DE2927406A1

DE2927406A1 - Geraet zum ziehen von beugungsgitterlinien

Info

Publication number: DE2927406A1
Application number: DE19792927406
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Harada; Toshiaki Kita; Shigeo Moriyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-07-10
Filing date: 1979-07-06
Publication date: 1980-01-24
Also published as: FR2430814B1; JPS6033242B2; GB2024725B; GB2024725A; FR2430814A1; US4219933A; DE2927406C2; JPS559865A

Description

SCHIFF ν. FDNER STREHU SCHDBEL-HOPF EBBINSHAUS FINCK _n „

292/HÜD

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ziehen bzw. Anordnen eines Beugungsgitters, wodurch ein Beugungsgitter zur Verwendung in einem Spektrometer usw. hergestellt wird, insbesondere ein konkaves Beugungsgitter. 5

Im Folgenden wird der Stand der Technik unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt;

Fig. 1 einen Teil eines bekannten Beugungsgitterziehgeräts in der Seitenansicht und

Fig. 2 perspektivisch ein Beispiel für ein konkaves Beugungsgitter.

Bisher hat man ein konkaves Beugungsgitter dadurch hergestellt, daß die Gitternuten auf einer sphärischen Oberfläche mittels eines Beugungsgitterziehgeräts mechanisch gezogen wurden. Ein solches Gerät ist in Fig. 1 gezeigt. Es hat einen Werkzeughalter und einen Werkzeugschlitten. Die Hin- und Herbewegung des Werkzeugschlittens 7 in Pfeilrichtung wird auf einer geraden Führung 8 durch Gleitstücke 6 ausgeführt. Bei der geradlinigen Bewegung des Werkzeugschlittens 7 ergibt sich eine große Verschiebung zwischen dem Werkzeughalter 3 und dem unbearbeiteten Werkstück bzw. Rohling 1. Dabei dreht sich das Werkzeug 2 um eine Kreuzfeder 4. Dabei werden Nuten mit verschiedenen Teilen der bauchförmigen Spitze des Werkzeugs in der Längsrichtung der Nuten gezogen. Die Form der Werkzeugspitze ist gewöhnlich nicht exakt gearbeitet, sondern hat oft Fehler. Der in Fig. 1 gezeigte Halterahmen 5 ist an dem Werkzeugschlitten 7 befestigt und trägt den Werkzeughalter 3. Bei der bekannten Anordnung wird somit das Ziehen für ein ebenes Beugungsgitter für das Gitternutenziehen für ein konkaves Beugungsgitter verwendet. Des-

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halb kann die Querschnittsform der Nut nicht gleichförmig sein. Insbesondere wenn die Querschnittsform von einem fehlerhaften Teil gezogen wird, hat sie nicht die Sägezahnform, wie sie als gleichförmiger Querschnitt angestrebt wird. Da die Oberfläche des Rohteils 1 sphärisch, bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel konkav ist, treten die beschriebenen Umstände nicht nur in Längsrichtung der Nuten, also in Y-Richtung, sondern auch in Breitenrichtung, also in X-Richtung auf.

Ein konkaves Beugungsgitter hat sowohl die Funktion, Licht am Beugungsgitter zu streuen, als auch die Funktion der Fokussierung wie ein konkaver Spiegel. Dies ist besonders günstig, weil man keine optischen Systeme für die Kollimation und die Fokussierung braucht. Derartige Systeme sind entweder aus Linsen oder Konkavspiegeln zusammengesetzt, wie sie bei einem spektroskopischen Instrument mit ebener Beugung erforderlich sind. Die Herstellung der Gitternuten mit einer gleichförmigen Querschnittsform über dem gesamten Bereich ist nach dem Stand der Technik nicht möglich. Möglich ist nur die Herstellung eines konkaven Beugungsgitters, dessen Beugungswirkungsgrad gering ist und bei welchem streuendes Licht in besonders großen Mengen vorhanden ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein konkaves Beugungsgitter mit hohem Beugungswirkungsgrad und wenig Streulicht durch die Herstellung von Gitternuten bzw. Gitterfurchen zu schaffen, die einen gleichförmigen Querschnitt über der gesamten Fläche haben.

Bei der Herstellung eines konkaven Beugungsgitters, bei welchem die Gitterfurchen mechanisch auf einer sphärischen Oberfläche mittels eines Geräts zum Ziehen des Beugungsgitters gezogen werden, um Furchen mit einer gleichförmigen Querschnittsfläche über dem gesamten Bereich zu erzielen, muß ein Werkzeug zum Ziehen der Gitternuten längs der sphärischen Oberfläche eines Beugungsgitterrohteils bzw.

