L'interferometria: approfondimento
L'interferometria laser è un metodo ormai consolidato per misurare distanze con la massima accuratezza.
Concetti principali
L'interferometria è un metodo di misura che sfrutta il fenomeno dell'interferenza fra onde (solitamente onde luminose, sonore o radio). Le misure possono includere quelle di alcune caratteristiche delle onde stesse e dei materiali con cui esse interagiscono. Inoltre, si ricorre all'interferometria per descrivere le tecniche che utilizzano le onde luce per studiare i cambiamenti di scostamento. Quest'ultimo tipo di misura è spesso usato per le calibrazioni e per il controllo del movimento di parti meccaniche durante le lavorazioni di precisione.
Solitamente, si divide un fascio di luce in due parti separate che vengono poi sovraimposte per creare uno schema di interferenze. Dato che la lunghezza d'onda della luce visibile è molto breve, è possibile rilevare anche cambiamenti minimi nelle differenze fra i due percorsi ottici (distanza percorsa), perché ogni differenza modifica in modo evidente il percorso di interferenza. Per tale ragione, l'interferometria ottica rappresenta un prezioso strumento di misura, usato da più di cento anni. L'avvento dei laser ha portato a un significativo aumento della sua accuratezza.
La prima dimostrazione dell'utilizzo dei principi di interferenza luminosa come strumento di misura fu eseguita intorno al 1880 da Albert A. Michelson, l'inventore del primo interferometro. Anche se la tecnologia (e l'accuratezza delle misure) è stata perfezionata nel corso degli anni, i principi su cui si basava l'interferometro di Michelson rimangono ancora il cuore di questo metodo di misura.
L'interferometro di Michelson è composto da un divisore di fascio (specchio semiargentato) e da due specchi. Quando la luce attraversa il divisore di fascio (uno specchio semiargentato a riflessione parziale) viene divisa in due fasci con percorsi ottici diversi (uno porta allo specchio 1 e l'altro allo specchio 2). Dopo essere stati riflessi dagli specchi, i fasci si ricongiungono presso il divisore per poi raggiungere il rilevatore. La differenza nel percorso dei due fasci causa una differenza di fase che a sua volta crea uno schema periferico di interferenze. Tale schema viene quindi analizzato dal rilevatore che valuta le caratteristiche dell'onda, le proprietà del materiale o lo scostamento di uno specchio (in base al tipo di misura desiderato).
Applicazione dell'interferometria
Per generare uno schema di interferenze di alta precisione (con frange ben distinte), è importante disporre di una sorgente luminosa che produca onde con una lunghezza stabile, come avviene con il laser XL-80.
Sempre partendo dal principio di Michelson, è possibile configurare l'interferometro in vari modi, tuttavia la configurazione lineare è la più semplice da spiegare.
Nel sistema laser XL-80 i due specchi (usati nell'interferometro di Michelson) vengono sostituiti da retroriflettori (prismi che riflettono la luce incidente in una direzione parallela a quella di provenienza). Un retroriflettore è collegato al divisore di fascio e forma il braccio di riferimento. L'altro forma invece il braccio di misura a lunghezza variabile, perché la sua distanza dal divisore può essere modificata.
Il fascio laser (1) emerge dalla testa dell'unità XL-80 e viene diviso in due (fascio riflesso (2) e fascio trasmesso (3)) dal divisore polarizzante. I due fasci raggiungono i retroriflettori, si ricongiungono presso il divisore e raggiungono il rilevatore. L'utilizzo dei retroriflettori assicura che i fasci che tornano dal braccio di riferimento e da quello di misura siano paralleli quando si ricongiungono sul divisore. I fasci ricongiunti raggiungono il rilevatore interferendo l'uno con l'altro in modo costruttivo o distruttivo. In caso di interferenza costruttiva, i due fasci si trovano in fasatura e i picchi si rinforzano a vicenda, producendo una frangia luminosa, Al contrario, se l'interferenza è distruttiva i fasci saranno fuori fase e i picchi del primo saranno annullati dalle valli del secondo, producendo una frangia scura.
L'elaborazione ottica del segnale effettuata dal rilevatore consente di osservare l'interferenza dei due fasci. Lo spostamento del braccio di misura modifica la relativa fase dei due fasci. Tale ciclo di interferenze costruttive e distruttive provoca una variazione ciclica dell'intensità del fascio ricongiunto. Un ciclo di variazione di intensità, da luminoso a buio, si verifica ogni volta che il braccio di misura/retroriflettore viene spostato di 316,5 nm, pari alla metà della lunghezza d'onda del laser (perché lo spostamento modifica il percorso ottico di 633 nm, che corrisponde alla lunghezza d'onda del laser). Pertanto, lo0 spostamento viene misurato calcolando il numero di cicli tramite la formula seguente:
Dove d rappresenta lo scostamento (in micron), λ è la lunghezza d'onda del laser (0,633 micron) e N è il numero di frange passate. È possibile ottenere una risoluzione elevata di 1 nm tramite l'interpolazione di fase all'interno dei cicli.
A prescindere dall'accuratezza e dalla stabilità dell'unità laser, l'affidabilità delle misure di posizione lineare dipende dalla conoscenza accurata della lunghezza d'onda del fascio laser. La lunghezza d'onda operativa del fascio laser dipende dall'indice di rifrazione dell'aria attraverso cui il fascio si sposta e che può essere modificato dalla temperatura, dalla pressione e dall'umidità relativa. Per tale ragione, la lunghezza d'onda del fascio deve essere modificata (compensata) in modo da includere eventuali variazioni dei parametri sopra indicati.
Compensazione ambientale
Senza una compensazione accurata e affidabile della lunghezza d'onda, è possibile commettere errori di misura tra 20 e 30 ppm (2-3 centesimi al metro) se si combinano variazioni di temperatura, umidità e pressione rispetto ai valori nominali (anche se le condizioni del test rimangono stabili). Un'unità di compensazione ambientale (XC-80) consente di ridurre tali errori e di mantenere inalterata l'accuratezza di XL-80 in molte situazioni. Il grafico visibile a destra fornisce un esempio di errore in un sistema interferometrico senza compensazione, mostrando l'origine degli errori.
XC-80 misura la temperatura, la pressione e l'umidità dell'aria, quindi calcola l'indice di rifrazione dell'aria (e di conseguenza la lunghezza d'onda del laser). Il visualizzatore del laser viene regolato automaticamente per compensare qualsiasi variazione della lunghezza d'onda del laser. Il vantaggio di disporre di un sistema automatico sta nell'assenza di intervento da parte dell'utente e nell'aggiornamento frequente della compensazione.
Nota: Quando si utilizza un sistema laser Renishaw, la compensazione ambientale NON è necessaria per le misure angolari o di rettilineità. Questo perché tali misure vengono calcolate tramite le differenze nel percorso dei due fasci affiancati, con un annullamento automatico dei fattori ambientali. Poiché anche le misure degli assi rotanti, della planarità e dell'ortogonalità si basano su tali misure, neanche per esse è richiesta la compensazione ambientale.
