ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2025-25-4-635-642ntv-488Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGПрименение анаморфотной оптической системы и высокоскоростного линейного фотоприемника в инкрементном преобразователе перемещений открытого типаApplication of anamorphic optics system and a high-speed line scan photodetector in an open-type relative encoderhttps://orcid.org/0000-0001-7565-2466КузнецовВ. Н.KuznetsovV. N.

Владимир Николаевич Кузнецов, инженер

197101; Санкт-Петербург

sc 57673212700

Vladimir N. Kuznetsov, Engineer

197101; Saint Petersburg

sc 57673212700

vnkuznetcov@itmo.ruhttps://orcid.org/0009-0005-2977-5840ГармаевА. Т.GarmaevA. T.

Аюр Тумэнович Гармаев, инженер

197101; Санкт-Петербург

Ayur T. Garmaev, Engineer

197101; Saint Petersburg

a_garmayev@list.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1557-8035ДейнекаИ. Г.DeynekaI. G.

Иван Геннадьевич Дейнека, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией

197101; Санкт-Петербург

sc 6603305268

Ivan G. Deyneka, PhD, Associate Professor, Head of Laboratory

197101; Saint Petersburg

sc 6603305268

igdeyneka@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2080-3252ВасильевА. С.VasilevA. S.

Александр Сергеевич Васильев, кандидат технических наук, научный сотрудник

197101; Санкт-Петербург

sc 24468859400

Aleksandr S. Vasilev, PhD, Scientific Researcher

197101; Saint Petersburg

sc 24468859400

a_s_vasilev@itmo.ruhttps://orcid.org/0009-0002-6645-2432ГлазуновК. А.GlazunovK. А.

Кирилл Александрович Глазунов, инженер

197101; Санкт-Петербург

Kirill А. Glazunov, Engineer

197101; Saint Petersburg

k1ria@live.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202529082025254635642Copyright © Кузнецов В.Н., Гармаев А.Т., Дейнека И.Г., Васильев А.С., Глазунов К.А., 20252025Кузнецов В.Н., Гармаев А.Т., Дейнека И.Г., Васильев А.С., Глазунов К.А.Kuznetsov V.N., Garmaev A.T., Deyneka I.G., Vasilev A.S., Glazunov K.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/488   Введение

   Введение. Оптико-электронные преобразователи перемещений на базе изображающих оптических систем и двумерных матриц характеризуются широкими возможностями по снижению погрешности измерений за счет применения современных алгоритмов обработки изображений. Однако применение двумерных матриц в составе преобразователей перемещений приводит к значительному снижению частоты обновления позиции. Это ограничивает применение таких устройств в промышленности. В данной работе представлен вариант оптико-электронного преобразователя перемещений с применением высокоскоростного линейного фотоприемника и анаморфотной оптической системы на основе цилиндрической линзы, позволяющий увеличить частоту определения позиции и снизить погрешность ее определения.

   Метод

   Метод. В качестве кодирующей структуры применена лента RTLC40 фирмы Renishaw с периодом следования штрихов 40 мкм, погрешностью изготовления 5 мкм/м и протяженностью 300 мм. Макет оптико-электронного преобразователя перемещений реализован на базе рассчитанного и изготовленного объектива (линейное поле в пространстве предметов 0,84 мм, увеличение 10×). В макете применены цилиндрическая линза, линейный фотоприемник GL3504-BVM-NCN-AU1 и программируемая логическая интегральная схема 5CEFA9F23. Вычисление перемещения объекта измерений, на который устанавливается кодирующая структура, основано на определении энергетического центра изображения штрихов. Исследование погрешности представленного макета преобразователя перемещений осуществлялось с помощью интерферометра XD6 LS, моторизированного линейного транслятора LTS300/M. Частота обновления позиции измерена с помощью осциллографа MSO5074.

   Основные результаты

   Основные результаты. Применение цилиндрической линзы в составе объектива позволило увеличить облученность фотоприемника в три раза. Экспериментально определены частота обновления позиции и случайная составляющая погрешности исследуемого оптико-электронного преобразователя перемещений, составившие 10 кГц и 0,94 мкм на участке 290 мм соответственно.

   Обсуждение

   Обсуждение. Предлагаемая конструкция оптико-электронного преобразователя перемещений может быть рекомендована при проектировании преобразователей перемещений с применением оптических систем на основе цилиндрических линз. Для вычисления перемещений периодических структур рекомендованы программируемые логические интегральные схемы. Полученные результаты могут быть полезны специалистам, работающим в области разработки прецизионного оборудования измерения перемещений в станкостроении.

