Метод формирования квадратурных сигналов перемещения с высокой стабильностью разности фаз в датчике линейного перемещения нанометрового разрешения на основе дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа

Современный технологический уровень в промышленности подразумевает погрешность изготовления ответственных деталей порядка 0,1–0,01 мкм и разрешение измерения порядка 1–10 нм при контроле этих деталей. Для обеспечения этих требований в станках с числовым программным управлением, электронно-лучевых литографах и прецизионном измерительном оборудовании необходимо в качестве энкодеров для приводов перемещения использовать датчики линейного перемещения с соответствующими параметрами: разрешение порядка 1 нм и погрешности перемещения порядка 0,01 мкм на 10 мм. Датчики линейных перемещений на основе дифракционных решёток, формирующие сигналы перемещения интерференционным методом, обладают наивысшим разрешением. Дифракционные решётки могут иметь микронный и субмикронный период. Таким образом, сигналы перемещения могут обладать также субмикронным периодом. Однако для достижения нанометрового разрешения необходимо в процессе электронной обработки сигналов перемещения выполнять 1000-кратную дискретизацию квадратурных сигналов. Корректная обработка сигналов требует, в свою очередь, обеспечения соответствующего уровня погрешности разности фаз квадратурных сигналов, т.е. 2π/1000. Целью данного проекта является разработка нового подхода формирования квадратурных интерференционных сигналов перемещения со стабильностью разности фаз 2π/1000 в оптической системе датчика линейных перемещений на основе дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа. В результате выполнения проекта планируется получение следующих результатов: будет разработана математическая модель процесса прохождения оптического излучения через пропускающие и отражательные рельефно-фазовые дифракционные решётки с различными параметрами микрорельефа; будут выявлены зависимости фазового сдвига оптической волной, проходящей через дифракционную решётку от параметров её микрорельефа, а также будет определена оптимальная комбинация периода, высоты рельефа , профиля рельефа и скважности дифракционной решётки, необходимая для внесения сдвига фазы π/4 в проходящую оптическую волну, т. е. для формирования квадратурных сигналов перемещения; будет сформулирован подход формирования квадратурных сигналов перемещения со стабильной разностью фаз на основе использования дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа; будут выполнены теоретическое и экспериментальное исследование технологий изготовления дифракционных решёток, позволяющих получать различный профиль рельефа: голографическая (синусоидальный профиль), нарезная (треугольный или трапецеидальный) и литографическая (прямоугольный); будут подготовлены технические требования к измерительным шкалам на основе дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа; будут изготовлены экспериментальные образцы измерительных шкал на основе дифракционных решёток с различными параметрами микрорельефа. Будут выполнены измерения параметров микрорельефа и энергетических характеристик полученных экспериментальных образцов дифракционных решёток; будут проведены и экспериментальные исследования с целью апробации выработанного подхода, разработанной математической модели и выполненных расчётов зависимости фазового сдвига проходящей оптической волны от параметров микрорельефа дифракционной решётки. Будет разработана оригинальная оптическая схема датчика линейных линейных перемещений на основе дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа; будет разработана эскизная документация на макет датчика линейных перемещений на основе дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа и на стенд для экспериментальных исследований макета датчика; будут созданы макет датчика линейных перемещений и стенд для экспериментальных исследований макета датчика; будет выполнена апробация предложенного подхода формирования квадратурных сигналов путём использования дифракционных решёток с особыми параметрами рельефа; будут проведены испытания с целью определения технических характеристик полученного макета датчика линейных перемещений, таких как разрешения и накапливаемой погрешности измерения. Научная новизна поставленной в данном проекте задачи заключается в предложении нового подхода формирования квадратурных сигналов в датчиках линейных перемещений при помощи дифракционных решёток с особыми параметрами микрорельефа (прежде всего профиля, скважности и глубины рельефа).