ДЕЛИТЕЛЬНАЯ МАШИНА МАЯТНИКОВОГО ТИПА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТРИХОВЫХ СТРУКТУР НА НЕПЛОСКИХ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ

Изобретение относится к области станкостроения, а именно, к устройствам лазерной микрообработки оптических компонентов, в частности, к делительным машинам, и может быть использовано при изготовлении штриховых структур, например дифракционных решеток, на неплоских рабочих поверхностях (сферических, асферических, в том числе тороидальных) с большой стрелкой прогиба (более 10 мм), необходимых для создания компактной светосильной спектральной аппаратуры (монохроматоров-осветителей, гиперспектрометров).

Известна круговая лазерная записывающая система (КЛЗС) для изготовления дифракционных решеток на сферических поверхностях, содержащая станину, каретку радиального перемещения, приводное устройство для перемещения каретки, рабочий стол, блок управления, датчик автофокусировки, при этом плоскость фокусировки красного лазера датчика автофокусировки совпадает с плоскостью фокусировки записывающего ультрафиолетового лазера и зеленого дополнительного лазера [Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр., 13-25 апреля 2015 г., Новосибирск: Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015»: сб. материалов в 3 т. Т. 2. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, с. 65, рис. 1; с. 67, рис. 2].

Основными недостатками аналога являются конструктивно-технологические ограничения по величине стрелки прогиба (не более 1,25 мм) изготавливаемых штриховых структур на неплоских поверхностях, а также сложность схемы оптического канала, имеющего записывающий диодный ультрафиолетовый лазер, дополнительный зеленый лазер, используемый для записи юстировочных элементов, а также красный лазер датчика автофокусировки.

Прототипом является делительная машина маятникового типа для изготовления периодических штриховых структур, преимущественно дифракционных решеток [Беляков Ю.М, Лукин А.В., Мельников А.Н. Устойчивость функционирования делительной машины маятникового типа к воздействию внешних факторов // Оптический журнал. 2007. Т. 74. №3. С. 23-28].

Данная делительная машина для изготовления периодических штриховых структур, преимущественно дифракционных решеток, содержит станину, делительную и резцовую каретки, приводы делительной и резцовой кареток, устройство формирования штриха, выполненное в виде механизма подъема и опускания резца, блок управления приводами делительной и резцовой кареток, а также устройством формирования штриха, и измерительную систему линейного перемещения делительной каретки. Резцовая каретка выполнена в виде физического маятника, укрепленного не менее чем на двух опорах с трением упругости, а привод резцовой каретки - в виде автоколебательного спускового регулятора, обеспечивающего угловые автоколебания резцовой каретки. Устройство формирования штриха расположено на резцовой каретке ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки. На делительной каретке закреплена подложка изготавливаемой штриховой структуры, а на резцовой каретке - алмазный резец для формирования штрихов.

Основным недостатком прототипа являются ограниченные функциональные возможности, так как данная делительная машина обеспечивает изготовление дифракционных решеток на неплоских рабочих поверхностях с небольшой стрелкой прогиба - не более 0,2 мм - из-за того, что делительная каретка установлена с возможностью совершать только линейные перемещения, устройство формирования штриха расположено ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки, а также из-за наличия опор с трением упругости, ограничивающих амплитуду угловых автоколебаний резцовой каретки в пределах ±1°.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей делительной машины маятникового типа, а именно, обеспечение возможности изготовления штриховых структур на неплоских рабочих поверхностях с большой стрелкой прогиба.

Технический результат достигается за счет того, что в делительной машине маятникового типа, содержащей станину, делительную каретку, резцовую каретку, выполненную в виде физического маятника, привод делительной каретки, выполненный с возможностью электронного управления процессом перемещения, привод резцовой каретки, выполненный в виде автоколебательного спускового регулятора, устройство формирования штриха, расположенное на резцовой каретке, блок управления указанными приводами, а также устройством формирования штриха, и измерительную систему перемещения делительной каретки, согласно настоящему изобретению, делительная каретка установлена с возможностью углового перемещения на опорах вращения в плоскости, перпендикулярной плоскости угловых автоколебаний резцовой каретки, ось угловых автоколебаний которой закреплена на опорах вращения, при этом геометрическая ось углового перемещения делительной каретки пересекается с геометрической осью угловых автоколебаний резцовой каретки, которая снабжена противовесом, расположенным ниже оси угловых автоколебаний резцовой каретки, причем противовес резцовой каретки и устройство формирования штриха расположены на резцовой каретке противоположно относительно оси угловых автоколебаний резцовой каретки, а устройство формирования штриха выполнено в виде лазерной головки.

