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机械刻划光栅刻线误差及其修正方法研究

作　者: 李晓天
导　师: 唐玉国
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 光学工程
关键词: 平面光栅光栅刻线误差光栅刻线弯曲误差光栅刻线位置误差光栅刻线摆角误差衍射波前光栅指标快速傅里叶变换机械修正法光栅刻线摆角修正方法
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着科技的迅速发展，大面积且高质量的平面衍射光栅在各国军事、天文、核能、航天航空以及民用领域的需求越发迫切。机械刻划法是光栅主要制作方法之一，是制作某些特殊用途光栅的最佳选择，如低刻线密度的红外激光光栅和所有中阶梯光栅等。对于机械刻划法而言，光栅刻线误差是影响大面积光栅性能指标（衍射波前、杂散光和分辨本领等）的关键因素。鉴于此，本论文受“十一五”国家科技支撑计划重大项目和国家重大科研装备研制项目资助，从机械刻划光栅的刻线误差入手，探索提高大面积机械刻划光栅质量的方法，主要对机械刻划光栅刻线误差与基底面型误差和光栅衍射波前及其它性能指标之间的关系、刻线误差对光栅性能影响及其机械修正方法和刻线摆角误差实时修正方法等做了较为深入的研究。第一，推导出了光栅锥面衍射下光栅刻线误差、基底面型误差与衍射波前之间的关系表达式，通过测量光栅对称级次衍射波前，实现了刻线误差与基底面型误差分离以及二者的数字化定量提取；通过二维快速傅里叶变换方法分析光栅衍射波前,考察了刻线误差与基底面型误差对光栅性能指标的影响。借助上述方法可以通过重构的光栅衍射波前，分析光栅性能指标，同时还可以反演光栅全表面刻线误差与面型误差的大小，为光栅制造和使用技术提供理论依据。第二，阐述了在单色平行光入射条件下含有等间距刻线弯曲和刻线位置误差的平面光栅在焦平面上成像的光线追迹模型，分析了上述两种刻线误差对光栅衍射谱成像性能的影响；理论分析结果表明，刻线弯曲和刻线位置误差分别主要影响光栅弧矢和子午方向光谱性能，刻线弯曲对光栅分辨本领和杂散光影响较小，该结果可为机械刻划光栅制作技术的研究重点提供指导。第三，采用有限元分析方法对长春光机所2号刻划机可机械修正的主要光栅刻线弯曲来源——刻划刀架系统结构不对称、石英导轨系统刚度不足和刻划刀架系统驱动方式不合理等问题进行了分析，并提出了相应的机械修正方法，最后对部分机械修正方法进行了实验验证，实验与仿真结果在趋势上具有较好的一致性。第四，针对2号刻划机中的主要刻线位置误差展开机械修正方法研究；通过对刻划刀架系统与微定位工作台平行性进行机械修正，解决了光栅刻线不完整问题；提出了鞍型滑块与刻划刀架连接方式的机械修正方案，设计了柔性铰链式连接方式来取代原有的固定连接方式，有效解决了刻划刀架系统运行不稳定问题，机械修正后结构与原结构相比，其光栅刻线位置误差有了明显下降，有效抑制了光栅杂散光，提高了2号光栅刻划机的光栅质量。第五，对2号光栅刻划机微定位工作台系统数学模型中的主要参数与工作台动态性能之间的关系进行了仿真分析，并对BP神经网络PID和传统PID算法的控制精度进行了实验分析；结果表明，增大宏微两级工作台之间的连接刚度或阻尼在总体趋势上均可改善微定位工作台性能，而且BP神经网络PID算法是更适合2号刻划机工作台的控制算法，上述分析结果对大光栅刻划机宏微两级工作台设计和改进及控制算法选择具有一定参考意义。第六，给出了一种单压电陶瓷式光栅刻划机工作台摆角误差实时修正方法，并针对工作台摆角测量中出现的问题，采用三路激光干涉仪和zygo衍射波前测量仪对摆角测量误差来源进行交互验证分析，最终通过光栅刻划实验验证了本文提出的摆角修正方法的可行性；实验结果表明，采用本文给出的单压电陶瓷式方法，有效抑制了光栅刻线摆角误差，该摆角修正方法可望应用于实时修正大面积机械刻划光栅的刻线摆角误差。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-29
  1.1 研究背景及意义  13-16
  1.2 光栅刻划机的国内外发展现状  16-20
  1.3 机械刻划光栅刻线误差修正方法的国内外研究现状  20-26
    1.3.1 机械修正方法  22-24
    1.3.2 光电控制方法  24-26
  1.4 论文主要研究内容和结构安排  26-29
    1.4.1 论文的主要研究内容  26-27
    1.4.2 论文的结构安排  27-29
