基于衍射光柵的干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)

呂 強(qiáng)，李文昊，巴音賀希格，柏 楊，劉兆武，王 瑋

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京101408；3.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

基于衍射光柵的干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)

呂 強(qiáng)1，2，李文昊1*，巴音賀希格1，柏 楊3，劉兆武1，2，王 瑋1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033；
2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京101408；
3.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130022）

介紹了基于幾何莫爾條紋原理和衍射干涉原理的兩種光柵精密位移測(cè)量系統(tǒng)及各自的特點(diǎn)。綜述了國(guó)內(nèi)外對(duì)光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)的研究進(jìn)展，總結(jié)了系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境要求小，測(cè)量分辨率和精度較高，結(jié)構(gòu)緊湊，成本低。該系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題包括提高光柵以及光學(xué)元器件制造和安裝精度；尋求一種更高精度的檢測(cè)手段對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定等。光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展方向?yàn)楦邷y(cè)量分辨率和精度，大量程、多維度測(cè)量以及尺寸小巧。該系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)加工精密制造領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應(yīng)用前景。

位移測(cè)量；光柵；衍射干涉；高精度

1 引 言

21世紀(jì)以來(lái)，隨著美國(guó)“先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃”，德國(guó)“工業(yè)4.0”等創(chuàng)新戰(zhàn)略計(jì)劃的提出，世界主要國(guó)家都在依靠創(chuàng)新增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展內(nèi)生動(dòng)力，搶占制造業(yè)高端，以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命拉開(kāi)了序幕。中國(guó)為了實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，提出實(shí)施“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略。而更高水平的測(cè)量技術(shù)是“中國(guó)制造2025”的基石，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的重要前提之一。計(jì)量與測(cè)試技術(shù)革命將對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)量精度產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。半導(dǎo)體制造、超精密光學(xué)加工、生物分子操縱以及納米尺度診斷等領(lǐng)域［1-2］都需要高精度的掃描位移平臺(tái)，尋找一種能夠在宏觀尺度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高精度測(cè)量的方法顯得尤為重要。

近年來(lái)人們對(duì)納米位移測(cè)量技術(shù)的研究越來(lái)越多，各種精密位移測(cè)量?jī)x器及測(cè)量方法層出不窮。STM、電容、電感測(cè)微儀、X射線干涉儀、光纖位移傳感器、激光干涉儀以及光柵位移測(cè)量系統(tǒng)等［3-6］測(cè)量手段被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)制造。其中，激光干涉儀和光柵位移測(cè)量系統(tǒng)是能夠同時(shí)滿足大量程和高分辨率的位移測(cè)量手段。

激光干涉儀以其特有的大量程、高分辨率和高精度等優(yōu)點(diǎn)，在精密和超精密位移測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［7］。激光干涉儀是以穩(wěn)頻激光的波長(zhǎng)為工作基準(zhǔn)，當(dāng)測(cè)量環(huán)境的某些參數(shù)如溫度、壓力、相對(duì)濕度、CO2濃度等發(fā)生變化等都會(huì)導(dǎo)致波長(zhǎng)的不穩(wěn)定，加之外界振動(dòng)和電子學(xué)噪聲，這些都會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差。因此，外界環(huán)境對(duì)激光干涉儀影響很大。用激光干涉儀實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量需要高級(jí)別的環(huán)境控制系統(tǒng)，比如米級(jí)尺度納米級(jí)測(cè)量精度對(duì)環(huán)境的溫度變化要求為0.01℃，這無(wú)疑加大了技術(shù)和成本上的投入。激光干涉儀的這一缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用范圍，一般的生產(chǎn)制造環(huán)境很難使激光干涉儀實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。所以，一種對(duì)環(huán)境要求小的測(cè)量方法對(duì)工業(yè)制造有十分重要的意義。

