衍射光栅超精密位移定位检测新方法

时 轮,王池平,王 鹤,许黎明,陈家宝

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

衍射光栅超精密位移定位检测新方法

时 轮,王池平,王 鹤,许黎明,陈家宝

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

光栅干涉仪测量是精密位移检测系统中常用的检测方法，具有较高的检测分辨率。为进一步提高光栅干涉仪位移检测分辨率，通过对光栅干涉条纹信号的分析，提出了一种基于衍射光栅相位移动的超精密位移定位检测新方法。采用衍射光栅作为测量元件，通过在经典的衍射光栅位移检测系统中加入光电传感器的相位运动，改变衍射光栅系统的接收相位。其方法是调整光栅干涉仪系统，使得传感器接收视场中只有两个条纹；在目标定位运动台的最后定位阶段，使接收系统的光电传感器在检测视场的两个干涉条纹间进行移动，即改变了光栅干涉仪的接收相位。这种位移检测方法突破了检测元件本身的物理限制，在理论上可以获得亚纳米级以上的超高位移检测分辨率。依据相位移动原理，搭建了具有相位移动功能的光栅干涉仪超精密位移检测定位系统。通过定位检测试验证明了所提方法的有效性。

精密制造； 光电传感器； 光栅; 干涉仪; 衍射; 位移检测

0 引言

超精密定位检测技术在现代精密制造和精密装备领域占有重要地位，其技术主要应用于激光干涉仪位移检测系统和精密光栅测长系统。其中，激光干涉仪虽然在位移测量中应用广泛，可以达到纳米级甚至亚纳米级的测量分辨率，但也存在明显缺点。该设备不仅成本高昂，而且对应用环境的要求较为苛刻，如温度、湿度等，这对它的实际应用产生了限制[1-4]。以衍射光栅为核心的光栅干涉仪是另外一种经典的位移测量设备，其测量分辨率可以达到亚微米级，比激光干涉仪稍低，但具有很强的环境适应性，结构更简单。受制于基准光栅的光栅常数，其检测分辨率很难进一步提高。虽然可以对光栅检测信号进行细分处理，但考虑到光栅原始信号的质量限制，细分处理也很难达到亚纳米级的测量分辨率[5-8]。

本文在经典的衍射光栅干涉定位检测的基础上，提出了一种基于相位移动的超精密定位测量新方法，可以获得亚纳米级以上的定位检测分辨率。

1 经典衍射光栅定位检测方法

经典的衍射光栅定位检测系统主要由衍射光栅、等光程分光束棱镜、激光源及光电传感器等部分组成。衍射光栅一般采用高精度的闪耀光栅，固定在目标线性运动台上；等光程分光棱镜等其他组成装置，不跟随目标运动台运动。

经典衍射光栅干涉仪结构及位移检测原理如图1所示。

图1 光栅干涉仪结构及位移检测原理

激光光源发出的入射光在等光程分光束棱镜的分光面O-O处，被分成透射光和反射光两路，分别投射在衍射光栅上。当衍射光栅在自准直状态下，这两路光束将会沿原光路返回，在A点交汇叠加，形成干涉条纹。干涉条纹将在检测视场中随着目标运动台移动。当基准光栅随运动台移动Δx时，A点光束的相位差为：

(1)

式中：θ为衍射角；λ为光束波长。

将自准直光栅方程代入式(1)，得到：

(2)

因此，两束相干的衍射光的相位差为：

(3)

式中：m为光谱级次；D为基准光栅栅距，实际检测中D=3.33 μm。

当Δx=D、m=2时，Δφ=2π×4。该光栅干涉仪相当于4倍频,即基准光栅位移一个栅距时，有4个干涉条纹信号产生。通过光电传感器对条纹信号进行计数，计数值代表了位移台的移动距离。计数脉冲当量为0.83μm。

2 光栅相位移动位移检测方法

通过调节干涉仪的分光面与参考光栅的位置关系，可以使光电传感器的接收视场中只存在两条干涉条纹。光栅相位移动干涉检测原理图如图2所示。

图2 光栅相位移动干涉检测原理图

同时，光电传感器被安装在可移动的狭缝上，通过移动狭缝即可改变传感器的接收位置。相位移动示意图如图3所示。

图3 相位移动示意图

由于接收场中只有两条干涉条纹，这就相当于条纹信号的360°相位均匀地分布在两条纹之间所代表的检测信号上。若改变光电接收器的位置，就相当于改变了条纹信号的接收相位。为便于分析，图3中用方波代替了实际光电接收器接收到的正弦波形，P、Q分别代表移动前后的位置。当光电接收器由位置P移动到位置Q后，有一个位置变化Δ，即产生了接收信号的相位变化。该位移增量Δ(相位变化)对应的条纹计数当量值为：

(4)

式中：a为前述光栅干涉仪的计数脉冲当量;Δw为光电传感器的相移;w为视场中两干涉条纹的间距。

若取光栅栅距D=3.33 μm、m=2，Δw=2 μm、w=10 mm，则由式(4)可得Δa=0.17 nm，已达到亚纳米级的分辨率。

3 试验验证

3.1 试验平台搭建

搭建了光栅相位移动的超精密位移定位检测试验平台，由闪耀光栅、等光程分光棱镜及激光源构成光栅干涉仪，获取基准光学四倍频信号；以光电二极管作为条纹信号接收器，将光信号转换为电信号；目标位移台选取德国PI有限公司的精密定位运动平台；调相结构为移动式相移机构。各个器件的主要参数为：①闪耀光栅栅距为3.33 μm，取2级衍射光；②激光波长为512 nm；③目标位移台型号为PLS-85 DC，行程范围为155 mm，最大速度为100 mm/s，最小步距为50 nm；④相移机构为音圈电机驱动的位移机构，定位精度为5 μm，由Elmo控制器驱动。

