Navigatie overslaan

Hoe werken interferometersystemen?

Hoe werkt interferometrie?

Inleiding

De meest gebruikelijke 'Michelson' interferometer werd in 1887 uitgevonden door Abraham Michelson, de eerste Amerikaan die een Nobelprijs voor wetenschap won. Hij bedacht een systeem van spiegels en half-doorzichtige spiegels (bundelsplitsers) om afzonderlijke lichtbundels uit dezelfde lichtbron samen te voegen. Laserinterferometrie is een welbekende methode om afstanden te meten met hoge nauwkeurigheid.

Basisprincipes

Michelson interferometer diagram

Een enkele bundel uit een bron van samenhangend licht wordt gesplitst in twee identieke bundels door een Michelson interferometer. De beide bundels leggen een verschillende route af (ook pad genoemd) en worden weer gecombineerd voordat ze in een detector aankomen. Het verschil tussen de afstanden die de bundels aflegden veroorzaakt een onderling faseverschil. Dit veroorzaakte faseverschil creëert een interferentiepatroon tussen de aanvankelijk identieke golven, en de detector identificeert dat. Als één bundel gesplitst is over twee paden (meting en referentie), dan blijkt het uit hun faseverschil als iets langs de paden de fase heeft veranderd. Dat kan een fysieke verandering van de padlengte zijn, of een verandering in de brekingsindex waar de bundel doorheen gaat.

Michelson interferometrie

De laserbundel (1) komt uit de laserbron en wordt in de interferometer gesplitst in twee bundels: referentie (2) en meting (3). Deze bundels worden teruggekaatst door de twee retro-reflectoren en daarna opnieuw gecombineerd, voordat ze gezamenlijk de detector bereiken.

Laser set up

Door retro-reflectoren te gebruiken is het zeker dat de bundels voor referentie en die voor meting evenwijdig zijn wanneer ze weer samenkomen in de interferometer. De opnieuw gecombineerde bundel bereikt de detector, waar de twee delen met elkaar interfereren op een constructieve of destructieve wijze. Tijdens constructieve interferentie zijn de twee bundels in fase en versterken de toppen van beide bundels elkaar, waardoor een heldere band ontstaat. Bij destructieve interferentie zijn de bundels uit fase en worden de toppen van de ene teniet gedaan door de dalen van de andere, waardoor een donkere band ontstaat.

Signaalverwerking

Met de optische signaalverwerking van de detector wordt de interferentie van de twee bundels geobserveerd. Verplaatsing van de meetbundel veroorzaakt veranderingen in de onderlinge fase van de twee bundels. Door deze cyclus van destructieve en constructieve interferentie ondergaat de intensiteit van het opnieuw gecombineerde licht een cyclische variatie. Iedere keer als de retro-reflector van de meetbundel (3) wordt verplaatst over een halve lasergolflengte, doet zich één variatiecyclus voor in de intensiteit van licht naar donker naar licht.

Nauwkeurigheid van het systeem

De nauwkeurigheid van de lineaire positiemetingen hangt af van de nauwkeurigheid waarbinnen de golflengte van de laserbundel bekend is. De operationele golflengte van de laserbundel hangt weer af van de brekingsindex van de lucht waar de bundel doorheen gaat, en die verandert met de luchttemperatuur en -druk en de relatieve vochtigheid. Daarom moet de golflengte van de bundel steeds aangepast (gecompenseerd) worden, zodat veranderingen in deze parameters worden meegenomen.

RLE systemen

Het RLE systeem is een uniek, geavanceerd interferometersysteem met homodyne laserdetectie, specifiek ontwikkeld voor positiefeedbacktoepassingen. Elk RLE systeem bestaat uit een RLU laserunit en een of twee RLD10 detectorkoppen, waarvan het model afhankelijk is van de vereisten van de specifieke toepassing.

