1、畢業(yè)設(shè)計（論文）課題: 計量光柵綜述學生: 系部: 班級: 學號: 指導教師: 裝訂交卷日期:裝訂順序: （1）封面（2）畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定記錄（3）標題、中文摘要及關(guān)鍵詞（4）正文（5）附錄（6）參考文獻畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定記錄表指導教師評語（包含學生在畢業(yè)實習期間的表現(xiàn)）:成績（平時成績）: 指導教師簽名：年 月 日評閱教師評語：成績（評閱成績）: 指導教師簽名：年 月 日總評成績:注：1.此表適用于不參加畢業(yè)答辯學生的畢業(yè)設(shè)計（論文）成績評定；2.平時成績占40%、卷面評閱成績占60%，在上面的評分表中，可分別按40分、60分來量化評分，二項相加所得總分即為總評成績，總評成績請

2、轉(zhuǎn)換為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務處制畢業(yè)設(shè)計（報告）成績評定記錄表指導教師評語（包含學生在畢業(yè)實習期間的表現(xiàn)）:成績（平時成績）: 指導教師簽名：年 月 日評閱教師評語：成績（評閱成績）: 指導教師簽名：年 月 日答辯情況記錄:答辯成績:答辯委員會主任(或答辯教師小組組長)簽名:年 月 日總評成績:注：1.此表適用于參加畢業(yè)答辯學生的畢業(yè)設(shè)計（報告）成績評定；2.平時成績占20%、卷面評閱成績占50%、答辯成績占30%，在上面的評分表中，可分別按20分、50分、30分來量化評分，三項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉(zhuǎn)換為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務處制

3、鄭重申明本人呈交的畢業(yè)實習報告（設(shè)計），是在導師的指導下，獨立進行實習和研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)實習報告（設(shè)計）的成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本畢業(yè)實習報告（設(shè)計）所涉及的實習和研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本畢業(yè)實習報告（設(shè)計）的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于作者與培養(yǎng)單位。學生簽名日期2015.04摘要黑體，居中，小2號字體計量光柵作為一種重要的傳感器件，已經(jīng)廣泛用于精密測量、自動定位和光學信息處理領(lǐng)域。光柵質(zhì)量的優(yōu)劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低將直接影響光柵測量儀器的精度和性能。計量光

4、柵的種類很多，計量光柵大部分使用黑白相間的振幅光柵，有時也用相位光柵。由于各種光柵的柵距相差很大，精度要求也不一樣，因此制造方法也不相同。本文系統(tǒng)介紹了計量光柵的種類及工作原理，還介紹了國內(nèi)計量光柵制造的主要方法、檢測方法及其應用?？w，5號字體，1.5倍行距，首行不縮進黑體，5號字體關(guān)鍵詞：計量光柵原理；光柵制造；光柵檢測方法楷體，5號字體，分號隔開黑體，加粗，小2號字體，右對齊目錄黑體，小4號字體，1.5倍行距1 引言32 光柵的工作原理及結(jié)構(gòu)42.1光柵的工作原理42.2 光柵尺的構(gòu)造及種類53 光柵的制造84 光柵的檢測94.1位移大小的檢測94.2位移方向的檢測94.3速度的檢測10

5、5 光柵信息處理及應用115.1放大與整形115.2鑒向倍頻12結(jié)論14參考文獻15致謝16附錄171 引言章標題，黑體，4號字體，加粗，右對齊，上空三行，下空兩行，每章獨立分頁計量光柵，已經(jīng)廣泛用于精密測量、自動定位和光學信息處理領(lǐng)域。光柵質(zhì)量的優(yōu)劣、精度的高低、成本的大小、制造效率的高低將直接影響光柵測量儀器的精度和性能。因此，制造高精度和低成本的光柵是光柵制造部門的重要課題和任務。計量光柵的種類很多，計量光柵大部分使用黑白相間的振幅光柵，有時也用相位光柵。由于各種光柵的柵距相差很大，精度要求也不一樣，因此制造方法也不相同。近年來，為了進一步探索光刻技術(shù)，在準分子激光技術(shù)上做了不少工作，諸

