高精度衍射光栅刻划机的最新技术进展

　　1　引　　言

　　机械刻划是加工母衍射光栅的传统方法,近年来虽然激光全息加工得到了广泛应用,但对加工闪耀光栅及刻线密度大于6000g/mm的衍射光栅,全息法还存在技术困难[1][2]。因此,采用光栅刻划机刻划依然是制作高质量母光栅最重要的手段。

　　目前,国外光栅刻划机的刻划密度已高达10,000g/mm[3],光栅刻划机普遍采用激光干涉仪进行位置反馈,新技术的不断采用极大地提高了刻划机的性能。而目前国内能够刻划的母光栅最大线密度为2400g/mm,跟踪世界光栅刻划机的技术进展具有重要的现实意义。

　　2　双重定位技术

　　在广泛采用的Rowland式光栅刻划机中,由于分度工作台惯量大,所以目前高精度刻划机的分度台有采用粗、精定位相结合的双重定位技术的发展趋势[3]。图1所示的结构为日本Hitachi公司的一台光电式光栅刻划机的分度工件台。它由上下两层构成,下层为传统的螺旋传动,用于粗定位;上层为压电陶瓷驱动台,用于精定位。两层之间用弹簧片相连,可保证光栅毛坯在栅距方向上能无摩擦地移动。

　　这种双重定位的传动结构极大地提高了刻划机的定位精度,使其达到纳米量级。随着以压电陶瓷为代表的微驱动器技术日臻成熟,其在光栅刻划机上的应用已成为一种发展趋势。

　　3　两种光栅刻划机的技术融合

　　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。

　　3.1　间歇式与连续式光栅刻划机的对比

　　由于螺旋传动的惯量较大,所以间歇式刻划机在控制精度方面要低于速度经锁相控制的连续式刻划机;在生产率上连续式刻划机也占有明显优势。但其缺点是连续刻划产生的振动会影响刻槽质量,另外,由于刀桥机构采用曲柄连杆装置,很难保证刀桥速度绝对均匀,这亦会影响到刻槽的直线度。

　　3.2　间歇式与连续式光栅刻划机的技术融合

　　针对间歇式与连续式光栅刻划机的特点,二者之间的技术融合已成为发展趋势:既有间歇式刻划机的高质量刻槽,又有连续式刻划机的高精度和高生产率。图2的控制系统体现了这种思想,它是针对工件台为图1所示结构的刻划机设计的。

　　该控制系统主要由两大回路构成:由激光干涉仪反馈,经数模转换器、积分器和放大器控制压电陶瓷伸缩的反馈控制回路;由伺服电机与主电机联合控制的下层工作台控制回路。下层工作台连续运动,通过环路与上层工件台协调动作;压电陶瓷在激光干涉仪的反馈控制下作锯齿运动(反复伸长和缩短),因此,工件台在上下两层台的共同作用下产生间歇运动。