Belangrijkste:

Laser encoder: Key RLU
RLU laserunit
Laser encoder: key RLU
RLD detectorkop
Laser encoders: key optics
Meetoptica
Dual axis RLE

Hoe werkt het RLE-systeem?

LaserbronKoppeling met glasvezelInterferometeroptiekenMeetopticaDetectiesysteemTerugkoppelsignalen uit de encoder
Laser encoder: laser source
Klasse 2 HeNe-laser met frequentiestabilisatie
Laser encoder: fibre coupling
Een of twee laseruitgangen van glasvezel die het laserlicht direct aan de RLD detectorkoppen leveren
Laser encoder: interferometer optics
Interferentie van laserlicht dat verschillende optische paden volgde
Laser encoder: measurement optics
Sterk reflecterende spiegels met harde diëlektrische oxidecoating
Laser encoder: detector scheme
Omzetting van de interferentiebanden naar een elektronisch signaal
Laser encoder: encoder error signal
Positieterugkoppeling in standaard digitale of analoge kwadratuursignalen

 

Hoe werkt de RLU?

Laseruitvoer van de RLU naar de RLD  

LaserbronStabilisatie-elektronicaKoppeling met glasvezelStabiliteit van bundelrichting
Laser encoder: laser source
Klasse 2 HeNe-laser met frequentiestabilisatie
Laserencoder: stabilisatie-elektronica
Regelt de stabilisatie van de laserfrequentie door de verwarming van de laserbuis te moduleren
Laser encoder: fibre coupling
Op basis van Renishaws unieke uitvoersysteem met glasvezel
Laser encoder: beam pointing stability
Essentieel om zeker te zijn van een stabiele bundelpositie op de meetoptieken gedurende langere periodes

Verwerking van het signaal terug naar de RLD 

Foutsignalen van de encoderSysteemtoestandDigitale interpolatieAnaloge encodersignalen
Laser encoder: encoder error signal
Actieve foutlijnen, apart voor elke laseras, zijn gemakkelijk te integreren in het terugkoppelsysteem van de machine zodat een gesloten kringloop ontstaat
Laser encoder: system status
Een LED-interface op de voorzijde van de RLU geeft intuïtief de operationele toestand aan.
Laser encoder: digital interpolation
Door de gebruiker te configureren en industrieel erkende RS422 digitale kwadratuursignalen direct van de RLU, met resolutie naar keuze tot 10 nm
Laser encoder: analogue signals orange
Real-time analoge detectiekop die direct te integreren is in het systeem voor positieterugkoppeling

Hoe werkt de RLD?

Laseruitvoer van de RLD naar de meetoptieken

InterferometeroptiekenBundelsturing
Laser encoder: interferometer optics

Unieke optische ontwerpen met geminimaliseerde interpolatiefout, passend bij meetoptieken met ofwel een vlakke spiegel ofwel een retro-reflector

Laser encoder: beam steerer

Een ingebouwde optische wig die de tijd voor installeren minimaliseert door een vereenvoudigde hoekinstelling van de bundel te bieden

 

Laserinvoer van de meetoptieken naar de RLD  

 Analoge encodersignalen Detectiesysteem Meetoptica
Laser encoder: analogue signals green

Intrinsiek analoog kwadratuursignaal, gegenereerd vanuit het detectiesysteem en rechtstreeks doorgegeven aan de RLU.

Laser encoder: detector scheme

Het ingebouwde banddetectiesysteem zet de interferentiebanden van de meting en de referentie om in een elektronisch signaal

Laser encoder: measurement optics

Sterk reflecterende spiegels met harde diëlektrische oxidecoating

HS20 systemen

HS20 with lid off

De Renishaw HS20 laserkop in combinatie met een externe lineaire optiekenset vormt een contactloos interferometrisch laserencodersysteem voor langassige, uiterst nauwkeurige lineaire positieterugkoppeling.

