Hogyan működnek az interferometriás rendszerek?

Hogyan működik az interferometria?

Bevezetés

Az interferometria legalapvetőbb eszközét, a Michelson-interferométert Albert Abraham Michelson, az első amerikai tudományos Nobel-díjas találta fel 1887 ben. Tükrökből és féligáteresztő tükrökből (ún. nyalábosztókból) összeállított rendszere képes volt egyesíteni az egy forrásból származó, különválasztott fénysugarakat. A lézeres interferometria a nagy pontosságú távolságmérés jól kidolgozott módszere.

Alapelvek

A Michelson-interferométer ábrája

A Michelson-interferométer általában egy koherens fényforrás egy beeső nyalábját osztja fel két azonos nyalábra. A két nyaláb más-más úton (pályán) halad, majd a detektor előtt újra egyesül. A két nyaláb által megtett utak különbsége fáziskülönbséget eredményez közöttük. Ez a fáziskülönbség interferencia-mintázatot hoz létre az eredetileg azonos nyalábok között, amelyet a detektor észlel. Ha egy nyalábot két pályára (mérési és referenciapályára) osztottunk, a fáziskülönbség alapján minden olyan dolog észlelhető lesz, amely megváltoztatja a fázist a két pálya mentén. Ez lehet egy magát a pályahosszt érintő fizikai változás vagy annak a törésmutatónak a változása is, amelyen a nyaláb keresztülhalad.

A Michelson-interferometria

A lézerforrásból kilépő lézernyaláb (1) az interferométernél két nyalábra (referencia- (2) és mérési (3) nyalábra) oszlik. Ezek a nyalábok két saroktükörről visszaverődnek, majd az interferométernél ismét egyesülnek, mielőtt elérnék a detektort.

A lézer útvonala

Saroktükröket alkalmazva garantálható, hogy a referencia- és a mérési pályáról származó nyalábok párhuzamosak legyenek egymással, amikor újra egyesülnek az interferométernél. Az újraegyesített nyaláb a detektorhoz ér, ahol egymást erősítve vagy kioltva interferálnak. Erősítő interferencia esetén a nyalábok ugyanabban a fázisban találhatók és csúcsaik egymást erősítik, ami világos csíkokat eredményez. Ezzel szemben a kioltó interferencia esetén a nyalábok más-más fázisban találhatók és csúcsaik egymást kioltják, ami sötét csíkokat eredményez.

Jelfeldolgozás

A detektorban történő optikai jelfeldolgozás révén megfigyelhető a két nyaláb közötti interferencia. A mérőnyaláb elmozdulása a két nyaláb egymáshoz viszonyított fázisának változását eredményezi. Ez az egymást kioltó és erősítő ciklikus interferencia ciklikus változást okoz az újraegyesített fény intenzitásában. A mérőnyalábot/saroktükröt (3) a lézer hullámhosszának felével eltolva a fény intenzitása világos-sötét-világos változási ciklust mutat.

A rendszer pontossága

A lineáris pozíciómérések pontossága attól függ, hogy mennyire pontosan ismert a lézernyaláb hullámhossza. A lézernyaláb működési hullámhossza annak a levegőnek a törésmutatójától függ, amelyen áthalad. Mivel ez az érték a hőmérséklettel, levegőnyomással és a relatív páratartalommal együtt változik, a nyaláb hullámhosszát is változtatni (kompenzálni) kell, hogy a változások tükröződjenek ezekben a paraméterekben.

RLE rendszerek

Az RLE rendszer egy egyedi, fejlett homodin lézeres interferométer-rendszer, amelyet kifejezetten pozíció-visszacsatolásra terveztünk. Mindegyik RLE rendszer egy RLU lézeregységből és egy vagy két, az adott alkalmazás követelményeihez igazodó típusú RLD10 érzékelőfejből áll.

Jelmagyarázat:

Lézeres útmérő: RLU jel
RLU lézeregység
Lézeres útmérő: RLU jel
RLD detektorfej
Lézeres útmérők: optika jel
Mérőoptikák
Kéttengelyes RLE

Hogyan működik az RLE?