   Optical encoders based on imaging optical systems and two-dimensional sensor arrays have shown substantial potential for reducing measurement errors through the use of modern image processing algorithms. However, the application of two-dimensional photodiode array in optical encoders significantly reduces the update rate of positional data. This limitation is critical for wide industrial application. This study presents an optical encoder design that incorporates a high-speed linear photodiode array and an anamorphic optical system utilizing a cylindrical lens, allowing for increased update rates and reduced positional error. A Renishaw RTLC40 tape, with a grating period of 40 μm, fabrication accuracy of ±5 μm/m, and a length of 300 mm, was employed as the encoding structure. The prototype optical encoder was developed using a GL3504-BVM-NCN-AU1 linear photodetector array, a custom designed and manufactured objective (linear field in object plane of 0,84 mm, magnification 10×) with an integrated cylindrical lens and 5CEFA9F23 programmable logic device. The calculation of the object displacement is based on determining the energy centroid of the images of grating scale, which tightly mounted on the object. The error analysis of the proposed encoder prototype was determined using an XD6 LS interferometer and an LTS300/M motorized stage. Positional update frequency was measured with an MSO5074 oscilloscope. The use of a cylindrical lens amplified the irradiance projected onto the photodetector array, achieving a maximum gain factor of three. Update frequency and measurement error of the proposed optical encoder were experimentally determined and equals 10 kHz and 0,94 μm over 290 mm range, respectively. The proposed design of the optical encoder can be used as a recommendation for the development of encoders that employ cylindrical lens-based optical systems. Field-programmable gate array is recommended for grating scale displacement computation. The results obtained may prove valuable for specialists in precision displacement measurement and machine tool construction.

