Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0197

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0197
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Исследование и разработка экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений
Докладчик
Одиноков Сергей Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы: Создание голографического датчика линейных перемещений для использования его в ультрапрецизионных станках, измерительных машинах, литографах, микроскопах и других высокоточных устройствах.
Задачи второго этапа ПНИЭР (2016 год):
1. Расчет оптической системы экспериментального образца голографической системы формирования оптических пучков и расчет электронной системы экспериментального образца оптико-электронной системы формирования электрических сигналов перемещений;
2. Анализ прохождения оптических и электрических сигналов в экспериментальном образце ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений;
3. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений;
4. Изготовление тестовых образцов подложек для измерительных шкал на базе высокочастотных голографических решеток и проведение исследований их параметров;
5. Разработка методики получения экспериментальных образцов измерительных шкал на базе высокочастотных голографических решеток;
6. Разработка эскизной конструкторской документации и изготовление тестовых образцов измерительных шкал на базе высокочастотных голографических решеток;
7. Проведение сравнительного анализа тестовых образцов измерительных шкал на базе высокочастотных голографических решеток, полученных различными методами;
8. Разработка эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений а также на стенд для контроля его параметров.
9. Изготовление отдельных узлов ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность: В настоящее время в процессе производства сверхточных деталей различной номенклатуры и узлов ультрапрецизионных механизмов используются станки, контрольно-измерительные устройства и высокоточные механизмы с повышенными требованиями к контролю точности перемещения отдельных узлов относительно друг друга. Данную функцию выполняют ультрапрецизионные датчики линейного перемещения. Наиболее перспективно применение голографических бесконтактных датчиков открытого типа. В подобных приборах используются шкалы на базе высокочастотных голографических решеток. Изготовление данных решеток различными методами (нарезным, оптическим, литографическим) с высоким качеством микрорельефа (точным выдерживанием геометрических параметров микрорельефа на всей площади решетки) является крайне трудоемким технологическим процессом. Сравнение нарезного, оптического и литографического методов получения высокочастотных голографических решеток для выбора наиболее приемлемого метода получения решеток данного типа является крайне актуальной задачей. Кроме того, существует необходимость упрощения конструкции существующих датчиков линейных перемещений (относительно имеющихся реализаций) с целью минимизации габаритов.
Описание исследования

1. Для анализа прохождения оптических сигналов в экспериментальном образце ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений применялся cвето-энергетический расчёт (с учетом коэффициентов отражения Френеля от границ раздела, коэффициентов поглощения оптических сред, дифракционных эффективностей шкал, используемых в датчике и т.д.). Также была разработана математическая модель дифракции излучения в произвольной системе координат на основе произведений векторов. По результатам анализа прохождения оптических сигналов были выработаны требования к оптическим материалам, используемым в датчике, а также к приемникам излучения и источнику излучения.

2. Для расчета оптической системы датчика использовалось математическое описание фазовых соотношений, позволяющее определить конструктивные параметры системы для получения на приемниках излучения бесконечно широкой интерференционной полосы, что обеспечивало корректную работу датчика.

3.  При проектировании электрических систем датчика использовался метод оцифровки аналоговых сигналов, полученных с приемника датчика, позволяющий получить на одном периоде сигнала количество отсчетов, необходимых для оценки перемещения датчика с точностью 1 нм. Кроме того, был проведен расчет быстродействия. По результатам моделирования прохождения электрического сигнала в датчике были выработаны требования к электрическим компонентам датчика.

4. При оценке допусков на различные геометрические погрешности изготовления деталей датчика, а также взаимного расположения деталей в датчике использовалась теория интерференции дифракции излучения на дифракционных оптических структурах.

5. При разработке эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений использовались современные программные средства и методы проектирования приборов.

6. Для изготовления тестовых образцов подложек для измерительных шкал была разработана лабораторная технологическая инструкция по механической обработке ультрапрецизионных поверхностей экспериментальных образцов подложек для экспериментальных образцов измерительных шкал на базе высокочастотных  голографических решеток. Данная инструкция регламентировала требования к абразивным материалам, станкам и режимам обработки оптической заготовки при получении подложек с расчетными геометрическими параметрами. Для получения тестовых образцов подложек для измерительных шкал с наименьшим коэффициентом температурного расширения (требование, необходимое для корректной работы датчика) был проведен анализ оптических материалов, которые могли бы быть использованы. По результатам анализа было принято решение об использовании в качестве оптического материала для тестовых образцов подложек для измерительных шкал ситалл марки СО33М или Zerodur.

