创新型光栅传感器读数方法设计

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【摘　要】光栅测量技术是制造工业中（机床工业）应用最为广泛的几何量测试技术。基于莫尔条纹的光栅测量方法已经有上百年的历史了，随着现代超精密加工技术、微电子技术的进步，基于莫尔条纹的光栅读数方法已经可达亚微米精度，但是如果要实现更高精度的测量，莫尔条纹光栅读数方法目前面临着诸多瓶颈问题。结合现代光电技术的最新成果，开展光栅新型读数方法研究，对于推动光栅测量技术进步，发展现代光电信息产业具有推动作用。

【关键词】DVD激光头；光栅；莫尔条纹；纳米测量

0.引言

以DVD光学读取头作为非接触式的光学测量探头，其内部的光学激光读取技术不断的更新与发展，已相当成熟。从激光光源、光路设计以及传感器等，系统整合的完整度还有聚焦的特性，只需进行适当的改装以及控制手段的改进，将可以成为实用的非接触探头。一般高精度的探头价格相当昂贵。为适应现今各种产业的低成本高精度的需求，本设计以建立光栅测量的探头系统为目的，对DVD读取头加以改进，发展出符合测量要求的精密探头系统。测量范围约为5um，测量重复性误差的单标准差约为1.1nm。且可以实现纳米分辨率小于30nm的测量精度。

1.DVD激光头的工作原理

DVD激光头组件中包括激光二极管，提供稳定的测量用光源的激光光源；以及分光镜、穿透式光栅、光电传感器、聚焦物镜、四分之一波片等光学组件。光信号由光电传感器转换为电信号，光电传感器输出的电压信号的强弱可得出入射光的光强度。本设计中所使用的DVD激光头的内部传感器由四片面积相同且光电形式也相同的光电传感器所组成，被称为四象限传感器（Quadrant detector）。当光点打在检测器上时，光点落在各检测器上的能量是不相等的，因此信号输出也不同，然后比较各检测器的输出，就可得知光点位置差。激光读数头就是利用四象限传感器来检测四个象限分别的感光强度，并且由后续的运算电路计算出来聚焦误差信号（Focus Error Signal，即FES）。

DVD激光读取头的聚焦原理为像散法（Astigmatic Method）。像散是指光线经过像散透镜，造成成像时横向与纵向的放大率不同，由此会造成像点的失真。利用此像散特性作为测量依据，并结合感测组件四象限传感器，共同工作，达到测量距离的目的。透镜的垂直焦距与水平焦距不同，因此物体会偏离透镜前焦平面的位置。当物体处于透镜的正焦平面位置时，物理在四象限光传感器上的成像光点呈现圆形（FES=0），当物理偏离透镜的焦平面位置时，成像光点呈现椭圆变化，经信号处理，即对四象限传感器的(A+C）-（B+D），失焦信号对失焦位移量的关系成一曲线，即所谓的S曲线。

DVD激光读取头的聚焦误差信号（FES）的线形范围为7μm左右，但实际应用时一般只用到其中焦点位置附近±1μm左右的线形范围，在此范围内，具有优异的线形度、高测量分辨率和高测量精度的特点。

2.基于干涉原理的光栅位移测量读数系统原理

当光栅的栅距较小，相当于光波波长数量级时，光的衍射效果是十分明显的，会由各级衍射光束之间相互干涉形成衍射型莫尔条纹。衍射型莫尔条纹同样需要两个光栅组成光栅副。一个作为主光栅，另一个作为指示光栅。相位光栅可以分为透射型光栅和反射型光栅两种，相位光栅的测量系统根据使用不同类型的光栅有着不同的系统结构，总的来说可以分为多光栅测量系统和单光测量系统。

设计用的衍射光栅测量系统是采用两个或者两个以上的光栅对入射光进行多次衍射产生与被测运动成正比的条纹测量信号，这些测量方法都可以使用普通光源，例如本设计中的DVD激光作为测量用光源。在应用中，可以利用激光源的单色性和单光栅组成位移测量系统，这类测量系统结构相比较为简单。同时这种光栅读数测量方法一般精度较高，在精度要求较高的相位光栅测量系统中一般采用这种测量方法。

3.信号的处理方法

DVD激光头输出的信号为四象限传感器的电压信号。因此需要设计运算电路来进行后续的（A+C）-（B+D）的计算。以下为主要运算电路。

本设计主要的关键技术为光栅读数头信号处理技术。光栅读数头信号处理包括两个部分：激光头输出信号的处理和正交信号的处理。激光头四象限探测器输出信号的高质量放大和滤波是设计成功关键。因此我们使用了如下图的滤波设计，其使输出的正余弦信号能够准确对应被测光栅物理表面周期位置的变化。

而且其转化精度的高低关系到后继电路对信号的计数细分。读数头信号的质量受到光栅安装、光路、电路以及使用环境的变化等多种因素的影响，信号的幅值、零点、相位差会发生波动，并伴有波形失真，从而给后继的电子细分引入较大的误差。因此要根据测量条件对电路进行精确调整，在保证不丢失有效测量信息的同时对信号进行实时处理，增强正交信号质量。

4.实验结果和总结

将DVD触头放置在光栅尺对面，利用微调机构调整触头和光栅尺的相对位置，利用示波器来记录输出信号。在触头离光栅尺很远或者很近的时候，都没有信号的输出。只有在一个固定的距离范围内，信号才会有很敏感的信号的反应。这个距离就是触头的焦点距离，而范围则是其的线性范围。在敏感区域内，将触头沿着光栅尺的方向移动，可以明显的看到周期性的波形信号。这是因为光栅尺的明暗条纹，在反射光线时所产生的效果，对于激光头来说就是在不停的失焦和变焦。因此会根据光栅线距离产生周期性的信号。又因为光栅的线距是根据光栅决定的，是已知的。因此只要对周期进行计算，就可以精确得知光栅尺移动的距离。从而证明了，利用廉价的DVD触头的改装，来得到可以进行高精度光栅读数传感器的想法是可行的。而且这种测量方法不仅精度高，同时节省成本，符合目前工业趋势的需要。　[科]

【参考文献】

［１］唐文彦.传感器[M].北京:机械工业出版社.2006．

［２］孙长库，叶声华.激光测量技术[M].天津:天津大学出版社.2001．

［３］张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社.2008．

［４］陈叶金．创新型微纳米测量探头机理的研究，合肥工业大学测试计量技术与仪器专业博士论文，2007.