6、如準分子激光投影光刻、電子束投影光刻， X射線光刻的技術(shù)應運而生，將光刻極限由原來的0.5m推進到現(xiàn)在的0.1m左右，激光直寫法和全息法作為制造光柵的兩種方法，與傳統(tǒng)方法相比，由于其諸多優(yōu)點而日漸在衍射光柵和二元衍射元件中應用。光柵復制多采用照相復制法，現(xiàn)在國內(nèi)常用的蟲膠復制作介紹，本文還對光柵質(zhì)量的基本指標項目及檢測法方進行了評述。正文，仿宋體，5號字體，1.5倍行距，首行縮進2 光柵的工作原理及結(jié)構(gòu)2.1 光柵的工作原理章標題，黑體，小4號字體，加粗，左對齊，上下空一行常見光柵的工作原理都是根據(jù)物理上莫爾條紋的形成原理進行工作的。圖1是其工作原理圖。當使指示光柵上的線紋與標尺光柵上的線紋成

7、一角度來放置兩光柵尺時，必然會造成兩光柵尺上的線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點近旁的小區(qū)域內(nèi)由于黑色線紋重疊，因而遮光面積最小，擋光效應最弱，光的累積作用使得這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反，距交叉點較遠的區(qū)域，因兩光柵尺不透明的黑色線紋的重疊部分變得越來越少，不透明區(qū)域面積逐漸變大，即遮光面積逐漸變大，使得擋光效應變強，只有較少的光線能通過這個區(qū)域透過光柵，使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這些與光柵線紋幾乎垂直，相間出現(xiàn)的亮、暗帶就是莫爾條紋。莫爾條紋具有以下性質(zhì)：(1) 當用平行光束照射光柵時，透過莫爾條紋的光強度分布近似于余弦函數(shù)。(2) 若用W表示莫爾條紋的寬度，d表示光柵的柵距，表示兩光柵尺線紋的夾角

8、，則它們之間的幾何關(guān)系為W=d/sin                           當角很小時，取sin，上式可近似寫成W=d/                &

9、#160;         若取d=0.01mm,=0.01rad，則由上式可得W=1mm。這說明，無需復雜的光學系統(tǒng)和電子系統(tǒng)，利用光的干涉現(xiàn)象，就能把光柵的柵距轉(zhuǎn)換成放大100倍的莫爾條紋的寬度。這種放大作用是光柵的一個重要特點。(3) 由于莫爾條紋是由若干條光柵線紋共同干涉形成的，所以莫爾條紋對光柵個別線紋之間的柵距誤差具有平均效應，能消除光柵柵距不均勻所造成的影響。(4) 莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動相對應。兩光柵尺相對移動一個柵距d，莫爾條紋便相應移動一個莫爾條紋寬度W，其方向與兩光柵

10、尺相對移動的方向垂直，且當兩光柵尺相對移動的方向改變時，莫爾條紋移動的方向也隨之改變。圖表標題，黑體，加粗，5號字體，單倍行距，居中圖1光柵工作原理 在高精度的數(shù)控機床上，目前大量使用光柵作為反饋檢測元件。光柵旋轉(zhuǎn)變壓器、感應同步器不同，它不是依靠電磁學原理進行工作的，不需要激磁電壓，而是利用光學原理進行工作，因而不需要復雜的電子系統(tǒng)。常見的光柵從形狀上可分為圓光柵和長光柵。圓光柵用于角位移的檢測，長光柵用于直線位移的檢測。光柵的檢測精度較高，可達1m以上。光柵是利用光的透射、衍射現(xiàn)象制成的光電檢測元件，它主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標尺光柵固定在機床的活動部件上(如