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-Werkstücks hin- und herbewegt werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Funktion für die Hin- und Herbewegung des Werkzeugs längs der sphäri« sehen Oberfläche des Gitterrohlings in eine Bewegung für die Längsrichtung der Furchen und eine Bewegung für die Breitenrichtung der Furchen aufgeteilt wird, wobei die Hin-und Herbewegung eines Werkzeugschlittens in der ersteren Richtung, der das Werkzeug hält, auf einem zylindrischen Nocken bewirkt wird, während bezüglich der zweiten Bewegung der zylindrische Nocken einer Vertikalbewegung entsprechend der Gitternutposition ausgesetzt wird anstatt den Krümmungsradius zu ändern, wodurch das Werkzeug sich annähernd längs der kugeligen Oberfläche vorwärtsbewegt.

Gegenstand der Erfindung ist somit die Herstellung eines konkaven Beugungsgitters mit Gitternuten bzw. Gitterfurchen, die mechanisch auf einer sphärischen Oberfläche eines Beugungsgitterrohlings gezogen werden. Dabei wird ein Werkzeug zum Ziehen der Gitternuten bzw. -furchen längs der sphärischen Oberfläche des Beugungsgitterrohlings hin- und herbewegt, um die Furchen auszubilden, die eine gleichbleibende Querschnittsform über der gesamten Fläche haben. Dadurch erhält man ein konkaves Beugungsgitter mit einem hohen Beugungswirkungsgrad und wenig streuendem Licht.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung gezeigten weiteren Figuren näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 3 schematisch in einer Seitenansicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Geräts zum Ziehen eines Beugungsgitters und

Fig. 4 perspektivisch ein Ausführungsbeispiel eines Mechanismuses für eine Zylindernocken-Vertikal

bewegung.

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Aus Fig. 3 läßt sich die Herstellung eines konkaven Beugungsgitters ersehen. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Hin- und Herbewegung eines Werkzeugs zum Ziehen der Gitterfurchen mit einem zylindrischen Nocken als Führung ausgeführt, während die Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens durch numerische Steuerung unter Verwendung eines Steuerbandes durchgeführt wird.

Dabei sind ein Beugungsgitterrohling 11 und ein zylindrischer Nocken 18, der mit einer zylindrischen Oberfläche versehen ist, deren Krümmungsradius um einen festgelegten Betrag, nämlich der LängserStreckung von dem Werkzeugschlitten 17 zum vorderen Ende eines Werkzeugs 12, bei dem genannten Beispiel 180 mm, kleiner ist als der der sphärischen Oberfläche des Gitterrohlings, so angeordnet, daß der Kreisbogen des zylindrischen Nockens 18 und der Kreisbogen des Gitterrohlingabschnitts, der parallel zu den Gitterfurchen ist, Teile von zwei konzentrischen Kreisen bilden können. Wenn unter dieser Bedingung der Werkzeugschlitten 17 sich auf dem zylindrischen Nocken 18 über die Gleitstücke 16 hin- und herbewegt, nimmt das vordere Ende des Werkstücks den gleichen Ort wie das vordere Ende eines Pendels ein, dessen Arm eine Länge hat, die gleich dem Krümmungsradius des Beugungsgitterrohlings 11 ist. Das heißt, daß sich das Werkzeug längs des Kreisbogens des Gitterrohlingsabschnitts hin- und herbewegt und Gitterfurchen zieht, welche eine identische Querschnittsform in ihrer Längsrichtung haben.

Die Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens 18 längs des Kreisbogens des Gitterrohlingsabschnitts in Breitenrichtung der Furchen wird durch die numerische Steuerung ausgeführt, welche ein Steuerband und einen Impulsmotor verwendet. In dem Steuerband ist die Anzahl der Furchen bei der Erzeugung der Impulse zum Drehen des Impulsmotors 24 aufgezeichnet, wie sie aus der Beziehung zwischen der Gitterfurchenstellung und dem Kreisbogen zu dem Zeitpunkt berechnet sind, wenn der Kreisbogen in Schritten approximiert wird, deren Zwi-

