Preskoči navigacijo

Kako delujejo interferometrični sistemi?

Kako deluje interferometrija?

Uvod

Najpogostejše orodje v interferometriji je Michelsonov interferometer, ki ga je leta 1887 izumil Albert Abraham Michelson – prvi Američan, ki si je prislužil Nobelovo nagrado za znanost. Iznašel je sistem zrcal in polprozornih zrcal (delilnikov žarka), ki ločijo svetlobni žarek iz enega vira na dva dela in ga nato spet združijo. Laserska interferometrija je uveljavljena metoda za merjenje razdalj z visoko natančnostjo.

Osnovna načela

Diagram Michselonovega interferometra

V Michelsonovem interferometru se en žarek iz vira koherentne svetlobe razdeli na dva identična žarka. Vsak od obeh žarkov nato potuje po svoji poti, potem pa se pred detektorjem spet združita. Zaradi razlike v razdalji, ki jo prepotujeta žarka, nastane med njima fazna razlika. Valova, ki sta bila na začetku identična, zaradi te fazne razlike ustvarita interferenčni vzorec, ki ga zazna detektor. Če razdelimo žarek na dve poti (merilno in referenčno), lahko s pomočjo fazne razlike ugotavljamo vzroke za spremembo faze na poti. Vzrok je lahko fizična sprememba dolžine same poti, ali pa sprememba lomnega količnika medija, skozi katerega potuje žarek.

Michelsonova interferometrija

Laserski žarek (1) pride iz laserskega vira in se v interferometru razdeli na dva žarka (referenčni (2) in merilni (3) žarek). Žarka se odbijeta nazaj na dveh retroreflektorjih in se nato spet združita v interferometru pred detektorjem.

Laserska konfiguracija

Z uporabo retroreflektorjev je zagotovljeno, da sta žarka iz referenčne in merilne veje vzporedna, ko se združita v interferometru. Združeni žarek doseže detektor, kjer pride do konstruktivne ali destruktivne interference. Pri konstruktivni interferenci sta žarka v fazi, vrhovi obeh žarkov se seštevajo in nastane svetla proga. Pri destruktivni interferenci pa žarka nista v fazi, vrhovi prvega žarka se izničijo z dolinami drugega žarka in nastane temna proga.

Obdelava signala

Obdelava optičnega signala v detektorju omogoča opazovanje interferenčnega vzorca obeh žarkov. Zamik merilnega žarka povzroči spremembo faznega zamika med obema žarkoma. Cikel destruktivne in konstruktivne interference povzroči ciklično spreminjanje jakosti združene svetlobe. En tak cikel spreminjanja jakosti svetlobe od močnejše do šibkejše in nazaj na močnejšo se zgodi vsakič, ko se merilni žarek/retroreflektor (3) premakne za pol valovne dolžine laserja.

Točnost sistema

Točnost merjenja linearnega položaja je odvisna od znane točnosti valovne dolžine laserskega žarka. Delovna valovna dolžina laserskega žarka je funkcija lomnega količnika zraka, skozi katerega potuje, ta pa je odvisen od temperature, tlaka in relativne vlažnosti zraka. Valovno dolžino žarka je zato treba ustrezno spreminjati (kompenzirati) glede na spremembe teh parametrov.

Sistemi RLE

Sistem RLE je edinstven in napreden homodinski laserski interferometrični sistem, zasnovan posebej za merjenje položaja. Vsak sistem RLE je sestavljen iz laserske enote RLU in ene ali dveh detektorskih glav RLD10, izbranih glede na zahteve konkretne aplikacije.

Legenda:

Laserski dajalnik: legenda RLU
Laserska enota RLU
Laserski dajalnik: legenda RLU
Detektorska glava RLD
Laserski dajalnik: legenda optika
Merilna optika
Dvoosni RLE

Kako deluje sistem RLE?