11、工作臺或絲杠)，光柵讀數(shù)頭安裝在機床的固定部件上(如機床底座)，二者隨著工作臺的移動而相對移動。在光柵讀數(shù)頭中，安裝著一個指示光柵，當光柵讀數(shù)頭相對于標尺光柵移動時，指示光柵便在標尺光柵上移動。當安裝光柵時，要嚴格保證標尺光柵和指示光柵的平行度以及兩者之間的間隙(一般取0.05mm或0.1mm)要求。2.2 光柵尺的構(gòu)造和種類光柵尺包括標尺光柵和指示光柵，它是用真空鍍膜的方法光刻上均勻密集線紋的透明玻璃片或長條形金屬鏡面。對于長光柵，這些線紋相互平行，各線紋之間距離相等，我們稱此距離為柵距。對于圓光柵，這些線紋是等柵距角的向心條紋。柵距和柵距角是決定光柵光學性質(zhì)的基本參數(shù)。常見的長光柵的線紋密

12、度為25,50,100,125,250條mm。對于圓光柵，若直徑為70mm,一周內(nèi)刻線100-768條；若直徑為110mm，一內(nèi)刻線達600-1024條，甚至更高。同一個光柵元件，其標尺光柵和指示光柵的線紋密度必須相同。圖2是光柵讀數(shù)頭的構(gòu)成圖，它由光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和驅(qū)動線路組成。讀數(shù)頭的光源一般采用白熾燈泡。白熾燈泡發(fā)出的輻射光線，經(jīng)過透鏡后變成平行光束，照射在光柵尺上。光敏元件是一種將光強信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電轉(zhuǎn)換元件，它接收透過光柵尺的光強信號，并將其轉(zhuǎn)換成與之成比例的電壓信號。由于光敏元件產(chǎn)生的電壓信號一般比較微弱，在長距離傳遞時很容易被各種干擾信號所淹沒、覆蓋，造成傳送

13、失真。為了保證光敏元件輸出的信號在傳送中不失真，應首先將該電壓信號進行功率和電壓放大，然后再進行傳送。驅(qū)動線路就是實現(xiàn)對光敏元件輸出信號進行功率和電壓放大的線路。圖2 光柵讀鏡頭根據(jù)不同的要求，讀數(shù)頭內(nèi)常安裝2個或4個光敏元件。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)形式，除下圖的垂直入射式之外，按光路分，常見的還有分光讀數(shù)頭、反射讀數(shù)頭和鏡像讀數(shù)頭等。圖3(a)、(b)、(c)分別給出了它們的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中Q表示光源，L表示透鏡，G表示光柵尺，P表示光敏元件，Pr表示棱鏡。圖3 光柵讀鏡頭結(jié)構(gòu)原理圖（a）分光讀鏡頭 （b）反射讀鏡頭 （c）鏡像讀鏡頭3 光柵的制造 機械刻劃法制造計量光柵是在現(xiàn)在有的長刻機及圓刻機

14、上進行的，經(jīng)常采用的方法有機械物理法和機械化學法，下面以機械物理法為例介紹介紹其工藝過程：（1）保護蠟層配置：它必須滿足下列要求：蠟層與玻璃應有牢固的附著力，蠟層穩(wěn)定性要求在較長一段時間內(nèi)沒有發(fā)軟，發(fā)脆，蠕動等現(xiàn)象，蠟層應具有足夠的機械強度，在刻劃過程中不應有崩裂和粘刀現(xiàn)象；（2）毛胚清潔：它是線條質(zhì)量及牢固度的保證；（3）涂保護蠟：清潔好的毛坯放到離心機上涂保護蠟，要求得到的保護蠟層大約1微米左右，在刻劃區(qū)表面沒有任何灰點或其他斑點；（4）刻劃：在調(diào)整好機床后，將合用的刻劃刀安裝于刀架上，試劃線條，并在120倍顯微鏡線檢查線條質(zhì)量，然后校正刻劃中心，接著安裝度盤（5）真空鍍鉻：鍍鉻前一定要將

15、清潔好鍍膜機真空室，這是取得牢固度線條的保證。4 光柵的檢測 根據(jù)上述莫爾條紋的特性，假如我們在莫爾條紋移動的方向上開4個觀察窗口A，B，C，D，且使這4個窗口兩兩相距1/4莫爾條紋寬度，即W/4。由上述討論可知，當兩光柵尺相對移動時，莫爾條紋隨之移動，從4個觀察窗口A，B，C，D可以得到4個在相位上依次超前或滯后(取決于兩光柵尺相對移動的方向)1/4周期(即/2)的近似于余弦函數(shù)的光強度變化過程，用LA，LB，LC，LD表示，見圖3(c)。若采用光敏元件來檢測，光敏元件把透過觀察窗口的光強度變化LA，LB，LC，LD轉(zhuǎn)換成相應的電壓信號，設(shè)為VA，VB，VC，VD。根據(jù)這4個電壓信號，可以檢

