光栅纳米测量的研究与进展
光栅精密位移测量技术发展综述
光栅精密位移测量技术发展综述光栅精密位移测量技术是一种利用光栅原理进行精密位移测量的技术。
光栅是一种经过光学加工产生的具有一定周期的光学结构，由透光区和不透光区组成。
在应用中，通过将光线以一定的入射角度照射到光栅上，经过光栅的作用后，透射或反射出的光线将被分裂成不同的光束，形成一定的光衍射图案。
根据光衍射图案特征的变化，可以实现对被测量体位移的测量。
第一阶段：光栅发展初期（20世纪60年代至70年代）在20世纪60年代至70年代，光栅技术刚刚开始被应用于位移测量领域。
当时的光栅仅能实现粗略的位移测量，测量范围有限。
此时的光栅精密位移测量技术主要应用于科学研究领域。
第二阶段：数字式光栅技术发展（20世纪80年代至90年代）在20世纪80年代至90年代，随着集成电路技术的进步，数字式光栅技术开始被广泛应用于光栅精密位移测量领域。
数字式光栅通过将光栅的周期结构映射到一系列二进制码上，实现了对位移的数字化处理。
这种技术具有高测量精度、高信号稳定性、高分辨率等优势，被广泛应用于工业自动化等领域。
第三阶段：干涉式光栅技术发展（20世纪90年代至今）在20世纪90年代以后，干涉式光栅技术开始逐渐替代数字式光栅技术，成为光栅精密位移测量技术的主流。
干涉式光栅通过利用光的干涉现象，实现对位移的精密测量。
与数字式光栅相比，干涉式光栅具有更高的分辨率、更高的测量精度和更强的环境适应能力。
随着光学材料和检测技术的不断发展，光栅精密位移测量技术不断改进和创新。
例如，基于光纤传感技术的光栅位移传感系统实现了长距离测量和多点测量的应用；利用光学存储介质制作的光栅具有更高的光学品质和更低的测量误差。
总的来说，光栅精密位移测量技术经过几十年的发展，从初期的粗略测量到数字化处理再到干涉式测量，实现了从低精度到高精度的迅速提升。
随着科学技术的不断进步，相信光栅精密位移测量技术在未来会有更广阔的应用前景。
我国成功研制纳米光栅样板解决纳米计量难题
据 了解 ，一维 标准 纳 米光栅 样板 是 国际计 量局 规定 的 ５个 纳 米标 准样 板 之 一。 它的 成 功研 制填 补 了我 国在 纳
械 工 业 出版 社 ，２０ ． ０４ ［ ］ 杨 乐 平 ． ａＶ Ｅ 程 序 设 计 与 应 用 ［ ６ Ｌ ｂ ＩＷ Ｍ］ ．北 京 ： 电 子 工
业 出版 社 ，２ ０ ． ０５
七 七 七 电 七 七 七 电 －＂ ６ － ６＂
我 国成 功 研 制 纳 米光 栅 样 板 解 决 纳 米 计 量 难 题
收鉴定 。
据 中国计量科 学研 究院相 关 负责 人介 绍 ，近年 来 ，我 国纳 米 技 术产 业 发展 迅 速 ，量 值 溯 源 问题 已严 重 阻碍 了
我 国纳 米技 术产 业 的发展 ，每 年进 口的近 万 台纳 米 测 量仪 器 无 法进 行 质 量检 测 ，不 得 不依 靠 国 外样 板 进 行校 准 。
图 ４ ３ ２０ 函 数 任 意 波 形 发 生 器 控 制程 序框 图 ３２Ａ
从 而保 证仪 器安 全 。
参 考 文 献
［ ］Ａ ｉ ｎ Ａ ｉ ｎ ３２ ０ ｅ ｔ Ｐｏｒｍｍｎ ｅｅ ｎ ｅＧ ｉｅ １ ｇ ｅｔ ｇ ｅｔ ３ ２ Ａ Ｒ ｍｏ ｒ ａ ｉｇＲ ｆ ｅ ｃ ｕｄ ｌ ． ｌ ｅ ｇ ｒ
即便 如 此 ，我 国纳 米产 业量 值 不 一的状 况仍 未 从根 本上 得 到 解决 。 由于溯 源渠 道 不 同， ຫໍສະໝຸດ 在 无 锡 的两 家 大型 集 成
光栅衍射实验报告建议(3篇)
第1篇一、实验名称光栅衍射实验二、实验目的1. 理解光栅衍射的基本原理，包括光栅方程及其应用。
2. 掌握分光计的使用方法，包括调整和使用技巧。
3. 学习如何通过实验测定光栅常数和光波波长。
4. 加深对光栅光谱特点的理解，包括色散率、光谱级数和衍射角之间的关系。
三、实验原理光栅是由大量平行、等宽、等间距的狭缝（或刻痕）组成的光学元件。
当单色光垂直照射到光栅上时，各狭缝的光波会发生衍射，并在光栅后方的屏幕上形成一系列明暗相间的衍射条纹。
这些条纹的形成是由于光波之间的干涉作用。
根据光栅方程，可以计算出光栅常数和光波波长。
四、实验仪器1. 分光计2. 平面透射光栅3. 低压汞灯（连镇流器）4. 光栅常数测量装置5. 光栅波长测量装置五、实验步骤1. 准备工作：检查实验仪器是否完好，了解各仪器的使用方法和注意事项。
2. 调节分光计：根据实验要求，调整分光计，使其达到最佳状态。
3. 放置光栅：将光栅放置在分光计的载物台上，确保其垂直于入射光束。
4. 调节光源：调整低压汞灯的位置，使其发出的光束垂直照射到光栅上。
5. 观察衍射条纹：通过分光计的望远镜观察光栅后的衍射条纹。
6. 测量衍射角：使用光栅常数测量装置，测量衍射条纹的角宽度。
7. 计算光栅常数和光波波长：根据光栅方程，计算光栅常数和光波波长。
8. 重复实验：重复上述步骤，至少进行三次实验，以确保实验结果的准确性。
六、实验数据记录1. 光栅常数（d）：单位为纳米（nm）。
2. 光波波长（λ）：单位为纳米（nm）。
3. 衍射角（θ）：单位为度（°）。
七、实验结果与分析1. 计算光栅常数和光波波长：根据实验数据，计算光栅常数和光波波长。
2. 分析实验结果：比较实验结果与理论值，分析误差产生的原因，如仪器误差、操作误差等。
3. 讨论实验现象：讨论光栅衍射条纹的特点，如条纹间距、亮度等。
八、实验结论1. 通过实验，验证了光栅衍射的基本原理。
2. 掌握了分光计的使用方法，提高了实验操作技能。
光纤光栅传感器的应用研究及进展
光纤光栅传感器的应用研究及进展光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor，FBG Sensor）是一种基于光纤光栅的传感器技术，具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强等优点，在工业、医疗、环境监测等领域有着广泛的应用。
本文将从光纤光栅传感器的基本原理、应用领域和近年来的研究进展三个方面进行探讨。
光纤光栅传感器的基本原理是利用了光纤中的光栅结构对光波的折射率和光纤长度进行测量。
光纤光栅是一种周期性调制的折射率分布结构，当光波通过光纤光栅时，会发生布拉格散射，这种散射会使一部分光波反向传播并被光纤光栅再次散射回来，形成布拉格反射。
当光纤光栅受到外界的力、温度、应变等影响时，其折射率和长度会发生变化，从而导致布拉格反射波长的改变。
通过测量布拉格反射波长的变化，可以得到外界的参数信息。
光纤光栅传感器可以应用于多个领域。
在工业领域，光纤光栅传感器可以实现对物体的形变、压力、温度等参数的测量。
例如，在航空航天领域，光纤光栅传感器可以用于飞机机翼的变形监测；在石油化工领域，光纤光栅传感器可以用于管道压力和温度的监测。
在医疗领域，光纤光栅传感器可以应用于心脏瓣膜的监测和血压的测量。
在环境监测领域，光纤光栅传感器可以用于地下水位、土壤湿度等的监测。
近年来，光纤光栅传感器的研究取得了一系列的进展。
一方面，光纤光栅传感器的灵敏度和分辨率得到了提高。
通过改变光纤光栅的结构和优化信号处理算法，可以提高传感器的灵敏度。
另一方面，光纤光栅传感器的应用领域得到了拓展。
传统的光纤光栅传感器主要应用于单一参数的测量，如温度、压力等，而现在的研究主要关注多参数的测量。
例如，通过改变光纤光栅的布局和优化信号处理算法，可以实现对多种参数的同时测量。
此外，光纤光栅传感器还面临一些挑战和问题。
一方面，光纤光栅传感器的制备和安装需要专业的技术和设备，成本较高。
另一方面，光纤光栅传感器的应用受到光纤光栅的长度限制，难以实现对大范围区域的监测。
光栅参数测量技术研究进展
第 ２期
中 国光 学
Ｃｈ ｎ ｓ ｔｃ ｉ ｅ ｅ Ｏｐ ｉｓ
Ｖｏ ． Ｎｏ ２ １４ ． Ａｐ ． ｒ ２０１ １
２ １ 年 ４月 ０１
文章编号
１７ －９ ５ ２ １ ） ２０ ０ ４８ ６ ４２ 数 测 量 技 术 研 究 进 展
刘洪兴 ， 巍 巩 岩 张 ，
（． １ 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 １０３ ； ３０３ ２ 中国科学院 研究：院， ． 生 北京 １０３ ） ０ ０９
摘 要 ： 栅 参 数 测 量 技 术 是 衡 量 光 栅 制 作 水 平 的重 要 标 准 。本 文 从 直 接 测 量 法 和 间 接 测 量 法 两 个 角 度 对 现 阶 段 较 成 熟 光 的光 栅 参 数 测 量 技 术 进 行 了研 究 。重 点 介 绍 了原 子 力 显 微 镜 （ Ｆ 测 量 法 、 描 电 子 显 微 镜 （ Ｅ 测 量 法 、 光 衍 射 Ａ Ｍ） 扫 Ｓ Ｍ） 激
（ Ｄ） Ｌ 测量 法以及散射测量术 的测量原 理和研 究进展 ， 出了 这些 方法各 自的优缺点 和适用 范围。Ａ Ｍ测量 法和 Ｓ Ｍ 指 Ｆ Ｅ