光柵位移測(cè)量系統(tǒng)很好的解決了環(huán)境對(duì)測(cè)量精度影響大的問(wèn)題。該系統(tǒng)的核心元件是光柵，以光柵柵距為測(cè)量基準(zhǔn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，光路對(duì)稱且光程短，外界環(huán)境對(duì)其影響微乎其微［8-9］。尤其是利用光的衍射干涉原理的光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)，相對(duì)于基于幾何莫爾條紋原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其分辨率和精度更高，結(jié)構(gòu)更加靈活，更加適合高精度的加工制造領(lǐng)域中的位移測(cè)量和定位。

2 基本原理

光柵位移測(cè)量系統(tǒng)以光柵柵距為測(cè)量基準(zhǔn)，當(dāng)光柵柵距在10μm至200μm范圍內(nèi)，柵距遠(yuǎn)大于光源的波長(zhǎng)，光入射到光柵上，衍射現(xiàn)象可以忽略。兩塊光柵—參考光柵和測(cè)量光柵相對(duì)移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生低頻拍現(xiàn)象形成莫爾條紋［10-11］，通過(guò)對(duì)莫爾條紋的計(jì)數(shù)和細(xì)分，可以計(jì)算出兩塊光柵的相對(duì)位移大小，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。其原理圖如圖1所示。光源S發(fā)出的光經(jīng)透鏡L準(zhǔn)直后入射到參考光柵G1，經(jīng)過(guò)參考光柵G1和測(cè)量光柵G2后形成莫爾條紋，并且被光敏元件D接收，送到后續(xù)電路系統(tǒng)E處理。這一類測(cè)量系統(tǒng)為基于幾何莫爾條紋原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)中的測(cè)量光柵通常位于參考光柵的第一菲涅爾焦面上，兩個(gè)光柵之間的距離為l=d2／λ，d為光柵柵距，λ為入射波波長(zhǎng)。兩光柵之間的距離會(huì)隨光柵間距的減小而減小，公差要求也會(huì)變嚴(yán)格。較高的公差要求，對(duì)制造安裝無(wú)疑是不利的［12］。另外，隨著光柵柵距的減小，光的衍射現(xiàn)象便不可忽略，衍射光會(huì)作為干擾光降低系統(tǒng)的信噪比?；趲缀文獱枟l紋原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的這一缺點(diǎn)限制了其精度和分辨率的提高，一般該系統(tǒng)通過(guò)后期高倍的電子細(xì)分來(lái)提高分辨率，但細(xì)分誤差影響著系統(tǒng)的精度。因此，基于幾何莫爾條紋原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)很難應(yīng)用在有著更高精度需求的加工制造領(lǐng)域。

圖1 基于幾何莫爾條紋原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of the grating displacement measurement system based on the principle of geometric Moire fringe

當(dāng)光柵的柵距小于10μm時(shí)，柵距和光源波長(zhǎng)比較接近，衍射現(xiàn)象越來(lái)越明顯。衍射光柵干涉式位移測(cè)量系統(tǒng)就是利用衍射光的干涉產(chǎn)生明暗變化的條紋進(jìn)行位移測(cè)量。其原理圖如圖2（a）和2（b）所示。

圖2 基于衍射干涉原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of the grating displacement measurement system based on the principle of diffraction and interference

圖2 （a）中的系統(tǒng)采用兩塊光柵，光源發(fā)出的光線通過(guò)第一塊光柵G1衍射分光，入射到第二塊光柵G2，經(jīng)過(guò)第二塊光柵的衍射后，取相同方向的衍射光進(jìn)行干涉，形成干涉條紋［13］。兩塊光柵相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得條紋也發(fā)生明暗變化，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量。

圖2（b）中的系統(tǒng)采用一塊光柵，激光器發(fā)出的光經(jīng)光柵衍射，取其對(duì)稱級(jí)次±q級(jí)的衍射光進(jìn)行干涉，用探測(cè)器接收干涉條紋。根據(jù)多普勒效應(yīng)［14-15］，光柵移動(dòng)了距離s，±q級(jí)衍射光之間會(huì)有Δω=4πqv／d的角頻率差，兩束光差頻干涉后會(huì)得到光強(qiáng)I隨光柵位移s之間的關(guān)系：I～cos（4πqs／d）。如此便將位移s轉(zhuǎn)化成了電信號(hào)。當(dāng)衍射光取±1級(jí)時(shí)，系統(tǒng)具有光學(xué)二倍頻。

