光栅的种类与精度

通常意义上讲，光栅按用途分有两大类，一类是物理光栅（亦称衍射光栅），另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为200～500条/㎜，线纹相互平行且距离相等，称此距离为栅距。则物理光栅的栅距一般为0.002～0.005㎜，主要是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和光波波长的测定。而计量光栅的刻线稍粗，线纹密度一般为25条/㎜、50条/㎜、100条/㎜、250条/㎜等，即：栅距为0.004～0.25㎜，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光栅。
计量光栅一般作为高精度数控机床的位置检测装置，是闭环控制系统中用得较多的测量装置，可以用作位移和转角的测量，测量精度可达几微米。另外，计量光栅的读数速率从每秒零到数十万次之高，非常适用于动态测量。
计量光栅按形状可以分为长光栅（又称直线光栅）和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。
１．长光栅
（1）玻璃透射光栅是在玻璃的表面上用真空镀膜法镀一层金属膜，再涂上一层均匀的感光材料，用照相腐蚀法制成透明与不透明间隔相等的线纹，也有用刻蜡、腐蚀、涂黑工艺制成的。玻璃透射光栅的特点是：
1）光源可以采用垂直入射，光电元件可直接接受光信号，因此信号幅度大，读数头结构比较简单；
2）每毫米上的线纹数多，一般为每毫米100、125、250条，再经过电路细分，可做到微米级的分辨率。
（2）金属反射光栅是在钢尺或不锈钢的镜面上用照相腐蚀法或用钻石刀直接刻划制成的光栅线纹；金属反射光栅常用的线纹数为每毫米4、10、25、40、50条，因此，其分辨率比玻璃透射光栅低。此外，也可以把线纹做成具有一定衍射角度的定向光栅。金属反射光栅的特点是：
1）标尺光栅的线膨胀系数很容易做到与机床材料一致；
2）标尺光栅的安装和调整比较方便；
3）安装面积较小；
4）易于接长或制成整根的钢带长光栅；
5）不易碰碎。
２．圆光栅
在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角（称为栅距角）相等。根据不同的使用要求在圆周内的线纹数也不相同。圆光栅一般有3种形式：
（1）六十进制，如圆周内的线纹数为：10800，21600，32400，64800等；
（2）十进制，如圆周内的线纹数为：1000，2500，5000等；
（3）二进制，如圆周内的线纹数为：512，1024，2048等。
３．计量光栅的精度
计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，也就是计量光栅任意两点间的误差。由于激光技术的发展，光栅的制作精度得到很大提高，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到0.1μm、甚至更高的分辨率，如：0.025μm。
常见的光栅检测系统的工作原理都是根据莫尔条纹的形成原理进行工作的，莫尔条纹是由若干光栅线纹干涉形成的，其对光栅各线纹之间的栅距误差具有平均效应，所以栅距不均匀所造成的误差得以适当地被修正。表列了几种光栅的精度数据。表中“精度”指两点间最大均方根误差。

表 各种光栅的精度
从上表可以看出，各种光栅中以玻璃衍射光栅的精度为最高。