刻划光栅中刻划刀的刃口半径影响研究

刃口半径是金刚石刻划刀的重要参数之一,影响光栅的衍射效率、刻划刀的刻划深度及刻划力。本文利用计算公式分析刃口半径对衍射效率、刻划深度的影响;另外,利用有限元软件模拟光栅的刻划过程,得出不同刃口半径对刻划力的影响曲线,为正确选择刃口半径提供了理论依据。

刻划光栅制造技术研究进展

刻划光栅的槽形为三角形或梯形、自由光谱范围窄、理论分辨本领与平面光栅有可能达到的最高分辨本领相差无几、角色散比平面光栅高几倍,为了利用这些优点研究人员对光栅刻划机不断改进。本文论述了刻划光栅制造技术的进展,首先分析了刻划光栅传统的制造方法,介绍了各种技术的原理及成果。讨论了刻划光栅最新的制造技术,最后对刻划光栅制造技术的发展趋势做了简要预测。

刻划光栅刻线弯曲误差在线修正技术研究

刻划光栅存在刻线弯曲误差,将直接影响光栅的衍射波前质量。通过构建光栅刻线弯曲误差与衍射波前的映射关系,搭建了光栅刻线弯曲误差的实时测量光路,论述了光栅刻划机主动控制技术原理,将光栅刻划机主动控制技术用于光栅刻线弯曲误差的在线补偿。通过对比光栅刻划实验验证该方法的可行性。上述方法能够准确提取并有效补偿光栅刻线弯曲误差,将光栅衍射波前由0.074 λ提高到0.038 λ,提高了48.6%,同时有效地解决了光栅表面弯曲问题。其研究结果可用于提高机械刻划光栅质量,具有重要的理论及应用价值。

机械刻划光栅的光线追迹方法

为了评价光栅的光谱质量,完成所设计光栅的光线追迹,针对机械刻划光栅的光线追迹提出了一种改进方法。在费马原理的基础上利用光程函数法得到入射光通过光栅后的光谱分布情况,再使用传输矩阵的计算方法构造出光谱的点列图。该方法适用于刻划在平面、球面和非球面基坯上的等间距和变间距光栅,光栅的光谱面可以为平面或者二次曲面。通过刻划在非球面基坯上的凹面光栅验证了光线追迹方法的可靠性。

衍射光栅刻划机的闭环控制系统

以S3C2440A为控制核心,设计了衍射光栅刻划机的高精度运动控制系统,实现了现场显示、实时控制等功能。用S3C2440A微控制器控制伺服电机和步进电机完成光栅刻划的分度运动和刻划运动,通过SiGNUMTM RELM直线光栅尺反馈和PD加前馈控制算法补偿由于惯性等原因造成的分度误差,并用MATLAB对使用PD加前馈控制算法的分度运动进行仿真。采用RON225增量式角度编码器反馈以补偿执行刻划运动的步进电机因失步造成的误差,通过分析和处理实验数据获得分度运动最佳速度和伺服电机在此分度运动速度下停止时的过冲距离。最后,对可能产生控制误差的原因进行了初步分析,并提出了需要进一步改进和完善之处。

大光栅刻划机工作台的摆角矫正机构研制

大光栅刻划机若存在摆角误差,将直接影响刻划光栅的波前质量。首先,计算得到李特洛设置下的摆角误差与波前质量的映射关系。其次,论述了双压电触动器校正摆角的工作原理,并设计了摆角测量光路,测量在该结构下工作台的摆角校正能力。最后基于以上结构对工作台进行刻划实验。结果表明在具有400×500光栅刻划能力的刻划机上,采用双压电触动器校正工作台摆角误差,能够满足±5μm行程范围内±2″校正范围的要求;实验表明摆角误差校正后工作台的偏转角度由0.42″降低至0.02″,校正后的摆角误差相比于校正前降低了95.24%,满足对工作台摆角校正精度的要求,提高了光栅的波前质量。以上实验结果为刻划出高精度大面积光栅提供了基础保障。

基于槽形函数拟合的刻划光栅衍射特性分析方法

作为对光栅刻划工艺的理论指导,提出了一种基于槽形函数拟合的机械刻划光栅衍射特性分析方法,解决了高刻线密度光栅衍射效率测量值与理论值偏差较大的问题.以刻线密度为1200l/mm的紫外光栅为例,对光栅主截面上的实际槽形纵横坐标扫描取值,进而拟合出槽形函数,经理论计算找到了导致衍射效率偏低的原因,并通过改进工艺,使光栅衍射效率提高了约20%.