由于光柵柵距是決定系統(tǒng)分辨率的重要因素，所以衍射光柵干涉式位移測(cè)量系統(tǒng)具有更高的分辨率，而且由于衍射光作為測(cè)量信號(hào)而不是干擾項(xiàng)，所以提高了系統(tǒng)的信噪比。衍射光柵干涉式位移測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活多變，國(guó)內(nèi)外對(duì)其研究頗多。主要的研究和設(shè)計(jì)趨勢(shì)包括縮小系統(tǒng)的體積，提高系統(tǒng)掃描速度、精度、分辨率以及穩(wěn)定性，擴(kuò)大系統(tǒng)的量程以及實(shí)現(xiàn)多維度測(cè)量等。

3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

目前德國(guó)、日本等國(guó)在光柵位移測(cè)量領(lǐng)域有很大優(yōu)勢(shì)，德國(guó)Heidenhain公司光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)品種類和產(chǎn)量都居于領(lǐng)先地位。

Heidenhain公司［16-18］的LIP、LIF、PP等系列產(chǎn)品是衍射光柵干涉式位移測(cè)量系統(tǒng)。該類產(chǎn)品一般采用柵距為8μm和4μm的光柵。圖3為該系統(tǒng)的原理圖。

如圖3所示，參考光柵G1為透射光柵，測(cè)量光柵G2為反射光柵。LED光源S發(fā)射的光經(jīng)透鏡L準(zhǔn)直后照射到參考光柵上并衍射為強(qiáng)度大致相等的0級(jí)和±1級(jí)衍射光。由于測(cè)量光柵被設(shè)計(jì)成沒(méi)有零級(jí)衍射光出現(xiàn)，所以這3部分衍射光各自被測(cè)量光柵衍射為±1級(jí)衍射光?！?級(jí)衍射光又一次經(jīng)過(guò)參考光柵衍射后發(fā)生干涉，形成了3路有一定相位差的干涉信號(hào)，分別被3個(gè)光電池D接收。系統(tǒng)采用了反射式測(cè)量光柵，光源和探測(cè)器在光柵的同側(cè)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，便于安裝。

圖3 Heidenhain公司衍射光柵干涉式位移測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the diffraction grating interferometer displacement measurement system in Heidenhain

為了分析方便，可以將系統(tǒng)中的反射光柵等效成透射光柵構(gòu)成三光柵系統(tǒng)［8，19］。如圖4所示，G1和G3為參考光柵，G2為測(cè)量光柵。G1和G2之間的距離等于G2和G3之間的距離。光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直之后照射到G1，被G1衍射為0級(jí)和±1級(jí)。由于G1光柵的特殊設(shè)計(jì)，0級(jí)衍射光相對(duì)于±1級(jí)衍射光有φ的相位延遲。這三級(jí)衍射光照射到G2上并被其衍射。G2光柵能夠抑制0級(jí)衍射光的產(chǎn)生，所以只有±1級(jí)衍射光會(huì)照射到G3光柵上，經(jīng)過(guò)G3光柵的衍射后，相同方向的衍射光相互干涉形成干涉條紋。當(dāng)G2光柵相對(duì)于G1（G3）光柵運(yùn)動(dòng)時(shí)，被G2衍射的+1級(jí)衍射光有+Ω的相位變化，-1級(jí)衍射光有-Ω的相位變化，由于G3就是G1光柵，所以0級(jí)衍射光還有φ的相位延遲。最終各個(gè)干涉波的相位來(lái)自于各單束光相移之和。3路信號(hào)光強(qiáng)和相位之間的關(guān)系為：I1～2［1+cos（2Ω+2φ）］；I2～2（1+cos2Ω）；I-1～2［1+cos（2Ω-2φ）］。3路有一定相位差的干涉信號(hào)被相應(yīng)的光電池接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理。

