光栅尺已经做到 2.5 nm，为什么还需要激光干涉仪？

从 20 μm 栅距、±20 nm SDE、12 m/s，一路拆到 Interference Fringe 与 Speckle

传周科技 TVMDGH020D 官方产品图｜来源：传周科技官网

参数状态说明：截至本文核验时，传周官网将 TVMDGH020D 标记为“预发布 / 设计验证阶段”。因此本文把公开参数作为产品技术分析对象，不把它写成已大规模量产指标。

01｜先把传周这颗 2.5 nm 产品拆开

最近我在看高精度位移传感器。传周科技公开的 TVMDGH020D 很扎眼：20 μm 栅距、2.5 nm 分辨率、±20 nm 电子细分误差、最高 12 m/s、14 位电子细分，输出支持差分 TTL 或 1 Vpp。还有一个必须写在前面的限定：传周官网目前把它标为“预发布 / 设计验证阶段”。

所以这篇文章不把“2.5 nm”当广告词，而是把几个数字拆开，看它们到底意味着什么。

20 μm ÷ 2.5 nm = 8000

如果按一个 20 μm 空间周期理解，最终位置输出相当于把一个物理周期切成约 8000 份。显微镜并没有突然看见 2.5 nm 宽的刻线；真正被细分的是周期相位。

S = A sinθ C = A cosθ θ = atan2(S,C)

这和磁编码器并没有本质上的陌生感：先制造稳定周期，再把周期内部的位置变成相位。

02｜比 2.5 nm 更值得看的，是 ±20 nm

分辨率只是“输出能报多细”。电子细分误差 SDE 才开始触及“周期内部读得有多直”。TVMDGH020D 公布的 ±20 nm，相对于 20 μm 周期约为：

20 nm ÷ 20 μm = 0.001 ≈ 0.1%

360° × 0.001 ≈ 0.36°

换成编码器工程师熟悉的语言：整个光学、PD、AFE 与插值链路的周期内非线性，被压到了千分之一个周期这个数量级。实际系统里只要出现 offset、gain mismatch、正交误差、谐波、PD 不一致或光场不均匀，理想 SIN/COS 圆就会偏心、椭圆化甚至扭曲，atan2 之后就会形成周期性位置误差。

关键：2.5 nm resolution ≠ ±2.5 nm accuracy。把“纳米级分辨率”直接写成“纳米级精度”，在工程上是两回事。

03｜12 m/s 这个数字，其实很凶

最高速度 12 m/s 经常被一眼略过。但如果粗略按 20 μm 空间周期估算基本周期通过频率：

f = v / p = 12 ÷ (20×10⁻⁶) ≈ 600 kHz

到了这个量级，问题就不再是“PD 能不能看见明暗”。PD 响应、TIA 带宽、模拟前端相位、SIN/COS 两路群延迟、ADC/比较器、数字插值都必须一起成立。静态圆很漂亮，不代表高速下还是同一个圆。

04｜一张官方新闻图，反而把 Resolution 和 Accuracy 分得很清楚

传周 2025 年 12 月公开的 80 μm 光栅尺读数头资料给了另一组很适合教学的数字：10 nm 分辨率、±50 nm 内部细分误差、匹配高精度栅尺后系统整体精度 <±3 μm。

这不是矛盾，反而说明三个指标本来就不应该混在一起：分辨率告诉你能报多细；SDE 描述周期内部插值非线性；系统精度还要把栅尺本身、安装、热膨胀、几何误差等都算进来。

传周科技 2025-12-15 官方新闻中的直线式光栅尺图片

新闻资料卡｜80 μm 光栅尺读数头传周官方新闻公开：10 nm 分辨率、±50 nm 内部细分误差，匹配高精度栅尺后系统整体精度 <±3 μm。这个例子非常适合说明 Resolution、SDE 与系统 Accuracy 是三个不同层级。

