快速反射镜系统用光栅测微仪

　　0 引 言

　　快速反射镜(FSM)作为光学系统中稳定光束和校正光束传播方向的关键性器件，已广泛应用于自适应光学、精密跟踪、光束控制及光通信等领域[1-4]。随着 FSM 系统应用领域的进一步拓宽，对大角度、高响应速度 FSM 的需求也越来越多。同时，为了适应车载、机载、舰载等动态工作条件，对新型 FSM 系统的抗冲击、振动性能也提出了非常苛刻的要求。为了精确控制 FSM 系统的偏转角度，需要对反射镜进行精确的测量以反馈位置信息，进而实现伺服系统的闭环控制。在大角度 FSM 系统中，传统的电容传感器不能提供足够的测量范围。同时考虑到所开发 FSM 系统的小型化，也不宜采用经典的 PSD 测量方法。鉴于以上测量方式的局限性及所研制 FSM 系统高振动、高冲击等恶劣的工作环境，本文特针对此小型高承载大角度 FSM 系统(响应频率约为 60 Hz)设计了专用型光栅测微仪，表1 列出了 FSM 系统对此高精度光栅测微仪的性能要求。

　　光栅测微仪作为典型的线位移测量元件，是以精密光栅为测量基准，集光、机、电于一体的数字化测距装置。它具有测量精度高、分辨能力大、抗干扰能力强等优点，已广泛应用于精密机械、微机电系统和精密测量等领域，目前正在向小型化、集成化、微/纳米级精度和绝对式等方向发展[5-7]。本研究所研制的光栅测微仪采用自制小型精密滑轨、增量式光栅、单准直光源、贴片式光电三极管阵列接收器实现微位移的精确快速测量，精度高、可靠性强、抗冲击性能优异，并能提供高分辨力的数字量位移信息输出和绝对零点位置，为小型化精密仪器的位移测量提供了一种新选择。

　　1 光栅测微仪的技术原理

　　如图1 所示，光栅测微仪的内部结构主要包括直线滑轨、单准直光源、光电接收器、光栅副和处理电路五部分。其中，直线滑轨由滑杆和铜套组成，光栅副由标尺光栅和指示光栅组成[8]。测微仪的工作原理为：首先，单准直光源发出准直光，经光栅副调制后形成光学莫尔条纹，然后，由光电接收元件接收后输出光电流。光电接收元件输出四路初始相位依次相差 90°的模拟信号，经电阻放大和比较器整形后，转换成初始相位相差 90°的方波，再通过 CPU 进行计数运算，并形成原始码计数脉冲。与此同时，四路模拟信号通过 CPU 集成的 A/D 采集接口转变为数字信息，经软件差分放大后形成两路相位相差 90°的数字信号，再经软件细分获得分辨力为0.06 μm 的细分码信息。原始码计数脉冲和细分码信息共同组成最终的位移测量信息[9-11]。

　　2 光栅测微仪的实现