機刻光柵制造系統(tǒng)結構特性與精度控制研究.pdf

1、目前，大型光學系統(tǒng)和科學儀器發(fā)展的重要趨勢是:視場不斷增大，分辨力不斷提高，相應地要求光學元器件擴大口徑和提高精度。本論文涉及的光柵是一類以機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構，是大型光學系統(tǒng)和科學儀器的核心光學元件，需要納米級的加工精度和表面粗糙度。其制造技術的主要特點是特種功能結構精細度、超精密的制造系統(tǒng)與數(shù)字化制造過程等都達到了相關領域的頂尖水平。但是，基礎研究方面的工作尚且存在以下問題:基于光柵光學性能的機

2、械系統(tǒng)精度規(guī)劃研究欠缺、光柵刻劃機系統(tǒng)關鍵運動部件的動力學特性研究尚顯薄弱、長行程納米精度定位系統(tǒng)控制策略研究不足等。這些問題制約了大面積、高精度光柵的成功制造。
　　 基于上述大面積機刻光柵制造技術的研究不足，以提高機刻光柵光學性能為目標，本文擬分四個部分對機刻光柵制造系統(tǒng)的結構特性與精度控制展開探索:(1)機刻光柵光學性能與機械性能的映射機制;(2)衍射光柵刻劃機結構特性解析;(3)基于果蠅優(yōu)化算法的微位移部件多目標優(yōu)化;(

3、4)機刻光柵精密定位信號測量分析及精度控制。
　　 文中分析機刻光柵的加工和工作原理，以及影響光柵質量的關鍵性能指標。針對光柵誤差特點，分析光柵刻劃機系統(tǒng)精度規(guī)劃。在此基礎上分析機刻光柵光學性能與機械性能的映射機制，為光柵制造系統(tǒng)的進一步研究提供參考。
　　 鑒于光譜質量中的鬼線強度和雜散光這兩個性能指標直接受到工作臺定位精度的影響，分析光柵運動宏/微驅動副，包括絲杠螺母宏動機構和壓電驅動微動機構的動力學特性。在光柵毛坯

4、運動階段充分考慮工作臺在導軌上運動可能產生的爬行現(xiàn)象，就爬行現(xiàn)象出現(xiàn)與否展開分析。
　　 考慮到微位移部件驅動工作臺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，分析了果蠅優(yōu)化算法求極值的快速和準確性，建立光柵工作臺微位移部件-彈性片的多目標優(yōu)化模型，將果蠅優(yōu)化算法嵌入多目標優(yōu)化中，最終得到微位移部件在約束條件下的最優(yōu)解。
　　 針對波前質量高頻部分和雜散光與光柵工作臺的精密定位密切