Heidenhain公司LIP571就采用這種結(jié)構(gòu)，其標(biāo)尺光柵柵距為8μm，經(jīng)過(guò)光學(xué)二倍頻，便可得到分辨率為4μm的原始信號(hào)，再通過(guò)電子學(xué)細(xì)分，系統(tǒng)的最終分辨率為50 nm。并且兩光柵之間的距離為0.5 mm，平行度為±0.06 mm。該公司在20世紀(jì)80年代后期推出的LID351，采用幾何莫爾條紋原理，光柵柵距為10μm（分辨率可達(dá)50 nm），它的間隙要求已經(jīng)達(dá)到（0.1± 0.015）mm。相比之下，LIP571比它的公差要求寬松許多。LIP471采用柵距為4μm的標(biāo)尺光柵，系統(tǒng)最終分辨率可達(dá)5 nm，精度等級(jí)達(dá)到±1μm，非常適合高精度的位移測(cè)量。

圖4 三光柵系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of three-grating system

另外，為了進(jìn)一步提高精度和分辨率，Heidenhain公司的LIP372和LIP382產(chǎn)品采用了柵距為0.512μm的標(biāo)尺光柵，并且在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了調(diào)整［20］。圖5為L(zhǎng)IP382的系統(tǒng)原理圖。

圖5 LIP382系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of LIP382

如圖5所示，光源S發(fā)出的光經(jīng)過(guò)參考光柵G1衍射為0級(jí)和±1級(jí)，通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)抑制0級(jí)光，只讓±1級(jí)光A和A′照射到標(biāo)尺光柵，并且經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射為1級(jí)衍射光B和B′。系統(tǒng)引入了一個(gè)角錐棱鏡，而且角錐棱鏡和標(biāo)尺光柵以及A、A′衍射光采用Littrow自準(zhǔn)直安裝。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了分別與B、B′平行而且有一定平移的反射光C、C′并再次入射到標(biāo)尺光柵。1級(jí)衍射光D、D′經(jīng)參考光柵衍射為3路并相同方向的光發(fā)生干涉，3個(gè)探測(cè)器分別接收這3個(gè)干涉信號(hào)，進(jìn)行后續(xù)處理。

該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是加入了角錐棱鏡，其優(yōu)點(diǎn)主要有兩個(gè)：第一，使經(jīng)過(guò)標(biāo)尺光柵的衍射光再次入射到標(biāo)尺光柵，發(fā)生了二次衍射，形成了光學(xué)四倍頻，分辨率得到了提升；第二，帶來(lái)了較為寬松的安裝公差。LIP382的分辨率達(dá)到1 nm，精度等級(jí)為±0.5μm，量程為70～270 mm，適合更高精度位移測(cè)量。另外，日本SONY公司研制的BS78系列激光尺［21］采用柵距為0.55μm的全息光柵，系統(tǒng)得到的全息光柵信號(hào)周期是0.137 9μm。值得一提的是，它通過(guò)4 000倍的電子細(xì)分后得到34 pm的最小步距。精度在±0.04μm以下，測(cè)量長(zhǎng)度為10～420 mm。該測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到皮米級(jí)分辨率，是21世紀(jì)精密檢測(cè)的一個(gè)重大飛躍。

R.Sawada等人［22-25］對(duì)單光柵系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，利用平板印刷術(shù)和特殊的半導(dǎo)體制造技術(shù)將激光二極管、聚酰亞胺波導(dǎo)以及一些光學(xué)薄膜集成在一起。如圖6所示，激光二極管S發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡L1、L2后照射到光柵G上，相應(yīng)的衍射光再通過(guò)透鏡L3被光電二極管D接收。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且尺寸縮小到了500μm2，微小化的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)慣性小，具有很高的掃描速度，系統(tǒng)分辨率小于10 nm，可以將其應(yīng)用在微型機(jī)器人手臂等微位移測(cè)量中。

