Способ изготовления низкочастотных амплитудных решеток и алмазный резец для нарезания низкочастотных амплитудных решеток

 

Сущность изобретения: наносят слой алюминия на стеклянную подложку и фор мируют в нем штрихи алмазным бицилиндрическим резцом дополнительной плоской гранью и последующим протравливанием штрихов. Разворачивают резец в сторону, противоположную направлению перемещения заготовки решетки на угол определяемый соотношением arcsln p 2k d --------тгде d - постоянная на (Р R tga) 1/2 резаемой решетки; к - отношение прозрачного участка решетки к ее постоянной; Р - ши-рина дополнительной грани резца: п угол заточки боковых граней резца; R - радиус кривизны лезвия резца. Радиус кривизны лезвия резца составляет 1,3-1,7- мм, а ширина дополнительной плоской грани составляет 0,000.5-0,0009 мм. 2 с.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСTVIЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (slis G 02 В 5/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГOCllATEHT СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4901558/33 (22) 14.01.91 (46) 30.01.93. Бюл. ¹ 4 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) Н,М. Балясников и И,И. Кузьмин. (56) Авторское свидетельство СССР

N; 141643, кл. G 02 В 5/18, 1960:

Авторское свидетельство СССР

¹ 1144785, кл. В 23 B 27/20, 1982. (54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЗКОЧАСТОТНЫХ АМПЛИТУДНЫХ РЕШЕТОК И

АЛМАЗНЫЙ РЕЗЕЦ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ

НИЗКОЧАСТОТНЫХ АМПЛИТУДНЫХ РЕШЕТОК (57) Сущность изобретения; наносят слой алюминия на стеклянную подложку и фор.-. мируют в нем штрихи алмазным бицилиндИзобретение относится к технологии изготовления прозрачных дифракционных решеток, сеток, лимбов и, в частности, к изготовлению низкочастотных амплитудных решеток и алмазным резцом для их нарезания.

Дифракционная низкочастотная амплитудная решетка представляет собой регулярную структуру прозрачных и непрозрачных участков штрихов, выполненных в слое металла, нанесенного на стеклянную подложку с частотой деления от 37,5 до

500 штр/MM. Применяемые в настоящее время низкочастотные амплитудные решетки имеют отношение пропускающей части к постоянной решетке, как 0,2-0,5 с допуском на ширину пропускающей части, не превышающей 57ь ее ширины.

Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления прозрачных решеток

„„ 4 „„ l?91787 А1 рическим резцом дополнительной плоской гранью и последующим протравливанием штрихов. Разворачивают резец в сторону, противоположную направлению перемегце.ния заготовки решетки на угол р определяемый соотношением arcsin p

2k d где d — постоянная нарезаемой решетки; k — отношение прозрачного участка решетки к ее постоянной; P— ширина дополнительной грани резца; a— угол заточки боковых граней резца; R — радиус кривизны лезвия резца. Радиус кривизны лезвия резца составляет 1,3 — 1,7 мм, а ширина дополнительной плоской грани составляет 0,0005 — 0,0009 мм. 2 с.п. ф-лы, 5 . ил., 2 табл, для метрологических целей. Способ заключается в следующем. На стеклянную подложку наносят слой алюминия, в котором алмазным бицилиндрическим резцом формируют штрихи двухграйного симметричного профиля, при этом"nåçâèå резца ориентируют параллельно направлению его перемещения, а затем протравливанием образуют прозрачные участки. Способ позволяет получать амплитудные решетки имеющие 600 и 1200 штр/мм.

Недостаток способа заключается в том, что при использовании его для изготовления низкочастотных амплитудных решеток с частотой деления от 37,5 до 500 штр/мм, для получения прозрачного участка штри.хов необходимо удалить протравливанием эначительйо большую величину слоя в зоне штриха, чем при изготовлении высокочастотных решеток, Вследствие чего сильнее проявляется неравномерность травления

1791787

25 чины тем более должны быть оптимизирова- 30

40

55 ки; слоя, вызванная его неоднородностью, что приводит к искривлению кромок штрихов и значительному снижению качества решетки. Кроме того, лезвием алмазного резца на середине прозрачного участка на поверхности стекла наносится царапина, что также снижает качество решеток.

