一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法
【專利摘要】一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，涉及光柵刻劃【技術(shù)領(lǐng)域】，解決現(xiàn)有光柵刻線彎曲校正技術(shù)需要采用機(jī)械設(shè)計(jì)方法對光柵刻劃機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次反復(fù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試，存在設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、效率低且刻線彎曲校正效果較差等問題，本發(fā)明包括：S101.建立光柵平均刻線彎曲數(shù)學(xué)模型；S102.進(jìn)行光柵預(yù)刻劃，獲得預(yù)刻劃光柵，計(jì)算所述預(yù)刻劃光柵的光柵平均刻線彎曲；S103.設(shè)計(jì)光柵刻劃機(jī)的自動(dòng)控制方案；S104.建立光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型；S105.采用自動(dòng)控制法校正光柵刻線彎曲。所述光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法可以有效降低光柵刻線彎曲，改善光柵衍射波前質(zhì)量且有助于提高光柵刻劃機(jī)運(yùn)行精度和工作效率。
【專利說明】一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光柵刻劃【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種降低光柵刻線彎曲的光柵刻線彎曲 自動(dòng)控制校正方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 采用機(jī)械刻劃法制作的平面光柵由于光柵刻劃機(jī)刻劃系統(tǒng)的金剛石刻刀導(dǎo)軌直 線性誤差及剛度有限等因素的影響，可導(dǎo)致金剛石刻刀沿曲線軌跡運(yùn)行，從而使機(jī)械刻劃 光柵產(chǎn)生刻線彎曲?？叹€彎曲表現(xiàn)為光柵的各刻線的刻線呈彎曲狀，而且當(dāng)光柵刻劃機(jī)刻 劃系統(tǒng)性能穩(wěn)定時(shí)，光柵各刻線的彎曲形狀和幅值是較為重復(fù)的。光柵刻線彎曲誤差影響 著光柵衍射波前質(zhì)量。中國科學(xué)院長春光機(jī)所在進(jìn)行大尺寸光柵研制中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增大光柵 尺寸時(shí)，刻線彎曲誤差是影響光柵衍射波前質(zhì)量的主要因素之一。降低光柵刻線彎曲，有助 于改善光柵衍射波前質(zhì)量，減少光柵成像系統(tǒng)的像差，提高光柵制作精度及應(yīng)用水平。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)是采用改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法來降低光柵的刻線彎曲。雖然通過對光 柵刻劃機(jī)刻劃系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次反復(fù)設(shè)計(jì)并經(jīng)過大量的調(diào)試試驗(yàn)后，可在一定程度上 降低光柵刻線彎曲的幅值，但是上述方法無疑是效率較低的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有光柵刻線彎曲校正方法采用對光柵刻劃機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)多次反復(fù) 的改進(jìn)設(shè)計(jì)和安裝調(diào)試，存在設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、效率低且刻線彎曲校正效果較差等問題，本發(fā) 明提供一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法。
[0005] -種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其包括如下步驟：
[0006] S101、建立光柵平均刻線彎曲數(shù)學(xué)模型；
[0007] S102、進(jìn)行光柵預(yù)刻劃，獲得預(yù)刻劃光柵，計(jì)算所述預(yù)刻劃光柵的光柵平均刻線彎 曲；
[0008] S103、設(shè)計(jì)光柵刻劃機(jī)的自動(dòng)控制方案；
[0009] S104、建立光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型；
[0010] S105、進(jìn)行光柵刻劃，采用自動(dòng)控制法校正光柵刻線彎曲。
[0011] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，步驟SlOl進(jìn)一步包括：
[0012] S1011、推導(dǎo)出光柵錐面衍射下光柵刻線誤差、光柵基底面形誤差與光柵衍射波前 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式；
[0013] S1012、從所述光柵刻線誤差中去除光柵擺角及光柵刻線的整體位置誤差，獲得光 柵平均刻線彎曲與光柵刻線誤差之間的關(guān)系表達(dá)式。
[0014] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，步驟SlOll中采用幾何光學(xué)方法推導(dǎo)出光柵錐面衍射 下光柵刻線誤差、光柵基底面形誤差與光柵衍射波前之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。
