在精密设备中，光栅尺并不是最显眼的部件。
人们往往更关注电机、导轨、镜头、相机或干涉仪，却很少注意设备如何确认运动部件的真实位置。事实上，在精密机床、半导体检测设备、光刻相关运动平台和超精密测量设备中，高精度位置反馈通常是闭环控制的基础。光栅编码器是其中常见的技术路线之一，另一些设备也会使用激光干涉仪等测量方式。
驱动系统负责产生运动，导轨负责支撑和导向，位置测量系统则把实际位置反馈给控制器。
驱动系统让平台运动，导轨限定运动方向，光栅尺告诉系统平台实际到了哪里。
01 普通直线运动轴，如何知道自己移动了多少？
以常见的“电机＋丝杆＋直线导轨”为例。
电机带动丝杆旋转，丝杆把旋转运动转换成直线运动，滑台沿导轨移动。如果丝杆导程是 5 mm，那么丝杆每转一圈，滑台理论上移动 5 mm。
只要知道丝杆转了多少圈，就能推算滑台的位置。
问题在于，这只是理论位置。
实际机构还会受到丝杆螺距误差、反向间隙、热伸长、导轨直线度，以及运动过程中的俯仰和偏摆等因素影响。驱动端计算出的位移，并不一定等于滑台的真实位移。
对于普通定位设备，这种差异可能可以接受；但在微米级甚至更高精度的系统中，控制器需要的是运动部件的实际位置。
光栅尺就是用来测量这个位置的。
02 光栅尺不是普通尺，而是一套位置测量系统
“光栅尺”这个名字，很容易让人联想到一把带有精密刻度的尺子。
它确实包含一条标尺，但并不是靠人眼读数。其工作过程是：先用光学方法读取标尺上的周期结构，再把光信号转换成电信号，最后通过计数和细分得到位置值。
在规范的技术资料中，直线光栅尺通常称为直线编码器。下面以常见的光电式增量直线编码器为例说明其原理。不同型号的具体光路和电子结构会有差异，但基本测量链可以分为三部分：
测量基准
标尺上制作有严格周期的光栅结构，用来建立长度基准。
扫描单元
光源、光学结构、扫描光栅和光电探测器读取标尺与读数头之间的相对运动。
信号处理
电信号经过调理、计数和插值后，形成控制器或测量软件使用的位置值。
信号处理电路可能集成在读数头内部，也可能位于独立的插值器或控制器中。
典型成像扫描结构：相对位移首先被转换成周期性的光强变化。
2.1 第一步：把机械位移变成光强变化
以典型的成像扫描原理为例，光源发出的光经过聚光或准直结构后，照射到测量光栅和扫描光栅。
两组光栅具有相同或相近的周期。当标尺与读数头相对移动时，两组光栅的位置关系不断变化，到达光电探测器的光通量也随之发生周期性变化。
当透光区域较好地对应时，探测器接收到的光较强；当一组光栅的线条与另一组的透光区域重合时，光通量减弱。
因此，读数头并不是逐根“识别刻线”，而是在连续检测相对运动引起的周期性光强调制。
机械位移 → 周期性光强变化
这是光栅尺完成的第一次转换。
这里描述的是典型成像扫描结构。实际产品还可能采用反射式标尺、透射式标尺、相位光栅或其他扫描结构，具体光路并不完全相同。
2.2 第二步：把光强变化变成正交电信号
光电探测器接收到周期变化的光强后，会输出相应的电流或电压信号。
如果只有一路周期信号，系统虽然能发现信号发生了变化，却不容易可靠地判断运动方向，也难以确定读数头在一个周期内的精确位置。因此，增量式编码器通常会生成多路具有固定相位差的信号。
在一种典型的四场扫描结构中，传感器生成四路近似正弦的电流信号：
I0°、I90°、I180°、I270°
它们依次相差 90° 电气相位。相差 180° 的两路信号经过差分，也就是推挽处理后，形成两路关于零点对称、彼此相差 90° 的输出信号 I1 和 I2。
在模拟增量信号中，可以把 I1、I2 近似看作一组正弦和余弦信号。
四路光电信号经差分处理后，形成两路正交信号
两路正交信号主要解决两个问题。
判断运动方向
运动方向改变后，两路信号的相位先后关系也会改变，控制系统据此判断读数头向哪个方向移动。
确定周期内位置
两路信号在一个周期内连续变化。插值器会结合它们的幅值、相位和象限关系，计算当前位置对应的电气相位，从而判断读数头已经走到当前信号周期的哪个位置。
到这里，光栅尺完成了第二次转换：
周期性光强变化 → 两路正交电信号
2.3 第三步：完整周期计数，加上周期内细分
光栅尺并不是简单地“数刻线”。
如果只统计完整信号周期，位置分辨能力就会受到信号周期长度的限制。实际系统还会对两路正交信号进行电子细分。
位置读数由两部分组成：
- • 已经经过的完整信号周期；
- • 当前信号周期内的细分位置。
可以把它概括为：
位置 = 完整周期累计值 + 当前周期内的相位位置
完整周期计数负责较大范围的位置变化，周期内相位解算负责更细的位置分辨。
这里使用“信号周期”，而不是简单写成“光栅周期”，是因为两者并不总是相等。在某些干涉扫描结构中，标尺相对移动一个光栅周期，可以产生两个信号周期。
还要注意一点：