LézerforrásSzáloptikás csatlakozóInterferométeres optikaMérőoptikákÉrzékelési rendszerÚtmérő-visszacsatolási jelek
Lézeres útmérő: lézerforrás
Frekvenciastabilizált 2-es kategóriájú HeNe lézer
Lézeres útmérő: száloptikás csatlakozó
Egy vagy két száloptikás lézerkimenet, amely a lézerfényt közvetlenül az RLD detektorfejekhez továbbítja
Lézeres útmérő: interferométeres optika
A különféle optikai pályákon haladó lézerfény interferenciája
Lézeres útmérő: mérési optika
Erősen fényvisszaverő kemény oxid bevonatú dielektromos tükrök
Lézeres útmérő: detektorrendszer
Az interferenciacsíkok átalakítása elektronikus jellé
Lézeres útmérő: útmérő-hibajel
Standard digitális vagy analóg négyszögjeles pozíció-visszacsatolás

Hogyan működik az RLU?

Lézerkimenet az RLU-tól az RLD-hez

LézerforrásStabilizáló elektronikaSzáloptikás csatlakozóNyaláb pozicionálási stabilitása
Lézeres útmérő: lézerforrás
Frekvenciastabilizált 2-es kategóriájú HeNe lézer
Lézeres útmérő: stabilizáló elektronika
A lézerfrekvencia-stabilitás vezérléséért felel a lézercső fejegységének modulálása révén
Lézeres útmérő: száloptikás csatlakozó
A Renishaw egyedi száloptikás fényvezetési rendszerének használata
Lézeres útmérő: nyaláb pozicionálási stabilitása
Kulcsfontosságú ahhoz, hogy a nyaláb pozíciója hosszú időn át stabil legyen a mérőoptikán

A jel visszaküldése az RLD egységnek

Útmérő-hibajelekRendszer állapotaDigitális interpolációAnalóg útmérőjelek
Lézeres útmérő: útmérő-hibajel
Az egyes lézertengelyekhez külön-külön meglévő aktív hibavezetékek egyszerűen integrálhatók a gép visszacsatolási rendszerébe a zárt rendszerű működés megvalósításához
Lézeres útmérő: a rendszer állapota
LED-es interfész az RLU egység elején az üzemállapot átlátható és egyértelmű kijelzéséhez
Lézeres útmérő: digitális interpoláció
Felhasználó által konfigurálható és az iparban széles körben elterjedt RS422 digitális négyszögjel közvetlenül az RLU-tól, akár 10 nm-es felbontással
Lézeres útmérő: analóg jelek, narancs
Valós idejű analóg detektorfej, amely közvetlenül a pozíció-visszacsatolási rendszerbe integrálható

Hogyan működik a RLD?

Lézerkimenet az RLD-től a mérőoptikához

Interferométeres optikaSugárterelő
Lézeres útmérő: interferométeres optika

Minimalizált osztás alatti hibával működő egyedi optikai rendszerek, amelyek a síktükrös vagy a saroktükrös mérési optikákkal egyaránt kompatibilisek

Lézeres útmérő: sugárterelő

Beépített optikai ék a telepítési idő minimalizálásához a nyaláb szögének egyszerűsített beállítása révén

Lézerbemenet a mérőoptikától az RLD-hez

Analóg útmérőjelekÉrzékelési rendszerMérőoptikák
Lézeres útmérő: analóg jelek, zöld

Belső analóg négyszögjel, amely az érzékelési rendszerből kerül létrehozásra, és közvetlenül az RLU-nak továbbítódik

Lézeres útmérő: detektorrendszer

A beépített csíkérzékelési rendszer a mérő- és a referencianyaláb interferenciacsíkjait elektronikus jellé alakítja

Lézeres útmérő: mérési optika

Erősen fényvisszaverő kemény oxid bevonatú dielektromos tükrök

HS20 rendszerek

HS20 leszerelt fedéllel

A Renishaw HS20 lézerfej a külső lineáris optikai készlettel együtt a hosszú tengelyű, nagy pontosságú lineáris pozíció-visszacsatoló alkalmazásokhoz kiválóan használható érintésmentes interferometriás lézeres útmérő rendszert alkot.