16、測出光柵尺的相對移動。4.1 位移大小的檢測由于莫爾條紋的移動與兩光柵尺之間的相對移動是相對應的，故通過檢測VA，VB，VC，VD這4個電壓信號的變化情況，便可相應地檢測出兩光柵尺之間的相對移動。VA，VB，VC，VD每變化一個周期，即莫爾條紋每變化一個周期，表明兩光柵尺相對移動了一個柵距的距離；若兩光柵尺之間的相對移動不到一個柵距，因VA，VB，VC，VD是余弦函數(shù)，故根據(jù)VA，VB，VC，VD之值也可以計算出其相對移動的距離。4.2 位移方向的檢測在圖3(a)中，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿正方向移動，這時，莫爾條紋相應地沿向下的方向移動，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過

17、程LA和LB及輸出的相應的電壓信號VA和VB如圖4(a)所示，在這種情況下，VA滯后VB的相位為/2；反之，若標尺光柵固定不動，指示光柵沿負方向移動，這時，莫爾條紋則相應地沿向上的方向移動，透過觀察窗口A和B，光敏元件檢測到的光強度變化過程LA和LB及輸出的相應的電壓信號VA和VB如圖4(b)所示，在這種情況下，VA超前VB的相位為/2。因此，根據(jù)VA和VB兩信號相互間的超前和滯后關(guān)系，便可確定出兩光柵尺之間的相對移動方向。圖4 光柵的位移檢測原理圖4.3 速度的檢測兩光柵尺的相對移動速度決定著莫爾條紋的移動速度，即決定著透過觀察窗口的光強度的頻率，因此，通過檢測VA，VB，VC，VD的變化頻

18、率就可以推斷出兩光柵尺的相對移動速度。 5 光柵信息處理及應用當兩光柵尺有相對位移時，光柵讀數(shù)頭中的光敏元件根據(jù)透過莫爾條紋的光強度變化，將兩光柵尺的相對位移即工作臺的機械位移轉(zhuǎn)換成了四路兩兩相差/2的電壓信號VA，VB，VC，VD，這四路電壓信號的變化頻率代表了兩光柵尺相對移動的速度；它們每變化一個周期，表示兩光柵尺相對移動了一個柵距；四路信號的超前滯后關(guān)系反映了兩光柵尺的相對移動方向。但在實際應用中，常常需要將兩光柵尺的相對位移表達成易于辨識和應用的數(shù)字脈沖量，因此，光柵讀數(shù)頭輸出的四路電壓信號還必須經(jīng)過進一步的信息處理，轉(zhuǎn)換成所需的數(shù)字脈沖形式。圖5 光柵信息處理線路框圖圖5給出了一種用

19、于光柵信息處理的線路框圖。它由三個部分組成，即放大環(huán)節(jié)、整形環(huán)節(jié)和鑒向倍頻線路。5.1 放大與整形放大與整形環(huán)節(jié)與一般系統(tǒng)中采用的原理及結(jié)構(gòu)無多大差別，主要是用以求得電壓與功率的圖5光柵信息處理線路框圖放大以及波形的規(guī)整。這里的放大環(huán)節(jié)主要采用的是差動放大器，以抑制各種共模干擾信號的影響及矯正因光柵尺和光柵讀數(shù)頭的機械誤差造成的光柵讀數(shù)頭輸出信號的相位誤差，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)后，VA，VB，VC，VD(其初相位分別對應于圖5中的0，/2，和3/2)四路電壓信號變成兩路，一路其初相位和頻率同VA一樣，一路同VB一樣，分別記為VA和VB(對應于圖5中放大環(huán)節(jié)輸出的0和/2)。整形環(huán)節(jié)采用的是電壓比較器，

