機(jī)刻光柵制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性與精度控制研究.pdf

1、目前，大型光學(xué)系統(tǒng)和科學(xué)儀器發(fā)展的重要趨勢(shì)是:視場(chǎng)不斷增大，分辨力不斷提高，相應(yīng)地要求光學(xué)元器件擴(kuò)大口徑和提高精度。本論文涉及的光柵是一類以機(jī)械刻劃方式制造的具有宏觀尺度的納米精度周期性特種功能結(jié)構(gòu)，是大型光學(xué)系統(tǒng)和科學(xué)儀器的核心光學(xué)元件，需要納米級(jí)的加工精度和表面粗糙度。其制造技術(shù)的主要特點(diǎn)是特種功能結(jié)構(gòu)精細(xì)度、超精密的制造系統(tǒng)與數(shù)字化制造過(guò)程等都達(dá)到了相關(guān)領(lǐng)域的頂尖水平。但是，基礎(chǔ)研究方面的工作尚且存在以下問(wèn)題:基于光柵光學(xué)性能的機(jī)

2、械系統(tǒng)精度規(guī)劃研究欠缺、光柵刻劃?rùn)C(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)力學(xué)特性研究尚顯薄弱、長(zhǎng)行程納米精度定位系統(tǒng)控制策略研究不足等。這些問(wèn)題制約了大面積、高精度光柵的成功制造。
　　 基于上述大面積機(jī)刻光柵制造技術(shù)的研究不足，以提高機(jī)刻光柵光學(xué)性能為目標(biāo)，本文擬分四個(gè)部分對(duì)機(jī)刻光柵制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性與精度控制展開(kāi)探索:(1)機(jī)刻光柵光學(xué)性能與機(jī)械性能的映射機(jī)制;(2)衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)特性解析;(3)基于果蠅優(yōu)化算法的微位移部件多目標(biāo)優(yōu)化;(

3、4)機(jī)刻光柵精密定位信號(hào)測(cè)量分析及精度控制。
　　 文中分析機(jī)刻光柵的加工和工作原理，以及影響光柵質(zhì)量的關(guān)鍵性能指標(biāo)。針對(duì)光柵誤差特點(diǎn)，分析光柵刻劃?rùn)C(jī)系統(tǒng)精度規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上分析機(jī)刻光柵光學(xué)性能與機(jī)械性能的映射機(jī)制，為光柵制造系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供參考。
　　 鑒于光譜質(zhì)量中的鬼線強(qiáng)度和雜散光這兩個(gè)性能指標(biāo)直接受到工作臺(tái)定位精度的影響，分析光柵運(yùn)動(dòng)宏/微驅(qū)動(dòng)副，包括絲杠螺母宏動(dòng)機(jī)構(gòu)和壓電驅(qū)動(dòng)微動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。在光柵毛坯

4、運(yùn)動(dòng)階段充分考慮工作臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)可能產(chǎn)生的爬行現(xiàn)象，就爬行現(xiàn)象出現(xiàn)與否展開(kāi)分析。
　　 考慮到微位移部件驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)是刻槽位置不確定度的決定性因素之一，而刻槽位置的不確定度將直接影響到雜散光性能指標(biāo)，分析了果蠅優(yōu)化算法求極值的快速和準(zhǔn)確性，建立光柵工作臺(tái)微位移部件-彈性片的多目標(biāo)優(yōu)化模型，將果蠅優(yōu)化算法嵌入多目標(biāo)優(yōu)化中，最終得到微位移部件在約束條件下的最優(yōu)解。
　　 針對(duì)波前質(zhì)量高頻部分和雜散光與光柵工作臺(tái)的精密定位密切