光栅刻划刀架系统的运行精度对光栅光谱性能的影响

采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻线弯曲和刻线位置误差的光栅衍射谱成像数学模型,分析了上述误差对光栅光谱性能的影响。针对刻划刀架系统运行不稳定问题,设计了一套光学测量结构,并提出了刻划刀架系统的机械改进方案:采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式。最后,进行了刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验。刻划刀架运行稳定性测试实验表明:改进后的刻划刀架系统运行稳定性比改进前有显著改善,位移曲线重复性误差PV值由127nm降低到13nm,降低了约89%。光栅刻划实验表明,刻划刀架系统改进后,光栅光谱性能有明显的改善,光栅杂散光得到了有效抑制。得到的实验结果与仿真分析结果较为一致,为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。

紫外刻划光栅母版及二代版衍射特性的模拟与分析

运用微分理论对刻线密度为1200 lp/mm的紫外刻划光栅母版及其二代复制版的衍射特性做了模拟,指出了二者之间存在的差异,并与测试结果做了对照。数值模拟表明,紫外刻划光栅二代复制版的衍射特性与其母版略有不同,原因是光栅槽形发生了改变,分别给出了采用多项式拟合槽形函数和傅里叶级数拟合槽形函数的方法。此理论分析方法为澄清光栅复制工艺中的争议完善翻版技术以及寻找提高紫外光栅衍射效率的途径提供了很好的理论参考依据。

机械刻划长焦距凹面金属光栅的研制

对大曲率半径(即长焦距)金属基底凹面光栅的机械刻划技术做了研究。为了刻制长焦距凹面光栅,设计和研制了弹性顶针式光栅刻划刀刀架,它具有适用于刻划平面光栅和长焦距凹面光栅的双重功能。给出了描述光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径与凹面光栅曲率半径、光栅口径、金刚石刀头横向尺寸之间关系的数学表达式,理论分析了光栅刻划刀圆弧形刀刃曲率半径的取值范围,研制了10.6μm激光系统用曲率半径为30 m的凹面金属光栅。检验结果表明,光栅的槽形质量较好,光栅的衍射效率可达96.8%以上。

大型衍射光栅刻划机刀架系统的设计

设计了一套光栅刻划机刀架系统。该系统将刻划刀具部分安装于能绕鞍形滑块自由转动的安装板上,利用铰链机构来实现了刀架刻划部分与承重部分的分离,降低运动中鞍形滑块的变形、偏移等对金刚石刻刀的影响。分析了刀架运动中产生的误差以及该误差对金刚石刻刀的影响。提出了一种新型检测光路结构,该结构利用双频激光干涉仪测量运动中刀架相对于导向导轨的位移变化。结果显示,刀架单向行程约70mm时,刀架在光栅刻划阶段相对于导向导轨在分度方向的最大位移值约为60nm。由于在刻划阶段,膜层对金刚石刻刀存在约束作用,所以金刚石刻刀相对于导向导轨的实际位移会更小。利用新的刀架结构刻制了一块70mm×70mm,600gr/mm的衍射光栅,对比利用原刀架结构刻制的光栅,该光栅杂散光强度减弱,质量提高。

高精度衍射光栅刻划机的最新技术进展

采用高精度的衍射光栅刻划机刻划依然是制作高质量母光栅最重要的手段 ,因此 ,跟踪世界光栅刻划机的最新技术进展具有重要的现实意义。文中主要对工件台的双重定位技术和分度运动中的间歇式与连续式的技术融合进行了阐述 。

高精度的光电式衍射光栅刻划机

光栅刻划机被誉为“精密机械之王”,采用高精度的衍射光栅刻划机刻划依然是制作高质量母光栅最重要的手段 ,因此 ,对高精度的光电式光栅刻划机进行研究具有重要的现实意义。文中主要阐述了两类光电式刻划机的控制原理 。