20、其作用是將VA和VB轉(zhuǎn)換成同頻率同相位的兩路方波信號A和B(分別對應于圖5中的sin和cos)，見圖6。電壓比較器可選用LM311。圖6 整形環(huán)節(jié)信號輸入輸出關(guān)系5.2 鑒向倍頻顧名思義，鑒向倍頻線路的功能有兩個：一是鑒別方向，即根據(jù)整形環(huán)節(jié)輸出的兩路方波信號A和B的相位關(guān)系確定出工作臺的移動方向；二是將A和B兩路信號進行脈沖倍頻，即將圖6鑒向倍頻線路框圖一個周期內(nèi)的一個脈沖(方波)變?yōu)樗膫€脈沖，這四個脈沖兩兩相距1/4周期。因一個周期內(nèi)的一個脈沖表示工作臺移動了一個柵距，這一個周期內(nèi)的四個脈沖中的每一個則表示了工作臺移動了1/4柵距，這樣就提高了光柵測量裝置的分辨率。圖7是鑒向倍頻線路的框圖

21、，圖中實現(xiàn)四倍頻的線路如圖6所示，其波形圖見圖7。這種倍頻線路產(chǎn)生的脈沖信號與時鐘CP同步，應用比較方便，工作也十分可靠。在該四倍頻線路中，時鐘脈沖信號的頻率要遠遠高于方波信號A和B的頻率以減少倍頻后的相移誤差。此外，從圖7也可以看出，真正實現(xiàn)四倍頻，M1M2M3和M4還需要“或”起來，這將由鑒向線路來完成。圖7 鑒相倍頻線路框圖入射作用的刻線槽面與光柵面的夾角稱為閃耀角。具有這種性質(zhì)的光柵稱為閃耀光柵或定向光柵。另一方面滿足不同光譜級次的譜線在焦面上重迭。同所需譜線重迭的其他譜線一般用有色玻璃隔去。光柵角色散理論分辨本領(lǐng)R = / =mN 。此處 為可分辨的最小光譜單元寬度N 為刻線總數(shù)。

22、衍射光柵的精度要求極高很難制造但其性能穩(wěn)定分辨率高角色散高而且隨波長的變化小所以在各種光譜儀器中得到廣泛應用。天文光學儀器應用的光柵主要有平面反射光柵刻線密度一般每毫米3001500線最常用的是每毫米600線光譜級m 5。折軸恒星攝譜儀要求盡可能高的聚光能力光柵面積愈大愈好在低光譜級次工作。而太陽攝譜儀要求高色散和高分辨率使用較高的光譜級次。目前使用有效的光柵刻線面的寬度在200300毫米最大可達600毫米。中階梯光柵是刻線密度較低的平面反射光柵最常用的刻線密度是每毫米79線具有較好的定向性能閃耀角通常取為63°26工作于高光譜級次(m 40)。利用色散方向與它垂直的平面光柵分開重迭

23、級次可以得到二維結(jié)構(gòu)的光譜圖應用到像管攝譜儀十分有利。由于中階梯光柵的角色散是平面光柵的二倍或更多因此使用它的攝譜儀結(jié)構(gòu)緊湊。透射光柵用作物端光柵。如將透射光柵刻制在棱鏡斜面上即成非物端光柵多用于大望遠鏡。 相關(guān)公式：dsin= n其中d為為兩狹縫之間的間距,為衍射角度，n為光柵級數(shù)，為波長結(jié)論光柵在實際生活學習中應用廣泛，在機械加工和精密儀器制造業(yè)中存在不可替換的因素，在制造過程中更是要注意一些很細節(jié)的問題，才能使產(chǎn)品具有他獨特的價值。參考文獻黑體，加粗，4號字體，右對齊1 戴軍，袁惠新.膜技術(shù)在含油廢水處理中的應用J.膜科學與技術(shù)，2002，22（2）：59-642 毛俠，孫云.和諧圖案的自動生成研究A.第一屆中國情感計算及智能交互學術(shù)會議論文集C.北京：中國科學院自動化研究所，2003：277-279.3 王湛.膜分離技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:化學工業(yè)出版社，2000：1