La moderna interferometria per misure
industriali: stato dell'arte
S. Donati, G. Giuliani
Laboratorio di Elettroottica - Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia
e-mail: [email protected], [email protected]
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Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5:
Introduzione
Viene illustrata la tecnica convenzionale di interferometria laser,
descrivendone i principi e gli sviluppi strumentali. In parallelo, viene
presentata la configurazione interferometrica a retroiniezione, basata
su diodo laser. Quest’ultima consiste in un approccio più semplice ed
economico, che consente la realizzazione di strumenti di misura adatti
agli impieghi industriali.
Vengono prese in rassegna le principali applicazioni dell’interferometria
alle misure industriali, di laboratorio e di controllo di processo. Sono
analizzate le misure di spostamenti, velocità, distanza, e vibrazioni,
illustrandone le peculiarità ed i limiti operativi, ed effettuando il
confronto con tecniche alternative.
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Sommario
Interferometria laser convenzionale
Interferometria a retroiniezione con diodo laser
Applicazioni industriali:
Misura di spostamenti
Misura di velocità
Misura di distanza
Misura di vibrazioni
Altre applicazioni
Conclusioni
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Applicazioni delle tecniche
interferometriche
Interferometria laser
Impieghi tecnici
Avionici
• giroscopi RLG
e FOG
Industriali
• interferometri per
metrologia meccanica
• velocimetri Doppler
• ESPI (speckle-pattern)
• analisi di vibrazioni
• sensori a fibra ottica
Impieghi scientifici
s 1-100 km
• telemetria spaziale di satelliti geodetici
s 100 m
• rilievo di meree terrestri
• vibrometria per grandi strutture edili
s1m
• metrologia di lunghezza (e grandezze
derivate)
• gravimetri geodetici
s 0.1 m
• captazione motilità biologiche e flusso
sanguigno
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Mercato mondiale
Anno di riferimento: 1997
Fonti: OIDA, Laser Focus
Interferometri laser
Velocimetri Laser
Doppler e Vibrometri
ESPI (speckle-pattern)
Misura diametri e
dimensioni
Telemetri e geodimetri
Misure di
Allineamento
Volume
[milioni di $]
Incremento
Anno di sviluppo
490
570
+5 %
+5 %
1968
1975
70
50
+5 %
+5 %
1974
1970
272
67
-0.5 %
+10 %
1970
1970
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Interferometria
Principio - 1
Interferometro ottico (lenti, specchi divisori di fascio)
+
Luce di lettura (laser He-Ne: coerenza spaziale e temporale)
=
Misura di spostamento con accuratezza e risoluzione <
Interferometro a configurazione Mach-Zehnder
SPECCHIO
FASCIO
LASER
LASER
DIVISORE DI FASCIO
CAMMINO DI
RIFERIMENTO
BERSAGLIO
CAMMINO DI
MISURA
FOTORIVELATORE
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Interferometria
Principio - 2
Interferometro a doppio fascio (per rimuovere l’ambiguità
della funzione interferometrica “coseno”)
Corner-cube
di riferimento
Corner-cube fissato
al bersaglio mobile
I1 = I0·[1 + cos(2ks)]
Fotorivelatori
I2 = I0·[1 + sin(2ks)]
k = 2/ = numero d’onda
s = spostamento del bersaglio
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Misura di spostamento
Prestazioni
La misura dello spostamento è incrementale (per poter
misurare la distanza tra due punti il bersaglio deve compiere
tutto il cammino compreso tra essi)
Risoluzione: tipica: /8 = 0.079 m;
spostamento equiv. di rumore: < 1 pm per B = 1 Hz
Precisione: 1 ppm (con correzione per T e P)
Applicazioni industriali:
Misura di coordinate di macchine utensili e di robot, taratura,