оптико-электронные преобразователи перемещенийоптические измеренияизмерения перемещенийдатчик линейных перемещенийлинейный фотоприемникцилиндрическая линзаoptical encoderdisplacement measurementslinear position sensorline scan photodetectorcylindrical lensРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, проект № 23-91-06503The research was carried out by the expense of the Russian Science Foundation grant (project No. 23-91-06503)ReferencesFleming A.J. A review of nanometer resolution position sensors: Operation and performance // Sensors and Actuators A: Physical. 2013. V. 190. P. 106–126. doi: 10.1016/j.sna.2012.10.016Fleming A.J. A review of nanometer resolution position sensors: Operation and performance. Sensors and Actuators A: Physical, 2013, vol. 190, pp. 106–126. doi: 10.1016/j.sna.2012.10.016Коротаев В.В., Прокофьев А.В., Тимофеев А.Н. Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений. Ч. I. Оптико-электронные преобразователи линейных перемещений : Учеб. пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 116 c.Korotaev V.V., Prokofev A.V., Timofeev A.N. Optoelectronic Transducers of Linear and Angular Displacements. Part 1. Optoelectronic Transducers of Linear Displacements. St. Petersburg, NIU ITMO, 2012, 116 p. (in Russian)Shimizu Y., Chen L., Kim D., Chen X., Li X., Matsukuma H. An insight into optical metrology in manufacturing // Measurement Science and Technology. 2021. V. 32. N 4. P. 042003. doi: 10.1088/1361-6501/abc578Shimizu Y., Chen L., Kim D., Chen X., Li X., Matsukuma H. An insight into optical metrology in manufacturing. Measurement Science and Technology, 2021, vol. 32, no. 4, pp. 042003. doi: 10.1088/1361-6501/abc578Сosijns S.J.A.G., Jansen M.J., Haitjema H. Advanced optical incremental sensors: encoders and interferometers // Smart sensors and MEMS: Intelligent Sensing Devices and Microsystems for Industrial Applications. Second Edition. 2018. P. 245–290. doi: 10.1016/B978-0-08-102055-5.00010-3Сosijns S.J.A.G., Jansen M.J., Haitjema H. Advanced optical incremental sensors: encoders and interferometers. Smart sensors and MEMS: Intelligent Sensing Devices and Microsystems for Industrial Applications. Second Edition, 2018, pp. 245–290. doi: 10.1016/B978-0-08-102055-5.00010-3Ye G, Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu B. A theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoders // Optics Communications. 2015. V. 354. P. 21–27. doi: 10.1016/j.optcom.2015.05.023Ye G, Liu H., Fan S., Li X., Yu H., Lei B., Shi Y., Yin L., Lu B. A theoretical investigation of generalized grating imaging and its application to optical encoders. Optics Communications, 2015, vol. 354, pp. 21–27. doi: 10.1016/j.optcom.2015.05.023Luo L., Shan S., Li X. A review: laser interference lithography for diffraction gratings and their applications in encoders and spectrometers // Sensors. 2024. V. 24. N 20. P. 6617. doi: 10.3390/s24206617Luo L., Shan S., Li X. A review: laser interference lithography for diffraction gratings and their applications in encoders and spectrometers. Sensors, 2024, vol. 24, no. 20, pp. 6617. doi: 10.3390/s24206617Ye G., Liu H., Lei B., Niu D., Xing H., Wei P., Lu B., Liu H. Optimal design of a reflective diffraction grating scale with sine-trapezoidal groove for interferential optical encoders // Optics and Lasers in Engineering. 2020. V. 134. P. 106196. doi: 10.1016/j.optlaseng.2020.106196Ye G., Liu H., Lei B., Niu D., Xing H., Wei P., Lu B., Liu H. Optimal design of a reflective diffraction grating scale with sine-trapezoidal groove for interferential optical encoders. Optics and Lasers in Engineering, 2020, vol. 134, pp. 106196. doi: 10.1016/j.optlaseng.2020.106196Yu H., Chen X., Liu C., Cai G., Wang W. A survey on the grating based optical position encoder // Optics and Laser Technology. 2021. V. 143. P. 107352. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107352Yu H., Chen X., Liu C., Cai G., Wang W. A survey on the grating based optical position encoder. Optics and Laser Technology, 2021, vol. 143, pp. 107352. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107352Васильева А.В., Васильев А.С., Сычева Е.А., Коротаев В.В. Высокоточный абсолютный линейный датчик положения на основе стандартной штриховой меры // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2018. Т. 61. № 9. С. 796–804. doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-796-804Vasileva A.V., Vasilev A.S., Sycheva E.A., Korotaev V.V. High-precision absolute linear position sensor based on a standard line measure. Journal of Instrument Engineering, 2018, vol. 61, no. 9, pp. 796—804. (in Russian). doi: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-796-804Lashmanov O.U., Vasilev A.S., Vasileva A.V., Anisimov A.G., Korotaev V.V. High-precision absolute linear encoder based on a standard calibrated scale // Measurement. 2018. V. 123. P. 226–234. doi: 10.1016/j.measurement.2018.03.071Lashmanov O.U., Vasilev A.S., Vasileva A.V., Anisimov A.G., Korotaev V.V. High-precision absolute linear encoder based on a standard calibrated scale. Measurement, 2018, vol. 123, pp. 226–234. doi: 10.1016/j.measurement.2018.03.071Anisimov A.G., Pantyushin A.V., Lashmanov O.U., Vasilev A.S., Timofeev A.N., Korotaev V.V., Gordeev S.V. Absolute scale-based imaging position encoder with submicron accuracy // Proceedings of SPIE. 2013. V. 8788. P. 87882T. doi: 10.1117/12.2021022Anisimov A.G., Pantyushin A.V., Lashmanov O.U., Vasilev A.S., Timofeev A.N., Korotaev V.V., Gordeev S.V. Absolute scale-based imaging position encoder with submicron accuracy. Proceedings of SPIE, 2013, vol. 8788, pp. 87882T. doi: 10.1117/12.2021022Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Ярышев С.Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 98 с.Gorbachev A.A., Korotaev V.V., Iaryshev S.N. Solid-state Matrix Photoconverters and Cameras Based on them. St. Petersburg, NIU ITMO, 2013, 98 p. (in Russian)Виссарионова Е.С., Бобе А.С., Кузнецов В.Н. Оптическое анаморфирование для схемы энкодера линейного перемещения // XII Конгресс молодых ученых : сборник научных трудов. 2023. С. 74–77.Vissarionova E.S., Bobe A.S., Kuznetcov V.N. Optical anamorphism for linear encoder circuit. Proc. of the 12<sup>th</sup> Congress of Young Scientists, 2023, pp. 74–77. (in Russian)Евтихиев Н.Н., Козлов А.В., Краснов В.В., Родин В.Г., Стариков Р.С., Черёмхин П.А. Метод измерения шумов цифровых камер автоматической сегментацией полосовой сцены // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45. № 2. С. 267–276. doi: 10.18287/2412-6179-CO-815Evtikhiev NN, Kozlov AV, Krasnov VV, Rodin VG, Starikov RS, Cheremkhin PA. A method for measuring digital camera noise by automatic segmentation of a striped target. Computer Optics, 2021, vol. 45, no. 2, pp. 267–276. (in Russian). doi: 10.18287/2412-6179-CO-815Коротаев В.В., Краснящих А.В. Оптико-электронные приборы с оптической равносигнальной зоной : Методические указания по выполнению лабораторных работ. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 115 с.Korotaev V.V., Krasniashchikh A.V. Optoelectronic Devices with Optical Equisignal Region. St. Petersburg, NIU ITMO, 2005, 115 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.