圖6 微型光柵位移測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.6 Schematic diagram of m icro diffraction grating interferometer displacement measurement system

日本尼康公司［26-30］在半導(dǎo)體光刻機(jī)掃描平臺(tái)上將激光干涉儀和光柵位移測(cè)量系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成BEC（Bird′s Eye Control）系統(tǒng)，如圖7所示。由于讀數(shù)頭和光柵之間只有2 mm的距離，所以相對(duì)于激光干涉儀來(lái)說(shuō)，環(huán)境對(duì)光柵位移測(cè)系統(tǒng)影響很小。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)擁有很好的重復(fù)性，而激光干涉儀擁有高精度和長(zhǎng)行程穩(wěn)定性。二者的結(jié)合，提高了位移精度和穩(wěn)定性，有利于提高硅片的產(chǎn)量和質(zhì)量。另外，在光柵位移測(cè)量系統(tǒng)中該公司采用多讀數(shù)頭切換的方案擴(kuò)大了光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的量程。這種方法能夠有效的解決采用高刻線密度光柵時(shí)量程很難擴(kuò)大的問(wèn)題。

圖7 Bird′s Eye Control系統(tǒng)原理圖Fig.7 Schematic diagram of Bird′s Eye Control system

圖8 6自由度測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.8 Conceptual design of the six-DOF surface encoder combined with a three-DOF displacement assembly and a three-DOF angle assembly

日本東北大學(xué)高偉等人［31-36］對(duì)半導(dǎo)體制造中所使用的二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)三維位移測(cè)量以及三維角度測(cè)量的系統(tǒng)。其系統(tǒng)原理圖如圖8所示。XY方向位移測(cè)量采用衍射光柵干涉式系統(tǒng)單光柵測(cè)量原理，Z方向位移測(cè)量采用邁克爾遜干涉儀原理。值得一提的是系統(tǒng)把由測(cè)量光柵衍射得到的0級(jí)和-1級(jí)衍射光引入到2個(gè)四象限光電二極管QPD實(shí)現(xiàn)三維的角度測(cè)量。該系統(tǒng)采用的參考光柵和測(cè)量光柵的柵距都為0.57μm，測(cè)量光柵的大小為60 mm×60 mm，整個(gè)讀數(shù)頭的尺寸為95 mm× 90 mm×25 mm。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)2 nm位移測(cè)量分辨率以及0.1和0.3角秒的角度測(cè)量分辨率。由于該系統(tǒng)采用了許多光學(xué)元件，系統(tǒng)的穩(wěn)定性是個(gè)需要解決的重要問(wèn)題。另外，該系統(tǒng)在θz方向上的角度分辨率以及X、Y、Z三個(gè)方向尤其是Z方向位移測(cè)量量程有待提高。

國(guó)防科技大學(xué)［37-42］對(duì)Post提出的非對(duì)稱雙級(jí)衍射系統(tǒng)［43］進(jìn)行了研究，并將其中的參考光柵用分光鏡代替，將光源L出射的光分成P、Q兩束，經(jīng)過(guò)平面鏡反射之后對(duì)稱入射到光柵上。選取高級(jí)次衍射光干涉實(shí)現(xiàn)了高倍的光學(xué)細(xì)分，配合相應(yīng)細(xì)分電路實(shí)現(xiàn)1 nm分辨率。所采用的光路圖如圖9所示。該系統(tǒng)光學(xué)元件使用相對(duì)較少，在一定程度上減少了元件偏擺誤差對(duì)系統(tǒng)精度的影響。另外，他們還采用了兩種電子細(xì)分方法：采用任意相位差條紋信號(hào)細(xì)分方法的系統(tǒng)在100 mm測(cè)量范圍內(nèi)有100 nm的精度，并且有500 mm／s的測(cè)量速度。采用傅立葉變換條紋細(xì)分法的系統(tǒng)雖然測(cè)量速度相對(duì)較低，但是系統(tǒng)條紋信號(hào)噪聲大大降低，測(cè)量精度達(dá)到10 nm。

