Comment fonctionnent les systèmes interférométriques ?

Comment fonctionne l'interférométrie ?

Introduction

Inventé par Albert Abraham Michelson en 1887, premier américain lauréat du prix Nobel de physique, l'interféromètre de Michelson est l'outil d'interférométrie le plus commun. Nous lui devons l'invention d'un système de miroirs et de miroirs semi-transparents (séparateurs de faisceau), permettant de fusionner des faisceaux lumineux séparés provenant de la même source. L’interférométrie laser est une méthode bien établie pour mesurer les distances avec grande précision.

Principes de base

À la base, l'interféromètre de Michelson sépare un faisceau unique provenant d'une source de lumière cohérente en deux faisceaux identiques. Chaque faisceau suit alors son propre chemin optique. Ils sont ensuite recombinés avant d'arriver à un détecteur. La distance différente parcourue par chaque faisceau crée une différence de phase entre eux. Cette différence de phase produite crée le schéma d'interférence entre les ondes identiques au départ et identifié par le détecteur. Si un faisceau unique est séparé sur deux chemins séparés (mesure et référence), la différence de phase indique l'occurrence d'un événement à l'origine d'une modification de la phase au cours de ce cheminement. Il peut s'agir d'une modification physique de la longueur du chemin lui-même ou d'un changement d'indice de réfraction au passage du faisceau.

Interférométrie de Michelson

Le faisceau laser (1) sort de la source laser ; il est séparé en deux faisceaux (référence (2) et mesure (3)) au départ de l'interféromètre. Ces faisceaux sont renvoyés par les deux rétroréflecteurs, se rejoignent à l'interféromètre avant d'arriver au détecteur.

Les rétroréflécteurs permettent de faire en sorte que les faisceaux provenant des bras de référence et de mesure soient parallèles, au moment où ils se rejoignent à l'interféromètre. Les faisceaux recombinés arrivent au détecteur où ils interfèrent entre eux, de manière constructive ou destructive. Pendant l’interférence constructive, les deux faisceaux sont en phase ; les crêtes des deux faisceaux se renforcent réciproquement en produisant une frange lumineuse. Pendant l’interférence destructive en revanche, les faisceaux sont déphasés. Les crêtes d’un faisceau sont annulées par les creux de l’autre faisceau ce qui produit une frange sombre.

Traitement du signal

Le traitement du signal optique par le détecteur permet de constater l’interférence de ces deux faisceaux. Le déplacement du faisceau de mesure modifie la phase relative des deux faisceaux. Ce cycle d’interférences destructive et constructive soumet l’intensité de la lumière recombinée à une variation cyclique. Un cycle de variation d'intensité de l'état lumineux à l'état sombre se produit, à chaque fois que le faisceau de mesure/rétroréflecteur (3) se déplace d'une valeur correspondant à la moitié de la longueur d'onde du faisceau laser.

Précision du système

La précision des mesures de positions linéaires dépend du degré d'exactitude de la longueur d'onde du faisceau laser connue. La longueur d’onde opérationnelle du faisceau laser dépend de l’indice de réfraction de l’air traversé par le faisceau, sachant que la température de l’air, la pression atmosphérique et l’humidité relative jouent sur cet indice. Par conséquent, la longueur d’onde du faisceau doit être modifiée (par compensation) pour incorporer les changements de ces paramètres, le cas échéant.

Comment fonctionne le RLE ?

Source laser	Couplage de fibre	Optiques d'interféromètre	Optiques de mesure	Schéma de détection	Signaux de renvoi de données du codeur
Laser à fréquence stabilisée Classe 2 HeNe	Une ou deux sorties laser à fibre optique fournissant le rayon laser directement aux têtes de détecteur RLD	Interférence du rayon laser parcourant des chemins optiques différents	Miroirs diélectriques hautement réfléchissants, revêtus d'oxyde dur	Pour la conversion des franges d'interférence en signal électronique	Renvoi de position à quadrature standard numérique ou analogique

Systèmes HS20

La tête laser HS20 Renishaw combinée à un kit optique linéaire, constitue un système de codage laser interférométrique sans contact, pour applications de renvoi de données de positions linéaires haute précision sur axes longs.

La tête laser HS20 peut être incorporée à la boucle de commande de position de n'importe quel système d'asservissement, pouvant être configuré pour accepter les signaux de codeur aux formats de quadrature numérique ou analogique. La tête laser peut être installée en remplacement direct d'un système de codeur linéaire, pour applications OEM et rétromontées.

Systèmes de compensation

Les interféromètres laser sont souvent considérés comme étant automatiquement capables de s'acquitter de mesures d'une précision exceptionnelle. Toutefois dans la pratique, la situation est plus compliquée. Dans les scénarios de mesure de déplacements linéaires dans l'air avec un laser, l'efficacité du système de compensation de l'environnement est primordiale. Le laser et les optiques de mesure interférométrique s'acquittent de très hauts niveaux de résolution et de précision linéaires, mais pour les applications « in air », la précision de mesure des systèmes dépend surtout de l'unité de compensation de l'environnement.

D'un autre côté, la mesure du codeur ne tient pas compte de la dilatation thermique de la pièce à usiner ou de la structure de la machine.
Afin de compenser la source d'erreur ci-dessus et de garantir le plus haut niveau de précision possible dans les applications « in air », un système de compensation s'impose.

Facteurs environnementaux ayant une incidence sur la précision

Comment fonctionne le RCU10 ?

Le diagramme ci-dessous illustre le flux de travail du RCU10.

L'unité de compensation RCU10 accepte la quadrature numérique, ainsi que les données sur l'environnement recueillies par plusieurs capteurs, afin de calculer le degré de compensation nécessaire pour corriger la position de l'axe. La compensation déduite est ensuite appliquée par mise à l'échelle et injection de quadrature (ajout ou suppression d'impulsions de quadrature) au signal de renvoi du codeur. L'ensemble du processus s'exécute avec un minimum de latence au contrôleur de mouvement. Les signaux de renvoi corrigés sont fournis au contrôleur de mouvement, aux formats numérique ou analogique.