测 量 法 均 可 测 得 光 栅 的局 部 形 貌 信 息 ， 用 于检 测 光 栅 表 面 形 貌 缺 陷 ； Ｄ测 量 法 和 散 射 测 量 术 反 映 的是 激 光 照 射 区 域 可 Ｌ 的平 均 结 果 ， 中 Ｌ 其 Ｄ测 量法 能得 到光 栅 周 期 参 数 ， 椭 偏 测 量 术 能 得 到光 栅 周 期 以外 的其 他 形 貌 参 数 。这 些 方 法 测 得 而 的光 栅 参 数 结 果 比较 吻 合 ， 中 Ｌ 其 Ｄ测 量 法 不 确定 度 最 小 ， Ｆ 次 之 ，Ｅ 最 大 。 文 章 最 后 对 未 来 光 栅 参 数 测 量 技 术 的 Ａ’ Ｍ ＳＭ
精密光栅的制备与测量技术
精密光栅的制备与测量技术精密光栅是一种应用于科学研究和工业应用中的重要器件。
它具有独特的结构和性能，能够用于精确测量、信息存储和光学通讯等领域。
在本文中，我们将探讨精密光栅的制备与测量技术，并介绍其在实际应用中的重要性。
一、精密光栅的制备技术精密光栅的制备涉及到复杂的工艺流程和高精度的设备。
其中最常用的制备技术是光刻法。
光刻法是在光敏胶层上照射光线，通过化学腐蚀、蚀刻等步骤来形成光栅结构。
这个过程需要使用到显微镜、激光器、光刻机等设备。
在制备过程中，首先要设计并制作好光栅的图案。
这需要绘制一个高精度的掩模，通常使用电子束光刻机来完成。
电子束光刻机具有高分辨率和精度，能够将设计的图案准确地转移到光敏胶层上。
接下来是光敏胶层的涂布和显影步骤。
光敏胶层是一种特殊的光敏材料，可以通过光线的照射进行化学反应。
当光线通过掩模透射到光敏胶层时，光敏胶层的化学结构会发生变化，从而形成光栅结构。
然后是蚀刻步骤。
在光敏胶层显影之后，会形成一个光栅图案。
接下来，需要使用化学蚀刻或物理蚀刻技术，将不需要的光敏胶层去除，从而形成最终的光栅结构。
这个过程需要使用到特殊的蚀刻液和设备，如离子束蚀刻机。
二、精密光栅的测量技术精密光栅的制备工艺决定了其结构的精度，而测量技术则保证了光栅的性能和质量。
光栅的测量主要包括两个方面：空间分辨率和频率精度。
在空间分辨率测量中，我们通常使用显微镜、扫描电子显微镜等设备，观察光栅表面的细节。
这可以帮助我们了解光栅的结构是否一致、是否存在缺陷等。
此外，我们还可以使用探针显微镜和原子力显微镜等设备，直接测量光栅结构的高度差异。
频率精度是另一个重要的测量指标。
光栅的频率精度决定了其在光学测量中的可靠性和准确性。
为了测量光栅的频率精度，我们通常使用干涉技术。
干涉技术通过比较光栅的实际频率与标准频率之间的差异，来评估光栅的质量。
这种测量通常使用干涉仪、激光器等设备进行。
三、精密光栅的应用精密光栅在科学研究和工业领域中具有广泛的应用。
光栅尺纳米测量技术研究及其发展
１９ 年 ， ｏｏｚ ０ 栅 距 ｌｍ的正 弦 式 表 面 起 伏 光 ９ ４ Ｄ ｂｓ￥ 用 ｕ 栅 ， 计 了一个 非线性 度５ｎ 设 ０ｍ的光 学尺。 由于其光栅 节距 沿着 圆柱 面对个 别 入射 光束 而言 不等 间距 ，将 造 成相 差 问题 ， 系统 测量局 限在极小 的范 围内。 且 １９ 年 ， 国Ｉ Ｍ公 司Ｃ ｉｎ － ｅ 首次 将相 差补偿 应 ９５ 美 Ｂ ｈａｇ￣Ｌ ｅ 用在 光 学尺 ， 它利 用双 单倍 率望 远镜 重建 光学 架 构 ， 得 使 产 生 的衍 射输 出光 回复 至 与原 来入 射 光具 有 同样特 性 的 平 面波 前 ，可提 高 系统 光学读 数 头 与光 栅尺 之 间的对 位
代 ， 相 当长 时间里 ， 在 仅仅 被 天文学 家和 物理 学家作 为衍 射元 件应 用于 光谱 分析 和光 波波长 的测 定 ，最 开始 是基 于 双光 栅 的莫 尔条 纹（ ｉ ｉｇ ｓ技术 ， 栅 距在 ２ ｕ Ｍｏｒ ｆ ｎ ｅ） ｅｒ 其 ０ｒ ｎ 左右 ， 精度 一 般 为几 个微 米 ， 但是 随着制 造 技 术 的进 步 。 现在 的光栅 栅 距可 以达 到０ ｕ ，分辨 力达 到ｌｍ ．ｒ ８ｎ ｎ ，在 生 产、 制造 业 的发 展 中扮 演 了重要角 色。 米级 的光栅 测量 纳
抗机 械偏 摆 的旋 转 式光 学尺 。 他们使 用 特 殊棱 镜 做 为偏 振 分光及 全反 射 的组件 ， 并采 用 两对 对称 排列 棱镜 组 ， 使 得 入射 光栅上 的对 称点具 有成 像作 用 ，可避 免 因光学 组 件 或机构偏 摆造 成信号 的瞬 间消失 。
纳米测量精度光栅传感器研究综述
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生 衍射 光束 ， 图中只显 示 ±１级衍射 光 Ｂ和 Ｂ 。 （） ２ Ｂ和 Ｂ 两 束 衍 射 光 与 角锥 棱 镜 ， 尺 光栅 采 标
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栅， 然后 反射 后 的第 １级衍 射 光 进 入 角 锥棱 镜 。光 束 Ｂ和 Ｂ 的第 １ 级衍 射光 分别 为 ｃ、 ｃ。
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纳米光栅制作技术的最新进展-最新文档资料
纳米光栅制作技术的最新进展-最新文档资料纳米光栅制作技术的最新进展1 引言光栅是一种精密光学仪器的核心器件，通常，由大量等宽等间距的平行狭缝组成。
最初，光栅被用来实现复色光的空间分离，发展至今已有两百多年的历史。
21世纪以来，光栅的作用不再局限于光谱学领域，天文学、量子光学、集成光学、光通讯等诸多领域都需要光栅的参与。
本文首先简要介绍了纳米光栅制作的传统方法，然后讨论基于薄膜应力自组装制作纳米光栅的方法，期望引起国内科技工作者的关注，并得到进一步的研究与推广。
2 纳米光栅的传统制备方法2.1 机械刻划机械刻划是用来制作母光栅的传统加工方法，即使用符合精度要求的金刚石刻刀刻划金属膜。
利用刻划原理制备纳米光栅，可以在扫描探针纳米加工技术的基础上，使用原子力显微镜硅制探针在接触模式下对材料进行刻划[1]。
使用刻划法制作纳米光栅需要高精度的设备和环境，尤其需要稳定的供电，以及对室内温度、湿度的精确控制。
2.2 全息光刻全息光刻制备纳米光栅：首先将处理好的光学玻璃或熔石英等基底涂上一定厚度的光刻胶，烘干后放入干涉光学系统，通过两束准直激光干涉曝光并记录下干涉条纹，最后放入显影液中显影就可以获得图形。
2.3 飞秒激光直写飞秒激光直写加工是将飞秒激光聚焦到透明材料的内部，与电子相互作用产生非线性效应，诱发材料局部光学性质改变，通过控制激光与材料样品的相对移动得到不同量级的结构。
采用飞秒光源经过显微镜聚焦后逐点刻写光栅，可以通过精密移动平台的传动速度来调节光栅周期，具有较高的灵活性。
但是飞秒激光直接制备光栅需要复杂的光学系统将激光精确地聚集到一点，得到精确的光栅周期对控制平台移动的步电进机和传动装置也有很高的精度要求。
此外，因为聚焦的点有一定的面积，所以在制作周期较小的光栅时，可能会出现相邻两个折射率区域重叠的情况，影响成栅的质量。
3 薄膜应力自组装制作纳米光栅我们利用弹性基底上硬质薄膜在应力作用下的自组装特性，即自发产生周期分布的表面褶皱来制备纳米级光栅：在预拉伸的PDMS基底上利用磁控溅射技术沉积金属薄膜，薄膜沉积后释放预应变就会得到垂直预应力方向的周期性表面结构，该结构即为一维纳米光栅。
光栅位置检测系统及原理
光栅位置检测系统及原理光栅位置检测系统是一种高精度的测量系统，被广泛应用于各种工业和科学领域，如光学，精密测量，纳米技术，电子工程等。
该系统的核心原理是利用光栅的周期性结构来测量位移。
下面将详细介绍光栅位置检测系统的基本组成、工作原理以及其应用。
一、光栅位置检测系统的基本组成光栅位置检测系统主要由光源、光栅、指示光栅（或称为读数头）、光电检测器和数据处理单元组成。
1.光源：提供光能，为整个系统提供原始动力。
常用的光源有可见光LED、激光等。
2.光栅：一种具有周期性刻线的透明或金属薄片，可以将入射光分成多个子束。
当光栅移动时，子束的数目和位置会发生变化，从而产生相位差。
3.指示光栅：与光栅配合使用，其作用是增加系统的精度和稳定性。
4.光电检测器：将光信号转换为电信号的组件，通常使用的是光电二极管或光电倍增管。
5.数据处理单元：对光电检测器产生的电信号进行处理，计算出光栅的位移量。
二、光栅位置检测系统的工作原理光栅位置检测系统的工作原理可以简述为“莫尔条纹”原理。
当光栅和指示光栅相对移动时，它们之间的光线相交会产生明暗交替的莫尔条纹。
这些条纹的移动与两个光栅的相对位移有关，通过测量莫尔条纹的数量，就能知道光栅的位移量。
具体来说，当光源发出的光照射到光栅上时，光栅的刻线会将光线分成多个子束。
这些子束在指示光栅上产生明暗交替的莫尔条纹。
当两个光栅相对移动时，莫尔条纹也会随之移动。
这个移动可以被光电检测器检测到并转化为电信号。
三、应用1.测量和控制系统：在自动化生产线上，需要对物体的位置、速度等进行精确控制。
光栅位置检测系统能够提供高精度的位置信息，为控制系统提供反馈信号，从而实现精确控制。