细分提高的是输出分辨率，并不等于测量准确度按同样比例提高。
如果两路信号存在幅值不一致、相位误差、直流偏置、波形失真或噪声，周期内的相位计算就会出现插值误差。
因此，评价一套光栅尺，不能只看刻线有多细或输出分辨率有多高，还要看标尺质量、扫描质量、信号质量和电子处理质量。
2.4 增量式光栅尺为什么需要参考标记？
增量式光栅尺测量的是相对位移。
它可以记录从某个起点开始移动了多少，但设备重新上电后，通常需要重新建立可靠的位置基准。因此，增量式标尺上往往还设置有参考标记轨道。
读数头越过参考标记后，控制系统获得一个确定的位置基准，再结合增量计数确定当前位置。
有些标尺采用距离编码参考标记。多个参考标记按照特定的间距关系布置，系统依次越过两个相邻参考标记后，就可以根据两者之间的增量数确定绝对参考关系，不必移动完整个测量行程。
距离编码参考标记可缩短增量式编码器重新建立位置基准所需的行程
绝对式编码器采用另一种方法。其标尺具有可唯一识别的位置编码，设备上电后即可直接读取当前位置，通常不需要先寻找参考点。
2.5 另一类重要原理：干涉扫描
除了成像扫描，光电编码器还可以采用干涉扫描。
成像扫描主要利用两组光栅之间产生的光强调制；干涉扫描则利用光在精细光栅上的衍射和干涉，把相对位移转换成光波相位变化，再由光电探测器生成周期电信号。
在典型干涉扫描结构中，光经过相位光栅后形成不同衍射级次，各路光再次汇合并发生干涉。标尺发生位移时，衍射波前之间的相位差随之变化，探测器便能读取与位移对应的周期信号。
这类结构适合较细的光栅周期、较小的测量步距和较高的电子细分。不过，最终准确度仍然取决于标尺、扫描结构、安装状态、温度稳定性和信号处理，不能简单理解为“采用干涉扫描就一定更准”。
干涉扫描利用精细光栅产生的衍射与干涉，把位移转换成光波相位变化
从头到尾看，光栅尺实际完成的是这样一条测量链：
机械位移 → 光强调制 → 电信号 → 周期计数与相位细分 → 位置值
这也是它与普通刻度尺最根本的区别。
03 直线光栅尺和圆光栅，有什么区别？
直线光栅尺用于测量直线位移，例如 X、Y、Z 轴或测头的上下移动。
圆光栅则把周期光栅结构布置在圆盘或圆环上，是高精度角度编码器常用的测量基准形式之一，用来测量旋转轴的角位置。
严格来说，圆光栅是角度编码器中的测量基准，不能把“圆光栅”和整套角度编码器完全等同。
直线编码器测量位移；以圆光栅为基准的角度编码器测量转角
一句话概括：
直线编码器测“走了多少”，角度编码器测“转了多少”。
04 光栅尺在闭环控制中做什么？
光栅尺负责测量位置，本身并不直接驱动运动轴，也不独立完成误差补偿。
在闭环控制中，控制器持续比较目标位置与光栅尺反馈的实际位置，再根据两者之间的偏差调整驱动输出。
当直线编码器直接测量工作台或滑台的位置时，丝杆热伸长、螺距偏差以及部分传动误差可以进入位置闭环，由控制系统进行修正。这通常称为全闭环位置控制。
但全闭环也不等于所有误差自动消失。导轨直线度、俯仰、偏摆、阿贝误差、结构热变形等问题，仍需要通过机械设计、安装调整、环境控制和误差标定解决。
所以，光栅尺在设备中主要承担两类任务：
位置反馈
向控制系统提供运动轴的实际位置。
计量读数
在部分测量设备中，位移或角度读数会直接进入最终结果计算。
05 球径仪和精密测角仪中的应用
球径仪：先测矢高，再计算曲率半径
球径仪并不是直接测出曲率半径，而是先测量球面相对于支撑基准的高度差，也就是矢高，再根据测量环或支撑结构的几何尺寸计算曲率半径。
它的测量链可以概括为：
测头位移 → 矢高 → 曲率半径
因此，球径仪中的高精度直线位移测量系统会直接影响最终半径结果。光学直线编码器或高精度长度计，都是常见的实现方式。
对于大半径、浅矢高的球面，位移测量中的微小误差可能被放大成明显的半径误差。
精密测角仪：读取转台的实际角位置
精密测角仪常用于棱镜、楔形片、多面体和平面光学元件的角度测量。
光学测角系统负责判断反射面的方向，精密转台负责旋转被测件，高精度角度编码器负责读取转台的实际角位置。圆光栅是角度编码器常见的测量基准形式之一。
这类设备的最终性能通常由几部分共同决定：
- • 光学系统对反射面方向的识别能力；
- • 转台轴系的稳定性；
- • 角度编码器的读数能力；
- • 软件中的角度计算与误差修正。
对精密测角仪来说，圆光栅相当于转台内部的“角度基准”。
结语
光栅尺很少出现在设备最醒目的位置，却经常决定设备能否稳定地知道自己的真实位置。
评估一台精密设备时，除了关注分辨率和重复性，还应进一步了解：
- • 位置基准安装在哪里；
- • 反馈的是驱动端位置，还是工作台的实际位置；
- • 哪些误差进入了闭环；
- • 位移或角度读数是否直接参与最终测量结果。
这些问题，比单独看一个“最高分辨率”更接近设备的真实能力。
