Принцип работы интерферометрических систем

Принцип интерферометрии

Введение

Наиболее распространённый в интерферометрии инструмент – интерферометр Майкельсона – изобрёл в 1887 году Альберт Абрахам Майкельсон – первый американец, удостоенный Нобелевской премии за научные достижения. Он предложил систему из зеркал и полупрозрачных зеркал (светоделителей) для сведения расщеплённых лучей света, поступающих из одного и того же источника. Лазерная интерферометрия является признанным методом измерения расстояний с высокой точностью.

Основные принципы

Как правило, одиночный входящий луч от источника когерентного света с помощью интерферометра Майкельсона расщепляется на два идентичных луча. Каждый из данных лучей проходит различный путь, называемый траекторией, и перед попаданием в детектор они сводятся вместе. Разность в расстоянии, пройденным каждым лучом, создаёт разность фаз между ними. Именно введённая разность фаз создаёт между первоначально идентичными волнами интерференционный узор, который определяется на детекторе. Если одиночный луч разделён вдоль двух траекторий (измеряемой и опорной), то разность фаз будет указывать на какой-либо фактор, который изменяет фазу вдоль данных траекторий. Это может быть физическое изменение длины самой траектории или изменение коэффициента преломления среды, через которую проходит луч.

Интерферометрия Майкельсона

Пучок лазерного излучения (1) выходит из лазерного источника и расщепляется на два пучка (опорный (2) и измерительный (3)) на интерферометре. Данные пучки отражаются от двух ретрорефлекторов и сводятся вместе на интерферометре перед детектором.

Использование ретрорефлекторов обеспечивает параллельность плеч опорного и измерительного пучков при их сведении на интерферометре. Сведённые лучи достигают детектора, где они или усиливаются, или ослабляются. Во время усиливающей интерференции два луча совпадают по фазе и вершины обоих лучей усиливают друг друга, что приводит к возникновению светлой интерференционной полосы, а во время ослабляющей интерференции лучи не совпадают по фазе и вершины одного луча гасятся впадинами второго луча, что приводит к возникновению темной интерференционной полосы.

Обработка сигнала

Обработка оптического сигнала в детекторе позволяет наблюдать интерференцию этих двух лучей. Смещение измерительного пучка вызывает изменение относительной фазы двух пучков. Данный цикл усиливающей и ослабляющей интерференции приводит к циклическому изменению интенсивности сведённого луча. Один цикл изменения интенсивности от светлой к тёмной и к светлой полосе происходит каждый раз, когда измерительный пучок / ретрорефлектор (3) перемещается на половину длины волны лазера.

Точность системы

Точность линейных позиционных измерений зависит от того, с какой точностью определена длина волны лазерного излучения. Рабочая длина волны лазерного излучения зависит от коэффициента преломления воздуха, через который проходит луч, а коэффициент преломления изменяется в зависимости от температуры воздуха, давления воздуха и относительной влажности. Поэтому длину волны необходимо изменять, чтобы компенсировать любые изменения данных параметров.

Какой принцип работы RLE?

Источник лазерного излучения	Оптоволоконная муфта	Оптические элементы интерферометра	Оптические элементы для измерений	Схема обнаружения	Сигналы обратной связи энкодера
Частотно-стабилизированный гелий-неоновый лазер (HeNe) класса 2	Одно или два выводных оптоволоконных устройств лазера, которые направляют лазерный свет непосредственно на детекторные головки RLD	Интерференция лазерного света на различных оптических траекториях	Диэлектрические зеркала с высоким коэффициентом отражения с твёрдым оксидным покрытием	Преобразование интерференционных полос в электрические сигналы	Стандартный цифровой или аналоговый квадратурный сигнал обратной связи по положению

Системы HS20

Лазерная головка Renishaw HS20 вместе с внешним комплектом оптики для линейных измерений образует бесконтактный лазерный интерферометрический энкодер для систем прецизионного линейного позиционирования по длинной оси с обратной связью.

Лазерную головку HS20 можно использовать в контуре управления положением любой системы управления перемещениями, которую можно настроить на приём цифровых или аналоговых квадратурных сигналов энкодера. Лазерная головка может быть использована в качестве прямой замены линейным энкодерным системам как производителями комплектного оборудования, так и при модернизации.

Системы компенсации

Часто принято считать, что лазерные интерферометры автоматически обеспечивают высшую степень точности при измерениях. Однако на практике ситуация более сложная. При измерении линейных смещений в воздушной среде с помощью лазера особую важность приобретает эффективность системы компенсации изменения параметров окружающей среды. Оптика для лазерных и интерферометрических измерений обеспечивает очень высокий уровень линейного разрешения и прецизионный уровень, однако при применении в воздушной среде за точность измерений системы отвечает главным образом блок компенсации изменения параметров окружающей среды.

С другой стороны, при измерении энкодером не учитывается расширение заготовки или конструкции станка вследствие колебаний температуры.
Чтобы компенсировать вышеуказанную погрешность и обеспечить максимальную точность измерений в воздушной среде, необходима система компенсации.

Факторы окружающей среды, влияющие на точность

Принцип работы RCU10

Блок компенсации RCU10 принимает квадратурный сигнал вместе с данными окружающей среды, собранными различными датчиками, и вычисляет общую компенсацию, необходимую для корректирования положения по оси. Затем требуемая компенсация применяется путём масштабирования или подачи квадратурных сигналов (добавления или уменьшения квадратурных импульсов) в сигнал обратной связи энкодера, при этом весь процесс выполняется с минимальной задержкой для котроллера, управляющего перемещениями. Скорректированные сигналы обратной связи передаются в контроллер, управляющий перемещениями, в цифровом или аналоговом формате энкодера.