试验平台结构如图4所示。

图4 试验平台结构示意图

3.2 基于光栅干涉仪相移的位移测量试验

精密定位运动平台自身不带位置反馈装置，由前述的光栅位移检测系统提供闭环控制的位置反馈信号，采用激光干涉仪(OPTODYNE，MCV-500)对试验结果进行验证。

在试验中，衍射光栅的栅距为3.33 μm，检测2级衍射光。因此，光栅干涉仪对应的脉冲当量为 0.83 μm，调整检测视场中干涉条纹，使其条纹间距达到10 mm。

将试验定位点选择在4 mm处，要想到达定位点，采用传统的脉冲定位方法需要4 819.3个脉冲，因此，经典定位检测系统的定位误差理论值为0.25 μm。而采用干涉相移检测方法，在定位过程的最后阶段(即在4 819个脉冲后)进行相位移动，理论上定位误差不超过0.09 nm。

试验获得的传统方法定位误差与新方法定位误差对比如图5所示。试验结果表明，新方法可以有效地提高定位精度。

图5 定位误差曲线对比图

3.3 试验误差分析

3.3.1 衍射光栅栅距误差

根据衍射光栅的特性，将某一处的栅距变化δ均化处理为δ/d[9]。其中，d为激光束照射到衍射光栅的光斑直径，本试验中为8 mm，相当于将栅距误差缩小了几千倍，对试验误差影响很小。

3.3.2 光栅相移机构运动误差

实际的光栅相移机构运动误差小于±1 μm。因此，当其运动位移为100 μm时，引起的分辨率误差不超过理论值的2%。

3.3.3 其他影响误差因素

影响误差的因素还包括视场中两个干涉条纹的间距、环境的震动等。条纹间距误差属于定值误差；震动往往带来粗大误差，在试验中予以剔除。

4 结束语

本文提出了一种利用衍射光栅对超精密定位位移进行检测的新方法。在超精密定位的最后阶段，通过在干涉条纹检测视场中移动光电传感器，实现接收视场中光栅干涉相位的改变，即理论上可通过对较大机械位移的控制，获得亚纳米级以上、比激光干涉仪更高的位移检测分辨率。设计并搭建了超精密位移定位检测试验系统，通过定位检测试验表明，新的位移检测方法有效，可以提高定位精度。

[1] 钟俊.宏观尺度的纳米级定位控制技术研究[D].合肥:中国科学技术大学,2011.

[2] YOSHIOKA H,KUROYAMA S,SAWANO H,et al.Sub-nanometer positioning with a high resolution laser interferometer [C]//Proceedings of the 10th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology,2010:404-407.

[3] DOBOSZ M.Analysis of tolerances in a grating interferometer for high-resolution displacement measurement [C]// Proceedings of SPIE,1999:253-261.

[4] 赵曦，贾曦，黄荐渠.现代长度测量方法综述[J].自动化仪表，2007,28 (11):12-15.

[5] 程晓辉,赵洋,李达成.光学纳米测量方法及发展趋势[J].光学技术,1999(3):74-78.

[6] 王国超,颜树华,高雷.光栅干涉位移测量技术发展综述[J].激光技术,2010(5):661-664.

[7] 时轮.一种亚纳米级变栅距衍射光栅制作方法的研究[J].光学技术,2003,29(3),320-326.

[8] 齐永岳,赵美蓉,林玉池.纳米测量系统的研究现状与展望[J].仪器仪表学报,2003,24(4):91-94.

[9] HAO D F.Error transfer function for grating interferometer[C]//Proceedings of SPIE,1991:261-265.

A New Method Based on Diffraction Grating for Ultra-Precision Displacement Detection and Positioning

SHI Lun,WANG Chiping,WANG He,XU Liming,CHEN Jiabao

(School of Mechanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

The grating interferometer measurement is the commonly used detection method for precision displacement detection system,and it features higher detecting resolution;in order to further improve the detecting resolution,through analyzing the interference fringe signal of grating,a new method based on diffraction grating for ultra precision displacement detection and positioning is proposed.By adopting diffraction grating as the measuring component,through adding phase movement of photoelectric sensor into the diffraction grating displacement interferometer system,the receiving phase of the diffraction grating system is changed.With this method,the interferometer system is adjusted to only have two fringes,in the final positioning stage of the target positioning motion bench;the photoelectric sensor in the receiving system is moving between two of the interference fringes,so the receiving phase of the grating interferometer is changed.This method breaks through the physical limitations of the detecting component;theoretically,the detection resolution above sub-nanometer can be obtained.In accordance with the principle of phase moving,the grating interferometer ultra-precision displacement detection positioning system with phase shift function is set up.The effectiveness of this method is proved through positioning detection tests.

Precision manufacture; Photoelectric sensor; Grating; Interferometer; Diffraction; Displacement measurement

资金项目:国家自然科学基金面上项目(51275306)

时轮(1968—)，男，博士，副教授，主要从事超精密定位及加工、机电检测与控制方向的研究。E-mail：shilun@sjtu.edu.cn。

TH822;TP206+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201704013

修改稿收到日期：2016-11-17