圖9 光柵干涉位移測(cè)量系統(tǒng)光路圖Fig.9 Schematic diagram of optical setup

臺(tái)灣地區(qū)一些高校及科研機(jī)構(gòu)對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了多方面的研究，提出了許多新方案。2006年，范光照等人［44-45］采用1 200 l／mm的高刻線密度全息光柵，并設(shè)計(jì)了二次衍射的對(duì)稱光路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的分辨率，如圖10所示。該系統(tǒng)在15 mm測(cè)量范圍內(nèi)與雙頻激光干涉儀之間的標(biāo)準(zhǔn)差為10～19 nm。他還采用Littrow結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)讀數(shù)頭和光柵的對(duì)準(zhǔn)公差［46］，如圖11所示。并且，通過(guò)二維光柵實(shí)現(xiàn)分辨率為1 nm的二維位移測(cè)量［47］，在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，系統(tǒng)分別在兩個(gè)坐標(biāo)軸方向的25 mm測(cè)量范圍內(nèi)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差為15 nm。2007年，李世光等人［48-49］在光柵位移測(cè)量系統(tǒng)中加入了單倍望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，使光路沿原路返回，提高了系統(tǒng)的對(duì)位公差和信噪比，如圖12所示。系統(tǒng)在20 mm測(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到33.71 nm的測(cè)量精度。2014年，Hsieh等人［50-53］采用半透半反的二維光柵，結(jié)合外差、光柵剪切和邁克爾遜干涉等原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)六維自由度測(cè)量的干涉系統(tǒng)，如圖13所示。系統(tǒng)的位移分辨率為2 nm，角度分辨率為0.05μrad。這些系統(tǒng)中都應(yīng)用了許多偏振以及分光、折光元件，這些元件的偏擺誤差對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生很大影響，如何精確固定這些元件也是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

圖10 二次衍射系統(tǒng)原理圖Fig.10 Schematic diagram of double diffraction system

圖11 采用Littrow結(jié)構(gòu)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.11 Schematic diagram of diffraction grating interferometer displacement measurement system with Littrow structure

圖12 采用單倍望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.12 Schematic diagram of diffraction grating interferometer displacement measurement system with DiLENS configuration

圖13 6-DOF測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.13 Optical configuration for 6-DOF measurement system

2014年以來(lái)，清華大學(xué)［54-56］分別設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)一維、二維以及三維自由度位移測(cè)量的外差光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，并申請(qǐng)了相關(guān)專利［57-59］。其所設(shè)計(jì)的二維位移測(cè)量原理圖如圖14。該系統(tǒng)在x方向9 mm測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.63 nm的分辨率，在z方向0.6 mm范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)0.6 nm的分辨率。該系統(tǒng)中的光學(xué)元件大大減少并且采用雙頻激光以及光纖耦合，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

此外，國(guó)內(nèi)外還有許多機(jī)構(gòu)對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行研究并在結(jié)構(gòu)上做出了一些改進(jìn)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)［60-64］、合肥工業(yè)大學(xué)［12，65-67］以及日本的索尼［68-70］等?；谘苌涓缮嬖淼墓鈻盼灰茰y(cè)量系統(tǒng)理論上可以達(dá)到納米級(jí)分辨率及精度，再加上其對(duì)環(huán)境要求低的特點(diǎn)，非常適合于現(xiàn)代加工制造領(lǐng)域高精度位移測(cè)量，有著比較好的應(yīng)用前景。

圖14 外差光柵位移測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.14 Schematic diagram of the novel heterodynegrating interferometer system