Делительная каретка снабжена телескопическим механизмом и противовесом, расположенным ниже геометрической оси углового перемещения делительной каретки. Противовес делительной каретки выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции. Измерительная система перемещения делительной каретки выполнена в виде измерительной системы углового перемещения. Резцовая каретка выполнена в виде вертикально расположенной рамы и снабжена телескопическим механизмом. Противовес резцовой каретки выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1 - фиг. 6).

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемой делительной машины маятникового типа, на которой стрелками показана возможность углового перемещения делительной каретки и угловых автоколебаний резцовой каретки.

На фиг. 2 и 3 изображены вид сбоку на делительную каретку и траектория движения устройства формирования штриха (лазерной головки) в прямом и обратном рабочем ходе соответственно при формировании штриха в диаметральном сечении световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки изготавливаемой штриховой структуры (световая зона заключена между точками б и г фокусировки лазерного луча на выпуклой рабочей поверхности подложки), при этом показаны делительная каретка с противовесом и устройство формирования штриха.

На фиг. 4 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в начальном положении А, при этом формирование штриховой структуры выполняется в начальной краевой световой зоне выпуклой рабочей поверхности подложки.

На фиг. 5 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в среднем положении Б, при этом формирование штриховой структуры выполняется в диаметральном сечении световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки.

На фиг. 6 изображено расположение делительной каретки во время работы предлагаемой делительной машины в конечном положении В, при этом формирование штриховой структуры выполняется в конечной краевой световой зоне выпуклой рабочей поверхности подложки.

Делительная машина маятникового типа для изготовления штриховых структур содержит станину 1, делительную каретку 2, резцовую каретку 3, приводы 4 и 5, соответственно, делительной и резцовой кареток, устройство 6 формирования штриха, выполненное в виде лазерной головки, блок 8 управления приводами 4, 5 и устройством 6 формирования штриха, измерительную систему 9 углового перемещения делительной каретки 2, представляющую собой прецизионный энкодер (датчик углового положения), встроенный в состав поворотной платформы модели М-062.

Вход измерительной системы 9 углового перемещения делительной каретки 2 сопряжен с делительной кареткой 2, а выход подключен к входу блока 8 управления, первый выход которого подключен к входу привода 4, сопряженного с делительной кареткой 2. Второй выход блока 8 управления подключен к входу устройства 6 формирования штриха, а третий выход - к входу привода 5, выход которого сопряжен с резцовой кареткой 3.

Делительная каретка 2 установлена с возможностью углового перемещения на опорах 12 вращения в плоскости, перпендикулярной плоскости угловых автоколебаний резцовой каретки 3, при этом геометрическая ось углового перемещения делительной каретки 2 пересекается с геометрической осью угловых автоколебаний резцовой каретки 3. Делительная каретка 2 имеет столик 18, на котором закреплена подложка 10 изготавливаемой штриховой структуры. Делительная каретка 2 снабжена телескопическим механизмом 16 для подстройки расположения подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры относительно устройства 6 формирования штриха. Делительная каретка 2 снабжена противовесом 13, расположенным ниже геометрической оси углового перемещения делительной каретки 2. Противовес 13 делительной каретки 2 выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции на этапе технологической настройки, до операции формирования штриховой структуры, для обеспечения динамического равновесия делительной каретки 2 относительно геометрической оси углового перемещения делительной каретки 2. Суммарный центр масс делительной каретки 2 и подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры расположен на геометрической оси углового перемещения делительной каретки 2. Привод 4 выполнен с возможностью электронного управления процессом углового перемещения делительной каретки 2 и построен на основе использования прецизионной поворотной платформы модели М-062, включающей в свой состав двигатель постоянного тока мощностью 3 Вт и безлюфтовую червячную передачу.

