在现代制造业的精密版图中，高精度测量是基石，也是迈向智能制造的关键。以航空发动机制造为例，涡轮叶片的叶身型面尺寸公差需严格限定在±0.05mm以内，否则将影响发动机的高效稳定运行；半导体芯片制造中，光刻机的定位精度更是要达到纳米级，稍有偏差便可能导致芯片电路短路，使整个芯片报废。这些例子无不彰显着高精度测量在确保产品质量、提升设备性能方面的核心地位。

在众多高精度测量工具里，光栅尺脱颖而出，成为工业测量领域的“精密之眼”。无论是高端数控机床在复杂零部件加工时对刀具位置的精确把控，还是精密仪器在科研实验中对微小位移的精准测量，又或是半导体设备在芯片制造过程中对光刻位置的超高精度定位，光栅尺都发挥着不可替代的作用，其精度直接决定了这些“大国重器”的精度极限。

光栅尺的工作原理

一、光栅尺的基本结构剖析

光栅尺的结构设计精妙，主要由标尺光栅和读数头两大部分构成。标尺光栅通常被牢牢固定在设备的基准部件上，如机床的床身。它是一块修长的部件，在透明玻璃基底或者特殊金属基底之上，通过极为精密的光刻工艺，刻制出了一系列周期性、等间距排列的平行刻线，这些刻线被称为栅线。相邻两条刻线之间的距离，便是至关重要的栅距，它是决定光栅尺理论分辨率的根本因素之一，常见的栅距范围在几微米到几十微米，像20μm（微米）便是较为常见的数值。从类型上看，标尺光栅主要分为透射式和反射式，透射式以玻璃基底为主，光线能够穿透它；反射式则以金属基底或者特殊涂层玻璃基底为主，通过反射光线来实现测量。

读数头则安装在设备的移动部件上，例如机床的工作台。当它相对于标尺光栅移动时，便开始了信息的读取与转换工作。读数头内部构造精巧，包含多个关键组件。光源通常采用红外LED或者可见光LED，为整个测量过程提供照明。指示光栅是一个与标尺光栅栅距相同或非常接近的小块光栅，常为相位光栅，它与标尺光栅相互配合，共同产生用于测量的关键信号。光学系统则由透镜、反射镜等组成，它们巧妙地引导光线的传播路径，确保光线能够准确地照射到需要的位置。光电探测器阵列由多个排列的光敏元件组成，比如光电二极管，它们能够将接收到的光强变化，精准地转换成电信号，为后续的信号处理奠定基础。

二、莫尔条纹：光学干涉的奇妙呈现

莫尔条纹的产生过程充满了光学的奇妙。当光线从读数头内部的光源发出后，对于透射式光栅尺，光线会依次穿过标尺光栅和读数头内部的指示光栅；对于反射式光栅尺，光线从读数头发出，照射到反射式标尺光栅的表面刻线上，反射回来的光线再照射到读数头内部的指示光栅上。由于光具有波的特性，在穿过两层光栅时，会发生衍射和干涉效应，进而产生莫尔条纹。此时，标尺光栅的刻线与读数头内指示光栅的刻线在重叠时，因为存在微小夹角或间隙，就会形成一种明暗相间、间距被放大的独特图案，这便是莫尔条纹。

莫尔条纹有着诸多独特且对位移测量意义重大的特性。它具有显著的放大作用，其间距远远大于光栅的栅距。假设标尺光栅移动一个微小的栅距，如20μm，莫尔条纹却会移动一个相对很大的距离，这就使得对微小位移的测量变得更加容易和精确。莫尔条纹还具备均化误差的神奇能力。由于它是由大量光栅刻线共同作用产生的，个别刻线的误差会在整体的干涉效果中被平均化，从而有效提高了测量的准确性，就像众多微小的力量汇聚在一起，相互弥补不足，形成了更强大、更准确的合力。