4 存在的關(guān)鍵問(wèn)題

人們對(duì)光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)的研究，無(wú)論在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上還是在原理上都有了一定的創(chuàng)新和發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)品和設(shè)備也應(yīng)用在了不同測(cè)量需求中。但是，該位移測(cè)量系統(tǒng)還存在一些關(guān)鍵性問(wèn)題需要我們?nèi)ソ鉀Q。

無(wú)論是利用何種原理和結(jié)構(gòu)，光柵的制造精度影響著位移測(cè)量系統(tǒng)的精度，光柵的刻線密度影響著測(cè)量系統(tǒng)的分辨率，所以制造出高刻線密度、高精度的一維光柵以及二維光柵對(duì)位移測(cè)量系統(tǒng)非常重要。德國(guó)Heidenhain公司在地下15 m處建立了一處無(wú)塵、恒溫（溫度控制在0.01℃）的光柵刻蝕間，以保證光柵條紋的準(zhǔn)確度和精度。并且該公司采用的DIADUR復(fù)制工藝，即在玻璃基板上蒸發(fā)鍍鉻的光刻復(fù)制工藝，可制造出高精度、價(jià)格低廉、抗污染能力強(qiáng)的刻度尺光柵。METALLUR生產(chǎn)工藝可以制造出高刻線密度的光柵，并應(yīng)用在衍射干涉原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)中。我國(guó)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所國(guó)家光柵制造與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心建有超潔凈光柵實(shí)驗(yàn)室，溫度精度±0.02℃。并且擁有光柵母板生產(chǎn)能力，光柵批量復(fù)制能力，為我國(guó)高精度光柵制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

從上文對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究介紹可以看出當(dāng)采用高刻線密度的光柵時(shí)，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的量程會(huì)大大縮小。原因就是目前的機(jī)械刻劃光柵，全息光柵以及它們的復(fù)制光柵都無(wú)法做大做長(zhǎng)，這嚴(yán)重制約了光柵位移測(cè)量系統(tǒng)向大量程方向發(fā)展。提高長(zhǎng)光柵的生產(chǎn)能力是國(guó)內(nèi)外面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。為了解決制造長(zhǎng)光柵的質(zhì)量和時(shí)間問(wèn)題，美國(guó)MIT利用掃描干涉場(chǎng)曝光（SBIL）技術(shù)制造出了高刻線密度，高精度長(zhǎng)光柵［71］。我國(guó)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所國(guó)家光柵制造與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心也著力研究1.5m掃描干涉場(chǎng)曝光系統(tǒng)以及大面積光柵刻劃?rùn)C(jī)，為制作高刻線密度大光柵和長(zhǎng)光柵提供了保障。除此之外，還可以通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大量程。例如，尼康公司多讀數(shù)頭測(cè)量方案，通過(guò)讀數(shù)頭的交替測(cè)量實(shí)現(xiàn)量程的擴(kuò)大。還可以考慮通過(guò)多光柵排列的方法擴(kuò)大量程。

