论纳米光栅测量技术

　　1　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”;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”,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”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,BIUPE 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”而不“超精”,则失去使用意义;“超精”而不“超细”,则失去使用可能.