Устройство для записи радиальной дифракционной решетки

 

(19)RU(11)1099747(13)C(51)  МПК ⁶    _G02B5/18Статус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ РАДИАЛЬНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для получения радиальных дифракционных решеток, используемых в системах прецизионного измерения угловых перемещений. Известно устройство для записи радиальной дифракционной решетки, включающее круговую делительную машину и стеклянный диск с металлизированным покрытием, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси. В этом устройстве диск совершает последовательные повороты на заданный угол с помощью круговой делительной машины, а после каждого поворота выполняется гравирование штриха решетки путем снятия алмазным резцом слоя металлизированного покрытия. Недостатком данного устройства является изнашивание резца в процессе изготовления решетки из-за прохождения им большого расстояния, что сказывается на форме и точности штрихов в начале и конце нарезки, приводит к ограничению периода и высоты штрихов и к ограничению общего количества штрихов. Кроме того, для получения решетки с помощью этого устройства требуется большое время (десятки часов). Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является устройство для записи радиальной дифракционной решетки, содержащее осветительную систему, диск со светочувствительным слоем, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси, и неподвижную диафрагму, установленную с зазором параллельно поверхности этого диска. В этом устройстве осветительная система содержит один некогерентный источник света, а диафрагма выполнена в виде маски с пятью прозрачными радиальными штрихами. В процессе записи диск с фоторезистором поворачивается с шагом, равным угловому шагу между штрихами маски. После каждого поворота выполняется экспонирование диска сквозь щели маски и т. д. до полного оборота диска. В результате каждого экспонирования на его поверхности одновременно регистрируются пять штрихов. Переналожения копируемых штрихов маски, возникающие при указанном повороте диска, позволяют уменьшить влияние погрешностей позицирования диска на точность записи радиальной решетки, а также сократить время записи всего диска в 5 раз по сравнению со случаем однощелевой маски. Недостатками данного устройства являются невысокая точность записи, обусловленная относительно низкой точностью изготовления маски и ошибками позиционирования, а также большая длительность процесса записи, пропорциональная общему числу штрихов (для записи 8000 штрихов требуется около 9 ч). Цель изобретения повышение точности и быстродействия устройства. Это достигается тем, что в устройстве для записи радиальной дифракционной решетки, содержащем осветительную систему, диск со светочувствительным слоем, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси, и неподвижную диафрагму, установленную с зазором параллельно поверхности этого диска, осветительная система выполнена в виде двух точечных когерентных источников света, расположенных между осью вращения диска и диафрагмой симметрично относительно плоскости, проходящей через эту ось и центр диафрагмы, а отверстие в диафрагме выполнено в виде кольцевого сектора. На фиг. 1 представлена оптическая схема одного из возможных вариантов реализации предлагаемого устройства; на фиг. 2 схема относительного расположения точечных когерентных источников, диафрагмы и диска. Устройство состоит из диска 1 со светочувствительным слоем, полевой диафрагмы 2, выполненной в виде кольцевого сектора, и осветительной системы, формирующей два точечных когерентных источника, включающей лазер 3, светоделительную призму куб 4, зеркала 5, 6, 7, два короткофокусных объектива 8, 9, и два точечные диафрагмы 10, 11, которые и создают изображения когерентных точечных источников. Изображения источников 10, 11 располагаются между осью вращения 12 диска 1 и диафрагмой 2 симметрично относительно плоскости, проходящей через эту ось и центр диафрагмы 2. Возможно и другое конструктивное оформление осветительной системы. Необходимо лишь сформировать с ее помощью два когерентных точечных источника, расположенных вышеуказанным образом. Координаты а и в источников 10, 11, обеспечивающие формирование решетки с заданными значениями углового шага Φ и среднего радиуса дорожки r_o, должны удовлетворять соотношениям
a + c;
b 1 r_o, где
c₁= 1 ;
c₂= ;
λ длина волны излучения источников 10, 11. При этом значение третьей координаты источников h выбирается в соответствии с условием
h ≅ 1 2 , где