Наиболее близким по техн ческой сущности к предлагаемому алмазному резцу является алмазный резец, содержащий две боковые цилиндрические грани, образующие -лезвие и дополнительную плоскую грайь, образующую режущие кромки и рас% о положенную под углам 1 — 2 к плоскости, перпендикулярной продольной оси инстру мента, Недостатком резца является то, что при использовании его для нарезания низкочастотных амплитудных решеток с разворотом относительно направления его перемещения резец невозможно использовать без выбора оптимальных параметров его элементов, а именно: ширины дополнительной плоской грани и величины радиуса кривизны лезвия резца, т.к. эти величины совместно с углом его разворота определяют ширину прозрачного участка решетки, при использовании же резца для нарезания решеток с различной постоянной эти велины, т.е. однозначно должны быть определены параметры резца, Применение резца. без разворота его лезвия относительно направления перемещения резца обеспечивает нарезание решетки только одного номинала., т,е. в этом случае для нарезания решеток с разными параметрами необходимо иметь большой набор дорогостоящих прецизионных алмазных резцов, Цель изобретения — повышение качества изтотавливаемых решеток.

Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления низкочастотных амплитудных решеток путем нанесения на стеклянную подложку слоя металла, формирования в нем штрихов алмазным резцом, при этом лезвие его устанавливают относительно направления перемещения резца, затем образуют прозрачные участки решетки, согласно изобретению лезвие разворачивают относительно направления пе.ремещения резца в сторону противоположную направлению перемещения заготовки на угол р ооппррееддеелляяееммый соотношением;

2k d

arcsin p (P .) где d — постоянная нэрезаемой решет5

k — отношение прозрачного участка нарезаемой решетки к ее постоянной;

P — ширина дополнительной грани резца; а — угол заточки боковых граней резца;

R — радиус кривизны лезвия резца; а резец перемещают со скоростью 6-10 мм/с, Алмазный резец для осуществления способа изготовления низкочасготйых амп-. литудных решеток, содержащий две боковые цилиндрические грани, образующие лезвие и дополнительную плоскую грань, образующую режущие кромки и расположенную подуглом 1 — 2 к плоскости, перпендикулярной продольной оси инструмента, согласно изобретению радиус кривизны лезвия резца выбран равным 1,3.— 1,7 мм, а ширина дополнительной грани составляет

0,0005 — 0,0009 мм.

На фиг.1а изображен алмазный резец с заготовкой решетки; на фиг.1б — то же, вид сбоку; на фиг.2 — амплитудная решетка с отпечатком дополнительной грани и лезвия резца; на фиг.3 — сечение А — А на фиг.2; на фиг,4а — алмазный резец; на фиг.4б — то же, вид сбоку; на фиг. 5а — алмазный резец; на фиг,5б — резец в плоскости лезвия, сечение.

Способ изготовления низкочастотных амплитудных решеток заключается в следующем.

Нэ стеклянную полированную. подложку 1 (фиг.1) наносят слой алюминия 2 (вместе — заготовка 3). Устанавливают заготовку

3 на каретку делительной машины, снабженную алмазным резцом 4, содержащим две боковые цилиндрические грани 5 образующие лезвие 6 и дополнительную плоскую грань 7, образующей режущие кромки

8 при пересечении с боковыми гранями 5 и расположенную под углом 1 — 2 к плоскости, перпендикулярной продольной оси ¹-№ инструмента (резца), Ориентируют лезвие резца 6 относительно направления его перемещения (стрелка А) под углом р(фиг.2).