Laserski virPovezava z vlaknomInterferometrična optikaMerilna optikaZaznavalni sistemPovratni signali dajalnika
Laserski dajalnik: laserski vir
Frekvenčno stabiliziran HeNe-laser, Class 2
Laserski dajalnik: povezava z vlaknom
Laserska svetloba se prek enega ali dveh optičnih vlaken dovaja neposredno v detektorsko glavo RLD
Laserski dajalnik: interferometrična optika
Interferenca dveh laserskih žarkov, ki potujeta po različnih optičnih poteh
Laserski dajalnik: merilna optika
Visokoodbojno dielektrično zrcalo s prevleko iz trdega oksida
Laserski dajalnik: zaznavalni sistem
Pretvorba interferenčnih prog v elektronski signal
Laserski dajalnik: signal napake dajalnika
Standardni digitalni ali analogni kvadraturni položajni signal

Kako deluje enota RLU?

Laserski izhod iz RLU v RLD

Laserski virStabilizacijska elektronikaPovezava z vlaknomStabilnost usmerjanja žarka
Laserski dajalnik: laserski vir
Frekvenčno stabiliziran HeNe-laser, Class 2
Laserski dajalnik: stabilizacijska elektronika
Nadzoruje stabilnost frekvence laserja z modulacijo sestava grelnika laserske cevi
Laserski dajalnik: povezava z vlaknom
Uporablja edinstveni sistem Renishaw za dovod laserskega žarka po optičnem vlaknu
Laserski dajalnik: stabilnost usmerjanja žarka
Ključna za zagotavljanje stabilnega položaja žarka v merilni optiki za daljše časovno obdobje

Vračanje signala v RLD

Signali napake dajalnikaStanje sistemaDigitalna interpolacijaSignali analognega dajalnika
Laserski dajalnik: signal napake dajalnika
Aktivne linije napak za vsako lasersko os je mogoče preprosto integrirati v sistem za merjenje položaja stroja za zaprtozančno krmiljenje
Laserski dajalnik: stanje sistema
LED-lučke na sprednji strani enote RLU za preprosto preverjanje stanja sistema
Laserski dajalnik: digitalna interpolacija
Uporabniško nastavljiv standardni digitalni kvadraturni signal RS422 neposredno iz enote RLU z ločljivostmi do 10 nm
Laserski dajalnik: analogni signali, oranžni
Realnočasovna analogna detektorska glava se lahko integrira neposredno v sistem za merjenje položaja

Kako deluje enota RLD?

Laserski izhod iz RLD v merilno optiko

Interferometrična optikaUsmerjevalnik žarka
Laserski dajalnik: interferometrična optika

Edinstvena optična zgradba z minimalno napako interpolacije je združljiva z merilno optiko z ravnimi zrcali ali retroreflektorji

Laserski dajalnik: usmerjevalnik žarka

Vgrajeni optični klin skrajšuje čas montaže s poenostavljeno kotno nastavitvijo žarka

Laserski vhod iz merilne optike v RLD

Signali analognega dajalnikaZaznavalni sistemMerilna optika
Laserski dajalnik: analogni signali, zeleni

Zaznavalna shema ustvarja analogni kvadraturni signal in ga posreduje neposredno v enoto RLU

Laserski dajalnik: zaznavalni sistem

Vgrajeni sistem za zaznavanje prog pretvarja interferenčne proge merilnega in referenčnega žarka v elektronski signal

Laserski dajalnik: merilna optika

Visokoodbojno dielektrično zrcalo s prevleko iz trdega oksida

Sistemi HS20

HS20 brez pokrova

Laserska glava Renishaw HS20 v kombinaciji z zunanjim optičnim kompletom za linearne meritve tvori brezkontaktni interferometrični laserski dajalnik za aplikacije merjenja linearnega položaja z dolgimi osmi in visoko natančnostjo.