另外，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)各元器件之間的偏擺和位置誤差等也是影響位移測(cè)量系統(tǒng)的精度重要因素。光學(xué)元件的固定方法采用粘合還是夾持，應(yīng)當(dāng)深入分析，尋找一種好的固定方案，盡量降低這些誤差對(duì)提升整個(gè)系統(tǒng)的性能尤為關(guān)鍵；隨著光柵位移測(cè)量系統(tǒng)精度的提高，采用更高精度的方法對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定也是所面臨的一個(gè)問(wèn)題，在許多研究中都是用激光干涉儀與之比較，由于環(huán)境變化影響激光干涉儀的穩(wěn)定性，這種方法得出的結(jié)果也只能作為參考。要使得結(jié)果更具準(zhǔn)確性，一方面盡量保證環(huán)境要達(dá)到要求，另一方面可以增加測(cè)量的次數(shù)或者采用不同測(cè)量方案，從而將環(huán)境的影響減到最??；此外，進(jìn)一步縮小光柵位移測(cè)量系統(tǒng)讀數(shù)頭的體積，尤其是多維度測(cè)量系統(tǒng)的體積，找到光學(xué)元件更好的集成方案，最終使其產(chǎn)品化，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，衍射光柵干涉式一維位移測(cè)量系統(tǒng)已較為成熟，由于其測(cè)量維度低，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，讀數(shù)頭尺寸可以做到很小，相應(yīng)的產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)量領(lǐng)域；隨著二維光柵在光柵精密位移測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，一方面系統(tǒng)測(cè)量維度可以擴(kuò)展到二維，另一方面相對(duì)于使用兩個(gè)一維光柵，二維光柵可以集成和簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)，其產(chǎn)品也相繼出現(xiàn)；為了適應(yīng)日益發(fā)展的精密加工技術(shù)，擴(kuò)展光柵精密位移測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，研究者正努力將其擴(kuò)展到三維位移測(cè)量甚至包含角度測(cè)量的六維自由度測(cè)量，在測(cè)量維度的擴(kuò)大的同時(shí)保證高精度是目前該系統(tǒng)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，上文對(duì)其有所提及，這些是基于衍射光柵干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上的發(fā)展。另外，在原理上系統(tǒng)由雙頻激光逐步取代單頻激光，并且結(jié)合了多普勒頻移、光柵剪切、邁克爾遜干涉等多原理于一體，有利于進(jìn)一步提高了測(cè)量信號(hào)的質(zhì)量?？傊?，基于衍射光柵的干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)正在向高精度、大量程、多維度、小體積的方向發(fā)展。系統(tǒng)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，在精密位移測(cè)量中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。相信隨著光柵制造技術(shù)的發(fā)展以及新的測(cè)量方法的提出，上述關(guān)鍵問(wèn)題會(huì)得到相應(yīng)解決，具有更高分辨率和精度，大量程、多維度測(cè)量以及更緊湊的結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于未來(lái)各種測(cè)量領(lǐng)域中。未來(lái)高精度測(cè)量會(huì)由于光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用逐漸擺脫對(duì)環(huán)境的高要求，這將會(huì)是測(cè)量領(lǐng)域的一大進(jìn)步。

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Interferometric precision displacementmeasurement system based on diffraction grating

LV Qiang1，2，LIWen-hao1*，Bayanheshig1，BAIYang3，LIU Zhao-wu1，2，WANGWei1，2
（1．Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；
2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 101408，China；
3．College of Biological and Agricultural Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China）*Corresponding author，E-mail：leewenho＠163．com

This paper introduces the principlesand the characteristics of the grating displacementmeasurement system based on geometric moire fringe and the principle of diffraction and interference.It summarizes the research progress of the diffraction grating interferometer displacementmeasurement system at home and abroad and its key problems and development trend.The advantages of the diffraction grating interferometer displacementmeasurement system are that low the effect of environment requirement，high resolution and precision，compact structure and low cost.The problems of this system needed to be solved include how to improve the fabrication and installation accuracy of grating and optical components，and seek a higher accuracy of detectionmeans to calibrate the grating displacementmeasurement system and so on.The development trend of the system is higher resolution and accuracy，larger range，multi-dimensionalmeasurement and more compact structure.The diffraction grating interferometer displacement measurement system will have a wider application prospect in the field ofmodern industrial processing and manufacturing.

displacementmeasurement；grating；diffraction interference；high precision

TN247；TH744.3

：A

10.3788／CO.20171001.0039

呂 強(qiáng)（1992—），男，山東德州人，碩士研究生，2014年于山東師范大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光柵精密位移測(cè)量等方面的研究。E-mail：lq_0119＠126.com

李文昊（1980—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，研究員，2002年于陜西科技大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，2008年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲博士學(xué)位，主要從事平面、凹面全息光柵的理論設(shè)計(jì)及制作工藝等方面的研究。E-mail：leewenho＠163.com

2095-1531（2017）01-0039-12

2016-08-22；

2016-09-16

國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)（No.61227901）

Supported by the National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China（No.61227901）