衍射光柵超精密位移定位檢測新方法

時 輪,王池平,王 鶴,許黎明,陳家寶

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

衍射光柵超精密位移定位檢測新方法

時 輪,王池平,王 鶴,許黎明,陳家寶

(上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

光柵干涉儀測量是精密位移檢測系統(tǒng)中常用的檢測方法，具有較高的檢測分辨率。為進(jìn)一步提高光柵干涉儀位移檢測分辨率，通過對光柵干涉條紋信號的分析，提出了一種基于衍射光柵相位移動的超精密位移定位檢測新方法。采用衍射光柵作為測量元件，通過在經(jīng)典的衍射光柵位移檢測系統(tǒng)中加入光電傳感器的相位運動，改變衍射光柵系統(tǒng)的接收相位。其方法是調(diào)整光柵干涉儀系統(tǒng)，使得傳感器接收視場中只有兩個條紋；在目標(biāo)定位運動臺的最后定位階段，使接收系統(tǒng)的光電傳感器在檢測視場的兩個干涉條紋間進(jìn)行移動，即改變了光柵干涉儀的接收相位。這種位移檢測方法突破了檢測元件本身的物理限制，在理論上可以獲得亞納米級以上的超高位移檢測分辨率。依據(jù)相位移動原理，搭建了具有相位移動功能的光柵干涉儀超精密位移檢測定位系統(tǒng)。通過定位檢測試驗證明了所提方法的有效性。

精密制造； 光電傳感器； 光柵; 干涉儀; 衍射; 位移檢測

0 引言

超精密定位檢測技術(shù)在現(xiàn)代精密制造和精密裝備領(lǐng)域占有重要地位，其技術(shù)主要應(yīng)用于激光干涉儀位移檢測系統(tǒng)和精密光柵測長系統(tǒng)。其中，激光干涉儀雖然在位移測量中應(yīng)用廣泛，可以達(dá)到納米級甚至亞納米級的測量分辨率，但也存在明顯缺點。該設(shè)備不僅成本高昂，而且對應(yīng)用環(huán)境的要求較為苛刻，如溫度、濕度等，這對它的實際應(yīng)用產(chǎn)生了限制[1-4]。以衍射光柵為核心的光柵干涉儀是另外一種經(jīng)典的位移測量設(shè)備，其測量分辨率可以達(dá)到亞微米級，比激光干涉儀稍低，但具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)構(gòu)更簡單。受制于基準(zhǔn)光柵的光柵常數(shù)，其檢測分辨率很難進(jìn)一步提高。雖然可以對光柵檢測信號進(jìn)行細(xì)分處理，但考慮到光柵原始信號的質(zhì)量限制，細(xì)分處理也很難達(dá)到亞納米級的測量分辨率[5-8]。

本文在經(jīng)典的衍射光柵干涉定位檢測的基礎(chǔ)上，提出了一種基于相位移動的超精密定位測量新方法，可以獲得亞納米級以上的定位檢測分辨率。

1 經(jīng)典衍射光柵定位檢測方法

經(jīng)典的衍射光柵定位檢測系統(tǒng)主要由衍射光柵、等光程分光束棱鏡、激光源及光電傳感器等部分組成。衍射光柵一般采用高精度的閃耀光柵，固定在目標(biāo)線性運動臺上；等光程分光棱鏡等其他組成裝置，不跟隨目標(biāo)運動臺運動。

經(jīng)典衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)及位移檢測原理如圖1所示。

圖1 光柵干涉儀結(jié)構(gòu)及位移檢測原理

激光光源發(fā)出的入射光在等光程分光束棱鏡的分光面O-O處，被分成透射光和反射光兩路，分別投射在衍射光柵上。當(dāng)衍射光柵在自準(zhǔn)直狀態(tài)下，這兩路光束將會沿原光路返回，在A點交匯疊加，形成干涉條紋。干涉條紋將在檢測視場中隨著目標(biāo)運動臺移動。當(dāng)基準(zhǔn)光柵隨運動臺移動Δx時，A點光束的相位差為：

(1)

式中：θ為衍射角；λ為光束波長。

將自準(zhǔn)直光柵方程代入式(1)，得到：

(2)

因此，兩束相干的衍射光的相位差為：

(3)

式中：m為光譜級次；D為基準(zhǔn)光柵柵距，實際檢測中D=3.33 μm。

當(dāng)Δx=D、m=2時，Δφ=2π×4。該光柵干涉儀相當(dāng)于4倍頻,即基準(zhǔn)光柵位移一個柵距時，有4個干涉條紋信號產(chǎn)生。通過光電傳感器對條紋信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)值代表了位移臺的移動距離。計數(shù)脈沖當(dāng)量為0.83μm。

2 光柵相位移動位移檢測方法

通過調(diào)節(jié)干涉儀的分光面與參考光柵的位置關(guān)系，可以使光電傳感器的接收視場中只存在兩條干涉條紋。光柵相位移動干涉檢測原理圖如圖2所示。