2.光学仪器：在望远镜、显微镜等光学仪器中，需要精确测量物体的位置和移动。
光栅位置检测系统能够提供高精度、高稳定性的位置信息，提高光学仪器的测量精度。
3.纳米技术：在纳米技术领域，需要对物体的尺寸、形状等进行精确控制。
衍射光栅测实验报告
衍射光栅测实验报告一、实验目的通过光栅的衍射现象，了解衍射光栅的特性，研究光栅的参数对衍射图样的影响，掌握使用光栅测量波长的方法。
二、实验仪器与材料1. 光源2. 准直镜3. 光栅4. 望远镜5. 显微目镜6. 牛顿环测量装置7. 直尺8. 毫米纸三、实验原理光栅是一种用于分光和测量波长的光学元件。
当入射平行光通过光栅后，会产生衍射现象，形成一系列的衍射条纹。
这些衍射条纹可以利用光栅的几何参数和洛必达衍射公式进行测量、计算和分析。
光栅的主要参数有光栅常数、条纹间距和衍射角。
光栅常数是指单位长度内的凹槽或凸条纹的数目，常用单位是每毫米的条纹数。
条纹间距是指两个相邻的主极大之间的距离，通常用微米或纳米表示。
衍射角是指入射光与出射光的夹角，可以通过使用光栅的方程计算得到。
四、实验步骤1. 将光源置于实验台上，用准直镜调整光源角度和方向，使得光线能够平行地照射到光栅上。
2. 将光栅放置在光源后面，用望远镜观察到的衍射图样。
调整望远镜的焦距，使得夹持光栅的两个夹具的像正好位于望远镜的焦平面上。
调整望远镜的位置和角度，观察衍射图样的变化。
3. 使用直尺测量光栅的光栅常数，并记录下来。
4. 测量几组主极大的位置和角度。
通过使用洛必达衍射公式，计算出波长的估计值，并记录下来。
5. 利用牛顿环测量装置，对光栅的条纹间距进行测量和记录。
6. 将测得的结果进行比较和分析。
五、实验结果及分析根据实验步骤测得的数据，我们可以得到几组主极大的位置和角度，并根据洛必达衍射公式计算得到波长的估计值。
比较测得的波长估计值和实际波长值，可以验证实验的准确性。
通过对光栅的条纹间距进行测量，可以得到光栅常数与条纹间距之间的关系。
利用光栅常数和条纹间距的关系，可以进一步测量光栅的条纹间距。
六、实验结论本实验通过测量光栅的衍射图样和使用洛必达衍射公式，成功地测量了光栅的条纹间距和波长。
通过比较实验测量值和理论值，验证了光栅衍射实验的准确性。
一种小型化纳米级单光栅位移测量系统的研制
ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｗｉ ｔ ｈ ｎａ ｎ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ
Ｙａ ｎ ｇ Ｄｏ ｎ ｇ ｘ ｉ ｎ ｇ ，Ｙａ ｎ Ｓ ｈ ｕ ｈ ｕ ａ ，Ｄ ｕ Ｌｉ ｅ ｂ ｏ，Ｗ ａ ｎ ｇ Ｇｕｏ ｃ ｈ ａ ｏ，Ｌｉ ｎ Ｃｕ ｎ ｂ ａ ｏ，Ｚｏ ｕ Ｐ ｅ ｎ ｇ ｆ ｅ ｉ
也 能 实现 准确 测 量 ， 且 理论 上 系统的 位 移测 量 分辨 率 达到 ｌ ａ ｍ； 在 电容位 移 传 感 器 的量 程 范 围 内进
行 小位 移对 比试验 ， 系统 测量 均值 与参 考值 最 大偏 差 １ １ ８ｎ ｍ， 且与 拟合 直 线偏 差 均 小于 １ ０ ０ ａ ｍ； 当光
杨 东兴 ， 颜 树华 ， 杜 列波 ， 王 国超 ， 林存 宝 ， 邹 鹏 飞
（ 国 防科 学技 术 大学 机 电工 程与 自动 化 学院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ７ ３ ）
摘 要 ：随着 纳米技 术 的广泛 应 用以及人 们 对纳 米位 移测 量认 识 的不 断 深化 ，光栅 位 移 测量技 术 正
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ａｓ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｎ ａ ｎ ｏ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｅ ｐ ｅ ｎ ｅ ｄ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｎ ｎｏ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ，ｔ ｈｅ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｉｎ ｒ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｗｉ ｔ ｈ ｎａ ｎ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｌ ｕ ｉｏ ｔ ｎ ｗｅ ｒ ｅ ｐ ａ ｉ ｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｓ ｉ ｖ ｅ ｌ ｙ ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ． Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｐ ｉｎ ｒ ｃ ｉ ｐ ｌ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｌ ｅ ｘ— ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ，ａ
光栅纳米测量的研究与进展
摘要 ： 概括分析 了光栅 纳米测量 中双光栅测量 系统 、 炫耀光栅测 量 系统、 于误差修正技 术的 纳米光栅 测量 系统 的测 基 量原理及其 关键技 术 ， 重点讨论 了基于二次莫 尔条纹原理 的纳米光栅 测量 系统的测量原理 在对上述各测 量 系统分析研 究的基础上 ， 出光栅纳 米测量进 一步研究的关键在 于： 究基 于新型测 量原理 的光栅 纳米测量 系统 研 制 光栅 纳 米 测 量 指 研
标
ｆ ＝ ０
Ｊ 和长边的法线 的夹角 ， ７ 、 ｒ 这些 角度之间有如下的关系式 ：
ａ＝ ０ 一 ｉ
圈 ２ 双光栅 系统原理 圈
８ ｋ ｂ ：８ 一８
Ｎ＇
（） １光源发射 出的光束 Ａ透射过参考光栅 以后产 生衍射光 束 ， ２中只显示 －１ 图 Ｉ 级衍射光 曰和 。 － （） ２ Ｂ和 两 束 衍射 光与 角锥 棱镜 ， 标尺 光栅 采 用 Ｌ ｔｗ ｉｒ ｔｏ
Ⅳ
ｌ、
圈 ３ 锯齿形炫■光栅翻面 圈
维普资讯
Ｉ ｓ ｕ ｎ ｅ ｈ ｉ ｕ ｎ ｅ ｓｒ ｎ ｔ ｍｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｒ Ｔ
Ａｐ ２ Ｏ ｒ Ｏ６
．
图 ４是一种炫耀光栅测量 机构 的原 理图 ， 此机 构 由指 示光
（） 、 ３ Ｃ Ｃ 的反射光 Ｄ、 从 角锥棱 镜出射 ， 并且再 次入 射标 尺光栅 ， 此时与原反射 光 Ｃ Ｃ 发 生 了平行 于光栅 刻槽 的侧 向 、
位 移。
（ ） Ｄ 的第 １ ４ Ｄ、 级衍射光 Ｅ、 重新入射参考光栅 ， 别产 分 生 出射 序列 ， 是对称 的 精 密机 械 调 整机 构 、 电 信 号 处 理 和 细 分 技 术 、 差 分 离和 修 正 技 术等 。 光 误 关键词 ： 光栅 纳 米 测 量 ； 光栅 测 量 系统 ； 耀 光 栅 ； 差修 正技 术 ； 次莫 尔条 纹 双 炫 误 二
衍射光栅的发展趋势
衍射光栅的发展趋势衍射光栅是一种利用光的干涉和衍射现象来分光和测量波长的光学仪器。
近年来，随着科技的快速发展，衍射光栅也在不断地发展和改进。
以下是衍射光栅发展的主要趋势：1. 高分辨率：衍射光栅的分辨率很大程度上决定了它的性能。
传统的光栅具有有限的分辨率，无法满足一些高精度测量的需求。
因此，研究人员正在不断寻找新的材料和设计方法，以提高光栅的分辨率。
例如，纳米光栅和超表面光栅等新型光栅结构的出现，使得分辨率得到了显著提高。
此外，利用计算机辅助设计和先进的制造技术，也能实现更高的分辨率。
2. 宽波长范围：传统的光栅往往只适用于特定波长范围的光。
然而，很多应用需要测量多个波长范围的光。
因此，发展具有宽波长范围的光栅是一种重要趋势。
目前，传统的光栅结构存在波长选择性的问题，而多层光栅和光纤光栅等新型结构则可以实现较大的波长范围。
3. 远距离测量：衍射光栅还可以用于距离测量。
在一些工业、测绘和机器人应用中，需要精确测量物体与仪器之间的距离。
传统测距方法往往受到环境条件和测量受限的限制。
而利用衍射光栅的测距技术可以实现高精度和远距离的测量。
因此，在未来的发展中，衍射光栅在测距领域的应用将会得到进一步的突破。
4. 更小尺寸和集成化：随着科技的进步，新型的光栅将更加小型化和集成化，以适应微型光学系统和片上集成器件的需求。
目前，许多研究机构和企业正在利用纳米压印技术、激光雕刻等先进技术制备微型衍射光栅。
