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。     

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10.6 μm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。     

平面衍射光栅刻划机

目前,绝大部分使用的平面衍射光栅,是在光栅刻划机刻出的光栅上复制出来的复制光栅.因此,由光栅刻划机刻出的光栅叫原刻光栅或母光栅.光栅刻划机是制造光栅的最主要设备.由于衍射光栅有精度要求高(一般在0.01微米数量级),刻划周期长(一般约五昼夜)的特点,光栅刻划机以及机器所处的条件必需与之相适应.我们已设计制造成功四台平面衍射光栅刻划机,机器所需恒温、隔振条件也已解决,现正着手设计第五台光栅刻划机,下面谈几点体会.     

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。     

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，并对其特点进行了比较。     

金属基底刻划红外光栅试制成功

<正> 金属基底刻划红外光栅是用于高能激光器如二氧化碳激光器选频用的分光元件。金属基底刻划红外光栅是选用金属材料,加工成有一定光学性能的光栅白坯、表面蒸镀一层铝或其它材料,并进行刻划而制成的。这种光栅的特点是由于金属基底传热快,在承受高温性能方面大大优于玻璃基底刻划光栅,我们曾在上海精密光学机械研究所的热情帮助下,作了比较:将一块石英玻璃基底的刻划光栅和一块金属基底的刻划光栅,用在同一个二氧化碳激光器上,结果表明石英基底刻划光栅表面铝膜很快就氧化,     

基于PLC的光栅刻划机控制系统研究

光栅刻划机作为衍射光栅最重要的制作手段,其控制系统对获得高精度光栅具有重要影响。设计并实现了以PLC为核心的光栅刻划机的控制系统,控制系统以伺服电机编码器的检测信号作为速度反馈,以光栅尺和读数头信号作为位置反馈,以温度传感器信号为温度反馈,可以极大地提高光栅刻划机的控制精度。控制系统主要包括PLC、伺服电机和伺服驱动器等硬件模块,完成PLC选型后对主要的接口电路进行了设计,并基于LabVIEW软件实现了光栅刻划机的远程监控系统,提高了光栅刻划机的效率。     

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,并指出了衍射光栅刻划机的发展趋势。     

衍射光栅机械刻划成槽过程中的应力拓扑分析

衍射光栅机械刻划属于超精密刻划,其刻划过程是利用金刚石刻刀对铝膜材料进行的多线顺序刻划。由于光栅槽面精度要求较高,而光栅槽面精度与其表面应力分布有很大关系,为此我们以衍射光栅为研究背景,通过CATIA对金刚石尖劈刀进行三维建模并利用缩小比例功能在DERORM-3D中建立衍射光栅机械刻划的有限元仿真模型,以更好地分析衍射光栅机械刻划过程中光栅槽面的应力分布情况,揭示衍射光栅机械刻划过程中槽面的弹塑性变形规律,为提高槽形质量提高依据。     

主副双刀机械刻划装置的开发与试验研究

超精密机械刻划加工领域中,在金属薄膜表面进行重复刻划(如衍射光栅)是一种罕见的加工方式,而工件材料(如铝膜)的回弹现象直接制约加工精度的进一步提高。本文根据衍射光栅机械刻划原理设计了一种主副双刀机械刻划装置的结构方案,并通过软硬件开发应用到衍射光栅机械刻划工艺的试验过程中,获得了更为精准的理想槽型的衍射光栅。通过扫描电子显微镜检测衍射光栅的槽型,分析得出主副双刀比单刀机械刻划出衍射光栅槽型的闪耀角精度提高了0.05°,进而验证了该装置的可行性,为后续工艺研究和工程应用研究提供了软硬件平台基础。     

衍射光栅刻划机微定位系统控制器设计

针对衍射光栅刻划机开环控制的定位精度不能满足指标要求的问题,在刻划机已有的状态和结构下,设计了微定位系统的控制器。首先,介绍了衍射光栅刻划机,分析了微定位系统及其定位精度指标。然后,运用系统辨识的方法,设计了微定位系统的扫频实验,建立其数学模型。接着,提出了在已有数学模型的基础上,运用实际测量数据和MATLAB/Simulink软件仿真试凑来设计控制器的方法,并设计了满足精度指标要求的控制器。最后,将设计的控制器应用于微定位系统并进行模拟刻划实验,实验结果可知:所设计的微定位系统控制器定位精度基本满足指标要求,其中峰-峰值小于40 nm,RSM值总体略大于2.8 nm。     