7. Для получения шкал на базе высокочастотных голографических решеток были исследованы нарезной, оптический, литографический методы получения высокочастотных голографических решеток. 

8. Для проведение исследований параметров тестовых образцов подложек для измерительных шкал использовались современные метрологические средства и методики, а именно: оптический микроскоп с большим (свыше 1000х) увеличением  Carl Zeiss Axio Imager A1 со специальным программным обеспечением, позволяющим строить топограммы измеряемых поверхностей, атомно-силовой микроскоп Solver P47-Pro.

Результаты исследования

На втором этапе работы были получены следующие результаты:

1. Разработаны оптическая и электрическая схемы экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений.

2. Разработаны методики и математические модели для оценки погрешностей изготовления оптических деталей и взаимного расположения оптических деталей в датчике, которые необходимо выдерживать для получения погрешностей измерения перемещений на уровне 1 нм.

3. Разработанная лабораторная технологическая инструкция по механической обработке ультрапрецизионных поверхностей экспериментальных образцов подложек для экспериментальных образцов измерительных шкал на базе высокочастотных  голографических решеток позволила получить подложки из Zerodur с необходимыми параметрами. Данные подложки по качеству не уступают зарубежным аналогам, применяемым в датчиках подобного типа.

4. Проведены исследования методов получения шкал на базе высокочастотных голографических решеток, а именно: нарезной, оптический, литографический методы получения высокочастотных голографических решеток. Показано, что наиболее перспективным для будущего использования является литографический метод как наиболее инновационный и позволяющий получить структуры сверхвысокого разрешения. Однако, на настоящий момент существует ряд технологических проблем (фреймовое разбиение и точная стыковка фреймов между собой, неравномерность экспозиции по фрейму и т.д.) которые не позволяют на доступном оборудовании произвести образцы решеток с требуемыми характеристиками. Наиболее близкие характеристики структур в настоящее время показывает нарезной метод получения, при помощи которого и были изготовлены шкалы для экспериментального образца ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений.

5. Предложен новый вариант конструкции ультрапрецизионного голографического датчика линейных перемещений, позволяющий существенно уменьшить массо - габаритные параметры датчика (без потери точности измерения перемещений) по сравнению с аналогами. На данный вариант конструкции подана заявка на полезную модель.

6. Результаты работ и их применение описаны в статьях и представлены на конференциях ГолоЭкспо - 2016 (12 - 15 сентября 2016, г. Ярославль, Россия) и SPIE. Photonic.Asia (12-14 октября 2016, г. Пекин, КНР).

Практическая значимость исследования
В настоящее время крайне большую потребность в ультрапрецизионных датчиках линейных перемещений имеют предприятия в крайне широким спектре производства товаров и услуг. Кроме непосредственного использования датчиков подобного типа у себя на производстве некоторые предприятия выражают желание в принятии участия в разработке и изготовлении тестовых образцов ультрапрецизионных датчиках линейных перемещений, поскольку на данный момент в России эти датчики не производятся, а закупаются из других стран. Область проектирования ультрапрецизионных датчиках линейных перемещений является инновационной и наукоемкой, что позволяет не только создавать данные датчики как конечный продукт, но организовать небольшие научные, метрологические, исследовательские лаборатории, необходимые при проектировании датчиков на различных этапах их разработки.
В разработке и создании ультрапрецизионного датчика измерения перемещения, а также его использования в собственном оборудовании наибольшую заинтересованность проявляют следующие предприятия:
ООО «Интегрированные коммуникации», г .Москва - является предприятием, работающим с высокоточным оборудованием, которое может быть оснащено разрабатываемыми прецизионными датчиками положения.
ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», г. Москва. ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» имеет большой опыт в выполнении ОКР по темам, близким к теме ПНИЭР и является одним из ведущих российских производителей ультрапрецизионного оборудования.
ОАО «НИИ ИЗМЕРЕНИЙ», г. Москва, и является одним из ведущих российских производителей координатно-измерительных машин (КИМ).
ОАО «МИКРОН», ОАО «АНГСТРЕМ», г. Зеленоград, являющиеся ведущими российскими предприятиями в области микроэлектроники и ширико используюшие ультрапрецизионное оборудование.