这些微型光栅不仅具有很小的尺寸，而且具有较高的性能和稳定性。
5. 其他应用：除了分光和测距以外，衍射光栅还有很多其他应用领域。
例如，光通信、光存储、光谱分析、生物传感等。
在这些应用领域，随着新材料和新结构的出现，衍射光栅将能够发挥更大的作用。
总的来说，衍射光栅的发展趋势是高分辨率、宽波长范围、远距离测量、更小尺寸和集成化以及拓展其他应用领域。
这些趋势的出现将会推动衍射光栅在科学研究、工业应用和日常生活中的广泛应用。
!光栅尺纳米测量技术研究及其发展
（ ４） 由于 实 时 测 量 ， 莫 尔 条 纹 计 数 系 统 计 算 量 较 大 ， 所以测量速度还有待提高， 这可以通过采用高性能处理 器和优化软件结构来实现。
（ ５） 建立 相 应 的 纳 米 测 量 环 境 也 是 实 现 纳 米 测 量 需 要解决的问题， 并且在不同的测量方法中需要的纳米测 量环境也是不同的， 目前应该建立一个合适的纳米测量 环境。
纳米技术在测量科学中的研究现状与发展趋势
纳米技术在测量科学中的研究现状与发展趋势第1章纳米测量技术及仪器研究现状及发展趋势纳米（nm）是一种长度单位，是十亿分之一（10-9）米。
纳米技术是研究在十亿分之一到千万分之一米内，原子、分子或成千个原子和分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于宏观物质的性质。
随着科学的发展,为在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表征手段，即纳米测量。
纳米测量是对在分子和原子尺度上的产品涉及的各种参数进行检测,如长度、力学量、电学量等等，并且描绘其微观形貌特征。
1.1纳米测量技术纳米测量技术包括:纳米级精度的尺寸和位移的测量,纳米级表面形貌的测量，它是对新型纳米材料及其新的物理效应的利用。
随着科技的发展，纳米测量同时可以与国际互联网联通,通过互联网可进行远程操作，实时监测、校准和维修。
目前，纳米测量技术的种类主要有以下几种：扫描探针显微技术、光外差干涉技术，X射线干涉显微技术和基于F-D标准器具的测微技术等等。
但总的来说分为两大类: 光学方法和非光学方法。
光学方法研究领域中主要包括: 频率跟踪方法（F-P干涉仪）、共光路外差激光干涉仪法、Ｘ光干涉仪法、调频干涉仪、偏振干涉仪和光学光栅等方法。
光外差干涉显微技术是传统的纳米测量方法,分辨率达到或超过纳米级。
外差干涉仪，以两个频率的光波作为干涉仪的光源，频差在几兆到几千兆赫兹之间。
两个频率的光波可以由双波长激光器得到,也可以利用声光、电光调制器等移动激光器的输出光频来实现。
非光学方法主要以扫描探针显微镜SPM（scanning probemicroscope,简称SPM）法为主。
其典型仪器是扫描隧道显微镜和原子力显微镜，扫描探针显微测量技术主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。
它的原理是通过检测一个非常微小的探针与样品表面的各种相互作用，对被测表面进行扫描, 从而确定该表面的三维微观立体形貌。
论纳米光栅测量技术
第2卷第1期2004年3月纳米技术与精密工程Nanotechnology and Precision EngineeringVol.2N o.1M ar.2004论纳米光栅测量技术y邹自强(标普纳米测控技术股份有限公司,BIU PE,北京100083)摘要:作者及其同事们经过20多年努力将计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级,并进行了大面积推广应用,形成了一整套纳米光栅测量技术,该文为对这套技术的综合论述.首先回顾了刻线技术的发展历史,指出中国古代曾作出杰出贡献.归纳了发展计量光栅技术的5个阶段和4项内容.给出纳米光栅的定义和两个特点,并通过作者和同事们的光栅制造过程说明,纳米光栅实质上是一种刻录、固化到光栅基体上的光波波长.它为纳米测量领域提供了一种新途径、新方法,与激光干涉仪等现有纳米测量方法相比,具有自己独特的优点.文中讨论了纳米光栅的读取技术与信号处理技术,提出了纳米光栅细分误差的错位测量法.还讨论了与纳米光栅相关的纳米机械,介绍了作者和同事们的科研成果,圆柱、导轨等的机械精度已经进入了纳米量级.最后讨论了纳米光栅与激光干涉仪以及高等级量块的比对结果.关键词:纳米计量光栅;纳米测量;莫尔条纹;细分误差;纳米机械中图分类号:TH741.6;T P212.14文献标识码:A文章编号:1672-6030(2004)01-0008-08Nano-Gratings Measurement TechnologyZOU Z-i qiang(Beijing Institute of U ltra-Precision Engineer ing,BIU PE Co.,L td,Beijing100083,China)Abstract:Met rological grat ings technology has been enhanced to t he level of nanomet er and subnanomet er by the author and his collegues during t he past two decades.This set of technology is discussed synt hetic ally.T he paper sums up t he five stages and four contents that we have worked on t he field of met rological grat ings near a half of century.T he definition and distinguishing features of nano-grat ings have been given.Nano-grat ings is essent ially a kind of optical wave-length engraved and solidified t o grating-base,and it provides a new way and method for nanometer measurement.T o compare wit h laser int erferomet er,it has several strong points,such as,not sensitive t o air refractive index,and therefore,not sensit ive to atmosphere pressure and air humidit y, as w ell as some compensation function to t e mperature change.T he paper discusses reading and signa-l processing of nano-gratings and advances the dislocat ion-met hod for measure ment of interpolation error on the level of nanomet er.Some precision mechanisms have been raised to t he level of nanometer.Finally,results to c ompare with laser interferometer and gauge-bloc ks have been given.Keywords:nano metrological grating;nanometer measurement;moir fringe;interpolat ion error;nanomet er machinery1发展历史计量光栅即在玻璃、金属等基体上刻有密集规则线条的计量元件.它和光谱光栅、全息光栅等其他种类光栅在工作原理、特征参数、制造方法等方面都有较大区别.计量光栅按刻线分布可分为长光栅、圆光栅、网状光栅、圆环光栅等,按光路布置可分为反射光栅和透射光栅,按波动光学可分为相位光栅和振幅光栅(黑白光栅).计量光栅是人类刻线技术发展的自然产物,而刻线技术与人类度量衡的发展密切相关.据笔者研究,中y收稿日期:2003-12-05.作者简介:邹自强,教授,博士生导师,中国仪器仪表学会视听工程学会名誉理事长.E-mail:ziqiang-zou@.联系地址:北京德外北沙滩一号.国古代曾作出杰出贡献.