G так, чтобы было обеспечено достаточно большое отличие угла падения световых лучей на поверхность диска 1 от угла 90^о, с целью уменьшения доли отраженного света, т. е. для увеличения эффективности взаимодействия излучения со светочувст- вительным слоем. Угловые размеры γ кольцевого сектора диафрагмы 2 определяются в зависимости от величины допустимой угловой погрешности сектора решетки Δϕ в соответствии с выражением
γ 2(6Δϕ)1+ . При этом отношение n долж но быть целочисленным. Высота штрихов решетки, а следовательно, и ширины кольцевого сектора определяется размерами считывающей системы (апертурой фотодиода), используемой на этапе измерения углов совместно с записанной решеткой. Устройство для записи радиальной дифракционной решетки работает следующим образом. Пучок когерентного света, генерируемый лазером 3, делится призмой кубом 4 на два. Затем пучки направляются с помощью зеркал 5, 6, 7 на два короткофокусных объектива 8, 9, которые фокусируют их на точечные диафрагмы 10 и 11. Таким образом, осветительная система создает два точечных когерентных источника, сферические волны от которых в результате взаимодействия формируют в зоне диафрагмы 2 интерференционное поле с радиальными интерференционными полосами. Именно этот участок радиального интерференционного поля через диафрагму 2 засвечивает непосредственно светочувствительный слой диска 1. После экспонирования первого участка диск 1 поворачивают на угол γ равный угловому размеру кольцевого сектора диафрагмы 2, и экспонируют второй участок. Далее процесс повторяют, пока не запишется полностью весь диск. Процесс заканчивается химической обработкой диска 1. В результате указанных действий на диске будет записана радиальная дифракционная решетка с угловым шагом
Φ 1+ и со средним радиусом дорожки
r_o= . Следует отметить, что перед процессом записи необходимо провести тонкую юстировку расстояния 2а между источниками 10, 11 с тем, чтобы в угле γ укладывалось целое число угловых шагов решетки Φ. Данную юстировку можно осуществить следующим образом. На место записываемого диска 1 устанавливают вспомогательный диск и проводят однократное экспонирование и отсутствие диафрагмы 2. Проводят химическую обработку диска, получая таким образом фрагмент вспомогательной радиальной решетки. Измеряют фазу муаровой картины, образуемой при взаимодействии двух сферических когерентных волн и вспомогательной решетки в некоторой точке А ˙Φ_A¹. Поворачивают диск на угол γ и попадают в другую точку В. Управление поворотом диска осуществляется известными способами с помощью высокоточных делительных устройств. Измеряют фазу муаровых полос в точке В ϕ_B¹. Возвращают диск в исходное положение. Измеряют разность фаз между точками А и В: Δϕ_AB=ϕ_A¹-ϕ_B¹. Подъюстировкой расстояния 2а между источниками выставляют новое значение разности фаз между точками А и В согласно формуле
= Δϕ_AB+(ϕ^I_A-ϕ^I_A^I), обеспечивая тем самым целочисленность отношения N γ/Φ. При последовательных поворотах диска 1 фазировка отдельных участков может осуществляться либо традиционным методом с помощью высокоточного делительного устройства, либо с помощью нефазированных голографических решеток. С помощью предлагаемого устройств была записана радиальная голографическая дифракционная решетка. Записанная решетка и само устройство имели следующие параметры:
r_o 100 мм средний радиус решетки;
Φ 2 с угловой шаг решетки;
Δϕ 1 с угловая погрешность сектора решетки;
h 25 мм
a ± 27,3 мм координаты источ-
b 17,3 мм ников;
γ 34,4' угловая апертура кольцевого сектора;
d 10^-3 мм линейный период решетки;
N 997 лин. число штрихов в секторе решетки;
n 628 полное число секторов на решетке;
nN 626000 лин. полное число штрихов решетки;
V 652 лин/мин удельная скорость записи штрихов решетки. При использовании данного устройства точность записи по сравнению с устройством-прототипом возросла в 10 раз, а время записи сократилось в 40-50 раз. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения характери- зуется существенно большими точностью и быстродействием.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПИСИ РАДИАЛЬНОЙ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ, содержащее осветительную систему, диск со светочувствительным слоем, установленный с возможностью поворота вокруг своей оси, и неподвижную диафрагму, установленную с зазором параллельно поверхности этого диска, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, осветительная система выполнена в виде двух точечных когерентных источников света, расположенных между осью вращения диска и диафрагмой симметрично относительно плоскости, проходящей через эту ось и центр диафрагмы, а отверстие в диафрагме выполнено в виде кольцевого сектора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2