第2章光栅刻划机工作原理、误差分析及光电控制方法  29-45
  2.1 引言  29
  2.2 光栅刻划机运行方式及主要工作原理  29-36
    2.2.1 光栅刻划机的主要运行方式  29-31
    2.2.2 光栅刻划机刻划系统工作原理  31-33
    2.2.3 光栅刻划机分度系统工作原理  33-36
  2.3 机械刻划光栅的刻线误差主要来源及其分析方法  36-41
    2.3.1 光栅刻线误差的主要来源  36-38
    2.3.2 有限元分析法在光栅刻线误差来源分析中的应用  38-40
    2.3.3 非理想平面光栅的衍射成像性能分析方法  40-41
  2.4 光栅刻划机微定位工作台的光电控制方法  41-44
    2.4.1 微定位工作台系统辨识方法  41-42
    2.4.2 微定位工作台控制算法  42-43
    2.4.3 微定位工作台位移和摆角测量方法  43-44
  2.5 本章小结  44-45
第3章刻线误差与基底面型误差分离方法及其对光栅性能影响分析  45-61
  3.1 引言  45-46
  3.2 基底面型误差、刻线误差与光栅衍射波前关系的理论模型  46-48
  3.3 光栅衍射光谱性能的二维快速傅里叶变换分析方法  48-53
    3.3.1 惠更斯原理的近似表达式  48-50
    3.3.2 光栅衍射谱光强分布的二维快速傅里叶变换方法  50-52
    3.3.3 光栅性能指标求解方法  52-53
  3.4 实验验证及分析  53-60
    3.4.1 光栅刻线误差和基底面型误差分离实验  53-55
    3.4.2 刻线误差和基底面型误差对光栅光谱性能影响分析  55-58
    3.4.3 任意级衍射波前重构及其与实测衍射波前对比分析  58-60
  3.5 结论  60-61
第4章刻线弯曲与刻线位置误差对光栅性能影响及机械修正方法  61-91
  4.1 引言  61-62
  4.2 非理想平面光栅的光线追迹分析法  62-68
    4.2.1 非理想平面光栅成像系统的理论模型  62-64
    4.2.2 等间距刻线弯曲和刻线位置误差对光栅性能影响分析  64-68
  4.3 光栅等间距刻线弯曲的机械修正方法  68-80
    4.3.1 刻划刀架系统结构对称性问题的机械修正方法  69-72
    4.3.2 石英导轨系统刚度问题的机械修正方法  72-75
    4.3.3 刻划刀架系统驱动方式问题的机械修正方法  75-80
  4.4 光栅刻线位置误差的机械修正方法  80-90
    4.4.1 光栅刻线不完整问题的机械修正方法  80-83
    4.4.2 刻划刀架系统运行稳定性问题的机械修正方法  83-90
  4.5 结论  90-91
第5章光栅刻划机微定位工作台摆角误差实时修正技术研究  91-137
  5.1 引言  91-92
  5.2 光栅刻划机微定位工作台系统建模及动态性能分析  92-101
    5.2.1 微定位工作台系统的灰箱建模  92-94
    5.2.2 微定位工作台系统参数估计  94-97
    5.2.3 微定位工作台系统动态性能分析  97-101
  5.3 微定位工作台的BP神经网络PID控制方法  101-115
    5.3.1 BP神经网络PID控制原理  102-106
    5.3.2 BP神经网络PID控制器仿真分析  106-110
    5.3.3 BP神经网络PID控制与传统PID控制对比实验  110-115
  5.4 微定位工作台摆角误差实时修正方法及实验分析  115-134
    5.4.1 双压电陶瓷式摆角误差实时修正原理  116
    5.4.2 单压电陶瓷式摆角误差实时修正原理  116-121
    5.4.3 微定位工作台摆角误差测量实验及误差分析  121-129
    5.4.4 光栅刻划机微定位工作台摆角误差修正实验及分析  129-134
  5.5 本章小结  134-137
第6章总结与展望  137-141
  6.1 论文工作总结  137-138
  6.2 展望  138-141
参考文献  141-149
在学期间学术成果情况  149-151
指导教师及作者简介  151-153
致谢  153-154

机械刻划光栅刻线误差及其修正方法研究

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