早在公元前2000年远古皇帝时代中国就已制出了骨尺和玉尺,将刻线刻在骨头或玉石的基体上;到了公元前500年战国初期,中国已将刻线刻在铜制的基体上(铜尺),细到每寸刻10条线,刻线精度达到/不差累黍0;公元前488年,鲁班在硬木基体上刻成了精细的线条(木尺);公元9年西汉时期的新莽铜尺一寸刻10条线,刻线十分精细,可以配上一个滑动的游尺进行/细分读数0,和近代的游标卡尺十分相似;元朝郭守敬在著名的简仪上,将圆周刻线刻到每度10条线;清朝康熙十三年制造的地平经仪虽然每度也刻10条线,但刻线更细更精,附加斜方向的交叉细线,测量读数就可/细分0到10角秒;清朝乾隆九年的刻线技术有了更大的提高,能制造出畿衡抚辰仪等精密测量仪器,并且出版了专著论述刻线技术及相关仪器技术,乾隆皇帝亲自作序.但是到了近代,随着光学仪器、集成电路等领域的兴起,西方的刻线技术迅猛发展,中国远远地落后了.笔者及其同事们在近半个世纪的时间内一直致力于刻线技术的研究[1,2,4,5,20,23],其中计量光栅技术是研究重点.我们以光栅莫尔条纹技术(光学读数数字化和光电自动编码)为主要内容组织专门机构坚持了长期研究,经历了5个阶段:专门的研究小组(1958年底);专门的研究室(1962年,专职员工50余名);专门的研究中队(1969年,专职员工130余名);专门的研究所(1989年,BIUPE );专门的科研生产联合基地(2000年,BIU PE Co.,Ltd).近二十几年笔者和同事们努力将计量光栅技术提高到纳米量级和亚纳米量级,形成了一整套纳米光栅测量技术,并以这套技术为依托在北京郊区建立了基地进行推广应用.这套纳米光栅测量技术可以归纳为4个方面内容,即:纳米光栅制造技术;纳米光栅读取技术;纳米光栅信号处理技术;相关纳米机械.2 纳米光栅将刻线精度达到纳米量级的计量光栅称为纳米计量光栅,简称纳米光栅.与传统计量光栅相比,其具有两个重要的特点,即:超精,刻线位置误差达到纳米量级;超细,刻线的宽度达到亚微米量级.超精和超细是纳米光栅相辅相成的两个特征方面,互相依存,缺一不可:/超细0而不/超精0,则失去使用意义;/超精0而不/超细0,则失去使用可能.制造纳米计量光栅需用专门的刻划机.笔者和同事们在近半个世纪时间里先后研制了二十几台各种长、圆光栅刻划机及其配套的检验仪器.长光栅在300mm 长度上刻线密度可以达到1000线/mm,或2000线/mm.圆光栅在1m 展开长度上最大刻线误差不大于?0.08L m [6~10],而纳米光栅刻划机的制造难度更远远超出其他各种光栅刻划机.1983年国际计量大会通过决议,用真空中的光速来定义米.为了复现这种米定义,我国法定的国家长度基准是碘稳频633纳米氦氖激光器.纳米光栅作为一种长度计量元件必须最终溯源到国家的长度基准上,为此,笔者和同事们使用了质量较高的兰姆凹陷激光器作为工作基准来制造纳米光栅.其中最大的难点在于怎样尽可能正确地把光波波长复映到纳米光栅上去,这涉及到许多复杂的影响因素.图1所示为纳米光栅光刻机的工作原理,光栅毛坯镀有金属膜层和超微粒感光膜层,依靠工作台作直线移动.激光干涉系统通过计算机控制光刻系统在感光膜层上曝光,经过显影和刻蚀形成光栅线条.光、机、电等各种误差因素以及温度、振动等环境因素必须进行深入研究并逐一设法控制,任何一点微小的疏漏都将导致前功尽弃.纳米光栅的制造依赖于经验积累,并且要使激光干涉仪工作在真空状态下.对于优良的激光干涉仪,光波波长的不确定度在空气中约为?1@10-12,而在真空中约为?0.1@10-12.图1 纳米光栅光刻机工作原理由于纳米光栅刻线精度很高,加上从纳米光栅上读取位置信息时都是采用大面积平均的方法,取出的是数千条线的位置平均值,所以误差曲线十分平滑,测量系统可以达到很高精度.根据实测,在数毫米长度上,刻线误差可以达到?(2~20)nm;在数十毫米长度上,可达?(20~80)nm;在500m m 长度内,可达?(100~200)nm.实例可参看文献[2]、[4]等.#9# 2004年3月 邹自强:论纳米光栅测量技术笔者认为,纳米光栅实质上是一种刻录、固化到光栅基体上的光波波长.人们利用光波波长进行长度精密测量,过去主要靠激光干涉仪,而现在纳米光栅提供了另一种利用光波波长的方法.与激光干涉仪相比,纳米光栅的优点如下.1)对大气压力、湿度及CO 2含量不敏感,不需要使用空气传感器进行误差补偿.2)对气流扰动不敏感.实验现场人员的走动、机器部件的转动或移动、门窗的开或关以及空调系统的气流扰动等,不会对读数产生干扰(对空气折射率不敏感).3)对温度变化有一定补偿功能.光栅基体可以选用接近被测零件膨胀系数的材料,室温变化引起的误差仅受两者膨胀系数的差值影响.例如,采用纳米光栅做量块检测仪,提高了检测精度却不需要因此提高恒温控制的要求[11,12].4)结构简单紧凑,经济方便.根据经验,当测量范围在数毫米到数百毫米时,使用纳米光栅比较方便、简单和紧凑;当测量范围达到1m 或多光路时,激光干涉仪比较合算.3 读取处理当光栅常数减小时,两光栅的工作间隙急剧减小,以致擦伤光栅,取出的光电信号太弱,信噪比太差,所以纳米光栅不能沿用传统的莫尔条纹读数系统,必须研究新的读取方法.笔者与日本东京大学大园成夫教授等合作,利用激光的相干性在高级次的菲涅耳焦面上获得了良好的莫尔条纹,增加了光栅的工作间隙[13].笔者和同事们发展了多种新的读数系统,在实验中,纳米光栅的莫尔条纹当量已经小于激光干涉仪的干涉条纹当量.纳米光栅的光电信号必须经过适当处理才能得到纳米量级或亚纳米量级的读数,信号的对比度、均匀度、稳定度以及正交度、波纯度等关键参数必须认真控制.目前已有的数十种细分方法大都不适合纳米测量,人们常常遇到的问题是:何种细分方法是适宜的?多大的细分份数是适宜的?笔者认为,为了客观地做出判断,以下两个基本条件必须同时满足.1)细分读数的稳定性,即细分得到的最小读数(LSD)必须是稳定的,如果闪动甚至不停地抖动,则没有实际使用意义.2)细分误差的稳定性,即细分误差的大小及分布必须在空间(在不同光栅长度上)和时间(在不同长短时间内)上都稳定重复.笔者和同事们研究了两种方法.1)比较法.采用不存在周期性细分误差的仪器(如电容测微仪),或虽有细分误差但小到可以忽略的更高档仪器,来作基准进行比较测量[11].2)错位法.用两台存在细分误差的仪器多次错位组合测量,分别求得各自的细分误差.以下对这种方法展开论述.将两台纳米光栅传感器A 和B 安装到同一个支架上(见图2),二者信号周期相同,测量轴线互为延长线,中间夹入一个纳米微动装置.设在一个信号周期内取n 点(例如n =20),传感器A 的细分误差依次为 v A 0,v A 1,v A 2,,,v A 19传感器B 的细分误差依次为 v B 0,v B 1,v B 2,,,v B 19同步移动这两个传感器并读取两者读数的差值D ,于是第1批差值D 1依次为(v A 0-v B 0),(v A 1-v B 1), (v A 2-v B 2),,,(v A 19-v B 19)通过纳米微动机构使两个传感器相对错位T A /20(或T B /20)再读取其读数差,于是这时第2批差值D 2依次为(参看图3)图2 纳米细分误差的错位测量#10#纳 米 技 术 与 精 密 工 程 第2卷 第1期图3两个传感器细分误差的错位叠加过程(v A0-v B19),(v A1-v B0),(v A2-v B1),,,(v A19-v B18)使两个传感器再错位T A/20,再读取其差,于是第3批差值D3依次为(v A0-v B18),(v A1-v B19),(v A2-v B0),,,(v A19-v B17)使两个传感器再继续错位T A/20,再读取其差,于是第4批差值D4依次为(v A0-v B17),(v A1-v B18),(v A2-v B19),,,(v A19-v B16),,继续以上操作直到19次错位,第20次读取其差,于是第20批差值D20依次为(v A0-v B1),(v A1-v B2),(v A2-v B3),,,(v A19-v B0)可见,两个传感器的读数差构成了一个n@n矩阵D1#0D1#1D1#2,D1#19D2#0D2#1D2#2,D2#19D3#0D3#1D3#2,D3#19D4#0D4#1D4#2,D4#19sD20#0D20#1D20#2,D20#19矩阵中各列的代数平均值即为传感器A的细分误差,即v A0=120(D1#0+D2#0+D3#0+,+D20#0)=v A0-120(v B0+v B19+v B18+,+v B1)而细分误差是周期性的,括号内的和等于零.同样有#11#2004年3月邹自强:论纳米光栅测量技术v A1=120(D1#1+D2#1+D3#1+,+D20#1)v A2=120(D1#2+D2#2+D3#2+,+D20#2) ,v A19=120(D1#19+D2#19+D3#19+,+D20#19)这个矩阵各斜对角线的代数平均值即为传感器B的细分误差,即v B0=120(D1#0+D2#1+D3#2+,+D20#19)v B1=120(D1#1+D2#2+D3#3+,+D20#0)v B2=120(D1#2+D2#3+D3#4+,+D20#1),v B19=120(D1#19+D2#0+D3#1+,+D20#18)相对于单次比较测量而言,这种错位法的测量不确定度大约提高了n倍.对于两种不同误差周期的传感器,例如,周期为500nm的纳米光栅测长仪和周期为632.8/2nm的激光干涉仪,可以互为手段测出对方的细分误差.