automazione industriale, tecnologia dei semiconduttori
Svantaggi: costi elevati, necessità di usare un bersaglio
riflettente, procedura di allineamento complessa
Tecniche concorrenti: misure a contatto, righe ottiche
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Interferometria a retroiniezione
Principio
L’Interferometria a Retroiniezione (o Modulazione Indotta) è
una tecnica innovativa sviluppata presso l’Università di Pavia
La sorgente laser è a semiconduttore (non a gas) ed è parte
integrante dell’interferometro
Una piccola frazione del campo retrodiffuso dal bersaglio
rientra nella cavità laser, generando un segnale
interferometrico sulla potenza emessa dal laser
Vantaggi: assenza del cammino di riferimento, ridotto uso di
ottiche, dimensioni compatte, basso costo
BERSAGLIO
FOTODIODO
DI MONITOR
DIODO
LASER
CAMMINO
DI MISURA
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Interferometria a retroiniezione
Misura di spostamenti - 1
Il segnale interferometrico è a dente di sega, ed è possibile discriminare
il verso di movimento tramite un solo canale interferometrico. Si genera
una frangia interferometrica ogni volta che il bersaglio si sposta di /2
s
spostamento
del bersaglio
DIODO
LASER
LENTE
BERSAGLIO
Target displacement
[20mV/div]
MONITOR
PD
[200ms/div]
[1.2m/div]
Segnale di
modulazione indotta
Schema per la misura di spostamenti con risoluzione /2 = 400 nm [3]
Down
Ampli
transimp.
Derivata
Segnale di
modulazione indotta
Contatore
Up-Down
Discrimin.
Polarità
Up
Display
Derivata
100 s/div
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Interferometria a retroiniezione
Misura di spostamenti - 2
Elevata sensibilità della configurazione a retroiniezione
+
Sistema di inseguimento di speckle
=
Interferometro per misure di spostamenti su superfici diffondenti [4]
INTERFACCIA PC
TESTA OTTICA
UNITA’
ELETTRONICA
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Interferometria convenzionale
Misura di velocità
Bersaglio riflettente: mis. spostam. + derivata (d/dt)
Sistemi di particelle sospese in fluidi: Laser Doppler
Velocimetry - LDV (anemometria)
SEGNALE
FLUSSO PARTICELLE
DI
INTERFERENZA
FASCI LASER
T
FRANGE DI
INTERFERENZA
TEMPO
Velocità trasversale di superfici rugose (cartiere, estrusioni)
OTTICHE DI SEPARAZIONE
E RICOMBINAZIONE FASCI
LASER
RIVELATORE
SUPERFICIE
IN MOVIMENTO
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Interferometria a retroiniezione
Misura di velocità
Non richiede la separazione e la ricombinazione del fascio od
un rivelatore separato: allestimento più compatto
DIODO
LASER
DIODO
LASER
TAMBURO ROTANTE
DISCO ROTANTE
Misura di velocità sino a 60 m/s
Possibilità di impiegare circuiti di inseguimento di speckle per
rimediare alla perdita di segnale dovuta alla rugosità della
superficie
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Interferometria a retroiniezione
Misura di distanza assoluta
Interferometria convenzionale: uso di lunghezze d’onda
multiple ( “sintetica”) [5]. Approccio complesso .
Interferometria a retroiniezione: modulazione della lunghezza
d’onda di emissione del laser + conteggio frange di
interferenza. Semplicità realizzativa .
MODULAZIONE
DI CORRENTE
s
DIODO
LASER
BERSAGLIO
DIFFONDENTE
Accuratezza: < 1 mm su distanze 13 m (10 m possibile)
Tecniche alternative: Telemetria, Triangolazione
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Interferometria convenzionale
Misura di vibrazioni
Principio: LDV su superfici diffondenti o ESPI [6]
Prestazioni
velocità:
da pochi m/s a 1000 mm/s
frequenze:
da 0.01 Hz a 20 MHz
SCHEMA: INTERF.
