光栅干涉仪在高精度测量中的技术与应用（一）

  
摘要 就分辨率和测量精度而言，近几年来问世的光栅干涉仪通常比在车间条件下使用的He-Ne激光干涉仪要高得多。光栅干涉仪的优点是：在环境条件改变的情况下具有良好的稳定性；通过对标尺载体材料的选择，使热膨胀系数适合不同用途的需要。正因为以上这些特点，使该系统越来越广泛地用于高精度测量中。本文论述了光栅干涉仪的工作原理和性能特征，以及以该种光栅干涉仪为基础的几种测量系统。
关键词  光栅干涉仪   位置测量   干涉标尺  Zerodur标尺
  前言
  近年来，对精密和超精密机床定位精度有越来越高的要求，例如在光学表面加工以及半导体技术方面，导致对分辨率为亚微米范围的直线编码器的更多需要。
  初看起来，广泛使用的He-Ne激光干涉仪，其出射光波长能长期稳定在2x10-8，似乎很理想,商品化的该系统分辨率可达到1.25纳米。
  高测量精度的最佳条件是激光在真空状态下工作。而实际使用的机床和测量仪器不可能做到这一点。在空气状态下所能达到的测量精度在很大程度上取决于所确定的折射率的精度。通常，根据Edl n公式求得数学补偿值。
  表1 激光干涉仪在空气中的环境参数和这些参数对测量精度的影响
参数 标称值 相对测量误差 时的最大偏差
气温 20&#9702&#59;G 0.11K
气压 1013hPa 0.37Hpa
相对湿度 40% 10%
(工件温度钢 — 0.01K
   


  表1说明了Edlen公式所包含参数的精确性。气压、气温和相对湿度必须测出并保持在相对长度测量误差10-7范围内。该公式是以标准大气为基础，忽略不计气体浓度影响。实践中，偏差可以预测。而当使用折射仪直接进行折射率测量时，上述影响就应考虑到。总之，由于周围材料的热容量及气体对流的不理想，测得值可能滞后于实际折射率。
  此外，甚至在室内温度控制到0.1K时，也会存在0.3—0.4K的局部温度变化。由于空气折射率对气压和气温短期变化的作用实际上并无滞后，因此测量信号的稳定性会随着测量长度的增加而降低，这样一来尤其会对定位精度产生不良影响，会降低用高精度机床加工的工件表面质量。
  此外，必须了解，对膨胀系数为10-5K-1的钢制工件，要达到10-7的测量精度，则工件温度必须没到期10-2K的精度。
相反，光栅干涉仅带有1个稳定材料制成的标尺，该标尺的温度状态为已知的，而且它在空气中的光程被减低到最小值。
光栅干涉仪的工作原理
He—Ne激光干涉仪：先对一可变长度的工作光束和一恒定长度的基准光束进行干涉，然后计算这两束光之间的相位差，从而获得测量值。而光栅干涉仪则是通过衍射到标尺光栅上两束光的干涉，然后计算相位差而获得测量值。
表2  光栅干涉仪和激光干涉仪的性能对比
光栅干涉仪 He—Ne激光干涉仪
大气影响 在空气状态下仍有高精度，不受气压、湿度或空气成分的影响 真空中该激光可用作长度基准，空气折射率须由精密传感器精确测定
温度状态 具有较高的热容量，标尺载体材料可以根据不同用途进行选择 产生自发局部气温波动，空气通道及工件的温度分布必须由高精度温度传感器进行测量和补偿
测量长度 目前<1020mm 高达30m
测量精度 约10 的精度可通过校准而提高，偶然误差≤系统误差 由于是在空气中测量，精度取决于环境条件和传感器数目及精度
重复性 重复性主要受标尺热性能所限 测量误差随测量长度的增加而增大
如果光栅节距为g的光栅标尺与衍射光束之间有x的相对位移，那么第k级衍射的相移&#8486&#59;按下式求出：
                   &#8486&#59;=                （2.1）
干涉信号是由两束衍射波顺序互相重叠而产生的。设两束光波的满幅值为1，那么两束光波总和的合成幅值为：
u=u1+u2=ei&#8486&#59;1+ei&#8486&#59;2               (2.2)
当&#8486&#59;=&#8486&#59;1=-&#8486&#59;2时，由幅值总和的共扼复数乘积可得到强I值：
I=U*U米2（1+cos2&#8486&#59;）         (2.3)
对标尺光栅和一个光栅节距的衍射光束之间的相对移动来讲，正序第一级衍射对负序第一级衍射的干涉会产生2个信号周期。
如果第二级衍射被重叠，那么每个光栅节距就会产生4个信号周期。（见图1）
图1　带光栅学偏振元件的光栅干涉仪的光学配置
通过干涉用的衍射级数的选择或在光栅上使用衍射叠加，可以改变光栅节距对干涉信号周期之间的相位比例。由于衍射强度会随着第K级衍射的增大而迅速减小，实际衍射级数限定在K≤3内。另一种减小干涉信号周期的可能方法是在标尺光栅上进行叠加衍射。这样会增加由每个衍射所产生的相移值。
方向识别和插入的相移信号生成需要通过特殊尺寸的相位光栅来完成&#59;也可以使用光学偏振元件，用偏振、单色光照明方法来完成。
用于光栅干涉仪的相位光栅标尺可以由平板印刷或全息摄影制成。平板印刷制成的标尺具有较长的测量长度，而全息摄影制成的标尺由于光学仪器的需要而限制在250mm以内。
用相干光源的光栅干涉仪
相干光源使光栅干涉仪的光学配置变得简单。近年来问世而价格适中的激光二极管大大促进了干涉直线编码器的发展。
通过激活介质横向限制激光振荡模的方法(该激活介质限制产生激光区域)可将半导体激光器分为分度波导和增益波两种型式。在下面的表3中，对半导体激光器的几个更要特征作了总结。
         表3 激光管的特征
增益波导型激光管 分度波导型激光管
在光学反馈时具有低干扰 对光学反馈敏感
具有较短的相干长度约(100~300um) 具有较长的相干长度(长达数米)
象散性因而很难平行于平面波阵面 有极小甚至没有象散性
多个纵向方式 在额定输出功率下基本上只有纵向单一