取采样间隔为500nm的整数倍,则可测出激光干涉仪的细分误差;取采样间隔为632.8/2nm的整数倍,则可测出纳米光栅传感器的细分误差.4纳米机械纳米精度的机械零件及机构是纳米光栅在制造、检测和应用等全过程中十分重要的组成环节.近二十几年笔者和同事们在提升精密机械的精度上作了大量研究.4.1纳米圆柱圆柱形零件在精密机械中是最常见的,如主轴、圆棒、基准测棒和基准塞规等,提高它的精度涉及两个方面,即尺寸精度和形状精度.笔者和同事们研制并生产1nm轴径检测仪,为控制尺寸精度到纳米量级提供了有利条件,而控制形状精度特别是圆度则困难很大.笔者长期研究精密轴系的精度问题[15~19],发现轴径形状在磨损或研磨过程中存在以下三种情况.1)轴径尺寸越磨越小,但圆度基本不变.2)轴径尺寸越磨越小,圆度越磨越坏.3)轴径尺寸越磨越小,圆度越磨越好.深入研究这三种情况的产生条件、影响因素和操纵控制方法,获得了极圆的轴径和特别不圆的轴径.相应地,为了确证纳米量级的圆度,必须研究纳米量级的圆度测量方法及仪器.图4为小批量制造的一种纳米圆柱(纳米主轴),直径20mm.图5为纳米圆柱的圆度曲线.这些曲线用多V联系法测量[21],测量装置及其中电容测微仪见图6.图4纳米圆柱图5纳米圆柱的圆度曲线图6多V联系法测量装置为了和国际上通用的圆度测量方法接轨比较,选择了当时国际上最高精度的圆度仪(Tay lor Hobson 73-3P圆度仪).实际上这种纳米圆柱已超出了这种圆度仪的精度,所以不得不动用复杂繁重的全组合测量#12#纳米技术与精密工程第2卷第1期法.图7为原机械部标准化研究所使用他们购进的73-3P 圆度仪,用全组合法对这种纳米圆柱进行实测的结果.共测50次,每次在全圆周上等分取50个测点,每测1次,被测圆柱相对73-3P 圆度仪转动360b /50=7.2b .图7中的每一个点都是50次测量的全组合平均结果,圆度仪的系统误差和随机误差都被大大地削弱了.图7 纳米圆柱的圆度曲线4.2 纳米滚珠笔者和同事们研制了1nm 钢球检测仪,为提高滚珠的精度创造了条件.对滚珠的球度及批直径变动量可以测量到1nm.控制球度是控制圆度的进一步发展和延伸,原理是相似的.4.3 纳米轴系既然主轴的尺寸精度和形状精度都可以测量并控制到纳米量级,加上笔者和同事们研制了纳米量级的孔径测量仪,对孔的尺寸和形状可以精确测量,所以将轴系的精度提高到纳米量级是可以实现的.4.4 纳米导轨精度达到纳米量级的导轨对这套纳米光栅技术十分重要,笔者和同事们已经研制成功数种不同的纳米导轨.图8为在0.1nm 基准测长仪[3]中实际使用的导轨结构.直角形平面平晶用作导向基准,其两侧面的平面度经平面干涉仪检定为1/8光波波长(在300mm 全长上0.08L m),3个光学平面构成一付/平-V 0导轨.仪器的移动工作台放在导轨上方,表面涂有特种涂层与平晶表面贴合,导轨分别浸没在两条油槽内,内装有特种润滑油.对于纳米量级的导向精度,润滑油膜的影响十分严重[17].移动工作台虽经减重设计但其重量仍超过1kg,故采用铝合金空心桶浸没在液体槽内减轻工作台对导轨的接触压力,使得导轨面的接触力极轻,摩擦力极小.导轨机构的综合精度用光电平行光管测量,平面反射镜立在工作台上.图9为4次实测结果.在仪器最大量程110mm 内,最大导向误差为?0.015角秒.图8 一种纳米导轨结构图9 纳米导轨的导向误差5 实验比对5.1 与激光干涉仪比对选择美国HP5529A 和英国Renishow 等激光干涉仪进行比对,图10为实物照片.将HP5529A 架在0.1nm 测长仪的底座上,干涉仪的立体反射镜与工作台相联,两套仪器同步运动,同时读数.图10 与激光干涉仪比对5.1.1 灵敏度与稳定性比对实验中最大的难点在于激光干涉仪对空气的流动十分敏感.当恒温空调系统工作时,室内的空气不#13# 2004年3月 邹自强:论纳米光栅测量技术停地流动,干涉仪的末几位数不停地抖动,连100nm 这一位都稳不下来,并且抖动情况明显地与干涉仪动镜和固定镜距离(两者间包容的空气量)相关,距离越长,抖动就越厉害.将仪器放入图10所示的双层玻璃罩内(实验室3层控温,2层隔振),关闭门窗,隔绝空调气流,抖动情况好转,但1nm 这一位仍稳不下来,必须静等12h 待罩内气流静止后,1nm 这一位才可读清数.遥控微型电机使仪器工作台前进一段距离,停下后,连续读取这两种仪器的读数,每1s 读1次,共读300s,其结果如图11所示.可见,当工作台停止后,从微米量级上来看,它们都已/停止0了;从纳米量级上看,它们都仍在/漂动0,激光干涉仪以1nm 为步距逐渐上台阶,间或仍有上下往返抖动;光栅测长仪以0.1nm 为步距在上台阶,中间没有读数抖动的现象.图11 两种仪器的读数5.1.2 示值误差由于HP5529A 在动态采样读数时分辨率只有10nm,在静态时分辨率才是1nm,因此不得不作静态比较,每10m m 读1次数,求两种仪器的读数差.实测曲线见文献[3].如果以HP5529A 作为基准,则在100mm 量程范围内示值误差约为?21nm,在2m m 的量程内示值误差约为?7nm.5.2 与一等量块比对量块是大量使用的实物基准,将纳米光栅测量仪与高等级量块进行了大量比对,结果证明,纳米光栅可以用来检测普通等级的量块,详见文献[12]和[22].6 结 语1)笔者及其同事们已将计量光栅技术提高到了纳米量级和亚纳米量级,形成了一套纳米光栅测量技术.2)纳米光栅实质上是一种刻录、固化到光栅基体上的光波波长,它为纳米测量领域提供了一种测量的新途径、新方法.与激光干涉仪等现有纳米测量方法相比,纳米光栅结构简单紧凑,读数稳定,方便经济.3)纳米光栅的读取和信号处理需要新的方法,纳米量级细分误差必须仔细测量,不可忽视.文中提出的#14#纳 米 技 术 与 精 密 工 程 第2卷 第1期错位测量法能够明显改善细分误差的测量准确度.4)相关精密机构的精度已经提高到了纳米量级.5)这套纳米光栅测量技术已经大量实际应用.为便于推广,已经实现了仪器化和量具化.参考文献:[1]邹自强.精密刻划与线纹计量的进展[J].光学机械,1982,长春光机所建所三十年纪念论文集:51)54.[2]邹自强.纳米测量技术的最新进展[A].见:第三届全国微.纳米技术学术会议论文集[C].北京:1996,168)172.[3]Zou Z-i qiang,Zou W e-i yu,Hu L-i dong,et al.A new pho to-electronic lengt h measuring instrument w ith0.1nm resolu-tion and110mm range[A].In:Pr oceedings of A SPE1999A nnual M eeting[C].California(U S A):November1999,332)335.[4]Zou Z-i qiang.Nanometer metrology g rating s technolog y andits applications[R].(在美国国家标准计量研究院(N IST)精密工程部所作的专题报告).Gaithersburg:2000.[5]Zou Z-i qiang.Some developments on mo ire fringe techniques[R].(在日本东京大学精密机械系作的专题报告).东京:1986.[6]邹自强.0.2秒圆刻机的基本原理[J].光学机械,1983(2):1)11.[7]Zou Z-i qiang.On mult-i head reading system of r adial grat-ings[A].In:Proceedings of A I M92I nter national Conf er-ence on Measur ement and I nstr umentation[C].Auckland(N ew Zealand):1992,185)191.[8]邹自强,史淑华,相玉生.高精度大光栅盘的研制[J].仪器仪表学报,1983(8):330)332.[9]邹自强,相玉生,孙佩琴,等.162000铬线圆光栅的光电刻划[J].仪器仪表学报,1985(8):133)139.[10]Zou Z-i qiang,Zhu Y ing-shi,Yang Jin-tang,et al.A cal-ibr atio n instrument for high-precision coded discs[A].I n:Symp osium on I nter national Conf erence of M etr ology,N EL EX82[C].Glasgow:1982.[11]邹自强,李明媛,邹光宇.超级千分表的发展[J].计量学报,2004.