高精度的光电式衍射光栅刻划机

　　1　引　　言

　　衍射光栅是现代光谱仪器的核心器件,采用光栅刻划机刻划依然是制作母衍射光栅的主要手段。目前国外光栅的刻划密度已高达10,000g/mm[1],早期的纯机械式刻划机已不可能进行如此高密度的刻划,发达国家的光栅刻划机几乎都是采用激光干涉仪进行位置反馈的光电式刻划机。而目前国内刻划的母光栅刻线的最大密度为2400g/mm,因此,研究高精度的光电式光栅刻划机具有重要的现实意义。

　　2　衍射光栅刻划机的基本类型

　　衍射光栅刻划机的基本设计思想是相同的[2],都要提供光栅毛坯与金刚石刻刀之间的相对运动,其基本设计型式如图1所示。

　　(a)图为牛头刨式,是Rowland研制的,其固定式刀桥作往复式刻划运动,工件台在下面作栅距分度运动;(b)图为龙门刨式,与Rowland式相反,其刀桥作栅距分度运动,工件台作往复运动;(c)图为工件台固定,刀桥作往复和分度运动。选择何种型式的设计主要取决于所要求刻划的光栅的型式和尺寸,目前,大多数的刻划机采用Rowland式结构。

　　3　典型的光电式光栅刻划机

　　光栅刻划机按其分度运动可以分为间歇式和连续式两大类,它们各有特点。大多数早期的光栅刻划机都是间歇式的,为了提高刻划效率和便于运动控制,目前国外大多数的现代刻划机普遍采用丝杠连续式。

　　3.1　间歇式刻划机

　　所谓的间歇式是指刻划机的分度运动在刻划时保持静止的设计型式。图2为长春光机所的光电式光栅刻划机的结构图。

　　图中基准光栅固定在工作台上,随光栅毛坯一起移动。光源的光经过分光镜分成两束后均照在等栅距的基准光栅上,经衍射返回分光镜,在光电接收器处产生干涉条纹。以干涉条纹作为分度系统启停的控制信号,实现光栅刻划机间歇式的分度定位。目前该刻划机所能刻划光栅的最大密度为2400g/mm。

　　该刻划机的独特之处是采用了等光程棱镜光栅干涉仪,所刻划的光栅栅距由下式给出:

　　d=Δφ*D/4πm

　　其中,D为基准光栅的光栅常数,Δφ为相位变化量,m为衍射光级次。

　　当然,光栅干涉仪可由激光干涉仪代替,但环境参数的影响较大。

　　3.2　连续式刻划机

　　连续式刻划机的分度运动是非间歇性的,所刻划的光栅的栅距是由刀桥系统和分度进给系统之间通过锁相控制保证的。图3为典型的连续式刻划机的控制结构图。

　　该系统以刀桥的分频信号作参考信号,与工件台反馈的干涉信号进行锁相控制,通过编码器反馈对电机进行调速,在两系统速度锁定状态下,可刻划出要求的等栅距光栅。