Резцовая каретка 3, представляющая собой физический маятник, ось 15 угловых автоколебаний которого закреплена на двух опорах 11 вращения, обеспечивающих большую амплитуду угловых автоколебаний резцовой каретки 3 (в пределах ±20°), выполнена в виде вертикально расположенной рамы и снабжена телескопическим механизмом 17 для подстройки своих геометрических размеров по высоте в условиях конкретных размеров подложки 10 изготавливаемой штриховой структуры. Резцовая каретка 3 снабжена противовесом 14, расположенным ниже оси 15 угловых автоколебаний резцовой каретки 3. Противовес 14 резцовой каретки 3 и устройство 6 формирования штриха расположены на резцовой каретке 3 противоположно относительно оси 15 угловых автоколебаний резцовой каретки 3. В устройстве 6 формирования штриха (лазерной головке) используется миниатюрный диодный лазер серии Lambda Mini Fiber с рабочей длиной волны 405 нм и выходной мощностью 100 мВт. Противовес 14 резцовой каретки 3 выполнен с возможностью регулирования по массе и моменту инерции для того, чтобы резцовая каретка 3 обладала динамическими свойствами физического маятника с центром масс, расположенным ниже геометрической оси угловых автоколебаний резцовой каретки 3. Регулируемый противовес 14 позволяет подбирать частоту угловых автоколебаний резцовой каретки 3 с целью достижения оптимальной производительности формирования штрихов. Резцовая каретка 3 позволяет совершать устройству 6 формирования штриха, воспроизводимые быстрые, по отношению к угловому перемещению делительной каретки 2, угловые автоколебания с большой амплитудой в плоскости качания. Причем траектория движения сфокусированного лазерного луча 7 устройства 6 формирования штриха в рабочем ходе практически равна радиусу кривизны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. Привод 5 резцовой каретки 3 предназначен для обеспечения поперечного движения устройства 6 формирования штриха в виде незатухающих угловых колебаний, что достигается в режиме автоколебаний.

Перед началом работы делительной машины предварительно рассчитывают амплитуду и частоту угловых автоколебаний резцовой каретки 3 исходя из требуемых размеров изготавливаемой на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 штриховой структуры, геометрических размеров и динамических свойств резцовой каретки 3.

Делительная машина работает следующим образом.

Методом прямой лазерной записи (фотолитографии) дифракционную решетку получают непосредственно в материале подложки 10 - в стекле, в том числе LDW-стекле (Laser Direct Write), или в металле - в два этапа, при этом на первом этапе формируют маску-транспарант в тонком слое фоторезиста, хрома или халькогенидов непосредственно на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 сфокусированным лазерным лучом 7 с использованием делительной машины, а на втором этапе формируют штриховую структуру дифракционной решетки путем химического или ионного травления сквозь маску-транспарант.

В исходном нерабочем положении узлов и механизмов делительной машины делительная каретка 2 с противовесом 13, резцовая каретка 3 с противовесом 14, устройство 6 формирования штриха, выполненное в виде лазерной головки, находятся в статическом состоянии и расположены в вертикальной плоскости, при этом лазерный луч выключен (см. фиг. 1, на которой стрелками показана возможность углового перемещения делительной каретки и угловых автоколебаний резцовой каретки). Предварительно, до операции формирования штрихов дифракционной решетки, осуществляют технологические операции по юстировке подложки 10 и настройке устройства 6 формирования штриха.

В результате юстировки подложки 10 обеспечивается движение ее выпуклой рабочей поверхности по заданной траектории. В результате настройки устройства 6 формирования штриха устанавливаются требуемая величина выходной оптической мощности сфокусированного лазерного луча 7, величина диаметра наименьшего кружка рассеяния сфокусированного лазерного луча 7 и требуемое расположение оптической оси сфокусированного лазерного луча 7 по нормали к выпуклой рабочей поверхности подложки 10.

При включении делительной машины блок 8 управления, с помощью привода 5 резцовой каретки 3 в виде автоколебательного спускового регулятора, выводит резцовую каретку 3 в виде физического маятника на опорах 11 вращения в режим угловых автоколебаний.

Делительная машина готова к операции формирования штрихов дифракционной решетки.

Цикл формирования штрихов дифракционной решетки рассмотрим на примере формирования штриховой структуры в диаметральном сечении световой зоны, расположенной между точками б и г фокусировки лазерного луча на выпуклой рабочей поверхности подложки 10 (см. фиг. 2 и 3, на которых резцовая каретка 3 не показана).