基于杠杆模式施载的圆弧刃光栅刻画刀具刃磨机床研制

采用圆弧刃光栅刻画刀具,实现在线换刃技术是解决光栅刻画刀具使用寿命问题的一种有效的途径。在线换刃圆弧光栅刻画刀具对刃口质量及精度要求高,刃磨制作工艺难度大,且国内外市场几无此类刃磨设备,需要自行设计制作圆弧刃光栅刻画刀具刃磨机床。在圆弧刃光栅刻画刀具刃磨试验设备设计制作及圆弧刃光栅刻画刀具刃磨制作工艺研究基础上,针对圆弧刃光栅刻画刀具的刃磨特点,设计新型的基于杠杆模式施载的圆弧刃光栅刻画刀具刃磨机床;根据传统机床的设计程序,对刃磨机床的功能、总体设计及详细结构设计展开研究,并对施载与微进给机构进行了振动分析,排除了出现共振的可能性。最后完成了该机床的机械装调,并刃磨制作一把圆弧刃光栅刻画刀具,其定向角∠D=63°,刀尖角∠J=90°,刃圆半径R=8.56mm,在460倍体视显微镜下观察无崩口等缺陷,刃口弧线清晰可见。刀具检测及观测结果表明,所设计的圆弧刃刀具刃磨机床适用于圆弧刃光栅刻画刀具的刃磨制作,所采用的分析及设计方法对圆弧刃刀具刃磨机床及其他机床的设计和研制具有实际指导意义。     

基于应变梯度理论的光栅铝膜本构关系表征及纳米压痕实验

基于应变梯度理论,提出了一种玻璃基底光栅铝膜本构关系的表征方法。建立了包含基底参数和铝膜参数的本构关系数学模型,并逐一表征了相关参数。进行了79g/mm中阶梯光栅铝膜的纳米压痕实验,验证了上述本构关系表征过程的正确性。提出了光栅薄膜材料和基底材料都具有尺度效应的假设,并应用纳米压痕实验对铝膜的尺度效应和基底效应进行了实验表征。对光栅铝膜压痕实验与含基底压深实验的结果进行了比较,结果显示,在有无基底条件下,压痕结果在应力方向上相差0.8倍,在应变方向上相差3倍。进行了光栅刻划实验,结果显示压痕实验对刻划实验具有重要的指导作用。研究过程及研究结果表明:理论分析和两种实验可有效地分析光栅刻划过程,有助于在实际光栅刻划过程中减小误差,对光栅刻划的工艺过程具有较好的理论指导意义。     

Development of a parameterized mechanical model of a chisel-edge grating ruling tool

The parameterized mechanical model is proposed to optimize chisel-edge grating ruling tool parameters, eliminate corrugated grating lines, improve surfaces roughness of blaze plane, and reduce complex fabrication works such as step-by-step modification of tool guide angle. A mathematical model of force and torque between the diamond tool and the metallic film during the ruling process is deduced to realize optimized diamond tool geometrical parameter design. Then, grating ruling experiments are performed by tools with different guide angles of 75°, 95°, 115° and 135°, respectively. The experiments results agree well with the theoretical calculation value of force and torque. Experiments show that our proposed method is an effective way to solve the corrugated line and fluctuating problems on grating grooves, and can avoid complex and time-consuming technical operations such as step-by-step modification of tool guide angle. This illustrates the significance of our model for practical applications in the ruling of high-performance gratings.     

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。     

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。     

基于精密刻划及薄膜沉积技术的光盘分束光栅研制

尝试了采用光栅刻划和镀膜技术相结合研制光盘分束光栅的方法。采用光栅刻划机在金属膜上刻制占宽比为1:1的黑白光栅,并由黑白光栅翻制出制作光盘分束光栅的掩模版。通过掩模版对涂覆在K9玻璃基底上的光刻胶实施曝光和显影形成光刻胶矩形浮雕光栅,在理论设计的误差允许范围内,对此浮雕光栅沉积SiO2薄膜、去除残余光刻胶后得到SiO2矩形光栅母版,再经复制工艺制作了环氧树脂光盘分束光栅。测试结果表明,利用光盘分束光栅的纵向和横向加工误差的互补性,可以使光栅辅助光束与读写主光束强度之比的误差控制在±0.03之内。     

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。