Экспериментальное исследование погрешности матричного измерителя перемещений

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В. Экспериментальное исследование погрешности матричного измерителя перемещений // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 4. С. 42–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-42-49

Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Yu.V. Experimental study of the error of a matrix displacement meter [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 42–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-42-49

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В данной работе представлены результаты исследования технологии линейно-угловых измерений, основанной на использовании многоэлементной 2D марки и видеокамеры. Целью работы является экспериментальное подтверждение возможности уменьшения погрешности матричных измерителей перемещений до уровня единиц нанометров. Метод. Измерения линейных перемещений проводились методом кросс-калибровки на двухканальном стенде с двумя идентичными матричными измерителями перемещений с общим линейным транслятором. В качестве анализатора изображения использовались КМОП-цифровые камеры 1,3 Мпикс. Основные результаты. Разность результатов измерения в обоих каналах позволила определить суммарную случайную погрешность измерителей. На данном этапе сделан вывод о том, что случайная погрешность исследованных матричных измерителей не превышает 2 нм. Такой результат получен впервые при диапазоне перемещений 4 мм. Практическая значимость. Показано, что матричная технология измерений позволяет уменьшить случайную погрешность измерения смещений до уровня нескольких нанометров при диапазоне измерения до 4 мм.

Ключевые слова:

матричная технология измерений, матричный измеритель, измерительная марка, видеокамера

Благодарность:

авторы благодарны за финансовую поддержку в рамках гранта РНФ № 20-19-00412

Коды OCIS: 120.0120, 230.0230

Список источников:

1. Pisani M., Yacoot A., Balling P., Bancone N., Birlikseven C., Çelik M., Flügge J., Weichert C. Comparison of the performance of the next generation of optical interferometers // Metrologia. 2012. V. 49. № 4. P. 455–467. https://doi.org/ 10.1088/0026-1394/49/4/455
2. Peggs G.N., Yacoot A. A review of recent work in subnanometre displacement measurement using optical and X-ray interferometer // Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2002. V. 360. № 1794. P. 953–968. https://doi.org/10.1098/rsta.2001.0976
3. Hsu C.-C., Chen H., Chiang C.-W., Chang Y.-W. Dual displacement resolution encoder by integrating single holographic grating sensor and heterodyne interferometry // Opt. Express. 2017. V. 25. № 24. P. 30189–30202. https://doi.org/10.1364/OE.25.030189
4. Feng C., Zeng L., Wang S. Heterodyne planar grating encoder with high alignment tolerance, especially insensitivity to grating tilts // Proceedings of Eighth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation / Ed by Lin J. / International Society for Optics and Photonics (SPIE). 2013. V. 8759 P. 890–897. https://doi.org/10.1117/12.2012649
5. Zhou B., Jia W., Sun P., Wang J., Liu W., Zhou C. Polarization-independent high diffraction efficiency twodimensional grating based on cylindrical hole nano arrays // Opt. Express. 2020. V. 28. № 20. P. 28810–28818. https://doi.org/10.1364/OE.402131
6. Chen H., Jiang B., Shi Z. Synthetic model of nonlinearity errors in laser heterodyne interferometry // Appl. Opt. 2018. V. 57. № 14. P. 3890–3901. https://doi.org/10.1364/AO.57.003890
7. Bridges A., Yacoot A., Kissinger T., Humphreys D.A., Tatam R.P. Correction of periodic displacement nonlinearities by two-wavelength interferometry // Measurement Science and Technology. 2021. V. 32. № 12. P. 125202. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac1dfa
8. Qilin Zeng, Zhengyi Zhao, Hao Du, Xianming Xiong, Wentao Zhang, Peng Wang, Zhicheng Zhang, Yunfeng Guo. Separation and compensation of nonlinear errors in sub-nanometer grating interferometers // Optics Express. 2022. V. 30. № 26. P. 46259–46279. https://doi.org/10.1364/OE.471714
9. Bridges A., Yacoot A., Kissinger T., Tatam R.P. Multiple intensity reference interferometry for the correction of sub-fringe displacement non-linearities // Measurement Science and Technology. 2022. V. 33. № 2. P. 025201. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac3aad
10. Lashmanov O.U., Vasilev A., Vasileva A., Korotaev V.V. High-precision absolute linear encoder based on a standard calibrated scale // Measurement. 2018. V. 123. № 3. P. 226–234. https://doi.org/10.1016/j.measurement. 2018.03.071
11. Wentao Zhang, Wang Yulin, Hao Du, Qilin Zeng, Xianming Xiong. High-precision displacement measurement model for the grating interferometer system // Optical Engineering. 2020. V. 59. № 4. P. 045101. https://doi.org/10.1117/1.OE.59.4.045101
12. Cheng F., Zhou D., Yu Q., Tjahjowidodo T. New image grating sensor for linear displacement measurement and its error analysis // Sensors. 2022. V. 22. № 12. P. 4361. https://doi.org/10.3390/s22124361
13. André N., Sandoz P., Mauzé B., Jacquot M., Laurent G.J. Robust phase-based decoding for absolute (X, Y, Θ) positioning by vision // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. V. 70. P. 1–12. https://doi.org/10.1109/TIM.2020.3009353
14. Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 6. С. 52–58.
Korolev A.N., Lukin A.Ya., Polishchuk G.S. New concept of angular measurement. Model and experimental studies // Journal of Optical Technology. 2012. V. 79. № 6. P. 352–356. https://doi.org/10.1364/JOT.79.000352

15. Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В., Венедиктов В.Ю. Матричная технология линейно-угловых измерений // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 12. С. 54–64. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-12-54-64
Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Yu.V., Venediktov V.Yu. Matrix technology of linear-angular measurements // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. № 12. P. 733–739. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000733
16. Королев А.Н., Лукин А.Я., Филатов Ю.В. Матричная технология измерений. Точность измерения координат элементов и контроль фотошаблонов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 3. С. 115–123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-03-115-123
Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Yu.V., Venediktov V.Yu. Matrix measurement technology: accuracy of measuring element coordinates and photomask control // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91(3). P. 203–208. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000203
17. Korolev A.N., Lukin A.Ya., Filatov Y.V., Venediktov V.Y. Reconstruction of the image metric of periodic structures in an opto-digital angle measurement system // Sensors. 2021. V. 21. P. 4411. https://doi.org/10.3390/s21134411
18. Archer O., Nguyen T.-H. Turning a machine vision camera into a high precision position and angle encoder: nanoGPS-OxyO // Proc. SPIE. 2019. V. 11056. P. 110562O. https://doi.org/10.1117/12.2524938
19. Pisani M., Astrua M., Carles P.-A., Kubsky S., Nguyˆen T.-L., Acher O. Characterization of angle accuracy and precision of 3-degree-of-freedom absolute encoder based on NanoGPS OxyO technology // Sensors. 2020. V. 20. P. 3462. https://doi.org/10.3390/s20123462
20. André A.N., Sandoz P., Mauzé B., Jacquot M., Laurent G.J. Sensing one nanometer over ten centimeters: a micro-encoded target for visual in-plane position measurement // IEEE/ASME Trans. Mechatronics. 2020. V. 25. № 3. P. 1193–1201. https://doi.org/10.1109/TMECH.2020.2965211
21. Aras R., Dallas J., Heaps E., Varga L., Yacoot A. Validation of MAPS: a novel 6-degree-of-freedom position sensor for nanopositioning // Meas. Sci. Technol. 2024. V. 35. P. 105016. https://doi.org/10.1088/1361-6501/ad5c92