Блок 8, подавая управляющие сигналы, синхронизирует работу трех основных систем - привода 4 делительной каретки 2, привода 5 резцовой каретки 3 и устройства 6 формирования штриха, выполненного в виде лазерной головки.

На устройство 6 формирования штриха подан управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключен, а устройство 6 формирования штриха находится в крайнем левом положении а вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10, при этом делительная каретка 2 расположена неподвижно. Далее резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 формирования штриха в положение б, совпадающее с началом световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. С блока 8 на устройство 6 поступает управляющий сигнал, в результате чего сфокусированный лазерный луч 7 начинает формировать штрих последовательно и непрерывно от положения б, проходя положение в, до положения г включительно, совпадающего с окончанием световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. Затем, в положении г, с блока 8 на устройство 6 поступает управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключается. В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 формирования штриха положения г на привод 4 делительной каретки 2 подается управляющий сигнал, в результате чего делительная каретка 2 с подложкой 10 начинает совершать угловое перемещение на расстояние, равное периоду штриховой структуры в угловой мере. При этом величина углового перемещения делительной каретки 2 контролируется измерительной системой 9. Далее резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 формирования штриха в крайнее правое положение д вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10.

Достигнув крайнего правого положения д, устройство 6 формирования штриха останавливается. Таким образом, устройство 6, формирования штриха пройдя траекторию своего движения от положения а до положения д, завершило прямой рабочий ход. Достигнув крайнего правого положения д, устройство 6 формирования штриха начинает перемещаться в противоположном направлении - от положения д к положению а, совершая обратный рабочий ход (см. фиг. 3, на которой резцовая каретка 3 не показана).

В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 формирования штриха положения г делительная каретка 2 с подложкой 10 переместилась на заданный угловой шаг, равный периоду изготавливаемой штриховой структуры в угловой мере, и остановилась. В положении г, совпадающем с началом световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 в обратном рабочем ходе, на устройство 6 формирования штриха поступает управляющий сигнал от блока 8 управления, в результате чего сфокусированный лазерный луч 7 начинает формировать штрих последовательно и непрерывно от положения г, проходя положение в, до положения б. В этом случае положение б совпадает с окончанием световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 в обратном рабочем ходе. Затем, в положении б, на устройство 6 формирования штриха подается управляющий сигнал, в результате чего лазерный луч выключается. В момент достижения резцовой кареткой 3 с устройством 6 формирования штриха положения б на привод 4 делительной каретки 2 подается управляющий сигнал, в результате чего делительная каретка 2 с подложкой 10 начинает совершать угловое перемещение на расстояние, равное периоду штриховой структуры в угловой мере. При этом величина углового перемещения делительной каретки 2 контролируется измерительной системой 9.

Затем резцовая каретка 3 перемещает устройство 6 формирования штриха в крайнее левое положение а вне указанной световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10. Достигнув крайнего правого положения а, устройство 6 останавливается. Таким образом, устройство 6 формирования штриха, пройдя траекторию своего движения от положения д до положения а, завершило свой обратный рабочий ход.

Далее описанный выше цикл перемещения устройства 6 формирования штриха - от положения а до положения д в прямом рабочем ходе (см. фиг. 2) и от положения д до положения а в обратном рабочем ходе (см. фиг. 3) - при работе предложенной делительной машины повторяется.

Процесс формирования всей штриховой структуры выполняется аналогично процессу, описанному выше, при этом делительная каретка 2 проходит последовательно траекторию (с соответствующими остановками на момент формирования каждого штриха) от своего начального положения А (см. фиг. 4) через положение Б, соответствующее диаметральному сечению световой зоны выпуклой рабочей поверхности подложки 10 (см. фиг. 5) до своего конечного положения В (см. фиг. 6).

Использование предлагаемой делительной машины маятникового типа обеспечит возможность изготовления дифракционных решеток на неплоских рабочих поверхностях с большой стрелкой прогиба (например, 50 мм) для компактной светосильной спектральной аппаратуры (монохроматоров-осветителей, гиперспектрометров) за счет углового перемещения делительной каретки, угловых автоколебаний резцовой каретки с большой амплитудой, а также изменения места расположения устройства формирования штриха на резцовой каретке.