[0015] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述光柵平均刻線彎曲根據(jù)步驟SlOll和步驟S1012， 從光柵衍射波前中間接提取得到。
[0016] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，步驟S102進(jìn)一步包括：
[0017]S1021、采用光柵衍射波前測量儀測量出所述預(yù)刻劃光柵的對稱級(jí)次衍射波前，并 從中提取出光柵刻線誤差；
[0018]S1022、根據(jù)所述光柵平均刻線彎曲與光柵刻線誤差之間的關(guān)系表達(dá)式，計(jì)算出所 述預(yù)刻劃光柵的光柵平均刻線彎曲值。
[0019] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，步驟S104中，根據(jù)光柵刻劃機(jī)刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)的 機(jī)械結(jié)構(gòu)以及所述預(yù)刻劃光柵的光柵平均刻線彎曲，光柵刻劃機(jī)的工作原理，推導(dǎo)出所述 光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，獲得用于補(bǔ)償光柵平均刻線彎曲的工作臺(tái)理論位移 量。
[0020] 本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，步驟S105中，根據(jù)步驟S103中的所述光柵刻劃機(jī)的自 動(dòng)控制方案，及步驟S104中的所述光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，采用壓電執(zhí)行器 對微定位工作臺(tái)進(jìn)行位移實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使工作臺(tái)任意時(shí)刻的實(shí)際位移量與所述工作臺(tái)理論位 移量的偏差最小化。
[0021] 本發(fā)明的有益效果：相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正 方法具有如下積極效果：有助于降低光柵刻線彎曲，改善光柵衍射波前質(zhì)量，且有助于提高 光柵刻劃機(jī)運(yùn)行精度和工作效率。
[0022] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂，以下特舉實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說明如下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明提供的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法的流程圖；
[0024] 圖2為面形誤差引起的光程差示意圖；
[0025] 圖3為刻線誤差引起的光程差示意圖；
[0026] 圖4為CI0MP-2刻劃機(jī)的刻劃系統(tǒng)框圖；
[0027] 圖5為CI0MP-2刻劃機(jī)的分度系統(tǒng)框圖；
[0028] 圖6為宏微兩級(jí)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖7為干涉儀測量鏡和參考鏡放置位置示意圖；
[0030] 圖8為金剛石刻刀位移示意圖；
[0031] 圖9為曲柄連桿結(jié)構(gòu)工作原理示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0033] 請參閱圖1，本實(shí)施方式提供一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其包括如下步 驟：
[0034]S101、建立光柵平均刻線彎曲數(shù)學(xué)模型。
[0035] 進(jìn)一步包括：
[0036]S1011、推導(dǎo)出光柵錐面衍射下光柵刻線誤差、光柵基底面形誤差與光柵衍射波前 之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
[0037] S1012、從所述光柵刻線誤差中去除光柵擺角及光柵刻線的整體位置誤差，獲得光 柵平均刻線彎曲與光柵刻線誤差之間的關(guān)系表達(dá)式。
[0038] 具體地，本實(shí)施例中，采用幾何光學(xué)方法推導(dǎo)出光柵錐面衍射下的光柵刻線誤差 與基底面形誤差和光柵衍射波前之間的關(guān)系表達(dá)式。
[0039] 假定一束波長為λ的單色平行光入射至平面反射光柵表面，入射角和衍射角分 別為01和θ2，光柵常數(shù)為d。
[0040] 首先考慮光柵無刻線誤差但存在基底面形誤差時(shí)的情況。如圖2所示，光柵刻線 方向?yàn)榕c紙面垂直的z軸方向，當(dāng)光柵第p條刻線上的任意點(diǎn)i與光柵理想表面存在深度 誤差h(Xp，yp，zpi)時(shí)，設(shè)入射光和衍射光產(chǎn)生的光程差分別為δbl和Sb2，則入射光和衍射 光在該點(diǎn)產(chǎn)生的總光程差Sbpi為
[0041]δbpi =δbl+δb2 =h(xp，yp，zpi)(cosΘ^cosΘ2) \*MERGEF0RMAT(I)
[0042] 當(dāng)光柵無基底面形誤差但存在刻線誤差時(shí)，如圖3所示，當(dāng)光柵第p條刻線上的任 意點(diǎn)i的實(shí)際位置P'偏離理想刻線位置P的距離為w(Xp，yp，zpi)，設(shè)入射光和衍射光在該點(diǎn) 所產(chǎn)生光程差分別為L1和δ#則入射光和衍射光在該點(diǎn)所產(chǎn)生的光程差總和δ_為：
[0043]δrpi =δrl+δr2 =w(xp,yp,zpi)(sinΘj+sinΘ2) \*MERGEF0RMAT(2)