[12]Zou Z-i qiang,L i M ing-yuan,Zou We-i y u,et al.Rapid cal-ibration of gauge blocks[A].In:Proceedings of I nter nation-al Conf er ence of S tandard L abor ator ies(N CSL I)[C].T oronto:2000.[13]Ozono S,Zou Z-i qiang,Wu Yu-ting.A pplicatio n of laserdiode on metrological gr atings[A].I n:Symp osium of12th IM EK O World Congr ess[C].1991,56)57. [14]邹微宇.光栅纳米测量技术的信号处理[A].见:第三届全国微/纳米技术学术会议论文集[C].北京:1996,202)205.[15]邹自强.精密圆刻机上的几个问题[J].测绘学报,1963(2):44)58.[16]邹自强.一种精密轴系[J].计量学报,1984(7):211)217.[17]邹自强.精密主轴的双周幌动现象[J].计量学报,1982(10):267)279.[18]邹自强,马龙生,梁俊友,等.极圆轴径的测量[A].见:全国精密机械学术会议论文[C].济南:1966.[19]邹自强.不圆度的V形测量法[J],机械工业标准化,1979(3):19)48.[20]李明媛,相进堂.计量光栅的均匀性误差[J].计量技术,1983(3):16)19.[21]Zou Z-i qiang.M ult-i V connection method on r oundnessmeasur ement[A].见:与日本东京大学科技合作五周年纪念会论文[C].1988.[22]邹自强,李明媛,邹光宇.量块快速检测仪的研制[A].见:NCSLI国际计量学术会议[C].U SA:2004年7月. [23]李明媛.计量光栅技术概论[Z].安徽省计量测试学会专业培训班讲义.1988.#15#2004年3月邹自强:论纳米光栅测量技术。
光栅参数测量技术研究进展
光栅参数测量技术研究进展刘洪兴;张巍;巩岩【摘要】光栅参数测量技术是衡量光栅制作水平的重要标准.本文从直接测量法和间接测量法两个角度对现阶段较成熟的光栅参数测量技术进行了研究.重点介绍了原子力显微镜(AFM)测量法、扫描电子显微镜(SEM)测量法、激光衍射(LD)测量法以及散射测量术的测量原理和研究进展,指出了这些方法各自的优缺点和适用范围.AFM 测量法和SEM测量法均可测得光栅的局部形貌信息,可用于检测光栅表面形貌缺陷;LD测量法和散射测量术反映的是激光照射区域的平均结果,其中LD测量法能得到光栅周期参数,而椭偏测量术能得到光栅周期以外的其他形貌参数.这些方法测得的光栅参数结果比较吻合,其中LD测量法不确定度最小,AFM次之,SEM最大.文章最后对未来光栅参数测量技术的发展方向进行了论述.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2011(004)002【总页数】8页(P103-110)【关键词】光栅;光栅参数测量;原子力显微镜;扫描电子显微镜;激光衍射仪;椭偏仪【作者】刘洪兴;张巍;巩岩【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】O436.1与棱镜分光相比，光栅作为分光元件，具有色散本领高、体积小、重量轻的优点，是各种光谱仪器的核心元件，已广泛应用于航天遥感、石油化工、医药卫生、食品、生物、环保等国民经济和科学研究的各个领域中［1］，如VCD、DVD光学头、各种激光器、航空遥感成像光谱仪、天文望远镜、光谱分析仪器、光栅干涉仪以及相位延迟器、各种玻片、光栅偏振器等。
光栅的分类繁多，按照折射率的调制方式可分为浮雕光栅和体积位相全息光栅，浮雕光栅是通过均匀材料的表面轮廓周期性变化调制折射率，而体积位相光栅是靠光栅材料体内折射率周期变化衍射光。
光学光栅研究报告总结
光学光栅研究报告总结
本次光学光栅研究报告的目的是通过实验和分析，研究光学光栅的特性和应用。
研究结果表明光学光栅具有重要的光学特性和广泛的应用前景。
首先，我们对光学光栅的基本原理进行了彻底的研究。
光学光栅是一种具有周期性结构的光学元件，可以将入射光分散成一组有序的光谱线，具有高分辨率和波长选择性。
我们深入研究了光栅的衍射方程、光栅常数和光栅的频谱特性。
通过实验验证了光栅的衍射效应，并且与理论计算结果相吻合，证明了光栅的可靠性和准确性。
其次，我们探讨了光学光栅的应用领域。
光学光栅可以广泛应用于光学信号处理、光纤通信、光谱分析和光学计量等领域。
其中，我们重点关注了光学光栅在光纤通信中的应用，发现光栅可以用作光纤传感器、波分复用器和滤波器等关键元件。
这些应用表明光学光栅在提高光信号处理和传输效率方面具有巨大的潜力。
最后，我们还对光学光栅的制备和优化进行了一定的研究。
通过调整光栅的周期、深度和材料等参数，我们可以优化光栅的性能和效率。
我们使用光刻技术和干涉曝光技术成功制备了光学光栅，并对不同参数下的光栅效果进行了对比。
研究结果表明，在适当的制备条件下，光栅的衍射效果和光学性能会得到明显提升。
综上所述，本次光学光栅研究报告通过实验和分析，全面展示
了光学光栅的特性和应用。
我们的研究结果对于光学光栅的进一步优化和推广具有重要意义，为相关领域的科学研究和技术发展提供了有力的支撑。
机床用光栅测量技术的最新发展
机床用光栅测量技术的最新发展海德汉（天津）光学电子有限公司刘逊随着数控技术在机床制造领域的普及，现代机床在加工速度，加工精度和可靠性方面都有了巨大的进步。
作为数控机床核心技术之一的光栅测量技术对保障现代机床的各项性能指标起着决定性的作用。
清楚了解现代光栅测量技术的发展趋势，正确选择适合自身需求的光栅测量系统对机床设计师和机床用户有着重要的意义。
光源玻璃标聚光扫描掩绝对轨增量轨全闭环控制逐渐成为标准 感光元传感单元阵列由精密丝杠和编码器构成的半闭环控制系统对于机床热变形导致的加工误差无法进行补偿。
在过去的十余年中，采用数学建模预测变形或通过实时测量温度变化来计算变形等尝试在技术上和经济性上都未能取得令人满意的结果。
采用全闭环控制结构的机床，机床传动部件的热变形处于位置控制环之内，误差自动得到补偿。
与半闭环系统不同，全闭环系统的补偿效果几乎不随机床工况，磨损状况及加工程序的不同而发生变化，机床可以长期保持初始加工精度。
这对于机床生产厂家和用户来说，都意味着巨大的经济效益。
绝对式光栅正成为趋势所谓绝对式光栅是相对于增量式光栅而言的，增量式光栅通过对光栅探头扫描过的栅线进行计数来获得相对运动的距离数据。
为了获得绝对位置，增量式光栅在开机后须执行过参考点动作。
感光元件参考点扫描掩膜LED 光源聚光镜玻璃标尺栅距图1 增量式光栅在过参考点之前无法提供绝对位置信息绝对式光栅以不同宽度，不同间距的栅线将绝对位置数据以编码形式直接制作到光栅上，光栅开机后立刻可以提供绝对位置信息，无需执行过参考点动作。
通常绝对式光栅在绝对轨之外还同时配备有增量轨，用以进一步提高光栅的精度与分辨率。
图2 绝对式光栅开机后可立刻提供绝对位置信息近几年以来，尤其是在工业水平较高的国家，绝对式光栅因其不可取代的种种优点，得到了越来越广泛的应用。
优点一：缩减机床非生产时间机床在使用过程中，经常会因故障或其他原因而被迫关机重新启动。
对于仅装备了增量式光栅的机床，开机后必须对每一轴执行过参考点动作。
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基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275047);安徽省重点实验室基金资助项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(2003kj004);安徽大学“211工程”创新团队资助项目收稿日期:2005-06-29 收修改稿日期:2006-01-24光栅纳米测量的研究与进展马修水1,2,费业泰1,陈晓怀1,李桂华1,2,权继平2(1.合肥工业大学仪器仪表学院,安徽合肥 230009;2.安徽大学测量与控制工程系,安徽合肥 230039) 摘要:概括分析了光栅纳米测量中双光栅测量系统、炫耀光栅测量系统、基于误差修正技术的纳米光栅测量系统的测量原理及其关键技术,重点讨论了基于二次莫尔条纹原理的纳米光栅测量系统的测量原理。
在对上述各测量系统分析研究的基础上,指出光栅纳米测量进一步研究的关键在于:研究基于新型测量原理的光栅纳米测量系统,研制光栅纳米测量系统的精密机械调整机构、光电信号处理和细分技术、误差分离和修正技术等。
关键词:光栅纳米测量;双光栅测量系统;炫耀光栅;误差修正技术;二次莫尔条纹中图分类号:TH741.7 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2006)04-0053-031 光栅纳米测量的发展状况111 双光栅测量系统双光栅是利用两块光栅迭合时所形成的莫尔条纹进行测量的。