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schenraum einen Anstieg oder Abstieg, bei dem vorliegenden Beispiel 2 um, entsprechend des Einheitsdrehwinkels des Impulsmotors 24 ist. Der Inhalt des Steuerbands wird von einer Bandleseeinrichtung 26 ausgelesen. Ein Impulsmotor an-= trieb 27 dreht den Impulsmotor 24 jeweils um einen Schritt _r wenn der Impuls erzeugt wird. Der Drehwinkel wird mittels eines Mikrometerkopfes 21 in eine geradlinige Bewegungsgröße umgewandelt, die durch einen Hebel 19 weiterhin zusammengezogen und übertragen wird. Dies hat zur Folge, daß der zylindrische Nocken 18 annähernd längs des Kreisbogens des Beugungsgitterrohlings auf- und abgetrieben wird, wobei die Einheit beispielsweise 2 um ist. Sowohl die Hin- und Herbewegung in Längsrichtung der Gitterfurchen als auch die Vertikalbewegung in Breitenrichtung werden ansprechend auf einen nicht gezeigten Vorschubmechanismus ausgeführt, um dem Gitterrohling 11 einen vorher festgelegten Vorschub in der Breitenrichtung der Gitterfurchen zu geben. Die Anordnung in Fig. 3 zeigt weiterhin einen Werkzeughalter 13, eine Kreuzfeder 14, einen Halterahmen 15, eine Kupplungsstange 20, einen Zahnradzug 22, eine Servofolgesteuerung 23 und eine Stange 31.

In Fig. 4 ist ein Beispiel· für einen Mechanismus für eine Zylindernocken-Vertikalbewegung gezeigt, um das Werkzeug längs des Kreisbogens des Gitterrohlingsabschnitts in Breitenrichtung der Furchen auf- und abzubewegen. Der zylindrische Nocken 18 wird von zwei Sätzen von parallelen Federn 28 getragen, die aus vier Phosphorbronzeplatten zusammengesetzt sind. Sie haben nach vorne und hinten, nach rechts und links, sowie gegen Neigungen eine ausreichende Steifigkeit und sind in der Lage, nur in vertikaler Richtung eine Parallelbewegung, beispielsweise etwa 2 mm auszuführen. Die Drehung der Antriebsquelle für die Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens wird durch die Stange 31 auf den Zahnradzug 22 der entsprechenden Einrichtung übertragen. Die Drehung des Zahnradzuges wird in eine geradlinige Bewegung durch den Mikrometerkopf 21 umgewandelt. Infolge der die

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Drehpunkte 32 aufweisenden Hebel 19, die durch die Kupplungsstange 19 ein Stück bildend bewegt werden und die auf der rechten und linken Seite angeordnet sind, wobei zwischen den Hebeln und dem zylindrischen Nocken Nadeln 29 angeordnet sind, wird die Verschiebung auf beispielsweise 1/4,5 zusammengezogen und wird die Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens 18. In Fig. 4 ist weiterhin ein Rahmen 30 gezeigt.

Die Drehung der Antriebsquelle für die Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens erfolgt durch den Impulsmotor 24, der durch ein Signal aus der Bandleseeinrichtung 26 bei der Ausführungsform von Fig. 3 gedreht wird« Um zu verhindern, daß Oszillationen während der Drehung des Impulsmotors 24 auf die eigentliche Vorrichtung übertragen werden, wird die Drehung auf die Vorrichtung über die Servofolgesteuerung 23 übertragen, deren Frequenzgang bzw. Empfindlichkeit sehr gering ist, so daß die Zeitkonstante beispielsweise etwa 5 s beträgt. Bei der gezeigten Ausführungsform entspricht ein Drehschritt des Impulsmotors der Vertikalbewegung von 2 μΐη des zylindrischen Nockens. Der Kreisbogen des Rohlings des herzustellenden konkaven Beugungsgitters ist in Stufen der Einheitsschritte von 2 μπι approximiert, wobei Furchennummern zur Änderung der Abstufungen in dem Band für die numerische Steuerung 25 aufgezeichnet sind. Auf Instruktionen der Bandleseeinrichtung 26 hin, dreht der Impulsmotorantrieb 27 den Impulsmotor 24 Schritt für Schritt und bewegt dabei den zylindrischen Nocken 18 nach oben und unten.

Der Krümmungsradius des kreisförmigen Bogens des Gitterrohlingsabschnitts in Längsrichtung der Nuten bzw. Furchen wird, wie oben beschrieben, mit dem Abstand von dem Mittelteil des Beugungsgitterrohlings kleiner. Deshalb werden genau gesagt der Kreisbogen des zylindrischen Nockens und der des Gitterrohlingsabschnitts keine konzentrischen Kreise mit der Ausnahme des Mittelteils durch den Einsatz der Vertikalbewegung des zylindrischen Nockens. Da jedoch gewöhnlich die Ziehbreite des Beugungsgitters ausreichend klein verglichen

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iait dem Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche ist, sind die Änderungen im Krümmungsradius des Kreisbogens nahezu vernachlässigbar und stellen in der praktischen Verwendung kein Problem dar.

