DE1623795C3 - Verfahren zur Herstellung eines langen Beugungsgitters - Google Patents

Description

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Zur Herstellung von Beugungsgittern mußten bisher hohe Kosten aufgewendet, und eine hoch entwickelte Technik angewendet werden. Insbesondere war es bisher äußerst schwierig, lange Beugungsgitier herzustellen, die für genaue Messungen unter Ausnutzung der Moire-Interferenz, die entsteht, wenn zwei Beugungsgitter übereinander angeordnet werden, und für die automatische Steuerung von Werkzeugmaschinen usw. verwendet werden konnten.

Es ist bereits bekannt, ein langes Beugungsgitter mit Hilfe eines kürzeren Mutterbeugungsgitters dadurch herzustellen, daß auf einem langen Träger aus Glas, dessen Länge der Länge des herzustellenden Beugungsgitters entspricht, an einem Ende eine Nachbildung des Mutterbeugungsgitters aus Kunstharz erzeugt wird, daß das Mutterbeugungsgitter nach dem Aushärten des Kunstharzes abgezogen und in Richtung der Gitterteilung um etwas weniger als die Gesamtlänge der Nachbildung verschoben und mit der Teilung der Nachbildung in Eingriff gebracht wird, wobei ein der geringen Stärke der Nachbildung entsprechender Abstand des Mutterbeugungsgitters zum Träger aus Glas einzuhalten ist, und daß dann der schmale Raum zwischen dem Träger und dem Mutterbeugungsgitter wiederum mit Kunstharz vergossen wird, das man aushärten läßt. Die letzteren Verfahrensschritte werden wiederholt, bis der Träger in der gewünschten Länge mit Nachbildungen bedeckt ist Bei diesem Verfahren ist die mehrfach notwendige Verschiebung und Neujustierung des Mutterbeugungsgitters sehr schwierig. Bei der Verschiebung muß die Parallelität zwischen den Gitterlinien des Mutterbeugungsgitters und denjenigen der Nachbildung genau eingehalten werden. Die Justierung bezügüch der Phase kann durch Beobachtung mittels eines Mikroskops kontrolliert werden. Insbesondere aber hat das bekannte Verfahren den Nachteil, daß das zur Herstellung der zweiten und aller weiteren Nachbildungen zwischen das Mutterbeugungsgitter und den Träger aus Glas eingegossene Kunstharz beim Erhärten die übliche Dickenkontraktion erleidet, der das durch die bereits ausgehärtete Nachbildung und durch notwendig zu verwendende Abstandshalter in festem Abstand zum Träger aus Glas gehaltene Mutterbeugungsgitter nicht folgen kann. Es kommt daher zu Abhebungen der gerade gegossenen Nachbildung von dem Träger insbesondere in der Nähe der bereits ausgehärteten Nachbildung. Letztere sind häufig mit Störungen des Gitterverlaufs an den Übergängen verbunden, die zu Fehlzähiungen bei einer photoelektrischen Auszählung von mit dem Beugungsgitter erzeugten Moire-Streifen führen. Es ist bekannt, die Abhebungen weitgehend durch eine 6 bis 15 mm breite Nut im Mutterbeugungsgitter zu vermeiden, die; im Überlappungsbereich mit der jeweils ausgehärteten Nachbildung angeordnet wird. Dann kommt es jedoch bei der Kontraktion des Kunstharzes zu Verbiegungen des Mutterbeugungsgitters im Bereich der Nut, wodurch die Dicke der Nachbildungen von Nachbildung zu Nachbildung unterschiedlich ist und die Herstellung eines gleichmäßig flachen oder planparallelen langen Beugungsgitters unmöglich wird. Hierbei kann zur Kontrolle von Parallelität und Phasenlage statt eines Mikroskops eine Vorrichtung zur Beobachtung von Moir6-Streifen verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines langen Beugungsgitters anzugeben, das kostensparend ist und sich insbesondere zur Anwendung in der Serienherstellung eignet, trotzdem aber zu Beugungsgittern mit einer großen, exakte Messungen unter Ausnutzung von Moire-Interferenz ermöglichenden Genauigkeit führt.