A HS20 lézerfej minden olyan mozgásvezérlő rendszer pozíciószabályozó hurkába integrálható, amelyet digitális vagy analóg négyszögjel-formátumú útmérő jelek fogadására lehet konfigurálni. A lézerfej közvetlenül a lineáris útmérő rendszerek helyett szerelhető fel az OEM és a korszerűsítési célú alkalmazásokban.

Hogyan működik a HS20?

LézerforrásStabilizáló elektronikaMérőoptikák

Hiba- és figyelmeztető
jelek

Útmérő-visszacsatolási
jelek
HS20: lézerforrás

Stabilizált 2. osztályú (<1 mW) HeNe lézer

RLE PCB

A lézerfrekvencia-stabilitás vezérléséért felel a lézercső fejegységének modulálása révén

HS20: mérőoptika

Nagy hatótávolságú optikai megoldások akár 60 m-es géptengelyekhez

HS20: hiba- és figyelmeztető jelek

Az egyes lézertengelyekhez külön-külön meglévő aktív hibavezetékek egyszerűen integrálhatók a gép vezérlésébe a zárt hurkú működés megvalósításához

HS20: útmérő-visszacsatolási jelek

Ipari szabványú digitális vagy analóg négyszögjel nagy felbontású pozíció-visszacsatoláshoz

Kompenzációs rendszerek

A lézeres interferométerekről gyakran gondolják, hogy automatikusan maximális mérési pontosságot biztosítanak. A valóságban ennél bonyolultabb a helyzet. Ha lineáris elmozdulást mérünk lézer segítségével levegőben, kritikus fontosságú a környezeti hatásokat kompenzáló rendszer teljesítménye. A lézer és az interferometriás mérőoptika rendkívül nagy lineáris felbontás és pontosságot biztosít, de a „levegős” alkalmazásoknál elsősorban a környezeti tényezőket kompenzáló egység felelős a rendszer mérési pontosságáért.

Az elmozdulást egy meghatározott hullámhossz mutatja. Emiatt a pontos és megismételhető méréshez állandó hullámhossz szükséges. Miközben a lézernyaláb áthalad a levegőn, a hullámhossz a törésmutatótól függően megváltozik.

Fontos továbbá, hogy az útmérő mérése nem veszi figyelembe a munkadarab vagy a gépszerkezet hőmérsékletváltozás miatti hőtágulását.
A fenti hibaforrás kompenzálásához és a levegőben vezetett lézersugaras alkalmazások minél nagyobb pontosságához kompenzációs rendszerre van szükség.

A pontosságot befolyásoló környezeti tényezők

Törésmutató tényezők:

Levegőhőmérséklet ikonPáratartalom ikonNyomás ikon

Levegő-hőmérséklet

Relatív páratartalom

Levegőnyomás

Hőtágulás:

Anyaghőmérséklet ikon

Anyaghőmérséklet

RCU10 kompenzációs rendszer

Az RCU10 valós idejű négyszögjel-kompenzációs rendszer kiküszöböli a lineáris mozgatórendszerek környezeti hibaforrásait, növelve ezzel a folyamat pontosságát és ismételhetőségét.

Az RCU10 érzékelők egész sora segítségével figyeli egy gép környezetét, és fejlett digitális jelfeldolgozás által valós időben kompenzálja a pozíció-visszacsatolási jeleket. Az egység analóg vagy digitális útmérő-formátumban küldi a korrigált visszacsatolási jeleket e a mozgásvezérlésnek.

RCU10

Hogyan működik az RCU10?

Az alábbi ábra az RCU10 működési folyamatát mutatja be.RCU10 működési ábra

Az RCU10 kompenzáló egység fogadja a digitális négyszögjeleket és az érzékelők által begyűjtött környezeti adatokat, majd kiszámítja a tengelypozíciók korrigálásához szükséges teljes kompenzációt. Ez a szükséges kompenzáció négyszögjel-skálázás és -szuperpozíció (négyszögjel-impulzusok hozzáadása és eltávolítása) révén hozzáadódik az útmérő visszacsatoló jeléhez, és a teljes folyamat minimális késleltetéssel lezajlik a mozgásvezérlésben. A korrigált visszacsatoló jelek digitális vagy analóg útmérő-formátumban továbbítódnak a mozgásvezérlésnek.