三、光电信号转换与细分计数

光电探测器在捕捉到莫尔条纹的明暗变化后，便迅速开始工作，将接收到的光强变化转换成几路相位差为90°的周期性电信号，通常是正弦Sin和余弦Cos信号。这两路信号就像一对默契的伙伴，它们的相位关系精确地决定了移动方向，为后续的位移判断提供了关键依据。

然而，原始的电信号往往较为微弱，且含有噪声，难以直接用于精确测量。此时，信号处理单元便发挥了关键作用。它首先对这些原始的模拟信号进行放大，将微弱的信号增强到足以被后续处理的程度；接着进行滤波操作，去除信号中的噪声干扰，让信号更加纯净稳定；最后通过高倍率的电子细分技术，在一个信号周期内，也就是对应标尺光栅的一个栅距移动过程中，划分出非常多的等分点。当栅距为20μm，经过512倍细分后，理论分辨率就能够达到20μm/512≈0.039μm=39nm，实现了从微米级到纳米级的跨越，大大提高了测量的分辨率。

细分后的信号会被转换为脉冲信号，主要包括A相脉冲、B相脉冲，有时还会有零位Z脉冲。运动控制器或显示单元通过仔细检测A、B脉冲的数量，就能准确计算出位移量，因为每个脉冲都对应着一定的位移量；同时，通过判断它们的相位超前滞后关系，能够精确地判断出移动方向。Z脉冲则提供了一个绝对参考点，也就是原点信号，为整个测量过程提供了起始的基准，就像在茫茫大海中为船只指明了最初的出发位置，让测量有了明确的起点和参照。

光栅尺的应用领域

一、工业制造中的关键角色

数控机床作为现代制造业的典型代表，对加工精度有着极高的要求。通过在数控机床的各坐标轴上安装高精度光栅尺，如德国海德汉的高精度光栅尺，其分辨率可达纳米级，能够实时精确地反馈工作台和刀具的位置信息，使数控系统能够根据这些信息对刀具轨迹进行精确调整，从而确保加工出的叶片符合设计要求，极大地提高了加工精度和产品质量，同时也提高了加工效率，减少了废品率。

在半导体设备制造领域，对精度的要求更是达到了极致。在光刻机中，光刻头需要在晶圆上进行高精度的定位和扫描，以实现芯片电路的精确曝光。先进的浸没式光刻机的光刻精度已经达到7nm甚至更高，这就要求光栅尺具备超高的精度和稳定性。奥普光电的光栅尺可应用于晶圆搬运、切割及封测等半导体加工设备，在晶圆搬运过程中，光栅尺能够实时监控晶圆的运动状态，确保其在生产过程中的定位精确无误，保障了半导体制造的高精度和高稳定性，推动了半导体产业向更高集成度、更小尺寸的方向发展。

二、计量检测的核心工具

三坐标测量机是一种广泛应用于机械制造、汽车工业、航空航天等领域的高精度测量设备，用于对工件的尺寸、形状和位置进行精确测量。光栅尺作为三坐标测量机的核心测量元件，决定了测量机的精度。在对汽车发动机缸体进行测量时，需要精确测量缸筒内径、活塞销孔位置等关键尺寸，其精度要求通常在±0.01mm以内。三坐标测量机通过安装高精度光栅尺，能够精确测量工件在三维空间中的位置变化，将测量数据反馈给控制系统，从而实现对工件尺寸和形状的精确检测，确保发动机缸体的制造精度符合设计要求，保证发动机的性能和可靠性。

激光干涉仪是一种利用光的干涉原理进行高精度测量的仪器，常用于精密机床的精度检测、光学元件的面形测量等领域。光栅尺在激光干涉仪中也发挥着重要作用。在检测高精度数控机床的定位精度时，激光干涉仪通过发射激光束，与反射镜反射回来的光束产生干涉条纹，光栅尺则用于精确测量反射镜的位移，从而计算出机床工作台的实际位移量。通过与理论值进行对比，可以准确检测出机床的定位误差，为机床的精度调整和误差补偿提供依据，使机床始终保持高精度的加工状态。