大型衍射光栅刻划机拉杆结构的分析与改进

由于大型衍射光栅刻划机刻划系统的双拉杆结构不能使其满足精度指标要求,本文设计了一套单拉杆结构。讨论了石英导轨分度方向弯曲误差产生的原因及其减小该误差的方法,分析和比较了两种拉杆结构的鞍型滑块的受力情况。基于材料力学弯曲变形理论,建立了石英导轨分度方向弯曲误差模型。在该模型的基础上仿真了双、单拉杆结构下刻划系统的石英导轨在分度方向上的弯曲变形误差。最后,使用双频激光干涉仪对石英导轨上的两个特征测量点进行了测量。测量结果显示：改进后的拉杆结构使得石英导轨在两特征测量点处的位移误差由50.36nm降低到小于10nm,满足大型衍射光栅刻划机刻划系统在分度方向上5~10nm的精度指标要求。

基于图像清晰度检测的光栅刻划平台调平装置

针对制备衍射光栅时刻划平台倾斜导致的光栅槽型误差,提出了一种基于图像清晰度检测与电动倾斜台调节的光栅刻划平台在线调平装置。建立了图像清晰度与光栅刻划平台倾角间关系的模型,应用该模型,控制光栅刻划平台在一定范围内实现了闭环动态调平。对上述理论研究进行了试验验证。试验结果表明,该调平装置简单可行;对于50mm×50mm的光栅毛胚,调平装置可控制刻划平台的水平倾角在4″以内,满足光栅刻划对平台定位精度的要求。该装置既可用于刻划前的调平准备,也可推广应用于光栅刻划过程中的实时检测。

光栅刻划机的建模与仿真方法研究

用于制作母光栅的光栅刻划机的性能指标直接决定最终生产的光栅质量。为此,采用基于虚拟样机的联合仿真策略,代替传统的物理样机开发。利用动力学分析软件Pro/Engineer和控制仿真软件Simulink分别建立光栅刻划机机械动力学模型及控制系统模型,实现机电一体化仿真分析。根据仿真结果确定控制系统参数,实验结果表明,使用该方法可降低开发成本,提高研发效率。

光栅刻划机超精密定位系统定位控制研究

对光栅刻划机超精密定位系统的定位控制以及实验进行探索研究.鉴于控制模型和实验分析验证出光栅刻划机超精密定位系统具有较强的非线性和时变性,提出将基于BP神经网络的PID控制方法用于光栅刻划机定位系统控制,利用神经网络的自学习实时调节PID控制参数,实现精密定位的自适应控制.通过控制实验,稳定地获得了5nm以内的定位精度.

光栅刻划机刻划系统光机电集成优化方法研究

针对大面积衍射光栅刻划机在宏观尺度下进行微纳加工的工作特点以及纳米级刻线检测困难的问题,提出了一种光机电集成优化方法.此方法采用计算傅里叶光学和弦振动理论进行光栅刻线误差分析,结合振动实验及光学测量进行验证,最后采用智能优化方法对刻划系统进行结构参数优化.虚拟样机仿真结果表明,刻划系统的振动幅度降低了30%,验证了该集成优化方法的有效性.

利用修正板实现光栅刻划机刀架等速运动

利用曲线修正板对曲柄滑块机构运动速度进行补偿,实现了光栅刻划机刀架的等速运动。建立了运动机构的数学模型,推导了等速修正板曲线参数方程。并且针对该机构,分析了由于安装误差所引起的等速误差,通过模拟计算得出了误差曲线。分析发现,修正板初始安装位置水平方向误差在1 mm内,得到的等速误差在2%以内,初始安装位置竖直方向误差只改变刀架初始位置,不影响等速精度。

中阶梯光栅刻划刀具抗磨损设计

采用DEFORM有限元分析软件模拟中阶梯光栅刻划刀具在光栅刻划过程中的应力分布,并结合金刚石晶体解理特征设计了抗磨损刀具刃口取向。当光栅刻划刀具刃尖点受最大摩擦力方向平行于金刚石晶体周期键连(PBC)方向,且刀具Z向载荷垂直于(111)晶面时,定向面与(111)晶面夹角为27°,非定向面与(111)晶面夹角为63°;光栅刻划刀具在72 g负载条件下,刻程超过17 km时,刀具刃口无崩口等缺陷。采用该方法设计的光栅刻划刀具使用寿命大大超出了传统刀具的使用寿命(刻程约0.8 km),证明了中阶梯光栅刻划刀具抗磨损设计方法的合理性和有效性。