(49-1) 09 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

  PDF, 2660 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1486

Страницы: 67-75.

Аннотация:
Новая технология измерения линейных и угловых координат использует оптическую марку с очень большим количеством элементов (десятки и сотни тысяч). Одновременное измерение положения всех элементов изображения марки с помощью цифровой камеры повышает точность измерения положения марки в сотни и более раз. Для новых измерителей прогнозируемая разрешающая способность находится на уровне долей нанометра в линейной шкале и тысячных долей угловой секунды в угловой шкале. Разрешающую способность реального измерителя ограничивает случайная погрешность измерения, вызванная ограниченной разрядностью и тепловыми шумами цифровой камеры. Исследование этой составляющей погрешности и является целью данной работы. Авторами были проведены длительные измерения координат, угла поворота и периода неподвижной марки в условиях медленно изменяющейся температуры. Анализ полученных данных позволил определить случайную составляющую погрешности измерений, отделив ее от изменений, вызванных тепловыми деформациями. При размерах марки и матрицы цифровой камеры менее 10 мм стандартное отклонение результата угловых измерений составило 0,005 угловых секунд, линейных измерений − порядка 0,1 нм, а значения периода элементов марки − менее 0,01 нм. Полученные оценки стандартного отклонения результатов измерений хорошо согласуются с аналитическими оценками, приведенными в статье. Экспериментально доказана высокая разрешающая способность матричной технологии линейных и угловых измерений.

Ключевые слова:
двумерная шкала, угловые измерения, линейные измерения, оптическая марка, случайная погрешность измерения.

Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках гранта РНФ № 20-19-00412.

Цитирование:
Королев, А.Н. Матричная технология измерений. Путь к нанометрам / А.Н. Королев, А.Я. Лукин, Ю.В. Филатов, В.Ю. Венедиктов // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 1. – С. 67-75. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1486.

Citation:
Korolev AN, Lukin AY, Filatov YV, Venediktov VY. Matrix technology of measurements. Computer Optics 2025; 49(1): 67-75. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1486.

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; 49(4): 455-467. DOI: 10.1088/0026-1394/49/4/455.
   
2. Bridges A, Yacoot A, Kissinger T, Humphreys DA, Tatam RP. Correction of periodic displacement nonlinearities by two-wavelength interferometry. Meas Sci Technol 2021; 32(12): 125202. DOI: 10.1088/1361-6501/ac1dfa.
   
3. Peggs GN, Yacoot A. A review of recent work in sub-nanometer displacement measurement using optical and X-ray interferometer. Philos Transact R Soc A Math Phys Eng Sci 2002; 360(1794): 953-968. DOI: 10.1098/rsta.2001.0976.
   
4. Wang X, Su J, Yang J, Miao L, Huang T. Investigation of heterodyne interferometer technique for dynamic angle measurement: Error analysis and performance evaluation. Meas Sci Technol 2021; 32(10): 105016. DOI: 10.1088/1361-6501/ac0d77.
   
5. Kang HJ, Chun BJ, Jang Y-S, Kim Y-J, Kim S-W. Real-time compensation of the refractive index of air in distance measurement. Opt Express 2015; 23(20): 26377-26385. DOI: 10.1364/OE.23.026377.
   
6. Meiners-Hagen K, Abou-Zeid A. Refractive index determination in length measurement by two-colour interferometry. Meas Sci Technol 2008; 19(8): 084004. DOI: 10.1088/0957-0233/19/8/084004.
   
7. Wu H, Zhang F, Liu T, Li J, Qu X. Absolute distance measurement with correction of air refractive index by using two-color dispersive interferometry. Opt Express 2016; 24(21): 24361-24376. DOI: 10.1364/OE.24.024361.
   
8. Xu Y, Brownjohn JMW. Review of machine-vision based methodologies for displacement measurement in civil structures. J Civ Struct Health Monit 2018; 8: 91-110. DOI: 10.1007/s13349-017-0261-4.
   
9. Feng D, Feng MQ, Ozer E, Fukuda Y. A vision-based sensor for noncontact structural displacement measurement. Sensors 2015; 15(7): 16557-16575. DOI: 10.3390/s150716557.
   
10. Cheng F, Zhou D, Yu Q, Tjahjowidodo T. New image grating sensor for linear displacement measurement and its error analysis. Sensors 2022; 22(12): 4361. DOI: 10.3390/s22124361.
    
11. Liu B, Zhang D, Guo J. Zhu C. Vision-based displacement measurement sensor using modified Taylor approximation approach. Opt Eng 2016; 55(11): 114103. DOI: 10.1117/1.OE.55.11.114103.
    
12. André N, Sandoz P, Mauzé B, Jacquot M, Laurent GJ. Robust phase-based decoding for absolute (X, Y, Θ) positioning by vision. IEEE Trans Instrum Meas 2021; 70: 5001612. DOI: 10.1109/TIM.2020.3009353.
    
13. Bessonov RV, Belinskaya EV, Brysin NN, Voronkov SV, Kurkina AN, Forsh AA. Star trackers in astroinertial systems of flying vehicles. Current problems in remote sensing of the Earth from space 2018; 15(6): 9-20. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-6-9-20.
    
14. Davis JR, ed. Tensile testing. 2nd ed. Materials Park, Ohio: ASM International; 2004: 77-82.
    
15. Korolev AN, Lukin AYa, Filatov YV, Venediktov VYu. Matrix technology of linear-angular measurements. J Opt Technol 2022; 89(12): 733-739. DOI: 10.1364/JOT.89.000733.
    
16. Korolev AN, Lukin AYa, Polishchuk GS. New concept of angular measurement. Model and experimental studies. J Opt Technol 2012; 79(6): 352-356. DOI: 10.1364/JOT.79.00035212.
    
17. Bokhman ED, Venediktov VYu, Korolev AN, Lukin AYa. Digital goniometer with a two-dimensional scale. J Opt Technol 2018; 85(5): 269-274. DOI:10.1364/JOT.85.000269.
18. Korolev AN, Lukin AYa, Filatov YV, Venediktov VY. Reconstruction of the image metric of periodic structures in an opto-digital angle measurement system. Sensors 2021; 21(13): 4411. DOI: 10.3390/s21134411.

---

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: journal@computeroptics.ru; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20