光学线型编码器中的成像扫描、干涉扫描及全息型原理

本文介绍了光学线型编码器中涉及到的成像扫描原理、干涉扫描原理以及全息型原理。

一、成像扫描原理

简单地说成像扫描原理用透射光生成信号：两个栅距相同或相近的光栅与扫描掩膜彼此相对运动。扫描掩膜的基体为透明色，而作为测量基准的光栅材料可为透明材料也可以为反光材料。 当平行光穿过光栅时，在一定距离处投影形成明/暗区。扫描光栅位于此处。当两个光栅相对运动时，入射光被调制：在狭缝对齐时，光线通过。如果一条光栅的栅线与另一条光栅上的狭缝对齐，光线无法通过。光电池组将光强变化转化成电信号。扫描掩膜的特殊栅状结构将光强调制为近正弦输出信号。 光栅条纹的栅距越小，扫描掩膜与光栅尺间的间距越小，公差越严。

二、干涉扫描原理

干涉扫描原理是用精细栅状结构的光衍射和光干涉生成位移信号，测量运动。 阶梯光栅作为测量基准：在平整反光表面上刻有高度为0.2μm的反光线。其前方是扫描掩膜，其栅距与光栅尺的栅距相同，是透射相位光栅。 光波穿过扫描掩膜时，将光波衍射为光强近似的三束光：+1、0和-1。光栅尺所衍射的光波是反射的衍射光+1和–1中光强最强的光束。这两束光波在扫描掩膜的相位光栅处再次相遇，再一次被衍射和干涉。也形成三束光，并以不同的角度离开扫描掩膜。光电池将这些交变的光强转化成电信号。 当光栅与扫描掩膜之间有相对运动时，衍射波面产生相位移：移过一个栅距时将正一级衍射波面在正方向上偏移一个光波波长，而负一级衍射光波面在负方向上偏移一个光波波长。由于这两束光离开相位光栅时相互发生干涉，这两束光彼此相对位移两个光波波长。也就是说，相对运动一个栅距可以得到两个信号周期。 干涉光栅尺的栅距较小，例如8μm、4μm甚至更小。其扫描信号基本没有高次谐波，能进行高倍频细分。因此，这些光栅尺特别适用于小测量步距和高精度应用。

三、全息型原理

全息型编码器在标尺上采用了全息衍射光棚。LD光源发出光束经偏振分束镜分为两路，入射于全息标尺上。为了避免模糊或者划痕，全息光棚放在两块玻璃板之间。 以某款全息编码器为例，它仅用了一个标尺，配有间距为0.55μm的全息衍射光栅；标尺的长度几乎和所用光源的波长一样。其中一路沿右方向传播的光束经光栅衍射后到左方向，然后衍射光经反射镜反射后，回到光栅和偏振分束镜处。经过光栅的两次衍射，使得光束位相发生了△φ＝4πx/p偏移，式中x表示标尺的位移，p为光栅栅距。另外一束沿左方向传播的光束经两次衍射后，位相偏移了△φ＝-4πx/p。两束光在光电探洌器前面的分束镜处发生干涉。干涉信号的强度随{t标尺位移的变化而呈正弦形式变化。光强变化周期为8πx/p，是位相变化一个周期的4倍。接收信号的周期为p/4，4个周期的位相变化对应标尺位移变化一个栅距p，若光栅栅距为0.55μm，则信号间距为0.14μm。 采用4个探测器接收干涉信号。1/4波片及半透半反镜使干涉光束分成位相差为90 °的两个信号。从4个光电探测器输出的位相相反的信号进行相减，通过电子线路产生一周期为0.14μm的正弦与余弦信号。经电阻分压和A/D转换，正弦与余弦信号进行4000次插值。这种编码器的分辨率可达到0.034nm。这种全息光栅型编码器不仅有高的分辨率，而且不受振动、空气波动及空气压力变化的影响，这是因为它是一种双对称结构的光学系统。

参考资料1、光学计量手册 原理与应用_（日）吉泽彻编_北京：国防工业出版社 , 2015 2、海德汉直线光栅尺资料 3、Handbook of Optical Systems, Volume 5 Metrology of Optical Components and Systems 4、传周科技官网