(dòng)的距離。從而證明了，利用廉價(jià)的DVD觸頭的改裝，來得到可以進(jìn)行高精度光柵讀數(shù)傳感器的想法是可行的。而且這種測量方法不僅精度高，同時(shí)節(jié)省成本，符合目前工業(yè)趨勢的需要。 [科]

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