Сведения по интерферометрии
Лазерная интерферометрия является признанным методом измерения расстояний с высокой точностью.
Основы
Интерферометрия — метод измерения с использованием явления интерференции волн (обычно световых, звуковых или радиоволн). Измерения могут включать в себя определенные характеристики самих волн и материалов, с которыми взаимодействуют волны. Кроме того, интерферометрия применяется для описания методов, которые используют световые волны для изучения изменений в смещении. Такая интерферометрия, измеряющая смещения, широко используется для калибровки и управления движением подвижного столика в точной обработке.
При использовании двух световых лучей (обычно путем разделения одного луча на два) интерференционная картина формируется путем наложения этих двух лучей друг на друга. Так как длина волны видимого света очень мала, то можно обнаружить небольшие изменения в разностях оптических путей (пройденных расстояний) между двумя лучами (так как эти разности будут приводить к заметным изменениям в интерференционной картине). Именно поэтому оптическая интерферометрия является значимым методом измерения в течение более ста лет. Его точность впоследствии была улучшена благодаря изобретению лазеров.
Первая демонстрация использования принципов интерференции света в качестве инструмента для измерений была проведена Альбертом Майкельсоном в 1880-х годах путем разработки первого интерферометра. Хотя технология (а также точность измерений) совершенствовалась на протяжении многих лет, основные принципы, лежащие в основе интерферометра Майкельсона, по-прежнему остаются основополагающими для интерферометрии.
Интерферометр Майкельсона состоит из светоделителя (полупрозрачное зеркало) и двух зеркал. Когда свет проходит через полупрозрачное зеркало/делитель луча (которое частично отражает), он разделяется на два луча с различными оптическими путями (один собирается зеркалом 1, а другой собирается зеркалом 2). После того, как лучи отражаются обратно от зеркала, они снова рекомбинируют на светоделителе перед тем, как поступят на детектор. Разность хода этих двух лучей вызывает разность фаз, которая создает картину интерференционных полос. Эта картина затем анализируется с помощью детектора, который оценивает волновые характеристики, свойства материала или смещение одного из зеркал (в зависимости от того, для каких измерений используется интерферометр).
Применение интерферометрии
Для создания интерференционной картины с высокой точностью (с четко различимыми полосами), очень важно наличие одного источника с очень стабильной длиной волны, что достигается за счет использования лазера XL-80.
Существуют различные интерферометрические установки, основанные на принципе Майкельсона, однако линейная схема представляет собой простейший тип, который можно объяснить.
В лазерной системе XL-80 два зеркала (используемые в интерферометре Майкельсона) являются ретрорефлекторами (призмы, которые отражают падающие лучи света обратно в направлении, параллельном направлению их падения). Один из них прикреплен к делителю луча, образуя эталонное плечо. Другой ретрорефлектор образует измерительное плечо переменной длины, как его длина изменяется по отношению к светоделителю.
Лазерный луч (1) выходит из лазерной головки XL-80 и расщепляется на два луча (отраженный (2) и пропущенный (3)) на поляризационном делителе луча. Данные лучи отражаются от двух ретрорефлекторов и сводятся вместе на светоделителе перед детектором. Использование ретрорефлекторов обеспечивает параллельность лучей, поступающих с эталонного и измерительного плеч, при их сведении на светоделителе. 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 оптического сигнала в детекторе позволяет наблюдать интерференцию этих двух лучей. Смещение измерительного плеча вызывает изменение относительной фазы двух лучей. Данный цикл усиливающей и ослабляющей интерференции приводит к циклическому изменению интенсивности сведённого луча. Один цикл изменения интенсивности от светлого к темному и опять к светлому происходит при каждом перемещении измерительного плеча/ретрорефлектора на 316,5 нм, что составляет половину длины волны лазера (так как это движение приводит к изменению оптического пути на 633 нм, что равно длине волны лазера). Следовательно движение измеряется путем вычисления количества циклов по следующей формуле:
Где d – смещение (в микронах)), λ – длина волны лазера (0,633 микрона), и N – число прошедших полос. Более высокое разрешение 1 нм достигается за счет фазовой интерполяции внутри этих циклов.
Независимо от того, насколько хорошим является ваш лазерный блок (т.е. насколько он точен и «стабилен»), точность линейных позиционных измерений зависит от точности, до которой известна длина волны лазерного луча. 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.
Компенсация условий окружающей среды
Без надежной и точной компенсации длины волны, в показаниях линейных измерений будут распространёнными погрешности 20 – 30 частей на миллион, в случае одновременного изменения температуры, влажности и давления относительно номинальных значений (даже если условия испытаний остаются стабильными). Такие погрешности можно уменьшить с помощью модуля компенсации изменения параметров окружающей среды (XC-80), обеспечив таким образом точность измерений системы XL-80 в широком диапазоне условий. На графике ниже справа показан пример погрешности в интерферометрической системе без компенсации и источник таких погрешностей.
Система XC-80 измеряет температуру воздуха, давление и влажность, а затем вычисляет показатель преломления воздуха (а следовательно, длину волны лазера). Показания лазера затем автоматически корректируются, чтобы компенсировать любые колебания длины волны лазера. Преимущество автоматической компенсации состоит в том, что процесс измерений в этом случае не требует вмешательства пользователя, а само обновление поправок происходит достаточно часто.
Примечание. Компенсация изменения параметров окружающей среды НЕ требуется в случае выполнения угловых измерений или проверки прямолинейности с использованием лазерной системы Renishaw. Это происходит потому, что измерение рассчитывается исходя из разности двух траекторий лучей, которые близки, и поэтому влияние изменений параметров окружающей среды автоматически самоликвидируется. Поскольку проверка поворотной оси, измерение отклонения от плоскостности и проверка взаимной перпендикулярности также основаны на этих измерениях, то и в этих случаях компенсация изменения параметров окружающей среды не требуется.