При этом резец 4 разворачивают в сторону (стрелка Е) противоположную направлению перемещения заготовки (стрелка 6), Это вызвано необходимостью сохранить изначальную адгезию алюминиевых полосок 9 к подложке 1 как можно на большей площади их контакта, чтобы данная полоска 9 не отрывалась от подложки 1, т.к. при этом амплитудная решетка как таковая не будет изготовлена, При указанном развороте резца 4 материал s зоне штриха 10 срезается лезвием и режущей кромкой 8 от монолитного слоя 2, при этом адгезия его в данной зоне не нарушается. В дальнейшем материал смещается резцом 4 из зоны штриха 10 в сторону формируемой алюминиевой полости 9 из-эа чего в материале в зоне прилегающей к ее краю (на фиг,2 зона между линией края полоски алюминия и пунктирной линией) возникают внутренние напряжения, 5 что приводит к нарушению адгезии, поскольку адгезия остальной площади контакта полоски 9 с заготовкой 1 не нарушена, отрыва ее не происходит, При развороте резца вобратную сторону,,материал при 10 формировании штриха будет отрезаться от полоски 9, противоположная сторонй которой имеет ослабленную адгезию и заготовке из-эа напряжений возникающих в этой зоне вследствие смещения материала при 15 формировании предыдущего штриха и полоска алюминия 9 отрывается от подложки

1, Практически было установлено, что при нарезании решетки с данной установкой резца 4 иногда отрывается только часть по- 20 лосок, по их длине, а иногда ряд полосок 9 отрывается полностью, что приводит решетку к браку.

Резец 4 разворачивают на угол р, определяемый соотношением 25

arcsln p

2k б (. тя ) где d — постоянная нарезаемой решетки;

k — отношение прозрачного участка нарезаемой решетки .; ее постоянной; р ширина задней грани резца; а — угол заточки боковых граней резца;

R — радиус кривизны лезвия резца.

Необходимость данного соотношения объясняется тем, что иначе невозможно выбрать требуемый угол р разворота резца 4, исходя из его параметров и решетки, т.е. получить необходимое соотношение прозрачной части штриха к постоянной решетки d. Подбор этого угла экспериментальным путем требует массу пробных установок резца, что неприемлемо, Вывод указанного соотношения приводится ниже в примере реализации способа.

После разворота резца 4 на требуемый

45 угол р его вводят в контакт со слоем 2, нагружают резец 4 и перемещают его со скоростью 6-10 мм/с.

При нарезании решеток без разворота резца материал из зоны штриха смещается от лезвия резца в стороны от него в равных объемах, что позволяет нарезать решетки при скоростях. более 10 мм/с. А при нарезании решеток с разворотом резца материалы из зоны штриха смещается одной гранью и лезвием резца по одну сторону от них, т.е, происходит смещение материала в одном направлении, по объему в два раза превышающим объем материала смещаемой одной гранью резца 4 беэ его разворота, поэтому при развороте резца 4 скорость его перемещения более 10 мм/с неприемлема.

Если резец перемещать со скоростью превышающей предел t U мм/с то резец 4, взаимодействуя со слоем на большой скорости и перемещая весь материал из зоны штриха в одну сторону, начинает вибрировать, поскольку к резцовой головке делительной машины резец 4 крепится с помощью плоской пружины. Жесткое крепление его невозможно поскольку из-за йепараллельности плоскости резания поверхности стеклянной подложки,1 последняя и резец 4 будут разрушаться, Вибрация резца приводит к образованию неровного, зигзагообразного края штриха, вследствие чего снижается качество решетки, в частности, увеличивается уровень рассеянного света и при использовании решетки, например, в дифракционных интерферометрах снижается контраст интерференционной картины, Нарезание штрихов решетки при скорости менее 6 мм/с снижается производительность делительной машины, что практически неприемлемо.

Конкретная величина снижения производительности делительной машины и качества решетки от скорости перемещенйя резца 4 приводится ниже в примере .

