大光栅刻划机刻划系统结构设计与刻线弯曲误差机械修正

发布时间：2017-11-10 21:16

  本文关键词：大光栅刻划机刻划系统结构设计与刻线弯曲误差机械修正

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【摘要】：衍射光栅是一种极为重要的色散元件,大面积高精度的平面衍射光栅在军事、天文、核能、航天航空及民用领域的应用十分广泛。衍射光栅的主要制造方法有机械刻划法和全息刻蚀法两种,其中对于某些特殊光栅如低刻线密度的红外激光光栅和所有中阶梯光栅等由于其刻线较深且对槽形要求非常严格,必须采用机械刻划法制造。光栅刻划是一种极为精密的技术,光栅刻划机被誉为“精密机械之王”。本论文受“十一五”国家重大科研装备研制项目资助,进行大型高精度衍射光栅刻划机(以下简称大光栅刻划机)刻划系统结构的设计工作,探索降低机械刻划光栅刻线弯曲误差,提高大面积机械刻划光栅质量的方法,对刻划系统各部分的误差进行了理论分析与实验验证,根据实验结果对刻划系统的结构进行改进,并进行了大面积光栅的刻划实验。首先介绍了光栅刻划机的结构组成及基本工作原理,分析了光栅刻划机的误差来源,介绍了刻线弯曲误差的检测方法并进行了大光栅刻划机的误差分配。第二,设计刻划系统石英导轨方案;确定导向导轨的结构形式并对其进行静力学分析,计算其工作状态下的变形对光栅刻线的影响;设计具备抬落刀、各方向自由度调整及在线换刃功能的金刚石刻刀刀架结构并分析其误差;驱动机构采用等速凸轮推动上下两级推杆的形式,通过改变其放大比可实现不同刻线长度,优化计算等速凸轮的轮廓曲线并进行了驱动机构的受力分析。第三,分析刻划系统工作过程中造成光栅刻线弯曲误差的各项因素,进行分段检测并提出机械修正方案;针对等速凸轮驱动下出现的换向冲击问题,设计用于间歇刻划模式下的非等速驱动机构即非等速凸轮/曲柄连杆驱动机构降低该影响,在模拟光栅刻划实验中发现刻划刀架受摩擦力影响出现爬行现象,导致刀架振动的谱密度增加,不利于进行闭环控制。第四,为消除爬行现象,使用气浮导轨取代石英导轨;介绍了气浮导轨的基本工作原理,根据光栅刻划要求及大光栅刻划机整体结构限制确定了气浮导轨的结构形式,并设计了兼顾稳定性与可调节性的支撑结构,采用双气浮导轨并联的形式以提高气浮导轨的刚度;对气浮导轨结构尺寸参数进行了优化计算并对其导向面的变形进行了有限元分析;根据气浮导轨的主要工作参数即承载力及刚度的要求计算了其节流孔的排布。第五,严格控制气浮导轨装配中的各种误差以提高其精度;分析并检测了动导轨运动中的偏转、气浮导轨振动情况以及空气扰动等因素对光栅刻划的影响并进行修正。第六,对光栅刻线误差进行补偿使其刻线误差能够满足误差分配要求。进行400mm×500mm大面积中阶梯光栅刻划实验,其实时监测数据显示刻线弯曲的重复性误差RMS值不大于2.9nm,光栅初始段杂散光仅为0.02%,整体杂散光强度满足研制目标要求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄本立,杨們原,王小如,袁东星;多道光谱仪发展的新动向——中阶梯光栅光谱仪[J];光谱学与光谱分析;1991年02期

2 刘强;张从鹏;;直线电机驱动的H型气浮导轨运动平台[J];光学精密工程;2007年10期

3 叶树亮;李东升;;应用有限体积法研究空气静压导轨力学特性[J];光学精密工程;2008年05期

4 陶家生;闭式双排节流孔矩形气浮导轨的计算方法（一）──有限元法对高压区压力的分析[J];光学精密工程;1996年02期

5 王炜,杨厚民;光电控制间歇运动衍射光栅机控制系统的改造升级[J];光学精密工程;1996年05期

6 时轮,马春翔,胡德金,郝德阜;制作高密度衍射光栅的光电式刻划控制的研究[J];光学技术;2004年03期

7 梁浩明,庄夔,张庆英,杨厚民;衍射光栅刻划机[J];光学学报;1981年01期

8 杨跃忠;曹文熙;孙兆华;王桂芬;;海洋高光谱辐射实时观测系统的研制[J];光学学报;2009年01期

9 李刚;赵静;李家星;林凌;张宝菊;;可见-近红外反射光谱用于疾病快速筛查[J];光学学报;2011年03期

10 李晓天;巴音贺希格;齐向东;于海利;唐玉国;;刻线误差与面型误差对平面光栅光谱性能影响的二维快速傅里叶变换分析方法[J];光学学报;2012年11期

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1 于海利;基于双频激光干涉测量的大行程纳米定位技术及其应用研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2011年

2 时轮;一种亚纳米级栅距变化量的变栅距光栅分度控制方法的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2003年

3 叶q阽，

本文编号：1168366