創新型光柵傳感器讀數方法設計

【摘 要】光柵測量技術是制造工業中（機床工業）應用最為廣泛的幾何量測試技術。基于莫爾條紋的光柵測量方法已經有上百年的歷史了，隨著現代超精密加工技術、微電子技術的進步，基于莫爾條紋的光柵讀數方法已經可達亞微米精度，但是如果要實現更高精度的測量，莫爾條紋光柵讀數方法目前面臨著諸多瓶頸問題。結合現代光電技術的最新成果，開展光柵新型讀數方法研究，對于推動光柵測量技術進步，發展現代光電信息產業具有推動作用。

【關鍵詞】DVD激光頭；光柵；莫爾條紋；納米測量

0.引言

以DVD光學讀取頭作為非接觸式的光學測量探頭，其內部的光學激光讀取技術不斷的更新與發展，已相當成熟。從激光光源、光路設計以及傳感器等，系統整合的完整度還有聚焦的特性，只需進行適當的改裝以及控制手段的改進，將可以成為實用的非接觸探頭。一般高精度的探頭價格相當昂貴。為適應現今各種產業的低成本高精度的需求，本設計以建立光柵測量的探頭系統為目的，對DVD讀取頭加以改進，發展出符合測量要求的精密探頭系統。測量范圍約為5um，測量重復性誤差的單標準差約為1.1nm。且可以實現納米分辨率小于30nm的測量精度。

1.DVD激光頭的工作原理

DVD激光頭組件中包括激光二極管，提供穩定的測量用光源的激光光源；以及分光鏡、穿透式光柵、光電傳感器、聚焦物鏡、四分之一波片等光學組件。光信號由光電傳感器轉換為電信號，光電傳感器輸出的電壓信號的強弱可得出入射光的光強度。本設計中所使用的DVD激光頭的內部傳感器由四片面積相同且光電形式也相同的光電傳感器所組成，被稱為四象限傳感器（Quadrant detector）。當光點打在檢測器上時，光點落在各檢測器上的能量是不相等的，因此信號輸出也不同，然后比較各檢測器的輸出，就可得知光點位置差。激光讀數頭就是利用四象限傳感器來檢測四個象限分別的感光強度，并且由后續的運算電路計算出來聚焦誤差信號（Focus Error Signal，即FES）。

DVD激光讀取頭的聚焦原理為像散法（Astigmatic Method）。像散是指光線經過像散透鏡，造成成像時橫向與縱向的放大率不同，由此會造成像點的失真。利用此像散特性作為測量依據，并結合感測組件四象限傳感器，共同工作，達到測量距離的目的。透鏡的垂直焦距與水平焦距不同，因此物體會偏離透鏡前焦平面的位置。當物體處于透鏡的正焦平面位置時，物理在四象限光傳感器上的成像光點呈現圓形（FES=0），當物理偏離透鏡的焦平面位置時，成像光點呈現橢圓變化，經信號處理，即對四象限傳感器的(A+C）-（B+D），失焦信號對失焦位移量的關系成一曲線，即所謂的S曲線。

DVD激光讀取頭的聚焦誤差信號（FES）的線形范圍為7μm左右，但實際應用時一般只用到其中焦點位置附近±1μm左右的線形范圍，在此范圍內，具有優異的線形度、高測量分辨率和高測量精度的特點。

2.基于干涉原理的光柵位移測量讀數系統原理

當光柵的柵距較小，相當于光波波長數量級時，光的衍射效果是十分明顯的，會由各級衍射光束之間相互干涉形成衍射型莫爾條紋。衍射型莫爾條紋同樣需要兩個光柵組成光柵副。一個作為主光柵，另一個作為指示光柵。相位光柵可以分為透射型光柵和反射型光柵兩種，相位光柵的測量系統根據使用不同類型的光柵有著不同的系統結構，總的來說可以分為多光柵測量系統和單光測量系統。

設計用的衍射光柵測量系統是采用兩個或者兩個以上的光柵對入射光進行多次衍射產生與被測運動成正比的條紋測量信號，這些測量方法都可以使用普通光源，例如本設計中的DVD激光作為測量用光源。在應用中，可以利用激光源的單色性和單光柵組成位移測量系統，這類測量系統結構相比較為簡單。同時這種光柵讀數測量方法一般精度較高，在精度要求較高的相位光柵測量系統中一般采用這種測量方法。

3.信號的處理方法

DVD激光頭輸出的信號為四象限傳感器的電壓信號。因此需要設計運算電路來進行后續的（A+C）-（B+D）的計算。以下為主要運算電路。

本設計主要的關鍵技術為光柵讀數頭信號處理技術。光柵讀數頭信號處理包括兩個部分：激光頭輸出信號的處理和正交信號的處理。激光頭四象限探測器輸出信號的高質量放大和濾波是設計成功關鍵。因此我們使用了如下圖的濾波設計，其使輸出的正余弦信號能夠準確對應被測光柵物理表面周期位置的變化。

而且其轉化精度的高低關系到后繼電路對信號的計數細分。讀數頭信號的質量受到光柵安裝、光路、電路以及使用環境的變化等多種因素的影響，信號的幅值、零點、相位差會發生波動，并伴有波形失真，從而給后繼的電子細分引入較大的誤差。因此要根據測量條件對電路進行精確調整，在保證不丟失有效測量信息的同時對信號進行實時處理，增強正交信號質量。

4.實驗結果和總結

將DVD觸頭放置在光柵尺對面，利用微調機構調整觸頭和光柵尺的相對位置，利用示波器來記錄輸出信號。在觸頭離光柵尺很遠或者很近的時候，都沒有信號的輸出。只有在一個固定的距離范圍內，信號才會有很敏感的信號的反應。這個距離就是觸頭的焦點距離，而范圍則是其的線性范圍。在敏感區域內，將觸頭沿著光柵尺的方向移動，可以明顯的看到周期性的波形信號。這是因為光柵尺的明暗條紋，在反射光線時所產生的效果，對于激光頭來說就是在不停的失焦和變焦。因此會根據光柵線距離產生周期性的信號。又因為光柵的線距是根據光柵決定的，是已知的。因此只要對周期進行計算，就可以精確得知光柵尺移動的距離。從而證明了，利用廉價的DVD觸頭的改裝，來得到可以進行高精度光柵讀數傳感器的想法是可行的。而且這種測量方法不僅精度高，同時節省成本，符合目前工業趨勢的需要。 [科]

【參考文獻】

［１］唐文彥.傳感器[M].北京:機械工業出版社.2006．

［２］孫長庫，葉聲華.激光測量技術[M].天津:天津大學出版社.2001．

［３］張國雄.測控電路[M].北京:機械工業出版社.2008．

［４］陳葉金．創新型微納米測量探頭機理的研究，合肥工業大學測試計量技術與儀器專業博士論文，2007.