Алмазный резец 4 для осуществления способа содержит две боковые цилиндрические грани 5 образующие лезвие 6 с радиусом кривизны R, дополнительную плоскую грань 7 и режущие кромки 8. При этом радиус кривизны R лезвия 6 составляет от 1,3 до

1,7 мм. С уменьшением радиуса увеличивается угол рустановки резца 4, что ухудшает условия резания, т.к, при более тупом угле р необходимо прикладывать большую силу резания, что неизбежно приводит к необходимости увеличивать нормальную нагрузку на резец 4 (вдоль М вЂ” М) иначе он будет

"всплывать", т.к, боковые грани резца 4 заточены под углом а к поверхности слоя 2 менее 90 (а = 30 ), С увеличением угла р ухудшается также условие смешения отва- ла материала из эоны штриха, т.е, в этом случае также необходимо увеличить силу резания (в направлении перемещения резца 4) чтобы увеличить составляющую за счет"ко торой происходит смешение материала, Что приводит к необходимости увеличить нормальную нагрузку на резец, что приводит к необходимости увеличивать нормальную нагрузку на резец, а это в свою очередь увеличивает давление резца на стеклянную подложку и разрушает ее приповерхност- ный слой; а также приводит к скалыванию

1791787 алмазного резца (алмаз обладает высокой твердостью, но он хрупкий и довольной легко поддается раскалыванию, особенно по плосКосТАМ спайности). Кроме того, уменьшение радиуса R лезвия 6 резца 4 приводит к уменьшению величину контактной зоны резца 4 с заготовкой 3, что увеличивает удельное давление резца 4 на заготовку 3, вследствие чего увеличивается износ резца

4 и не выдерживается (К) отношение прозрачного участка i к постоянной решетке d по ее ширине (перпендикулярно штрихам).

Исходя из экспериментальных данных, было установлено, что оптимальной величиной радиуса R лезвия 6 резца 4 по нижней границе является величина, равная 1,3 мм.

Ограничение радиуса R лезвия 6, по верхней границе, величиной, равной 1,7 мм, обусловлено тем, что с увеличением R, увеличивается и длина дополнительной грани

7, а следовательно, уменьшается угол разворота а и при изготовлении решеток с часто- . той деления 500 штр/мм и с малым значением К данный угол будет очень малым и практически его не установить. Необходимо также затачивать п ротяжен ную режущую кромку 8, что увеличивает трудоемкость изготовлейия прецизионного алмазного резца 4.

Ширина дополнительной плоской грани

7 по максимальному значению, равному

0,0009 мм, обусловлена, тем, чтобы можно было изготовить решетку 500 штрlмм, К.=.

=0,5(d =2 мкм,1=1 мкм), т.к, после йрохода резца 4 на протравливание прозрачного участка остается припуск 0,0001 мм т,е. минимальное допустимая величина (при этом резец 4 не разворачивается).

Ограничение грани 7 по ширине размером 0,0005 мм вызвано тем, что при меньiUvix размерах контактная площадь резца будет очень малой, удельное давление резца 4 на заготовку 3 возрастает и 3Т0 приведет к разрушению как резца так и прйповерхностного слоя стеклянной подложки 1, Кроме того, трудоемкость изготовления резца 4 с шириной дополнительной грани 7 менее 0,0005 мм резко возрастает, что не целесообразно, .Пример. Необходимо изготовить айплитуднйе решетки с параметрами; .. а) 100 штр/мм, К =- 0,5, d = 10 мкм, апертура 100х100 мм, Толщина слоя 2 алю 2 миния 0,3 мкм. . б) 500 штр/мм, К = 0,5; d = 2 мкм; апертура 100х100 мм2. Толщина слоя 2 алюминия 0,3 мкм.

