在精密光机电设备里，大家的关注点通常集中于电机推力、导轨直线度、镜头成像质量等核心性能指标，却常常忽略定位系统的核心基础——运动部件的真实位置反馈。

从半导体晶圆台的纳米步进，到光学实验平台的微米级位移，高精度位置反馈是实现运动闭环控制的核心前提，光栅编码器（光栅尺）是当前应用最为广泛的技术路径之一。

本期「逐光研学」专栏将从基础运动定位逻辑切入，系统拆解光栅尺的光学原理与信号处理链路，阐释其将机械位移转化为高精度数字位置反馈的完整技术路径。

01.普通直线运动轴，如何知道移动了多少？

以常用的“电机+丝杆+直线导轨”为例：

电机驱动丝杆旋转，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5mm，那么丝杆每转一圈，滑台理论上移动5mm。控制器通过电机端编码器记录的旋转圈数，即可推算滑台的当前位置。

但该方法仅能获取理论位置。

实际工况中还会受到丝杆螺距误差、反向间隙、热伸长、导轨直线度、联轴器、轴承背隙，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。

图：半闭环vs全闭环控制

对于普通精度设备，该偏差在可接受范围内；但在微米级、亚微米级定位场景中，若控制器仅依据理论位置运行，将出现指令位置与实际位置的偏离。此时，能够直接测量工作台真实位移的光栅尺，成为高精度系统的必要配置。

02.光栅尺的本质：非接触式光学测量系统

直观认知中，光栅尺易被简单理解为带有精密刻度的玻璃尺。实际上它是一套完整的光学位置测量系统，在工业规范中其标准称谓为直线编码器。

图：光栅尺

整套系统核心由三部分构成：

l 标尺光栅：多为玻璃或金属基底的尺身，表面通过光刻工艺制备一系列等间距、等线宽的透光/不透光狭缝阵列（即栅线）。相邻栅线的间距称为栅距，是光栅尺的基础长度基准，常见规格包括20μm、10μm、5μm、1μm。

l 扫描读数头：固定于设备静止部件，内部集成光源、准直光学单元、指示光栅及光电探测器阵列。工作时与标尺光栅保持微小间隙，实现非接触式相对运动，无机械摩擦损耗。

l 信号处理单元：对光电探测器输出的原始信号进行调理、差分运算、周期计数与插值细分，最终输出控制系统可识别的标准位置信号，部分处理电路可集成于读数头内部。

图：光栅读数头光学工作原理图

光栅尺的核心逻辑是将工作台的机械直线位移，先转化为光学信号的周期性变化，再转化为电信号，最终解算出精确位置值。其不依赖传动机构换算、直接测量运动部件真实位移的特性，是与电机端编码器的本质区别。

03.光学原理：莫尔条纹的放大效应

3.1莫尔条纹原理

光栅尺能够实现高精度位移测量，核心在于利用两块光栅相对运动时产生的莫尔条纹。

以透射光栅为例，当指示光栅与标尺光栅的刻线之间形成一个很小的夹角 θ，且两光栅刻面近似平行放置时，在光源照射下，会在垂直于栅线夹角平分线的方向上，形成明暗相间的条纹，该光学现象即为莫尔条纹（如下图所示）。

图：莫尔条纹形成原理

(a) 光栅叠加产生莫尔条纹；(b) 光栅夹角几何关系；(c) 四路 A/B/C/D光电正弦波形

3.2莫尔条纹公式

莫尔条纹中相邻两条亮纹或两条暗纹之间的距离，称为莫尔条纹间距，通常用B表示。在小角度近似条件下，莫尔条纹间距与光栅栅距W、夹角θ之间满足：

其中θ以弧度为单位。由于夹角θ很小，莫尔条纹间距B可以远大于原始光栅栅距W，从而实现对微小位移的 “光学放大”。

3.3莫尔条纹核心特征

同步变化规律

两片光栅相对移过一个栅距W，莫尔条纹移过一个条纹距离B。由于光的衍射与干涉作用，莫尔条纹的变化规律近似正(余)弦函数，变化周期数与光栅相对位移的栅距数同步。

光学放大特性

由公式可知，光栅夹角θ越小，莫尔条纹间距B越大。对于很小的栅距，莫尔条纹可以将其放大到便于光电检测的尺度。

例如,当光栅栅距W=0.01mm，夹角θ =0.01rad 时，莫尔条纹间距约为：

实现了100倍光学放大，大幅降低微小位移的检测难度。

误差均化作用

莫尔条纹是由若干光栅条纹共用形成，例如每毫米100线的光栅，10mm宽度的莫尔条纹就有1000条线纹，这样栅距之间的相邻误差就被平均抵消，消除了由于栅距不均匀、断裂等造成的误差。