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Die Form der Oberfläche des Gitterrohlings ändert sich abhängig vom Krümmungsradius des herzustellenden konkaven Beugungsgitters. Die Herstellung des konkaven Beugungsgitters mit einem gewünschten Krümmungsradius ist jedoch durch Verwendung eines zylindrischen Nockens und eines Steuerbandes möglich, die entsprechend diesem Krümmungsradius angefertigt worden sind. Es kann auch unter genau den gleichen Bedingungen wie im Falle der sphärischen Oberfläche eine asphärische Oberfläche, beispielsweise eine muldenförmige Oberfläche, deren Krümmungsradius sich in Längsrichtung und in Breitenrichtung der Nuten ändert, durch die Kombination von zylindrischen Nocken und Steuerbändern entsprechend den jeweiligen Krümmungsradien mit Furchen versehen werden.

Die mit dem Beugungsgitterziehgerät hergestellten Beugungsgitter können direkt für spektroskopische Zwecke im Anfangsstadium verwendet werden. Neuerdings ist jedoch die Massenherstellung aufgrund der Transferreproduktion infolge der Verbessung der Replicatechnologie möglich. Dies gilt auch für das konkave Beugungsgitter. Die Produkte für den Gebrauch in den allgemeinen spektroskopischen Geräten sind Replicabeugungsgitter, die Ubertragungs-Wiedergabe-Prozessen über mehrere Generationen ausgehend von einem Hauptbeugungsgitter durchgemacht haben, das mit dem Ziehgerät mit Furchen versehen worden ist. Deshalb muß das Hauptbeugungsgitter nicht immer eine konkave Oberfläche sein. Es kann auch ein Gitter sein, bei welchem die Nuten auf eine konvexe Oberfläche gezogen sind.

Durch Verwendung eines konvexen zylindrischen Nockens können erfindungsgemäß Gitterfurchen auf der konvexen Ober-

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fläche genauso wie bei der konkaven Oberfläche gezogen werden. Im Falle der konvexen Oberfläche wird ein zylindrischer Nocken, dessen Krümmungsradius um einen festgelegten Betrag, beispielsweise 180 mm, größer ist als der des Beugungsgitterrohlings umgekehrt wie beim Fall der konkaven Oberfläche eingesetzt. Dies ist dann vorteilhaft, wenn der Krümmungsradius klein ist. Bei einem System, bei welchem ein konvexer Gitterrohling durch Verwendung eines konvexen zylindrischen Nockens mit Furchen versehen werden soll, ist es möglich, ein konkaves Beugungsgitter herzustellen, das einen sehr kleinen Krümmungsradius, beispielsweise 50 mm, hat. Die Erfindung ist nicht auf die genannten Zahlenwerte beschränkt. Es können die jeweiligen geeigneten Werte abhängig von den gewünschten Einsatzbedingungen usw. gewählt werden.

Wenn die Erfindung bei einem Beugungsgitterziehgerät zur Herstellung eines herkömmlichen konkaven Beugungsgitters verwendet wird, bei welchem in gleichem Abstand parallele gerade Furchen auf der Kalottenfläche eines sphärischen Rohlings gezogen werden, kann ein konkaves Beugungsgitter hergestellt werden, welches einen Beugungswirkungsgrad und eine Lichtstreuungsintensität hat, die ähnlich der eines ebenen Beugungsgitters ist. Eine besonders günstige Wirkung ergibt sich bei der Verwendung von einem Ziehgerät nach der US-PS 4 012 843. Bei einem Spektroskop, welches ein herkömmliches konkaves Beugungsgitter hat, das mit im gleichen Abstand angeordneten parallelen geradlinigen Furchen versehen ist, ist es unvermeidbar, daß ein erhaltenes Spektrum gewöhnlich viele Abbildungsfehler aufweist, insbesondere Astigmatismusfehler. Das herkömmliche konkave Beugungsgitter hat diesen wesentlichen Fehler neben den Nachteilen, die erfindungsgemäß gelöst werden. Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines konkaven Beugungsgitters geschaffen, bei welchem die Abbildungsfehler beseitigt oder reduziert sind. Durch