Выбираем параметры резца:

R = 1,5й0,2 мм; P = 0,0007+0,0002 мм, а= /=30

Из фиг,3 видно, что цилиндры граней 5 имеют в сечении общий эллипс, если секу5 щая плоскость проходит по лезвию резца..

Известно, что радиус кривизны для вершины эллипса при большой оси его выражается зависимостью

b2

10 1 . а (1) где b — малая полуось эллипса; а — большая полуось эллипса;

b = r, где г — радиус цилиндра грани

15 резца.

2а, а (2)

sin (90 — а): . cos а подставляя в выражение (1) значение "а" и

"в".получим ч=йсоз а: .. (3)

Поскольку нам известно значение радиуса R лезвия, то подставляй его в (3) получим

r = (1,5 0,2) cos 30 = 1,73 +-0,23 мм

25 т.е. радиус цилиндра граней резца выбираем равным 1,73+0,23 мм, Приводйм вывод соотношения угла разворота ф резца.

Известно, что хорда, стягивающая края дуги (в нашем случаем хорда 1) равна . (4) 1—

2 где h — стрелка кривизны, равная толщине

35 алюминиевого слоя (глубине штриха), Поскольку h мало, то величиной h можно пренебречь, тогда выражение (4) преобразуется (5)

Из фиг.4 следует h = — tg а;подставляя значение h в выражение (5) получим;

1 =

1—

Поскольку i =1 sin р(из рис,2), ть

sing — — .; К= —., .1 21 (R P tg<) 1 2 d

45 тогда

slA p

2k d (Р R tga)

Приводим зависимость величины производительности делительной машины и качества решетки от скорости перемещения резца. в табл.1.

Иэ табл.1 следует, что с уменьшением скорости перемещения резца производительность машины достаточно резко падает, а с увеличением — падает контраст

30

Таблица 1 интерференционных полос, т,е. снижается качество решеток.

Приводим зависимость угла разворота р резца, длины дополнительной грани (хорды L) от величины радиуса R лезвия резца и влияние данных параметров на качество решеток (R = 0,0007 мм) в табл.2.

Из данных, приведенных в табл.2, видно, что с уменьшением радиуса кривизны R лезвия резца уменьшается длина дополнительной грани резца (хорда 1 ), а угол разворота р резца возрастает, при этом износостойкость резца и контракт интерференционных полос ухудшаются, т.е, данные табл. 1 и 2 подтверждает приведенные обоснования отличительных признаков изобретения.

Формула изобретения

1. Способ изготовления низкочастотных амплитудных решеток, включающий нанесение на стеклянную подложку слоя металла, формирование в нем штрихов с помощью алмазйого резца и образование прозрачных участков решетки травлением, отличающийся тем, что, с целью повышения качества изготавливаемых решеток, разворачивают лезвие резца относительно направления перемещения его в сторону, противоположную напраалению перемещения эаготовкй,"" йа " уг0h- ф определяемый соотношением

5 2k d агсз!и р(P R ща) где d — постоянная нарезаемой решетки;

k — отношение прозрачного участка нарезаемой решетки к ее постоянной;

P — ширина дополнительной грани резца; а- угол заточки боковых граней резца;

R — радиус кривизны лезвия резца, при этом резец перемещают со скоростью

6-10 мм/с.

2. Алмазный резец для нарезания низкочастотных амплитудных решеток, содержащий две боковые цилиндрические грани, образующие лезвие, и дополнительную плоскую грань, образующую режущие кромки и расположенную под углом 1-2 к плоскости, .:. перпендикулярной продольной оси резца, . отличающийся тем, что радиус кривизны лезвия резца составляет 1,3-1,7

- мм, а ширина дополнительной гран " составляет 0,0005 — 0,0009 мм.

12

Таблица 2

Фиг. 2

13

1791787

Фиг Ф

Составитель Т, Парамонова

Редактор 3. Ходакова Техред М,Моргентал Корректор Л, Ливринц

Заказ 151 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул,Гагарина, 101