ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-09-26-36

УДК: 535-14

Преимущества многоканальных оптических измерений угла поворота диэлектрических метаповерхностей для миниатюрных датчиков

Шоев В.И., Шалымов Е.В., Прохорова У.В., Ефремова Е.А., Зинчик А.А., Крылов И.Р., Венедиктов В.Ю.
Ссылка для цитирования:

Шоев В.И., Шалымов Е.В., Прохорова У.В., Ефремова Е.А., Зинчик А.А., Крылов И.Р., Венедиктов В.Ю. Преимущества многоканальных оптических измерений угла поворота диэлектрических метаповерхностей для миниатюрных датчиков // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 9. С. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-09-26-36

Ссылка на англоязычную версию:

Shoev V.I., Shalymov E.V., Prokhorova U.V., Efremova E.A., Zinchik A.A., Krylov I.R., Venediktov V.Yu. Advantages of multichannel optical measurements of the rotation angle of dielectric metasurfaces for miniature sensors [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 9. P. 26–36. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-09-26-36

Аннотация:

Предмет исследования. Многоканальные оптические способы измерения угла поворота диэлектрических метаповерхностей. Цель работы. Разработка новых способов измерения угла поворота диэлектрических метаповерхностей, позволяющих снизить составляющие систематической погрешности, обусловленные смещением резонансных мод и нестабильностью мощности источника излучения. Методы. Численное моделирование и аналитическое исследование трех многоканальных способов определения угла поворота: первый основан на одновременном измерении мощности прошедшего излучения TE и TM мод, второй — на одновременной регистрации пропускания и отражения одной моды, третий — на применении сегментированной метаповерхности, состоящей из четырех идентичных субволновых решеток с разной ориентацией штрихов. Эксперименты проводились на метаповерхностях из пентаоксида тантала на кварцевой подложке с использованием перестраиваемого лазера. Основные результаты. Первый многоканальный способ снижает погрешность от смещения резонансных мод. Второй способ исключает погрешность от нестабильности источника. Третий способ устраняет обе составляющие систематической погрешности и, кроме того, обеспечивает абсолютное измерение угла поворота в диапазоне полуоборота без использования поворота поляризации. Практическая значимость. Результаты формируют основу для разработки миниатюрных, прецизионных и стабильных датчиков угла поворота, востребованных в робототехнике, аэрокосмической отрасли и высокоточном приборостроении.

Ключевые слова:

датчик угла поворота, оптический энкодер, метаповерхность, сегментированная метаповерхность, диэлектрические структуры, многоканальные измерения

Коды OCIS: 130.6010, 130.0130, 120.3930, 120.0120

Список источников:
  1. Guan R., Xu H., Lou Z., et al. Design and development of metasurface materials for enhancing photodetector properties // Advanced Sci. 2024. V. 11. № 34. P. 2402530. doi: 10.1002/advs.202402530.
  2. Anju S., Chakyar S.P., Bindu C., et al. Rotation sensor based on near field perturbations of metamaterial split ring resonator // in 13th Intern. Cong. Artificial Materials for Novel Wave Phenomena — Metamaterials 2019. Rome, Italy. Sep. 16–21, 2019. doi: 10.1109/MetaMaterials.2019.8900857.
  3. Ebrahimi A., Withayachumnankul W., et al. Metamaterial-inspired rotation sensor with wide dynamic range // IEEE Sensors J. 2014. V. 14. № 8. P. 2609–2614. doi: 10.1109/JSEN.2014.2313625.
  4. Samatas G.G., Pachidis T.P. Inertial measurement units (IMUs) in mobile robots over the last five years: A review // Designs. 2022. V. 6. № 1. P. 17. doi: 10.3390/designs6010017.
  5. Dagnino G., Kundrat D. Robot-assistive minimally invasive surgery: Trends and future directions // Intern. J. Intelligent Robotics and Applications. 2024. V. 8. P. 812–826. doi: 10.1007/s41315-024-00341-2.
  6. Peng L., Xiangpeng L. Common sensors in industrial robots: A review // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1267. P. 012036. doi: 10.1088/1742-6596/1267/1/012036.
  7. Wang S., Ma R., Cao F., et. al A review: High-precision angle measurement technologies // Sensors. 2024. V. 24. № 6. P. 1755. doi: 10.3390/s24061755.
  8. Seybold J., Bülau A., Fritz K.-P., et al. Miniaturized optical encoder with micro structured encoder disc // Appl. Sci. 2019. V. 9. № 3. P. 452. doi: 10.3390/app9030452.
  9. Gurauskis D., Marinkovic D., et al. Self-calibratable absolute modular rotary encoder: Development and experimental research // Micromachines. 2024. V. 15. № 9. P. 1130. doi: 10.3390/mi15091130.
  10. Filipozzi M., Iafolla L., Seppi C., et al. Miniaturized optical absolute rotary encoder: A proof of concept // Sensors and Actuators A: Physical. 2025. V. 394. P. 116879. doi: 10.1016/j.sna.2025.116879.
  11. Pang D.-C., Lai Y.-W. Rapid prototyping of a micromotor with an optical rotary encoder // Micromachines. 2017. V. 8. № 6. P. 174. doi: 10.3390/mi8060174.
  12. Mashimo T., Izuhara S. Recent advances in micromotors // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 213489–213498. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3041457.
  13. Kang G., Tan Q., Wang X., et al. Achromatic phase retarder applied to MWIR & LWIR dual-band // Opt. Exp. 2010. V. 18. № 2. P. 1695–1703. doi: 10.1364/OE.18.001695.
  14. Rosenblatt D., Sharon A., Friesem A.A. Resonant grating waveguide structures // IEEE J. Quantum Electron. 1997. V. 33. № 11. P. 2038–2059. doi: 10.1109/3.641320.
  15. Efremova E.A., Prokhorova U.V., Shalymov E.V., et al. Prototype of a metasurface scale for an optical rotation angle sensor // Proc. SPIE. 2023. V. 12773. P. 1277307. doi: 10.1117/12.2689337.
  16. Kazakova A.D., Shalymov E.V., Larionov D.Yu., et al. Influence of the scale slope on the measurement of the rotation angle by the response of nanostructured metasurfaces // in 2022 Conf. Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). St. Petersburg, Russia. Jan. 25–28, 2022, P. 1115–1118. doi: 10.1109/ElConRus54750.2022.9755850.
  17. Zhao Q., Zhang H., Yang J., et al. Low-loss low thermo-optic coefficient Ta2O5 on crystal quartz planar optical waveguides // APL Photonics. 2020. V. 5. № 11. P. 116103. doi: 10.1063/5.0024743.
  18. Prokhorova U.V., Shalymov E.V., Shoev V.I., et al. Analysis of factors affecting the accuracy of rotation angle measurement using nanostructured metasurfaces // Proc. SPIE. 2022. V. 12321. P. 123210C. doi: 10.1117/12.2642137.