图1是高线数双光栅测量系统光路原理图[1-3],这种光栅结构主要包括光源、参考光栅、标尺光栅、角锥棱镜以及3个光电探测器,其工作原理如图2,其光路工作过程如下:图1 高线数双光栅测量系统光路图图2 双光栅系统原理图 (1)光源发射出的光束A 透射过参考光栅以后产生衍射光束,图2中只显示±1级衍射光B 和B ′。
(2)B 和B ′两束衍射光与角锥棱镜,标尺光栅采用Littrow自准直安装,每束光都首先入射标尺光栅,然后反射后的第1级衍射光进入角锥棱镜。
光束B 和B ′的经1级衍射光分别为C 、C ′.(3)C 、C ′的反射光D 、D ′从角锥棱镜出射,并且再次入射标尺光栅,此时与原反射光C 、C ′发生了平行于光栅刻槽的侧向位移。
(4)D 、D ′的第1级衍射光E 、E ′重新入射参考光栅,分别产生出射序列,E 、E ′是对称入射到参考光栅的同一点,并且它们的出射序列也重合在一起。
(5)在实际使用中,光电探测器1、2、3接收3路出射光F 、G 、H.取3路光电转换信号的目的是为了移相,供后续计数细分电路鉴向使用。
此系统使用光栅常数比为2的两根高线数光栅,由独特的双光栅结构实现了光学4细分,使光学位移分辨率达到标尺光栅栅距的1/4,加上高倍电子细分,使最终的位移分辨率达到1nm ,其测量范围等于标尺光栅的长度。
112 炫耀光栅[4-5]光能量在光栅光谱不同次级上的分配取决于光栅刻槽的几何形状,只要改变光栅刻槽的剖面形状,使之成为如图3所示的锯齿状,就能使衍射的大部分光能量由零级主极大移到所需的级次上,从而克服了透射光栅的光强分布情况中入射光的大部分能量都集中在零级衍射(没有色散)的主极大上,而在其他次级,尤其是较高级次上光强很小的弱点。
具有这种特性的光栅称为炫耀光栅。
在图3所示的定向透射光栅中,锯齿的长边相当于“衍射缝”,短边为不透光的“缝间隙”,N 为平均的光栅表面法线,N ′为长边的法线。
设入射光对光栅表面的入射角θi ,对衍射缝的入射角为α,它的某一衍射光对光栅表面的衍射角为θk ,而对衍射缝的衍射角为β,θb 是平均的光栅表面法线N 和长边的法线N ′的夹角,这些角度之间有如下的关系式:α=θi -θbβ=θk -θb图3 锯齿形炫耀光栅剖面图 2006年 第4期仪表技术与传感器Instrument T echnique and Sens or 2006 N o 14 图4是一种炫耀光栅测量机构的原理图,此机构由指示光栅G 1(炫耀光栅)和计量光栅G 2组成。
精确调整入射光束的入射角,使两条衍射线光线能量相等,且在两光栅的空隙间对称传播。
在经过计量光栅第二次衍射后,出射光a 、a ′通过透镜,在四象限光电管D 接收面上相干形成莫尔条纹。
可以证明当两块光栅相对移动一个细光栅的栅距时,两束衍射光相位差变化2π,也就是说,干涉条纹明暗变化一个周期,而且这种变化与计量光栅的栅距无关。
由于炫耀光栅的栅距比计量光栅小很多倍,所以系统分辨力大大提高。
此测量机构与气浮导轨及红宝石探头可组成超精密测量仪,其测量范围可达0～100mm ,分辨力可达1nm.图4 炫耀光栅原理图113 基于误差修正技术的光栅纳米测量应用光栅测量的系统误差的检测、分离和修正的方法,能够大幅度地提高光栅测量系统的精确度,使之从μm 、亚μm 级水平进入纳米级水平,以实现光栅μm 测量,其关键技术为[6-7]:11311 误差检测图5是误差检测系统的结构框图。
光栅纳米测量系统和激光干涉仪通过精密导轨联结在一起,测量轴线置于同一条直线上以保证符合阿贝原则。
选用同步动态检测方式,对于光栅纳米测量系统和激光干涉仪的测量数据,在由计算机控制的同步采样脉冲发生器发出的采样脉冲的触发下同时刻采样,并传给计算机进行处理。
图5 误差检测系统11312 误差分离光栅纳米测量的误差分为周期累计误差、细分误差和随机误差。
检测数据也是这3种误差成分混合叠加的结果。
为了进行系统误差补偿,必须将前两项误差从总的误差检测结果中分离出来。
这3种误差成分具有不同的频谱特性,可以很容易地通过傅里叶变换和离散频谱分析的方法来实现误差分离;检测数据中基频与莫尔条纹空间频率一致的成分为细分误差;将其分离出来后,对剩余的部分进行低通滤波,去掉高频的随机误差,即得到周期累计误差。
11313 误差补偿光栅纳米测量的补偿策略有以下几种:1131311 归一补偿光栅纳米测量的归一补偿是指在全量程的所有位置上,采用相同的补偿参数进行系统误差补偿,即对于周期累计误差,用同一条直线进行线性补偿;对于细分误差,使用同一条细分误差补偿曲线。
光栅测量的计算公式:X =n ×W +e(1)式中:X 为光栅补偿前的位移量;n 为通过的莫尔条纹信号的整周期数的计数值;W 为莫尔条纹信号空间周期的常数;e 为细分电路得出的细分量。
设周期累计误差的固定偏移量为δ,斜率补偿系数为β,细分误差曲线用函数ERR (e )来表示,则补偿后的位移X b 的计算公式为X b =[X -ERR (e )]×β-δ=[n ×W +e -ERR (e )]×β-δ(2)由于光栅测量是相对测量,而在归一补偿法中δ为固定值,故可令δ为0,而不影响测量结果,于是归一补偿法的计算公式变为X b =[n ×W +e -ERR (e )]×β(3)全量程归一补偿意味着补偿数值的获取与当前测量位置无关,可以适用于没有绝对零位的光栅测量系统,尤其适用于高速光栅纳米测量系统。
其缺点是在系统误差比较大的系统中,误差可能补偿得不够彻底,补偿精度不够高。
1131312 分段补偿所谓分段补偿,就是将全量程根据其误差特性分为若干段,每一段都有自己的补偿参数,按所处段的不同进行不同的补偿,即对于周期累计误差,每一段都按各自的补偿函数进行补偿;对于细分误差,每一段都有自己的细分误差补偿曲线。
分段补偿法的计算公式:X b =[n ×W +e -ERR (k ,e )]×β(k )-δ(k )(4)式中:ERR (k ,e )为第k 段的细分误差函数;β(k )为第k 段周期累计误差补偿系数;δ(k )为第k 段的周期累计误差的偏移值。
分段补偿法的优点是当分段数足够多时,可以对系统误差进行精确的修正。
其缺点是要求测量系统有绝对零位,需大量存储空间存储表格数据,影响系统整体测量速度。
1131313 混合补偿以上两种补偿方法,既可单独使用,也可以交叉混合用来适应不同场合的特殊要求,这就是混合补偿。
混合补偿可以在测量精度和速度之间取得某种折衷[8-9]。
114 基于二次莫尔条纹的光栅纳米测量系统[10]系统结构如图6所示,图中,指示光栅b 和指示光栅c 固定在同一测量基尺上,标尺光栅a 分别与指示光栅b 和指示光栅c 产生两组一次莫尔条纹信号Ⅰ-Ⅱ和Ⅰ′-Ⅱ′,利用透镜1和2来调整一次莫尔条纹的移动方向。
透镜3、4和5、6分别将一条莫尔条纹信号Ⅰ-Ⅱ和Ⅰ′-Ⅱ′缩小,以便有足够数量的一次莫尔条纹再次干涉形成二次莫尔条纹。
当指示光栅b 和指示光栅c 沿着标尺光栅a 相对移动时,指示光栅b 和指示光栅c 分别和标尺光栅a 产生的两组一次莫尔条纹信号,通过透镜1 54 Instrument T echnique and Sens orApr 12006 图6 基于二次莫尔条纹光栅纳米测量系统原理结构和2使两组一次莫尔条纹信号的移动方向相反。
两组一次莫尔条纹信号通过透镜3、4和5、6以及棱镜1、2处理,将在光电接收元件上干涉产生二次莫尔条纹条纹,通过对二次莫尔条纹信号进行电子细分,可获得更高的细分测量精度,经过仿真计算,光栅传感器分辨力达到5140×10-10m,测量精度达到nm 级。
2 光栅纳米测量的关键技术211 基于新型测量原理光栅纳米测量系统的研究基于衍射光学原理的光栅纳米测量系统,测量范围较小,系统复杂,在大位移测量仪器中应用受到限制。
基于误差修正技术的计量光栅纳米测量系统,误差标定、误差分离、误差修正程序复杂,且对测量环境要求苛刻。
为了满足测量范围大、抗干扰能力强的纳米测量仪器的需要,必须在测量原理的研究上有所突破。
基于二次莫尔条纹原理研究的纳米测量精度的计量光栅传感器,通过理论计算和仿真,能够达到纳米测量精度。
但是,将理论变成现实产品,需在以下关键技术方面进一步研究:纳米测量精度光栅传感器光栅副的设计和研制;莫尔条纹成像过程中光能量平衡关系的研究;光电发送和接受元件的特性匹配和优化设计;光电系统的动态特性等。
212 精密机械系统的研制精密的机械系统是实现光栅纳米测量的重要保证。
如何设计和制造出行程在mm级或几十mm甚至几百mm的适合纳米级测量精度需要的驱动装置和导轨,仍是目前需要解决的技术难题。
213 光电信号处理和细分技术光栅纳米测量中高频响应与高分辨力之间存在矛盾,有必要研究具有更高频率响应、高细分份数的莫尔条纹细分技术。
光栅纳米测量不仅要求有高的细分份数,而且要求细分均匀,使其具有高的细分精度和较强的误差补偿和误差修正的潜力。
214 误差分离和误差修正光栅测量是以实物作为测量基准的,虽然在加工、装配、调整、信号处理等众多环节中采取了许多措施,但仍然还有很多误差因素不可避免,如光栅的刻划误差、导轨的直线度误差、电子元器件的非线性等。