三、其他领域的广泛应用

在医疗设备领域，光栅尺的应用提高了医疗诊断和治疗的精度。在计算机断层扫描（CT）设备中，赛诺威盛申请的提高基于光栅尺的CT旋转控制精度专利，实现了信号的4倍频输出，通过将光栅尺输出的两路方波信号转换为四路脉冲信号，提高了光栅尺的测量精度和控制精度，使得在不增加光栅孔密度的情况下，满足了高速CT设备对高精度测量的需求，能够更清晰地呈现人体内部组织和器官的细节，为医生提供更准确的诊断依据。在放射治疗设备中，光栅尺用于精确控制治疗头的位置和角度，确保放射剂量准确地照射到病变部位，提高治疗效果的同时减少对周围正常组织的损伤。

光栅尺的技术壁垒

一、高精度刻线技术难题

在光栅尺的制作过程中，实现高精度刻线是面临的首要技术难题。随着工业制造对精度要求的不断提升，如在半导体芯片制造中，对光栅尺的精度要求已达到纳米级，这就对刻线精度提出了极高的挑战。要在微小的尺度上刻制出均匀、稳定的栅线，其线宽精度和间距精度必须控制在极小的范围内。例如，在制作栅距为1μm的高精度光栅尺时，线宽精度需控制在±5nm以内，间距精度要达到±10nm，任何细微的偏差都可能导致测量精度的大幅下降。

刻线均匀性也是影响光栅尺性能的关键因素。如果刻线间距不均匀，在莫尔条纹的形成过程中，就会导致条纹的宽度和对比度不一致，从而使光电探测器接收到的信号不稳定，产生测量误差。这种误差在高精度测量中是不可忽视的，可能会导致产品质量问题或实验结果的不准确。

刻线的稳定性同样至关重要。在光栅尺的使用过程中，可能会受到温度、湿度、机械振动等环境因素的影响，如果刻线不够稳定，就容易出现变形、磨损等问题，进而影响光栅尺的长期精度和可靠性。为了解决这些问题，需要采用先进的光刻技术和设备，同时，还需要对光刻过程中的环境参数进行严格控制，如温度控制在±0.1℃以内，湿度控制在±5%RH，以确保刻线的精度、均匀性和稳定性。

二、信号处理与抗干扰技术

在实际应用环境中，光栅尺会受到多种干扰因素的影响。电磁干扰是较为常见的一种，在工业生产现场，大量的电气设备如电机、变频器等会产生强烈的电磁场，这些电磁场可能会干扰光栅尺的信号传输，导致信号出现波动、失真甚至丢失。噪声干扰也不容忽视，包括电子元件自身产生的热噪声、散粒噪声等，为了应对这些干扰，需要采用一系列抗干扰技术。在硬件方面，通过优化读数头的结构设计，增加电磁屏蔽层，采用双层屏蔽线进行信号传输等方式，减少电磁干扰的影响。在信号处理上，通过卡尔曼滤波算法，能够有效去除噪声干扰，提高测量精度。还可以采用冗余设计，如增加备用信号通道，当主信号受到干扰时，能够及时切换到备用通道，保证测量的连续性和准确性。

三、生产设备与工艺的高要求

光栅尺的生产对设备和工艺有着极高的要求。高精度的光刻机、蚀刻机等设备是制作高精度光栅尺的关键。先进的光刻机能够实现纳米级的光刻精度，但其技术门槛极高，涉及到光学、电子、机械等多个领域的顶尖技术。荷兰ASML公司的极紫外光刻机（EUV）是目前世界上最先进的光刻机之一，其售价高达数亿欧元，技术被严格保密，只有少数国家和企业能够掌握。