di MICHELSON
SEZIONE DI
RIVELAZIONE
ESPANSORE
DI FASCIO
BERSAGLIO
VIBRANTE
POSSIBILITA’ DI
SCANSIONE 2D
LASER He-Ne
Applicazioni: analisi modale, automotive, altoparlanti,
PZT, strutture edili, NDT
Svantaggi: costo elevato (1D: 20 kEuro; 2D: 200 kEuro)
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Interferometria a retroiniezione
Misura di vibrazioni - 1
Principio: aggangio a metà frangia interferometrica tramite
circuito elettronico di retroazione che agisce sulla del laser
servo-vibrometro con dinamica >> /4 [7]
Configurazione ottica estremamente semplice
/2
SEGNALE
MOD. IND.
t
PRINCIPIO: AGGANCIO
A META’ FRANGIA
DIODO
LASER
= 2ks
FD
MONITOR
t
BERSAGLIO
DIFFONDENTE
L1
SPOSTAMENTO
DEL BERSAGLIO
CIRC. DI
RETROAZIONE
L2
CONV. V I
AMP.
TRANS-Z
-
FILTRO
LP
SEGNALE
OUT
A
DIODO
LASER
TESTA OTTICA
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Interferometria a retroiniezione
Misura di vibrazioni - 2
UNITA’ ELETTRONICA
TESTA OTTICA
RMS Displacement
10 um
1 um
MOTORE
A 2100 RPM
100 nm
10 nm
1 nm
100 pm
0
Sensibilità:
Max.
vibrazione:
Banda:
Dinamica
100 pm/Hz
600 m p-p
70 kHz
> 100 dB
40
80
120
Frequency [Hz]
Funzionamento
160
200
su tutte le superfici rugose
Vantaggi: misura combinata vibrazione/
distanza/spostamento; basso costo (fattore 2-4
risp. LDV) sensore di linea industriale 17
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Conclusioni
Le tecniche interferometriche hanno ottenuto un notevole
successo nell’ambito scientifico ed industriale, grazie alla
non-invasività ed all’elevata accuratezza.
Per alcune applicazioni (soprattutto nel campo dei
sensori e delle misure in linea) il costo elevato costituisce
un ostacolo alla diffusione di questi metodi.
E’ stata presentata la tecnica interferometrica a
modulazione indotta sviluppata dall’Università di Pavia
che, grazie alla semplicità realizzativa ed al basso costo,
è particolarmente indicata per le applicazioni industriali.
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Bibliografia
[1] F. Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995.
[2] J. Dukes, G. Gordon, “A two-hundred foot yardstick with graduation every microinch”, Hewlett
Packard Journal, v. 21, p. 2, 1970.
[3] S. Donati, G. Giuliani, S. Merlo, "Laser diode feedback interferometer for measurement of
displacements without ambiguity", IEEE J. Quantum Electron., v. 31, pp. 113-119, 1995.
[4] M. Norgia , S. Donati, D. D'Alessandro : "Interferometric Measurements of Displacement on a
Diffusing Target by a Speckle-Tracking Technique", IEEE J. Quantum Electron., v. 37, pp. 800806, 2001
[5] U. Minoni, E. Gelmini, “Interferometria a multi-lunghezza d’onda”, in: F. Docchio, S. Donati,
“L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995, pp. 127-143.
[6] M. Facchini, G. Martini, “Interferometria Speckle Pattern Elettronica a fibra ottica”, in: F.
Docchio, S. Donati, “L’interferometro laser per l’industria”, AEI, Milano, 1995, pp. 145-166.
[7] G. Giuliani, S. Donati, L. Monti, “Self–Mixing Laser Diode Vibrometer with Wide Dynamic
Range”, 5th Intl. Conf. on Vibration Measurements by Laser Techniques, Ancona, June 2002.
[8] V. Annovazzi-Lodi, S. Merlo, M. Norgia, "Comparison of Capacitive and FeedbackInterferometric Measurements on MEMS”, IEEE J. Microelectromech. Syst., v. 10, pp. 327335, 2001.
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