Применение анаморфотной оптической системы и высокоскоростного линейного фотоприемника в инкрементном преобразователе перемещений открытого типа

   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. 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. 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. 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.

1. Fleming 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.2012.10.016

2. Коротаев 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.

3. 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/abc578

4. Сosijns 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/B978-0-08-102055-5.00010-3

5. Ye 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.2015.05.023

6. Luo 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/s24206617

7. Ye 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.2020.106196

8. Yu 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.2021.107352

9. Васильева 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: 10.17586/0021-3454-2018-61-9-796-804

10. Lashmanov 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.2018.03.071

11. Anisimov 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: 10.1117/12.2021022

12. Горбачёв А.А., Коротаев В.В., Ярышев С.Н. Твердотельные матричные фотопреобразователи и камеры на их основе. СПб.: НИУ ИТМО, 2013. 98 с.

13. 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.

14. 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-815

15. Коротаев В.В., Краснящих А.В. Оптико-электронные приборы с оптической равносигнальной зоной : Методические указания по выполнению лабораторных работ. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2005. 115 с.