大尺寸光栅刻槽误差校正及在线监测技术研究

发布时间：2017-09-29 06:14

  本文关键词：大尺寸光栅刻槽误差校正及在线监测技术研究

  更多相关文章： 刻划光栅 光栅刻槽误差 快速傅里叶变换 光栅基底面形误差 实时监测 光栅分辨本领

【摘要】：大尺寸高精度光栅尤其是高分辨率的中阶梯光栅成为光谱技术领域关注的新热点,在军事、天文、航天航空、核能以及各类民用领域的需求逐步提升。目前对于低刻槽密度的红外激光光栅和所有中阶梯光栅而言,由于光栅衍射效率较高以及对光栅刻槽的特殊要求,一般均采用机械刻划法制作。光栅刻划机在机械结构上主要由分度系统和刻划系统组成。上述的两个系统本身存在的误差将导致光栅产生刻槽误差,从而严重影响光栅光谱性能。鉴于此,本论文在国家重大科研装备研制项目及国家973项目资助下,从光栅的刻槽误差入手,探索提高大尺寸机械刻划光栅质量的方法。第一,采用菲涅耳-基尔霍夫衍射理论建立了存在刻槽位置误差及刻槽弯曲误差时的光栅衍射谱成像的数学模型,并分析上述误差对光栅光谱性能的影响。分析结果表明,光栅子午方向的光谱性能主要取决于光栅刻槽位置误差,光栅刻槽弯曲误差对其影响较小,该结果可为机械刻划光栅制作技术的研究重点提供理论指导。第二,通过对光栅刻划系统的驱动结构进行优化分析,最终将光栅刻划系统的驱动结构由双推拉杆修正为单推拉结构,从而减小了由于驱动结构引起的侧向力对石英导轨面形的影响;第三,根据杠杆原理,针对刻划刀架系统运行不稳定问题进行分析,设计了刻划刀架系统的机械改进方案,即采用双侧柔性铰链式结构代替原有的鞍型滑块与刻划刀架的固定连接方式,最后进行刻划刀架系统运行稳定性测试和光栅刻划实验,实验与理论分析结果在趋势上具有较好的一致性。以上研究为提高机械刻划光栅质量提供了理论及技术保障。第四,采用Ansys、abaqus软件对刻划机工作台机械结构参数与工作台摆角性能关系进行机械仿真及优化分析,设计了一套具有摆角校正能力的双压电驱动器校正工作台,并针对该结构设计了摆角误差实时测量光路,通过光栅模拟刻划实验验证了本文提出的摆角误差校正的可行性;实验结果表明,双压电驱动器校正光栅刻划机工作台摆角误差,可以有效抑制光栅刻槽摆角误差,提高光栅刻划质量。第五,建立光栅基底面形误差补偿的数学模型,采用光栅刻槽主动控制技术,根据预先设定的光栅基底面形误差的补偿模型实时校正光栅基底面形误差,从而提高光栅波前质量。第六,依据衍射光栅光谱成像理论,得到利用波前误差求解衍射谱分布的归一化计算式,以瑞利判据为基础提出了一种实时监测光栅分辨本领的方法,并基于工作台误差校正前后状态进行光栅刻划实验,实验结果证明了光栅光谱性能实时监测方法的可行性,该设计方法将光栅刻划质量实时监测引入到光栅刻划机系统中,从而可明显提高光栅刻划机的刻划效率。
【关键词】：刻划光栅 光栅刻槽误差 快速傅里叶变换 光栅基底面形误差 实时监测 光栅分辨本领
【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
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 目录9-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 相关领域的研究现状15-28
• 1.2.1 光栅刻划机的国内外发展现状15-20
• 1.2.2 光栅刻划机刻槽误差补偿方法的国内外研究现状20-26
• 1.2.3 双频激光干涉仪发展现状26-28
• 1.3 论文的主要研究内容及结构安排28-31
• 1.3.1 论文的主要研究内容28-29
• 1.3.2 论文的结构安排29-31
• 第2章 光栅刻划机工作原理及误差分析31-47
• 2.1 引言31
• 2.2 光栅刻划机主要工作原理31-40
• 2.2.1 光栅刻划机不同的运行方式31-34