Das diese Aufgabe lösende erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines langen Beugungsgitters ist im Anspruch 1 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich sämtliche Beugungsgitterkopien auf Grund der Verwendung getrennter Träger so leicht herstellen, wie dies bei dem bekannten Verfahren nur bei der Herstellung der ersten Nachbildung der Fall ist. Es ist nicht notwendig, in einem zeitraubenden Arbeitsschritt Kunstharz luftblasenfrei in einen engen Raum zwischen Träger und Mutterbeugungsgitter einzubringen. Das Zusammenfügen der fertiggestellten Beugungsgitterkopien zum langen Beugungsgitter ist wegen der präzisen Form ihrer Träger leicht möglich. Die richtige gegenseitige Ausrichtung bezüglich Richtung und Phase der Gitterlinien läßt sich bequem beispielsweise mit einem auf die Übergangsstelle aufgelegten dritten Beugungsgitter mit dem bloßen Auge kontrollieren, was bei dem bekannten Verfahren nicht möglich ist Insbesondere aber spielt eine Dickenkontraktion des zur Herstellung der Beugungsgitter kopien verwendeten Harzes keine Rolle, da die Beugungsgitterkopien erst nach dem Aushärten des Harzes gegenseitig justiert und endgültig miteinander verbunden werden. Mit der Erfindung werden daher auf relativ einfache Weise besonders genaue lange Beugungsgitter erhalten, die speziell auch zu fehlerfreien Resultaten bei der photoelektrischen Auszählung von Moire-Streifen führen, die mit ihnen erzeugt werden.

Die im Anspruch 2 gekennzeichnete zweckmäßige

ι u

mi iterbildung der Erfindung ist im Zusammenhang des • eangs geschilderten bekannten Verfahrens in analo-S!form bereits angegeben worden. Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematiher Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen 7äher erläutert. Es zeigt

Fie 1 e'^me perspektivische Ansicht eines Mutterbeu- = ^gsgitters, das bei dem erfindungsgemäßen Verfah- ^pjg^a und 2b den Grundriß und die Vorderansicht einer Unterlage bzw. eines Trägers einer Beugungs-''VTg 3^{a und 3b den Grundriß und die} Vorderansicht einer anderen Ausführungsform des Trägers einer Beugungsg'tterkopie,

Fig·⁴die Darstellung eines Schrittes des erfindungs-Üemäßen Verfahrens,

ρ ig. 5 die Vorderansicht einer Beugungsgitterkopie, wie &ie nach Durchführung des in Fig.4 dargestellten Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten

*'pig 6 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform der in F i g. 5 dargestellten Beugungsgitter-

pje.7 die Darstellung eines anderen Schrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens,

ρ ig. 8 die vergrößerte Darstellung einer Moire-Interferenz, die an der Verbindung von zwei plattenförmigen Gittern entsteht,

Fig.9 die Darstellung der Phasen von mittels zweier Gitter gebeugter Lichtstrahlen,

Fig. 10 ein zusammengesetztes Beugungsgitter, wie es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, wobei die Verbindung im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 11 eine abgewandelte Ausführungsform eines zusammengesetzten Beugungsgitters, wie es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, wobei die Verbindung im Schnitt dargestellt ist,

Fig. 12 den Schnitt durch ein langes, zusammengesetztes Beugungsgitter, wie es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird.

In Fig. 1 ist mit 1 die Gitteroberfläche eines Beugungsgitters bezeichnet, das auf einer Unterlage bzw. einem Träger 2 ausgebildet ist und die Länge L aufweist

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird solch ein Beugungsgitter 1,2 als Mutter benutzt, der eine Anzahl Beugungsgitterkopien nachgebildet werden. Zu diesem Zweck werden die in den F i g. 2 und 3 gezeigten Träger 3 und 4 verwendet, um den auf ihnen auszubildenden, kopierten Beugungsgitteroberflächen Halt zu geben. Die Länge L' dieser Träger 3 und 4 ist kleiner a's die Länge L der Gitteroberfläche 1, damit die kopierte Gitteroberfläche auf der ganzen Oberfläche der Träger 3 und 4 ausgebildet werden kann. Die Träger 3 und 4 werden maschinell bearbeitet, um dem Träger 3 eine rechteckige Querschnittsform und dem Träger 4 eine parallelogrammartige Querschnittsform zu geben und um den Winkel zwischen den Seiten und Endkanten der Oberflächen der Träger 3 und 4, auf denen die Kopie ausgebildet werden soll, genau rechtwinklig zu machen.