De HS20 laserkop kan opgenomen worden in de positiebesturing van elk bewegingssysteem dat te configureren is voor het werken met digitale of analoge encodersignalen in kwadratuurformaat. De laserkop kan gemonteerd worden als directe vervanging van lineaire encodersystemen in zowel nieuw gebouwde als al bestaande machines.

Hoe werkt de HS20? 

LaserbronStabilisatie-elektronicaMeetoptica

Fout- en waarschuwings
signalen

Terugkoppelsignalen
uit de encoder
HS20: laser source

Gestabiliseerde klasse 2 HeNe-laser

RLE PCB

 

Regelt de stabilisatie van de laserfrequentie door de verwarming van de laserbuis te moduleren

HS20: measurement optics

 

Optische oplossing met groot bereik voor machineaslengtes tot 60 m

HS20: error and warning signals

 

Actieve foutlijnen, apart voor elke laseras, zijn gemakkelijk te integreren in de machinebesturing zodat een gesloten kringloop ontstaat

HS20: encoder feedback signals

 

Digitale of analoge kwadratuursignalen volgens industriële standaard voor positieterugkoppeling met hoge resolutie

Compensatiesystemen

Vaak wordt aangenomen dat laserinterferometers automatisch de ultieme meetnauwkeurigheid leveren. In werkelijkheid is de situatie echter ingewikkelder. Bij het meten met een laser van lineaire verplaatsingen door lucht is de kwaliteit van het compensatiesysteem voor omgevingsfactoren van groot belang. De laser en de interferometrische meetoptieken leveren lineaire resoluties en precisie van hoog niveau, maar bij toepassingen in 'gewone lucht' is de omgevingscompensator het meest bepalend voor de meetnauwkeurigheid van het hele systeem.

De verplaatsing wordt weergegeven in de vorm van een bepaalde golflengte. Daarom is een nauwkeurige en herhaalbare meting gebaseerd op het constant zijn van de golflengte. Wanneer de laserbundel zich door de lucht beweegt, varieert de golflengte in afhankelijkheid van de brekingsindex.

Daarnaast houdt de meting van de encoder geen rekening met de uitzetting van het product of van de machineconstructie vanwege temperatuurschommelingen.
Om de genoemde foutbronnen te compenseren en zeker te zijn van de hoogste nauwkeurigheid in de 'gewone lucht' is een compensatiesysteem noodzakelijk.

Omgevingsfactoren die de nauwkeurigheid beïnvloeden

Brekingsindices:

Air temperature icon Humidity icon Pressure icon

Luchttemperatuur

 Relatieve vochtigheid

 Luchtdruk

Thermische uitzetting: 

Material temperature icon

Materiaaltemperatuur

 

RCU10 compensatiesysteem

Het RCU10 real-time kwadratuurcompensatiesysteem verhelpt voor lineaire bewegingssystemen foutbronnen vanuit de omgeving, om de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van het proces te verbeteren.

De RCU10 bewaakt via een reeks sensoren de directe omgeving van een machine en voert met geavanceerde digitale signaalverwerking een real-time compensatie uit op de signalen van de positieterugkoppeling. Het apparaat levert de gecorrigeerde terugkoppelsignalen in analoge of in digitale formaten aan de bewegingsbesturing.

RCU10

Hoe werkt de RCU10?

Het schema hieronder laat zien hoe de RCU10 te werk gaat.RCU10 work flow diagram

 

De RCU10 compensator neemt digitale kwadratuursignalen op, tegelijk met de omgevingsgegevens die van een reeks sensoren komen, en berekent de totale compensatie die nodig is om de aspositie te corrigeren. De vereiste compensatie wordt dan toegepast door de kwadratuur te verschalen en het terugkoppelsignaal van de encoder te bewerken (toevoegen of verwijderen van kwadratuurpulsen). Dit alles geeft maar een minimale vertraging naar de bewegingsbesturing toe. De gecorrigeerde terugkoppelsignalen worden aangeboden aan de bewegingsbesturing in ofwel een digitaal ofwel een analoog formaat.