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die Anwendung der Erfindung bei einem derartigen Ziehgerät ist es möglich, ein konkaves Beugungsgitter herzustellen, bei welchem gleichzeitig der wesentliche Nachteil des Vorhandenseins von Abbildungsfehlern sowie der Nachteil infolge der Herstellung, nämlich daß die Querschnittsform der Furchen ungenau ist, also die Nachteile der herkömmlichen konkaven Beugungsgitter beseitigt oder reduziert werden. Bisher war der Einsatz des konkaven Beugungsgitters hauptsächlich auf ein Spektrophotometer im Vakuum und Ultraviolettbereich begrenzt, dessen Reflexionsfaktor an einer Metalloberfläche niedrig ist und das nicht durch Glas übertragbar ist. Das heißt mit anderen Worten, daß für diesen Strahlungsbereich keine Linse verwendet werden kann und die vielfachen Reflexionen an der Metalloberfläche auf das äußerste verringert werden sollen. Durch Beseitigen oder Reduzieren der dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile, kann das Gitter auch für spektroskopische Instrumente auch im Bereich der ultravioletten Strahlung und der sichtbaren Strahlung eingesetzt werden. Außerdem können spektroskopische Instrumente entwickelt werden, die den Vorteil haben, daß keine Linsen und keine konkaven Spiegel erforderlich sind, was ja zu den Eigenkeiten des konkaven Beugungsgitters gehört.

Wie vorstehend ausgeführt wurde, können erfindungsgemäß Gitterfurchen hergestellt werden, die über den gesamten Gitterfurchenbereich eine gleichförmige Querschnittsform haben. Das auf diese Weise erhaltene konkave Beugungsgitter hat einen hohen Diffraktionswirkungsgrad und eine geringe Lichtstreuung, so daß es sich für die Praxis besonders eignet .

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Claims

PATENTANWÄLTE 2 V? fc> / H V U

SCHIFF v. FÜNER STREHL SC H Ü B E L-H O PF EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95Q16O, D-8OOO MÖNCHEN 95

HITACHI, LTD. 6. Juli 1979

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Gerat zum Ziehen von Beugungsgitterlinien

Patentansprüche

( 1.JGerät zum Ziehen von Beugungsgitterlinien, bei welchem das — Beugungsgitter durch mechanisches Ziehen von Beugungsgitternuten auf einer kugeligen Oberfläche eines Eougungsgitterrohlings hergestellt wird, mit einer Werkzeugeinrichtung zum Ziehen der Gitternuten auf der sphärischen Oberfläche des Beugungsgitterrohlings und mit einer Gleiteinrichtung zum flexiblen Halten der Werkzeugeinrichtung, gekennzeichnet durch eine zylindrische Nockeneinrichtung (18) mit einer Kreisbogenfläche, die einen konzentrischen Kreis zu einem Kreisbogenteil eines Gitterrohlingabschnitts parallel zu den Gitternuten bildet, durch Vorschubeinrichtungen zum Vorwärtsbewegen des Beugungsgitterrohlings (11) um einen vorgegebenen Wert in Breitenrichtung der Gitternuten, durch eine Einrichtung für die Hin- und Herbewegung der Gleiteinrichtung (17) in Längsrichtung der Gitternuten ansprechend auf die Vorschubeinrichtungen und mit der zylindrischen Nockeneinrichtung (18) als Führung und durch eine Einrichtung, mit der der zylindrischen Nockeneinrichtung (18) eine Vertikalbewegung erteilt wird, welche durch einen Krümmungsradius des Beugungsgitterrohlings (11) entspre-

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chend einer Gitternutenposition in Breitenrichtung der Gitternuten bestimmt ist wie dies durch die Vorschubeinrichtung gegeben ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Bauweise, daß die Vertikalbewegung der zylindrischen Nockeneinrichtung (18) durch eine numerische Steuerung ausgeführt wird, die ein Steuerband (25) verwendet.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Nockeneinrichtung (18) so angeordnet ist, daß sie eine zylindrische Oberfläche mit einem Krümmungsradius bildet, der um einen festgelegten Betrag kleiner als der Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche des Beugungsgitterrohlings (11) ist, und daß ein Teil des konzentrischen Kreises gebildet wird, wobei der Kreisbogenteil des Gitterrohlxngabschnitts parallel zu den Gitternuten ist.
4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Nockeneinrichtung (18) so angeordnet ist, daß eine zylindrische Oberfläche mit einem Krümmungsradius gebildet wird, der um einen festgelegten Betrag größer als der Krümmungsradius der sphärischen Oberfläche des Beugungsgitterrohlings (11) ist, und daß ein Teil des konzentrischen Kreises gebildet wird, wobei der Kreisbogenteil des Gitterrohlingabschnittes parallel zu den Gitternuten ist.

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