Vorzugsweise wird ein umgekehrt L-förmiger Anschlag 5 benutzt, der, wie in Fig.4 gezeigt, in verschiedenen Ebenen zwei senkrechte Flächen 5' und 5" aufweist. Der Träger 2 des Mutter-Beugungsgitters wird auf eine waagerechte Grundplatte 6 gelegt, an der der Anschlag 5 so befestigt ist, daß die zwei Flächen 5' und 5" senkrecht ausgerichtet sind. Die Endfläche des

Trägers 2 liegt bündig an der unteren Fläche 5" des Anschlags 5 an. Anschließend läßt man synthetisches Harz 7 über die Oberfläche 1 des Muuergitters fließen, und auf das auseinandergeflossene synthetische Harz wird der in F i g. 2 gezeigte Träger 3 aufgelegt, wobei seine Endfläche bündig an der oberen Fläche 5' des Anschlags 5 anliegt, so daß auf diese Weise die in F i g. 5 gezeigte Harz-Gitte.-kopie 8 gebildet wird. Nachdem das Harz ausgehärtet ist, wird dann der Träger 3 mit ίο seiner Harz-Gitterkopie 8 von der Mutter-Gitteroberfläche 1 getrennt.

Mit Hilfe des in F i g. 4 gezeigten Anschlags 5 kann man eine Anzahl von Gitierkopien erhalten, deren Gitter in der gleichen Richtung wie die des Muttergitters 1 geneigt sind. Die Gitter der Beugungsgitterkopien sind also alle um den gleichen Winkel gegenüber der Endfläche ihrer Träger geneigt. In Fig.6 ist eine auf dem parallelogrammförmigen, in Fig.3 gezeigten Träger 4 ausgebildete Gitterkopie 9 gezeigt. Die auf diese Weise erhaltene, in Fig.5 gezeigte Beugungsgitterkopie 3, 8 wird in einer U-förmigen Einspannvorrichtung 10 mittels einer dünnen Stahlplatte 11 und einer Schraube 12 so eingespannt, daß jeweils eine End- und eine Seitenfläche der Gitterkopie 3, 8 bündig an der inneren End- und Seitenfläche der Einspannverrichtung 10 anliegen. Anschließend wird in der Einspannvorrichtung 10 eine andere Beugungsgitterkopie 3', 8' einstellbar eingespannt. Zu diesem Zweck sind eine Auflagekante 13, die an der Innenfläche der Einspannvorrichtung 10 hervorsteht, sowie zwei Schrauben 14 und 15, die an der der Auflagekante 13 gegenüberliegenden Seitenfläche des Trägers 3' angreifen, und eine Mikrometerschraube 16, die über eine dünne Stahlplatte 17 an einer Endfläche des Gitters 3', 8' angreift, vorgesehen. Das Gitter 3', 8' wird so angeordnet, daß dessen andere Endfläche einen kleinen Abstand zu der gegenüberliegenden Fläche des Gitters 3,8 aufweist, so daß sich ein Spalt g bildet. Mit 18 ist eine Haltplatte für die Mikrometerschraube 16 bezeichnet. Anschließend wird ein anderes Beugungsgitter 19, das die gleiche Teilung wie die Beugungsgitterkopien 8, 8 aufweist, auf diesen über dem Spalt gzm Erzeugung von Moire-Interferenz angeordnet.

Wenn zwei Beugungsgitter, jedes mit einer Teilung w, übereinander angeordnet werden und dabei die Gitterlinien eines dieser Gitter um einen kleinen Winkel θ gegenüber den Gitterlinien des anderen Beugungsgitters geneigt ist, gilt im allgemeinen, daß eine Moire-Interferenz mit einer Teilung Werzeugt wird, die durch die folgende Formel gegeben ist:

W~wYB.