圖2 光柵相位移動干涉檢測原理圖

同時，光電傳感器被安裝在可移動的狹縫上，通過移動狹縫即可改變傳感器的接收位置。相位移動示意圖如圖3所示。

圖3 相位移動示意圖

由于接收場中只有兩條干涉條紋，這就相當(dāng)于條紋信號的360°相位均勻地分布在兩條紋之間所代表的檢測信號上。若改變光電接收器的位置，就相當(dāng)于改變了條紋信號的接收相位。為便于分析，圖3中用方波代替了實際光電接收器接收到的正弦波形，P、Q分別代表移動前后的位置。當(dāng)光電接收器由位置P移動到位置Q后，有一個位置變化Δ，即產(chǎn)生了接收信號的相位變化。該位移增量Δ(相位變化)對應(yīng)的條紋計數(shù)當(dāng)量值為：

(4)

式中：a為前述光柵干涉儀的計數(shù)脈沖當(dāng)量;Δw為光電傳感器的相移;w為視場中兩干涉條紋的間距。

若取光柵柵距D=3.33 μm、m=2，Δw=2 μm、w=10 mm，則由式(4)可得Δa=0.17 nm，已達(dá)到亞納米級的分辨率。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

搭建了光柵相位移動的超精密位移定位檢測試驗平臺，由閃耀光柵、等光程分光棱鏡及激光源構(gòu)成光柵干涉儀，獲取基準(zhǔn)光學(xué)四倍頻信號；以光電二極管作為條紋信號接收器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；目標(biāo)位移臺選取德國PI有限公司的精密定位運動平臺；調(diào)相結(jié)構(gòu)為移動式相移機構(gòu)。各個器件的主要參數(shù)為：①閃耀光柵柵距為3.33 μm，取2級衍射光；②激光波長為512 nm；③目標(biāo)位移臺型號為PLS-85 DC，行程范圍為155 mm，最大速度為100 mm/s，最小步距為50 nm；④相移機構(gòu)為音圈電機驅(qū)動的位移機構(gòu)，定位精度為5 μm，由Elmo控制器驅(qū)動。

試驗平臺結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 基于光柵干涉儀相移的位移測量試驗

精密定位運動平臺自身不帶位置反饋裝置，由前述的光柵位移檢測系統(tǒng)提供閉環(huán)控制的位置反饋信號，采用激光干涉儀(OPTODYNE，MCV-500)對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。

在試驗中，衍射光柵的柵距為3.33 μm，檢測2級衍射光。因此，光柵干涉儀對應(yīng)的脈沖當(dāng)量為 0.83 μm，調(diào)整檢測視場中干涉條紋，使其條紋間距達(dá)到10 mm。

將試驗定位點選擇在4 mm處，要想到達(dá)定位點，采用傳統(tǒng)的脈沖定位方法需要4 819.3個脈沖，因此，經(jīng)典定位檢測系統(tǒng)的定位誤差理論值為0.25 μm。而采用干涉相移檢測方法，在定位過程的最后階段(即在4 819個脈沖后)進(jìn)行相位移動，理論上定位誤差不超過0.09 nm。

試驗獲得的傳統(tǒng)方法定位誤差與新方法定位誤差對比如圖5所示。試驗結(jié)果表明，新方法可以有效地提高定位精度。

圖5 定位誤差曲線對比圖

3.3 試驗誤差分析

3.3.1 衍射光柵柵距誤差

根據(jù)衍射光柵的特性，將某一處的柵距變化δ均化處理為δ/d[9]。其中，d為激光束照射到衍射光柵的光斑直徑，本試驗中為8 mm，相當(dāng)于將柵距誤差縮小了幾千倍，對試驗誤差影響很小。

3.3.2 光柵相移機構(gòu)運動誤差

實際的光柵相移機構(gòu)運動誤差小于±1 μm。因此，當(dāng)其運動位移為100 μm時，引起的分辨率誤差不超過理論值的2%。

3.3.3 其他影響誤差因素

影響誤差的因素還包括視場中兩個干涉條紋的間距、環(huán)境的震動等。條紋間距誤差屬于定值誤差；震動往往帶來粗大誤差，在試驗中予以剔除。

4 結(jié)束語

本文提出了一種利用衍射光柵對超精密定位位移進(jìn)行檢測的新方法。在超精密定位的最后階段，通過在干涉條紋檢測視場中移動光電傳感器，實現(xiàn)接收視場中光柵干涉相位的改變，即理論上可通過對較大機械位移的控制，獲得亞納米級以上、比激光干涉儀更高的位移檢測分辨率。設(shè)計并搭建了超精密位移定位檢測試驗系統(tǒng)，通過定位檢測試驗表明，新的位移檢測方法有效，可以提高定位精度。

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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

資金項目:國家自然科學(xué)基金面上項目(51275306)

時輪(1968—)，男，博士，副教授，主要從事超精密定位及加工、機電檢測與控制方向的研究。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