莫尔条纹将机械位移转化为周期性光强信号，搭建起精密测量的光学基础。但明暗光强信号不能直接被控制系统读取，需经光电转换、信号调理与电子细分，转换为标准化数字位置信号，完成位置反馈输出。

04.信号链路：从光强变化到位置输出

光强的周期性变化仅为中间信号，光栅尺最终需输出可被控制系统调用的数字位置量，完整信号链路包含四个关键环节。

图：光栅尺完整信号链路

1光电转换：生成正交电信号

电探测器接收明暗交替的光强信号后，将其转化为对应的电流/电压信号。单路周期信号仅可实现位移计数，无法判别运动方向，亦无法解析单周期内的细分位置。

因此光栅尺通常采用四场扫描结构，生成四路相位依次相差90°的光电流信号（I0°、I90°、I180°、I270°）。其中相位相差180°的两路信号经差分推挽处理后，形成两路关于零点对称、相位差90°的正交信号（即常称的A相、B相），近似对应正弦与余弦函数关系。

两路正交信号解决了两个核心问题：

l 运动辨向：通过判断A相与B相的相位超前/滞后关系，可准确识别运动的正反向；

l 周期内定位：依据两路信号的幅值与相位关系，可解算出读数头在当前信号周期内的具体位置。

2电子细分：突破栅距的分辨率限制

若仅统计完整信号周期，光栅尺的分辨率等于栅距。为获取更高分辨率，信号处理电路会对正交正弦信号进行电子插值细分（亦称倍频）。

常见细分倍数为200倍、500倍乃至1000倍。例如栅距5μm的光栅，经200倍细分后，输出分辨率可达25nm。

需明确的是：电子细分仅提升输出分辨率，不代表测量准确度同步提升。若原始信号存在幅值不均、相位偏差、直流偏置、波形失真或噪声干扰，均会引入细分误差。因此评价光栅尺性能，不能仅依据标称分辨率，还需综合考量栅线质量、光学扫描质量与信号处理精度。

3位置输出：增量式与绝对式两类技术路线

根据输出方式差异，光栅尺主要分为两类：

增量式光栅尺

通过累计信号周期数计算相对位移，结构简洁、成本可控，是绝大多数精密设备的主流选型。但其断电后位置信息丢失，开机后需通过参考标记重建位置基准。为缩短回零行程，部分增量式光栅尺采用距离编码参考标记，仅需经过两个相邻参考标记即可确定绝对位置。

图：增量式光栅尺

绝对式光栅尺

标尺表面制备有唯一位置编码轨道，上电后可直接读取当前绝对位置，无需回零操作，抗干扰能力与可靠性更强，多用于半导体装备、高端数控机床等高可靠要求场景。

图：绝对式光栅尺

光栅尺输出的位置信号，送入控制器形成位置闭环，以此修正电机丢步、导轨形变带来的定位偏差，实现真实位置的精准控制。

05.光栅尺应用场景

作为精密位置反馈的核心元件，光栅尺广泛应用于各高端制造与科研领域：

半导体装备

光刻机、晶圆检测台、键合设备的纳米级定位与步进，依托超高精度光栅尺构建全闭环，保障芯片制造的纳米级公差。

精密机床与计量

加工中心、三坐标测量机、超精密车床的位置闭环，直接决定加工与测量的最终精度。

光学实验平台

精密电动平移台、位移台、多维调整架的运动控制，是光学实验、光机系统集成的标配反馈方案。

自动化检测

视觉检测设备、激光加工设备的运动定位，实现高速、高精度的在线生产与检测。

06.OMTOOLS光栅尺闭环位移台推荐

针对科研与工业精密定位需求，OMTOOLS提供多款可搭载光栅尺反馈的电动平移台。其中EPSA-G、EPSB-NG、EPSH-G支持光栅尺选配，EPSB-FG标配光栅尺，可实现负载端全闭环位置反馈，消除丝杆、传动机构带来的定位误差。

从平行光穿过光栅刻线产生莫尔条纹，到光强信号的光电转换与电子细分，最终输出精准位置数值，光栅尺以基础光学原理为核心，构建了精密制造与科研实验的位置感知基准。

作为装备内部的核心感知元件，光栅尺是精密运动系统的位置感知核心。理解其工作原理与能力边界，是合理选型、规范安装与精准校准的前提，也是保障精密运动系统定位准确性的基础。