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

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.

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.

Kako deluje sistem RLE?

Laserski vir	Povezava z vlaknom	Interferometrična optika	Merilna optika	Zaznavalni sistem	Povratni signali dajalnika
Frekvenčno stabiliziran HeNe-laser, Class 2	Laserska svetloba se prek enega ali dveh optičnih vlaken dovaja neposredno v detektorsko glavo RLD	Interferenca dveh laserskih žarkov, ki potujeta po različnih optičnih poteh	Visokoodbojno dielektrično zrcalo s prevleko iz trdega oksida	Pretvorba interferenčnih prog v elektronski signal	Standardni digitalni ali analogni kvadraturni položajni signal

Sistemi HS20

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.

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.

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

Kako deluje enota RCU10?

Spodnji diagram prikazuje potek 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.