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机刻光栅制造系统结构特性与精度控制研究

【摘要】:目前,大型光学系统和科学仪器发展的重要趋势是:视场不断增大,分辨力不断提高,相应地要求光学元器件扩大口径和提高精度。本论文涉及的光栅是一类以机械刻划方式制造的具有宏观尺度的纳米精度周期性特种功能结构,是大型光学系统和科学仪器的核心光学元件,需要纳米级的加工精度和表面粗糙度。其制造技术的主要特点是特种功能结构精细度、超精密的制造系统与数字化制造过程等都达到了相关领域的顶尖水平。但是,基础研究方面的工作尚且存在以下问题:基于光栅光学性能的机械系统精度规划研究欠缺、光栅刻划机系统关键运动部件的动力学特性研究尚显薄弱、长行程纳米精度定位系统控制策略研究不足等。这些问题制约了大面积、高精度光栅的成功制造。 基于上述大面积机刻光栅制造技术的研究不足,以提高机刻光栅光学性能为目标,本文拟分四个部分对机刻光栅制造系统的结构特性与精度控制展开探索:(1)机刻光栅光学性能与机械性能的映射机制;(2)衍射光栅刻划机结构特性解析;(3)基于果蝇优化算法的微位移部件多目标优化;(4)机刻光栅精密定位信号测量分析及精度控制。 文中分析机刻光栅的加工和工作原理,以及影响光栅质量的关键性能指标。针对光栅误差特点,分析光栅刻划机系统精度规划。在此基础上分析机刻光栅光学性能与机械性能的映射机制,为光栅制造系统的进一步研究提供参考。 鉴于光谱质量中的鬼线强度和杂散光这两个性能指标直接受到工作台定位精度的影响,分析光栅运动宏/微驱动副,包括丝杠螺母宏动机构和压电驱动微动机构的动力学特性。在光栅毛坯运动阶段充分考虑工作台在导轨上运动可能产生的爬行现象,就爬行现象出现与否展开分析。 考虑到微位移部件驱动工作台是刻槽位置不确定度的决定性因素之一,而刻槽位置的不确定度将直接影响到杂散光性能指标,分析了果蝇优化算法求极值的快速和准确性,建立光栅工作台微位移部件-弹性片的多目标优化模型,将果蝇优化算法嵌入多目标优化中,最终得到微位移部件在约束条件下的最优解。 针对波前质量高频部分和杂散光与光栅工作台的精密定位密切相关,以及在整个长刻划行程内必须保持低周期误差以减少杂散光的需求,分析了测量系统的精度水平,基于HHT对机刻光栅定位工作台进行非线性特征识别,将RBF神经网络与PID控制相结合作为智能控制策略,最终实现长行程、重载光栅工作台纳米精度定位运动控制,支持高质量的光栅刻划。 本文得到国家重大科研装备研制项目(No.ZBYZ2008-1)的资助。本文的研究属于其研究内容的一部分预研工作。

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