05｜然后才轮到激光干涉：我不要刻出来的尺了

传统光栅尺先制造物理标尺，再读取标尺。经典反射式激光干涉测量则把位移直接编码到光程相位里。反射镜移动 x，往返光程变化 2x：

φ = 4πx / λ x = λφ / 4π

若 λ≈632.8 nm，一个完整 2π 相位周期对应约 316.4 nm 机械位移。真正的高分辨率同样来自继续测周期内部相位，而不是只数“亮、暗、亮、暗”。

06｜国内很多人没讲清楚的 Speckle，到底是什么？

Speckle 中文通常叫激光散斑。它和规则的 interference fringe（干涉条纹）绝对不能混成一个概念。

拿激光笔照白墙，仔细看光斑内部，你看到的往往不是均匀红色，而是一大片随机的亮暗颗粒。那就是最直观的 speckle。

墙面肉眼看起来平整，但在光波长尺度上像山脉。大量微小表面点把相干光散射到探测器，不同路径带来不同相位：

E = Σ Aₖ exp(jφₖ)

有些场同相叠加变亮，有些接近反相互相抵消变暗，于是形成随机颗粒状光强图案。

Interference Fringe
有设计好的参考关系
规则、周期、像刻度

Speckle Pattern
大量随机散射路径叠加
随机、颗粒、像指纹

两者底层都涉及相干光干涉，但工程角色完全不同。一个更像人为设计的尺，另一个更像物体表面自己生成的光学指纹。

Speckle 视觉参考：随机颗粒状强度分布。

07｜最反直觉的地方：Speckle 既能是噪声，也能是传感信号

在成像里，speckle 经常令人讨厌；但做位移传感的人会发现，这张随机图案对运动极其敏感。粗糙表面发生位移，散射光路径和相位关系随之变化，speckle pattern 也会移动或重构。

于是可以记录前后两帧：

I₁(x,y) → I₂(x,y)

再用相关运算寻找 pattern 的位移峰值。此时你不需要人工刻一把规则光栅尺，而是在追踪目标表面的“随机光学指纹”。

但如果你的系统本来是传统干涉仪或高精度光栅读头，额外散射和寄生反射造成的 speckle 又可能污染理想信号，最后表现为周期误差或测量噪声。同一种物理现象，在一个系统里是信息，在另一个系统里可以是误差源。

08｜PD Array 也不是一块只会“接光”的面积

如果干涉/衍射形成的空间光强为 I(x)，而探测器的空间权重为 w(x)，读出的信号可以抽象成：

S = ∫ I(x) w(x) dx

这意味着 PD 的版图几何本身就在做空间滤波。矩形感光区近似矩形窗；如果有效感光权重向边缘逐渐减小，就可以像 DSP 加窗一样改变空间频率响应，压低某些旁瓣与非目标空间频率对 SIN/COS 的污染。

所以做到高端光学编码器以后，所谓“算法”并不只在 MCU/DSP 里。有些滤波器，直接长在 PD 版图上。

09｜最后再看传周：2.5 nm 真正告诉我们的是什么？

它首先告诉我们，国产光栅读数头已经在公开参数上进入极深的电子细分区间；但它同时提醒我们，分辨率、SDE、系统精度和计量可溯源性必须分开讨论。

光栅尺的优势是标尺就在机器上，紧凑、实时、适合闭环。激光干涉测量把基准转向光学波长与光程相位，适合高等级校准与计量，但空气折射率、温度、气压、湿度、光路对准、Abbe error、cosine error 都会进入误差预算。Speckle 路线则更进一步：它可以直接利用粗糙表面的随机光场作为位置特征。

光栅尺：我先造一把尺。
干涉仪：我拿光的相位当尺。
Speckle：我追踪物体自己生成的光学指纹。

最后大家还是回到同一个问题：位移究竟被编码到了哪里，以及你能不能把那里的信息干净地读出来。

资料核验

传周科技官方产品页：TVMDGH020D（20 μm、2.5 nm、±20 nm、12 m/s、14-bit；官网标注预发布/设计验证阶段）。传周科技官方新闻：2025-12-15 TVMDGH080P（80 μm、10 nm、±50 nm、系统整体精度 <±3 μm）。本文关于 Speckle 的解释采用相干光在粗糙表面随机散射后形成颗粒状干涉场的标准物理定义。

技术文章 · 位移传感 / 光学编码器 / Speckle
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