蚀刻机同样对技术要求苛刻，需要精确控制蚀刻的深度、速度和均匀性，以确保形成的光栅结构符合高精度要求。在生产工艺方面，每一个环节都需要严格控制，从原材料的预处理到光刻、蚀刻、组装等过程，任何一个细节的疏忽都可能导致产品质量下降。在光刻工艺中，光刻胶的涂覆厚度、均匀性，曝光时间、剂量的控制，以及显影和蚀刻的工艺参数等，都需要精确把握。

生产环境的稳定性也至关重要，需要保持恒温、恒湿、超净的环境条件。一般要求生产车间的温度控制在20℃±0.5℃，湿度控制在50%±5%，空气中的尘埃粒子浓度要达到超净标准，以避免尘埃粒子对光刻和蚀刻工艺的影响，确保光栅尺的高精度制造。这些高要求不仅增加了生产设备和工艺的成本，也对企业的技术实力和管理水平提出了巨大挑战。

国内外光栅尺产品对比

一、国外知名品牌的优势与特点

在全球光栅尺市场中，德国海德汉（HEIDENHAIN）无疑是行业的领军者。海德汉拥有深厚的技术研发底蕴，其研发团队在光栅尺技术领域不断探索创新，掌握了众多核心专利技术。在光刻工艺方面，海德汉采用了先进的极紫外光刻技术，能够实现纳米级的刻线精度，其高端光栅尺产品的分辨率可达1纳米，精度高达±0.1微米，这使得它在对精度要求极高的半导体制造、航空航天等领域占据着重要地位。

海德汉光栅尺在机械结构设计上独具匠心，铝制的尺壳不仅能够有效保护尺带、读数头和导轨，避免切屑、灰尘和切削液进入，还具有良好的散热性能；自动向下压的弹性密封条保持外壳密封，进一步提高了产品的防护性能；读数头沿光栅尺带上摩擦力极小的导轨运动，减少了磨损，提高了使用寿命。

凭借着卓越的技术和产品质量，海德汉在全球市场份额中占据着领先地位，尤其是在高端市场，其市场份额更是高达60%以上 ，成为了众多高端制造企业的首选品牌。

二、国内光栅尺产业的发展现状

我国光栅尺产业起步相对较晚，但经过多年的发展，已经取得了显著的成果。近年来，在国家政策的大力支持下，国内企业加大了研发投入，积极引进国外先进技术，并与国内高校和科研机构展开合作，不断提升自身的技术水平和创新能力。

长春禹衡光学有限公司是国内光栅尺产业的代表性企业之一。作为国家制造业单项冠军示范企业、全国光栅编码器行业标准制定者，禹衡光学拥有强大的研发实力，主导产品光栅编码器年产能突破100万台，其绝对式光栅尺等产品是目前国内唯一实现批量替代国外同类进口产品的国产解决方案。禹衡光学研发的30米超长量程封闭式光栅尺，能够满足大型装备制造、航空航天测试等领域对长量程测量的需求，填补了国内在这一领域的空白。

尽管国内光栅尺产业取得了一定的进步，但与国际知名品牌相比，仍存在一些不足之处。在技术水平方面，国内企业在高精度刻线技术、信号处理与抗干扰技术等核心技术上与国外仍有差距，导致产品的精度和稳定性相对较低。在市场份额方面，国内企业主要集中在中低端市场，高端市场仍被国外品牌占据，国内企业在高端市场的份额不足30%。在品牌影响力方面，国外品牌经过多年的发展，已经在全球范围内树立了良好的品牌形象，而国内品牌的知名度和美誉度相对较低，在国际市场竞争中处于劣势。

（图片源自网络）
作者 | 几维鸟毕业于新西兰林肯大学。对大众科普知识拥有浓厚兴趣，曾在多个科普期刊上发表过科普文章。关注事实，积极探索前沿科技。

初审 | 陈嘉琦、李书豪复审 | 魏星华
终审 | 韩永林

来源: 吉林科普微窗