Wenn die Gitter 8 und 8' nicht parallel zueinander ausgerichtet sind, wird sich die Teilung Wder durch die Beugungsgitter 19 und 8 erzeugten Moiro-Interferenz von der Teilung Wder durch die Beugungsgitter 19 und 8' erzeugten Moire-Interferenz unterscheiden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Schrauben 14 und 15 genau eingestellt, so dab die Teilung W der Moiro-Interferenz, die durch die Beugungsgitter 19 und 8' erzeugt wird, in Übereinstimmung mit der Teilung W der Moire-Interferenz gebracht wird, die durch die Beugungsgitter 19 und erzeugt wird, wodurch die Gitter beider Beugungs-65 gitterkopien 8 und 8' parallel zueinander ausgerichtet

^W Gemäß der Erfindung können Beugungsgitterlcopien hergestellt werden, deren Gitter alle um den gleichen

Winkel gegenüber den Endflächen ihrer Träger geneigt sind, so daß der obenerwähnte Unterschied der Teilungen der Moire-Interferenz verhältnismäßig klein wird. Daher ist es einfach, die Gitter 8 und 8' durch die Einstellung der Schrauben 14 und 15 parallel zueinander auszurichten.

Selbst wenn jedoch die Gitter 8 und 8' parallel zueinander ausgerichtet sind, sind die Moire-Interferenzen W, W an der Verbindungsstelle der Gitter 8 und 8', wie in Fig.8 gezeigt, gegeneinander versetzt, ₎₀ wenn der Spalt g nicht der Größe m ■ w gleicht, d. h., wenn g>£ m · w, wobei m eine positive ganze Zahl und w die Teilung eines Beugungsgitters ist, mit anderen Worten, wenn das Gitter 8 an der Verbindung g nicht in Phase mit dem Gitter 8'ist.

Allgemein ist es theoretisch bewiesen, daß bei einer Beobachtung der Moire-1 interferenz die Phase des durch zwei im Abstand voneinander befindlichen Beugungsgitter 8, 8' hindurchtretenden Lichts von der relativen Phase der Gitter 8,8' abhängt, d. h. von dem Spalt g und von dem Unterschied in der Stärke der Gitter 8,19 und der Stärke der Gitter 8', 19. Weiterhin ist es theoretisch bewiesen, daß, wenn zwei Beugungsgitter 20 und 21 übereinander so angeordnet sind, daß nur Lichtstrahlen nullter und erster Ordnung stark gebeugt werden, wie dies in Fig.9 gezeigt ist, und daß die dadurch entstehende Moire-Interferenz aus einer Richtung beobachtet wird, bei der die gesamte Ordnungszahl die erste Ordnungszahl ist, die Phasen der gebeugten Lichtstrahlen (0, +1) und ( + 1,0) durch den Unterschied in der Stärke der Gitter 20 und 21 nicht beeinflußt werden, wenn die an dem Beugungsgitter 21 gebeugten Lichtstrahlen der nullten und ersten Ordnung auf das Beugungsgitter 20 so auftreffen, daß eine gegenseitige Beziehung zwischen dem Winkel ß\ und dem Winkel 02 die Bedingung ß\=-ß2 erfüllt, wobei ß\ der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und der Senkrechten auf das Beugungsgitter und 02 der Winkel zwischen dem gebeugten Lichtstrahl und der Senkrechten ist.

Da es in der Praxis schwierig ist, die Stärke der beiden Beugungsgitter 8 und 8' vollständig gleichzumachen, wird die Moire-Interferenz aus einer solchen Richtung beobachtet, daß die Phase der Lichtstrahlen durch den Unterschied in der Stärke der Gitter der beiden plattenförmigen Beugungsgitter nicht beeinflußt ist, während die Mikrometerschraube 16 genau eingestellt wird, um den Spalt g gleich m · w zu machen, d. h. g-m ■ w.

Wie oben erklärt, führt die Einstellung der Schrauben 14 und 15, um die Teilungen der Moire-Interferenz gleich zu machen, und der Mikrometerschraube 15, um die gegenseitige Versetzung dieser Moire-Interferenzen zu beseitigen, zur parallelen Ausrichtung der in F i g. 7 gezeigten Gitter 8 und 8' und ergibt weiterhin den wichtigen Vorteil, daß der Spalt g der Größe m ■ w gleichgemacht wird, d. h.g=m · w.

