光栅刻划机阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响及其校正方法 下载: 966次
1 引言
衍射光栅是一种纳米级精度的、周期性浮雕结构的分光元件,其制作方法包括机械刻划、全息离子束刻蚀等[1-3],广泛应用于各类光谱仪器中[4-9]。光栅的衍射波前质量直接影响光栅的分辨本领和光谱成像质量,进而影响光谱仪的性能[10-12]。
衍射光栅刻划机是制作刻划光栅的母机,由承载光栅毛坯的分度系统和安装金刚石刻刀的刻划系统两部分组成。刻划光栅是由往复运行的金刚石刻刀在单向运行的光栅毛坯上挤压成型。光栅刻划机关键零部件的加工、整机的装调以及系统的测量等,都可能会引起刻划光栅的刻线误差,进而影响光栅的波前质量[13]。早期光栅刻划机均为纯机械式,刻线误差大,刻划精度低,衍射波前质量差。随着干涉测量技术和微位移技术的发展,及其在光栅刻划机上的应用,刻划光栅的精度得到了巨大的提高[14]。美国的MIT-C机,采用了激光干涉测量装置,宏-微双重定位系统,差动轮系作为微定位执行器件,有效地校正了分度系统机械结构和测量等引起的误差,提高了刻线精度,实现了波前质量优于
2 刻划机测量阿贝误差与光栅衍射波前质量的物理模型
2.1 分度系统工作原理
Ciomp-6分度系统采用了宏-微两重定位过程,其中宏定位过程是通过蜗轮蜗杆副和丝杠螺母副将分度电机所要旋转的角度转化为载有光栅基底的双层工作台机构在导轨副上的所要行走的位移,从而实现对光栅刻线位置的粗定位。微定位过程主要是由如
Ciomp-6采用双频激光干涉仪作为测量元件,测量光路如
刻线误差校正原理如
由几何关系可求得
通过双频激光干涉测量反馈和宏-微两重定位,构成了分度系统的闭环控制,有效地提高了系统的定位精度,减少了分度系统机械零部件的加工、装调以及分度导轨水平方向直线度等带来的光栅刻线误差,改善了刻划光栅的质量。
2.2 阿贝误差的来源
Ciomp-6的刻划系统是开环控制系统,其引起的刻线误差优先通过合理的结构来减小,测量系统
阿贝误差原理图如
2.3 阿贝误差对光栅波前质量的影响
光栅刻划机刻划系统按工作方式的不同分为连续刻划和间歇刻划两种。连续刻划是指分度系统以均匀的速度沿分度方向缓慢运行,刻线的每一点都会受不同阿贝误差的影响;间歇刻划是指刻划系统刻划时分度系统停止运行,刻划系统回程时分度系统分度,每条刻线上的每一点的阿贝误差相同。因此,从阿贝误差对刻线位置误差影响的角度上看,间歇刻划是连续刻划的特殊情况。
假设刻划系统的工作方式为连续刻划,刻线数为
则入射光经过光栅衍射后产生的光程差为
式中
光栅方程为
式中
将(6)式代入(5)式可得阿贝误差引起的光栅波前差为
Ciomp-6采用的是间歇刻划方式,则
将(8)式代入(7)式,则间歇刻划方式下阿贝误差引起的光栅波前差为
由(7)式和(9)式可知,在相同的
3 刻划机阿贝误差的测量、仿真分析和校正
由第2节分析可知,Ciomp-6现有的测量系统和机械结构,测量平面和刻划平面不可能重合,阿贝误差必然存在。为了分析阿贝误差对刻线位置误差和光栅衍射波前的影响,本文提出了阿贝误差的测量方法,设计了测量光路,测量了阿贝误差并对之进行仿真分析,最后提出了阿贝误差的校正方法。
3.1 阿贝误差的测量和仿真分析
具有阿贝误差测量功能的测量光路如
图 6. 具有阿贝误差测量功能的测量光路。(a)俯视图;(b)侧视图
Fig. 6. Measuring optical path with a function of Abbe error measurement. (a) Top view; (b) side view
假设刻划时刻线任一位置
联立(3)式和(10)式可得阿贝误差为
基于具有阿贝误差测量功能的测量光路,采用干涉仪4测量了分度系统连续运行全行程500 mm的阿贝误差,如
由于分度导轨垂直方向的直线度和圆柱滚珠的影响,分度系统阿贝误差呈现如
考虑到Ciomp-6为间歇刻划方式,对测得的数据每隔光栅常数进行采样,得
对每条刻线进行等间隔
将(12)式代入(9)式的物理模型中,则有
由(13)式可知,阿贝误差对光栅的波前质量影响与光栅的衍射级次
图 9. 阿贝误差对不同刻线密度光栅波前质量的影响。(a) 600 groove/mm; (b) 79 groove/mm; (c) 6000 groove/mm
Fig. 9. Impact of Abbe error on grating wavefront quality of different groove densities. (a) 600 groove/mm; (b) 79 groove/mm; (c) 6000 groove/mm
表 1. 阿贝误差对不同刻线密度光栅产生的波前误差值dPV
Table 1. Wavefront error value dPV of Abbe error on grating wavefront quality of different groove densities
|
由物理模型(13)式、
3.2 阿贝误差的校正
由
为了校正阿贝误差, (2) 式中测量平面内的刻线位置误差
4 光栅刻划实验
为了验证上述阿贝误差的测量和校正方法对光栅波前质量的效果,在阿贝误差校正前后分别刻划了80 mm×100 mm的79 groove/mm中阶梯光栅。为了减小其他因素的影响,使实验结果更具有说服力,该刻划实验需具备以下条件:
1) 两光栅设计参数相同,其中闪耀波长为632.8 nm,闪耀级次为-36级,衍射角为64.14°。
2) 两块光栅基地尺寸均为110 mm×110 mm×10 mm,刻划区域内光栅基地面型误差优于0.1
3) 两块光栅基地上铝膜在一次镀膜实验中同时镀出,铝膜力学性能相同,测得厚度均为11.6 μm;
4) 相对于刻划机而言,两块光栅的刻划区域位置相同,两次刻划速度一致、刻刀参数相同。
运用Zygo干涉仪分别测量了两光栅闪耀级次为-36级的波前质量,如
图 10. Zygo干涉仪测量的光栅波前质量。(a)校正阿贝误差前; (b) 校正阿贝误差后
Fig. 10. Wavefront quality of the grating measured by Zygo interferometer. (a) Before revising Abbe error; (b) after revising Abbe error
由
由
5 结论
根据Ciomp-6机械结构和测量光路的特点,分析了阿贝误差产生的原因及其对光栅波前质量的影响,提出了该误差的测量方法和校正方法,进行了阿贝误差测量、仿真分析和误差补偿前后光栅刻划对比实验。结果表明,1) Ciomp-6存在的阿贝误差对光栅波前质量有较大的影响,尤其是中阶梯光栅和高刻线密度光栅,必须予以校正;2)采用本文提出的阿贝误差测量和校正方法,刻划了79 groove/mm中阶梯光栅,光栅衍射级次为-36级的衍射波前误差由补偿前的0.529
[1] 李晓天. 巴音贺希格, 齐向东, 等. 机械刻划光栅的刻线弯曲与位置误差对平面光栅性能影响及其修正方法[J]. 中国激光, 2013, 40(3): 0308009.
[2] 糜小涛, 于宏柱, 于海利, 等. 大型衍射光栅刻划机拉杆结构的分析与改进[J]. 光学精密工程, 2015, 23(3): 745-752.
[3] 宋楠, 冯树龙, 于海利, 等. 大光栅刻划机气浮刀架导轨设计与分析[J]. 中国激光, 2015, 42(4): 0408007.
[4] 杨增鹏, 唐玉国. 巴音贺希格, 等. 棱镜光栅组合色散型超光谱成像系统的优化设计[J]. 光学学报, 2014, 34(9): 0911003.
[5] 刘玉娟, 崔继承. 巴音贺希格, 等. 凸面光栅成像光谱仪的研制与应用[J]. 光学精密工程, 2012, 20(1): 52-57.
[6] 卢禹先, 齐向东, 糜小涛, 等. 基于波前法的光栅拼接误差检测及计算方法[J]. 光学学报, 2016, 36(5): 0505001.
[7] 卢禹先, 齐向东, 于海利, 等. 基于夫琅禾费原理的光栅复制拼接误差精度分析[J]. 中国激光, 2016, 43(5): 0508005.
[8] 于磊, 林冠宇, 于向阳. 空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学设计[J]. 光学学报, 2013, 33(1): 0122001.
[9] 杨超, 于海利, 冯树龙, 等. 光栅刻划刀架系统的运行精度对光栅光谱性能的影响[J]. 光学精密工程, 2014, 22(10): 2674-2682.
[10] 李晓天. 巴音贺希格, 齐向东, 等. 刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法[J]. 光学学报, 2012, 32(11): 1105001.
[11] 于海利, 齐向东. 巴音贺希格, 等. 利用泽尼克系数求衍射光栅的分辨本领[J]. 光谱学与光谱分析, 2012, 32(1): 264-267.
[12] 杨超, 于海利, 张善文, 等. 光栅刻划机衍射波前质量的主动控制校正方法[J]. 中国激光, 2015, 42(1): 0108002.
[14] 糜小涛, 于宏柱, 高键翔, 等. 大型衍射光栅刻划机微定位系统控制器设计[J]. 仪器仪表学报, 2015, 36(2): 473-480.
[16] Harrison G R, Thompson S W, Kazukonis H. et al. 750-mm ruling engine producing large gratings and echelles[J]. Journal of the Optical Society America, 1972, 62(6): 751-756.
[17] 李晓天, 于海利, 齐向东, 等. 光栅刻划机300 mm行程工作台研制及其自适应控制方法[J]. 中国激光, 2014, 41(6): 0608001.
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糜小涛, 于海利, 于宏柱, 齐向东, 李晓天, 万秋华. 光栅刻划机阿贝误差对光栅衍射波前质量的影响及其校正方法[J]. 中国激光, 2017, 44(9): 0904001. Mi Xiaotao, Yu Haili, Yu Hongzhu, Qi Xiangdong, Li Xiaotian, Wan Qiuhua. Influence and Revising Method of Grating Ruling Engine′s Abbe Error on Quality of Grating Wavefront[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(9): 0904001.