Lasersko glavo HS20 je mogoče vgraditi v zanko za krmiljenje položaja kakršnegakoli pogonsko-pozicionirnega sistema, ki lahko sprejema signale dajalnikov v digitalnem ali analognem kvadraturnem formatu. Laserska glava se lahko namesti kot neposredna zamenjava za dajalnike linearnega položaja pri originalni opremi ali kot naknadna vgradnja.

Kako deluje enota HS20?

Laserski virStabilizacijska elektronikaMerilna optika

Signali za napake in
opozorila

Povratni signali
dajalnika
HS20: laserski vir

Stabilizirani HeNe-laser, Class 2 (<1 mW)

RLE PCB

Nadzoruje stabilnost frekvence laserja z modulacijo sestava grelnika laserske cevi

HS20: merilna optika

Optične rešitve dolgega dosega za osi strojev, dolge do 60 m

HS20: signali za napake in opozorila

Aktivne linije napak za vsako lasersko os je mogoče preprosto integrirati v krmilni sistem stroja za zaprtozančno krmiljenje

HS20: povratni signali dajalnika

Standardni digitalni ali analogni kvadraturni signal za visokoločljivostno merjenje položaja

Kompenzacijski sistemi

Pogosto velja prepričanje, da laserski interferometri kar sami od sebe zagotavljajo vrhunsko točnost meritev. V resnici pa stvari niso tako preproste. Pri merjenju linearnih premikov z laserskim žarkom v zraku je zelo pomemben sistem za kompenzacijo vplivov okolja. Laserska in interferometrična merilna optika sicer zagotavlja zelo visoko linearno ločljivost in natančnost, toda pri aplikacijah ‘v zraku’ je prav enota za kompenzacijo vplivov okolja tista, ki je najbolj zaslužna za merilno točnost sistema.

Premiki so izraženi glede na specificirano valovno dolžino. Točnost in ponovljivost meritev je zato odvisna od konstantne valovne dolžine. Ko laserski žarek potuje po zraku, se njegova valovna dolžina spreminja v odvisnosti od lomnega količnika.

Meritve dajalnika po drugi strani ne upoštevajo temperaturnih raztezkov obdelovanca in konstrukcije stroja.
Za kompenzacijo tega vira napake in največjo točnost pri aplikacijah ‘v zraku’ je zato treba vključiti kompenzacijski sistem.

Okoljski dejavniki, ki vplivajo na točnost

Dejavniki, ki vplivajo na lomni količnik:

Ikona za temperaturo zrakaIkona za vlažnostIkona za tlak

Temperatura zraka

Relativna vlažnost

Zračni tlak

Temperaturni koeficient dolžinskega raztezka:

Ikona za temperaturo materiala

Temperatura materiala

Kompenzacijski sistem RCU10

Realnočasovni sistem za kompenzacijo kvadraturnega signala RCU10 odpravlja vire napak iz okolja pri linearnih pogonsko-pozicionirnih sistemih za izboljšanje točnosti in ponovljivosti procesov.

RCU10 nadzoruje okolje stroja z različnimi senzorji in uporablja napredno digitalno obdelavo signala za sprotno kompenzacijo položajnih signalov. Enota zagotavlja korigirani položajni signal za krmilnik gibanja v analognem ali digitalnem formatu, kot je običajen za dajalnike.

RCU10

Kako deluje enota RCU10?

Spodnji diagram prikazuje potek delovanja enote RCU10.Diagram poteka delovanja enote RCU10

Kompenzacijska enota RCU10 sprejema digitalni kvadraturni signal ter podatke o okolju od vrste senzorjev, na podlagi tega pa izračunava potrebno kompenzacijo za popravek položaja osi. Kompenzacija se nato uveljavi s skaliranjem in injiciranjem kvadraturnega signala (dodajanjem ali odstranjevanjem kvadraturnih impulzov) v položajni signal dajalnika. Celotni proces vnaša le minimalno latenco za krmilnik gibanj. Krmilnik gibanj prejema korigirane položajne signale v digitalnem ali analognem formatu, kot je običajen za dajalnike.