Die so eingestellten Gitter 8 und 8' werden mechanisch miteinander verbunden oder mit Hilfe eines synthetischen Harzes miteinander verkittet, um ein zusammengesetztes Beugungsgitter zu bilden.

Ein langes Beugungsgitter von jeder gewünschten Länge kann erhalten werden, indem weitere Beugungsgitterkopien nacheinander in gleicher Weise mit den Beugungsgittern 8 und 8' verbunden werden, und zwar mechanisch oder mit Hilfe der Verkittung, wie oben erklärt.

Das erhaltene zusammengesetzte Beugungsgitter ist um so besser, je schmaler der Spalt g ist. In der Praxis existiert allerdings eine untere Grenze für die Spaltweite g. Wenn Lichtstrahlen auf ein zusammengesetztes Beugungsgitter 22 fallen, das, wie in Fig. 10 gezeigt, eine rechteckige Querschnittsform aufweist, wobei die einfallenden Strahlen gegenüber der Normalen auf das Gitter 22 um einen Winkel γ geneigt sind, wird £ an dem Spalt 23 zu g', das durch den Ausdruck:

8— (g+1" tan Y) · cos γ

gegeben ist, wobei /die Stärke des Gitters 23 ist.

Wenn die gleichen Lichtstrahlen auf ein zusammengesetztes Beugungsgitter 24 auftreffen, das, wie in F i g. 11 gezeigt, im Querschnitt parallelogrammartig ist, wobei die einfallenden Strahlen gegenüber der Normalen auf das Gitter 24 um den gleichen Winkel γ geneigt sind und wobei die Endfläche des Parallelogramms um einen Winkel α gegenüber seiner Seitenfläche geneigt ist, wird g am Spalt 25 zu g", das durch den Ausdruck

g"=g · cosy

gegeben ist. Aus den Formeln (2) und (3) erhält man:
g'-g"°=lsin γ.

Aus dieser Formel ist ersichtlich, daß die Verwendung des in F i g. 11 gezeigten zusammengesetzten Beugungsgitters 24 eine Verringerung des Einflusses des Spaltes auf die Moire-Interferenz in dem durch die obige Formel gezeigten Maße ergibt, wodurch die Verwendung einer Einrichtung zum photoelektrischen Zählen des Betrages, um den die Moir6-lnterferenzen versetzt sind, erleichtert wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das zusammengesetzte Beugungsgitter, das durch den an Hand von F i g. 7 erklärten Arbeitsschritt erhalten wird, als Muttergitter verwendet, von dem ein zusammengesetztes Beugungsgitter, wie oben beschrieben, kopiert wird. Das so kopierte, zusammengesetzte Beugungsgitter ist in F i g. 12 gezeigt, in der die Gitter mit 26 und ein einer Anzahl von Gittern gemeinsamer Träger mit 27 bezeichnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines langen Beugungsgitters, bei dem von einem kürzeren Mutterbeugungsgitter eine Anzahl von Beugungsgitterkopien abgezogen und richtungs- und phasenrichtig bezüglich ihrer Gitterlinien zu dem langen Beugungsgitter zusammengesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jede Beugungs- to gitterkopie auf einen eigenen Träger abgezogen wird, dessen Länge kleiner als die des Gitters des Mutterbeugungsgitters ist, der im Längsschnitt rechteckig oder parallelogrammförmig ist und bei dem die Winkel zwischen den Seiten- und Endkanten rechte sind, daß zwei der so erhaltenen Beugungsgitterkopien in einer Einspannvorrichtung unter Wahrung eines Abstandes und gegenseitig verstellbar eingespannt und ihre Gitterlinien bezüglich Richtung und Phase durch Verstellung in Übereinstimmung gebracht werden und daß die eingespannten Beugungsgitterkopien miteinander verbunden, z. B. verkittet werden.

2- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mutter eine zusammengesetzte *5 Beugungsgitterkopie verwendet wird, die eine Anzahl von Beugungsgitterkopien umfaßt, die miteinander verbunden, z. B. verkittet sind, und daß von dieser Mutter eine Anzahl von zusammengesetzten Beugungsgitterkopien auf einen gemeinsamen Träger abgezogen werden.