[科普中国]-圆光栅

圆光栅的结构

刻画在玻璃盘上的光栅称为圆光栅，也称为光栅盘，用来测量角度或角位移。根据栅线刻画的方向圆光栅可分为两种：一种是径向光栅．其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点几毫米或几毫米的小圆相切2。

圆光栅的莫尔条纹我们把两块角栅距相接近的圆光栅面对面叠在一起时，在光线的照明下，能看到按一定规律分布的明暗相间的条纹，这种条纹称为圆光栅的莫尔条纹。

近年来，利用圆光栅产生莫尔条纹的这一特性成功地研制了高精度和高分辨率的圆分度设备。

由于从圆光栅中能取得近似正弦的莫尔条纹光电信号，因而通过电子学方法可以把位移量转换成数字信息量、模拟信息量、数字和模拟相结合的信息量，这就给自动测量和控制角位移提供了条件。已经成功地把圆光栅用在测量滚齿机的传动链精度、自动 校准滚齿机的传动误差、动态测量齿轮误差、控制圆分度机、测量光学玻璃的折射率、测量角速度 以及自动测量和控制角位移的设备上3。

圆光栅是一种在玻璃圆盘表面的一个圆环形区域上刻有大量均匀分布的、透明和不透明相间的圆分度元件，由于其刻线呈辐射状的，又称辐射光栅。

圆光栅的刻划和复制刻划我们刻划圆光栅一直采用接触复印法。所谓接触复印法，就是圆光栅的刻线，不是通过光学成象镜头缩微光刻所得，而是由模板与涂有感光胶膜的工件直接接触曝光潜影显象所得。这样刻制的圆光栅线纹质量好、效率高，同时也能提高制造圆光栅的精度。接触复印法制造圆光栅是在圆刻度机上进行的，圆光栅刻划机 是由圆刻度机改装而成。取掉圆刻度机原来的刻划刀架，在其刀桥上安装一个光刻刀架。光刻刀架由光源(脉冲氛灯) 、柱面镜和装有单线或扇形模板抬落的“小船”组成。

接触复印法制造圆光栅，大体分为两步：

1 ) 扇形模板的制备 在镀有铝膜的薄平板玻璃（一 般采用光谱干板）上，用钻石刀、宝石刀或者金属刀刻划出一条壳线，称为单线。它的宽度取决于圆光栅的刻线宽、周期和圆刻机的最小分度。

圆光栅的刻线呈扇形，而不是一个矩形。 所以，一般线宽在0。01毫米左右时，单线取光栅线宽的一半。为了保证光栅刻线的扇形性和易于刻出理想的单线，当光栅刻线较宽时，单线就更细些。

将选用 的单线装于光刻刀架的“ 小船 ” 上，按要求调整好直径、偏心和水平，并调好圆刻度机的进给量场进光刻扇形。扇形的宽窄视圆光栅刻线的中径而定，一般60进制的小光栅盘的扇形宽度选为1°，大光栅盘的扇形宽度选为1°/ 2，即用这样的扇形模板刻制整个光栅盘时，圆刻度机只需进给、曝光360次或720次。 也就是在光照均匀的前提下，尽量把扇形做得大些，以便刻制光栅盘时时间短，这样才能既效率高又保证刻划精度。光刻出的扇形刻线是黑线亮背景，不能做为模板使用，必须将其复制成刻线四周不透光的扇形模板。扇形模板用虫胶或者 光刻胶复制，复制得到的铬扇形模板在多次接触光刻光栅盘时比较耐磨损，经得起使用。

2) 圆光栅盘的刻制 将经过检验合格的扇形模板装在光刻刀架的“ 小船 ” 上，调整好偏心、水平，使圆刻度机的每次进给转角正好等于扇形模板所包含的角度，进 行试刻。当试刻出的圆光栅在每一个扇形模板相接处的刻线宽与其他处 一样时，即是扇形模板的直径已调好。而后通过直观法把试刻得到的两段圆光栅迭加，将莫尔条纹调整到合适的宽度。看其是否突变。 若条纹均匀，反差强，光滑无突起则为调整好了。

将涂有火棉胶感光膜的圆光栅工件置于圆刻度机的工作台上，调整工件对圆刻度机旋转中心的偏心和水平，开启闪光灯电源，待闪光和工件稳定一段时间后，就可进行接触复印光刻圆光栅。

经过曝光复印的工件。需潜象处理 ( 即显影 、 定影 ) 才能得 到所要求图象的圆光栅，若发现线纹不够黑或黑 白比没有达到要求时，还可 以进行第二次显影 (一般称为加厚) 。刻制在超微粒干板或火棉胶层上的圆光栅，因是 有底层的 ，其牢固度较差，经不起摩擦，并且均匀性也差。为 了克服这些弱点，我们 从 75年开始进行用紫外光 曝光光刻胶来制造光栅 。经过几 年来 的实践，已将先胶后铬的工艺改为先铬后胶，也将光刻系统逐步完善为接近式的光刻头。

复制圆光栅复制一般有虫胶镀铬和光刻胶曝光复制两种。

l ) 虫胶复制

虫胶复制的工艺流程是：

毛坯清洁处理、涂胶、 曝光、显影、镀铬

2 ) 光刻胶复制

光刻胶复制的工艺流程是：

镀铬、涂胶、预烘` 曝光、显影、 坚膜、腐蚀、清洁处理

采用光刻胶复制圆光栅、有接触式和接近式两种 4。

圆光栅的应用靶场观测仪器中的编码器用 圆光栅做成的编码器，能够确定坐标的角度位置， 因此被用在光电经纬仪、 雷达和高炮指挥仪上。例如雷达系统，雷达的工作主要是其天线自动跟踪目标。在测距雷达中，虽然可以测得目标距雷达的距离，但不能对目标进行空间定位。如果在雷达天线的两个轴 (方位轴和水平轴)上各加一个编码器，那么雷达天线跟踪目标时，就可由编码器将此目标的空间角位置以数码的形式显示出来，并可达到实时输 出的目的。

圆刻划机、检验仪的角度基准器以圆光栅做成的光栅基准器，是高精度的角度基准，被用在圆刻划机、检验仪从而使圆分度 的精度提高了一大步，实现 了自控和数显。

计量室中的圆分度头在测 角仪、圆转台齿轮测试 及传动测试仪上使用圆光栅，已经是屡见不鲜的 了。 它 使这 些仪器不但具有高分辨率 、 高精度，而且还能实现数显，这就使计量仪 器跨进到新的 一代 。 计量的数字化是与 圆光栅的应用分不开的。

在机床上的应用将圆光栅安装在螺纹车床的主轴上，可作车刀切入的指令，已成为为同步脉冲发生器4。