• 2.2.2 光栅刻划机刻划系统工作原理34-35
• 2.2.3 光栅刻划机分度系统工作原理35-36
• 2.2.4 光栅刻划机位移误差测量方法36-40
• 2.3 光栅刻槽误差的主要影响因素及分析方法40-45
• 2.3.1 光栅刻槽误差的主要影响因素40-44
• 2.3.2 光栅刻划机刻槽误差分析方法44-45
• 2.4 本章小结45-47
• 第3章 光栅刻划刀架系统的结构改进与运行精度分析47-65
• 3.1 引言47-48
• 3.2 非理想平面光栅傅里叶变换的理论模型及分析48-52
• 3.2.1 理论模型48-50
• 3.2.2 刻槽弯曲和位置误差对光栅光谱性能的影响分析50-52
• 3.3 刻划刀架系统驱动方式的修正方法52-59
• 3.3.1 刻划刀架系统驱动方式修正前结构及误差分析52-55
• 3.3.2 刻划刀架系统修正后结构及误差分析55-57
• 3.3.3 实验验证57-59
• 3.4 刻划刀架系统运行稳定性的机械修正方法59-61
• 3.4.1 刻划刀架系统改进前结构59-60
• 3.4.2 刻划刀架系统改进后的结构设计60-61
• 3.4.3 刻划刀架系统运行稳定性的光学测量方法61
• 3.5 实验验证61-64
• 3.6 本章小结64-65
• 第4章 光栅刻划机工作台的摆角校正方法65-90
• 4.1 引言65-66
• 4.2 工作台摆角误差及其对光栅衍射波前质量的影响分析66-70
• 4.2.1 工作台摆角误差来源66-68
• 4.2.2 工作台摆角误差对光栅波前质量影响分析68-70
• 4.3 双压电驱动器式工作台摆角校正原理及光路设计70-79
• 4.3.1 双压电驱动器式工作台摆角校正原理70-71
• 4.3.2 双压电驱动器式工作台结构设计71-72
• 4.3.3 压电驱动器的工作原理及型号选取72-77
• 4.3.4 工作台摆角测量光路的设计77-79
• 4.4 工作台摆角校正能力的有限元仿真分析及设计79-84
• 4.4.1 弹簧片的选择79-80
• 4.4.2 拉簧封闭力选择80-82
• 4.4.3 工作台内层台封闭力设计82-84
• 4.5 实验验证84-88
• 4.6 本章小结88-90
• 第5章 光栅基底面形误差补偿技术90-103
• 5.1 引言90
• 5.2 机械刻划光栅基底承载基座的设计及优化90-93
• 5.3 机械刻划光栅基底面形误差实时补偿数学模型93-96
• 5.3.1 光栅基底面形误差数学模型的建立93-95
• 5.3.2 光栅刻划误差数学模型的建立95-96
• 5.3.3 建立光栅基底面形误差补偿模型96
• 5.4 光栅基底面形误差补偿方法96-99
• 5.4.1 光栅基底面形误差的提取96-97
• 5.4.2 采用光栅刻槽主动控制技术实时校正光栅基底面形误差97-99
• 5.5 实验验证99-101
• 5.6 本章小结101-103
• 第6章 光栅分辨本领实时监测技术103-117
• 6.1 引言103-104
• 6.2 衍射光栅光谱成像理论104-110
• 6.2.1 Huygens原理的严格表达式104-105
• 6.2.2 Huygens原理的近似公式105-108
• 6.2.3 光栅光谱成像的傅里叶变换方法108-110
• 6.3 光栅分辨本领求解方法及仿真分析110-113
• 6.4 实验验证113-116
• 6.5 本章小结116-117
• 第7章 结论与展望117-120
• 7.1 结论117-118
• 7.2 展望118-120
• 参考文献120-129
• 在学期间学术成果情况129-130
• 指导教师及作者简介130-131
• 致谢131-13

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