[0044] 設(shè)光柵衍射級(jí)次為m，光柵常數(shù)為d，光柵使用波長為λ，則由光柵方程可知：
[0045]d(sinΘAsinΘ2) =mλ(3)
[0046] 聯(lián)立式（I)、式（2)和式（3)可得，當(dāng)光柵第ρ條刻線的任意點(diǎn)i同時(shí)存在基底面 形誤差、刻線誤差時(shí)，則在該點(diǎn)產(chǎn)生的光程差Spi為：
[0047]δpi =δbpi+δrpi =h(xp，yp，zpi)(cosΘ^cosΘ2)+w(χρ，yp，Zpi)mλ/d(4)
[0048] 采用干涉儀測量平面光柵衍射波前時(shí)，一般采用單色光入射角與光柵衍射角絕對 值相等的光路結(jié)構(gòu)，即S1等于θ2。此時(shí)，根據(jù)式（4)可知，干涉儀測得第m級(jí)光柵衍射波 前光程差為：
[0049] Δ (m)=2HcosΘ i+Wmλ/d(5)
[0050] 其中，H和W分別為光柵全表面的基底面形誤差和刻線誤差數(shù)值化矩陣，Θi為第 m級(jí)光柵衍射角。
[0051] 若采用干涉儀測量得到光柵±m(xù)級(jí)次衍射波前矩陣Λ(m)和Λ(-m)，根據(jù)式（5) 可得光柵刻線誤差表達(dá)式為：
[Δ(/;/)-Δ(-?ζ)]?/
[0052] W =--^- 2/?/t (6)
[0053]設(shè)通過式（6)計(jì)算得到的光柵的刻線誤差W的矩陣形式為

【權(quán)利要求】
1. 一種光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，包括如下步驟： 5101、 建立光柵平均刻線彎曲數(shù)學(xué)模型； 5102、 進(jìn)行光柵預(yù)刻劃，獲得預(yù)刻劃光柵；根據(jù)步驟S101所述的光柵平均刻線彎曲數(shù) 學(xué)模型，計(jì)算所述預(yù)刻劃光柵的光柵平均刻線彎曲； 5103、 設(shè)計(jì)光柵刻劃機(jī)的自動(dòng)控制方案； 具體為：采用雙頻激光干涉儀對工作臺(tái)的位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，雙頻激光干涉儀的測量 反射鏡安裝在光柵刻劃機(jī)分度系統(tǒng)的微定位工作臺(tái)上，參考反射鏡安裝在光柵刻劃機(jī)刻劃 系統(tǒng)的石英導(dǎo)軌上，并采用壓電執(zhí)行器對工作臺(tái)位移進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)； 5104、 根據(jù)光柵刻劃機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、步驟S102計(jì)算得到的光柵平均刻線彎曲以及步驟 S103所述的光柵刻劃機(jī)自動(dòng)控制方案，建立光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型； 5105、 進(jìn)行光柵刻劃，根據(jù)S104所述的光柵刻劃機(jī)工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，采用步 驟S103所述的光柵刻劃機(jī)自動(dòng)控制方案實(shí)時(shí)校正光柵刻線彎曲。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，步驟S101進(jìn) 一步包括： 51011、 推導(dǎo)出光柵錐面衍射下光柵刻線誤差、光柵基底面形誤差與光柵衍射波前之間 的數(shù)學(xué)表達(dá)式； 51012、 從所述光柵刻線誤差中去除光柵擺角及光柵刻線的整體位置誤差，獲得光柵平 均刻線彎曲與光柵刻線誤差之間的關(guān)系表達(dá)式。
3. 根據(jù)如權(quán)利要求2所述的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，步驟S1011 中采用幾何光學(xué)方法推導(dǎo)出光柵錐面衍射下光柵刻線誤差、光柵基底面形誤差與光柵衍射 波前之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，所述光柵平 均刻線彎曲根據(jù)步驟S1011和步驟S1012,從光柵衍射波前中間接提取得到。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，步驟S102進(jìn) 一步包括： 51021、 采用光柵衍射波前測量儀測量出所述預(yù)刻劃光柵的對稱級(jí)次衍射波前，并從中 提取出光柵刻線誤差； 51022、 根據(jù)所述光柵平均刻線彎曲與光柵刻線誤差之間的關(guān)系表達(dá)式，計(jì)算出所述預(yù) 刻劃光柵的光柵平均刻線彎曲值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光柵刻線彎曲自動(dòng)控制校正方法，其特征在于，步驟S105 中，根據(jù)步驟S103中的所述光柵亥IJ劃機(jī)的自動(dòng)控制方案，及步驟S104中的所述光柵亥IJ劃機(jī) 工作臺(tái)位移補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，采用壓電執(zhí)行器對微定位工作臺(tái)進(jìn)行位移實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，使工作臺(tái) 任意時(shí)刻的實(shí)際位移量與所述工作臺(tái)理論位移量的偏差最小化，實(shí)現(xiàn)對光柵刻線彎曲的校 正。
【文檔編號(hào)】G02B5/18GK104237987SQ201410427862
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月27日
【發(fā)明者】李曉天, 于海利, 唐玉國, 楊超, 劉兆武, 齊向東 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所