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光柵莫爾條紋技術是一門既古老又現代的測量技術。對莫爾條紋的研究最早可以追溯到十九世紀末期，二十世紀五十年代以后開始應用于實際測量，并逐步對莫爾條紋的形成機理開展了廣泛的研究，至今已形成了三種主要的理論：（1）基于陰影成像原理：認為由條紋構成的新的軌跡可表示莫爾條紋的光強分布；（2）基于衍射干涉原理：認為由條紋構成的新的光強分布可按衍射波之間的干涉結果來描述；（3）基于傅立葉變換原理：認為形成的莫爾條紋是由低于光柵頻率項所組成。這三種理論都可以較完滿地解釋莫爾條紋現象。一般來說，第三種理論是一種廣義的解釋。光柵條紋較疏的可直接用遮光陰影原理來解釋，而光柵條紋較密的用衍射干涉原理來解釋則更為恰當。 上世紀六、七十年代，由于光柵制造工藝的改進以及電子技術的發展，能夠批量提供廉價的光柵產品，并出現了電子細分技術，使光柵的分辨率和精度能夠適應現代計量的要求，莫爾條紋技術得到迅速推廣應用，且出現了許多嶄新的光柵莫爾條紋測量技術。 傳統的四場掃描光柵系統（成都工具研究所開發的光柵傳感器均屬這種系統）由于受污染影響較大，已逐漸被準單場掃描和單場掃描系統所取。準單場掃描系統的指示光柵由兩個相位不同的光柵組成，標尺光柵（主光柵）反射后由四個光電池接收，得到相位差為90°的4個莫爾條紋信號；單場掃描系統采用柵距與主光柵略有不同的一個大光柵組成指示光柵，用柵狀光電器件接收信號。這兩種結構中，由于都使用一個掃描場，光柵上的局部污染對各組信號的光強影響大致相同，大幅度減少了因污染造成的測量誤差。這二種掃描系統都屬于成像掃描原理，是目前廣泛應用的光柵系統。 1987年，Haidenhain公司推出了一種干涉掃描系統，該系統中，標尺光柵和指示光柵均采用相位光柵，通過合理設計光柵線紋高度方向的形狀來控制衍射的級次和相位，莫爾條紋由輸入光兩次衍射后的干涉光形成。干涉掃描系統是一種高精度、高分辨率的光柵系統，如Haidenhain的LIP382，測量長度270mm，分辨率1nm，精度0.1μm。 為保證形成莫爾條紋的質量，避免陰影與衍射并存，莫爾條紋系統采用的光柵柵距明顯向兩端（疏或密）發展。在成像掃描系統中，認為光線完全是直線傳播的，符合幾何成像原理，采用的光柵柵距一般大于20μm；而在干涉掃描系統中，系統完全處于衍射、干涉狀態，使用的光柵柵距一般小于8μm。由于干涉掃描系統采用了遠心成像和Fraunhofer衍射系統，使光柵副能夠工作在大間距狀態（甚至接近1mm），且間距的變化對信號幅值的影響很小，調整系統時，完全不必像過去那樣去尋找Frensnel焦面，這對于實際測量是極其有利的。 為適應數控機床的需要，絕對式光柵正成為發展趨勢。絕對式光柵是在增量光柵上設置絕對軌，在絕對軌上設計了用不同距離編碼的一系列零位光柵，使用時通過探測相鄰零位光柵的距離來確定絕對位置，與絕對軌配合使用的EnDat雙向數據接口除可判斷絕對位置外，當光柵出現故障時還能即時向數控機床發出報警信號，以保證加工的安全性。 光柵線紋的位置精度和一個信號周期內的線紋質量是影響光柵精度的主要因素，通過對光柵制造環境的嚴格控制和采用特殊的二維刻蝕工藝以及單場掃描的平均效應，目前光柵的精度已可達±0.1μm/m，在一個條紋周期內誤差小于1%。優異的莫爾條紋信號是高倍細分的前提，Haidenhain光柵產品的最高細分數可達4096。 上世紀九十年代出現了二維光柵，其線紋是網格狀的，可以同時進行兩個方向的測量，是一種新型的光柵系統。如PP271R、PP281R光柵的精度為±0.1μm，系統可以直接利用X—Y工作臺作為坐標系統，也可以用于檢測數控機床的插補誤差（KGM182）。 由于光柵莫爾條紋技術的不斷發展，光柵傳感器已成為一種可與激光干涉儀媲美的測量儀器，目前除測量精度不及激光干涉儀外，在測量成本低、測量速度高（480m/min）、測量范圍大（100m以上）、受環境影響小等方面都是激光干涉儀所不及的�？梢灶A見，隨著技術的不斷進步，光柵莫爾條紋技術的應用必將日益廣泛。 |