1
Úvod do laserové interferometrie
Ústav metrologie a zkušebnictví
Pocítacová podpora metrologie (XPP)
2
Ústav metrologie a zkušebnictví
Základní vlastnosti svetelného paprsku
vystupujícího z laseru

• Light Amplification by Stimulated Emission of
  Radiation
• (Zesilování svetla stimulovanou emisí zárení)
• Svetelný svazek vystupující z laseru si mužeme
  predstavit jako svetelnou vlnu se sinusovým
  prubehem.
• Svetelná vlna vystupující z laseru má tri
  základní vlastnosti
• Vlnová délka zárení je presne známá a dovoluje
  provádet presná merení
• Vlnová délka je velmi malá a umožnuje merit s
  vysokým rozlišením
• Všechny svetelné vlny mají stejnou fázi a
  umožnují vznik interference (skládání svetelných
  paprsku)

3
Ústav metrologie a zkušebnictví
Základní princip interferometru - Michelson
interferometer
Paprsek monochromatického svetla vychází ze
zdroje a dopadá na slabe postríbrenou
polopropustnou desticku nastavenou pod úhlem 450
ke smeru paprsku. Paprsek se na desticce rozdelí
na dva navzájem kolmé paprsky.
Pevné zrcadlo Z2
Pohyblivé zrcadlo Z1
Monochromatický svetelný zdroj
Polopropustná desticka
Interferující paprsky
dx
Detektor s fotocitlivými prvky
Paprsek prošlý destickou dopadá na zrcadlo Z1
(pohyblivé), paprsek odražený dopadá na zrcadlo
Z2 (fixní). Po odrazu na zrcadlech se oba paprsky
opet vrátí na polopropustnou desticku kde se opet
rozdelí. Cást paprsku se vrací do zdroje
(nezakresleno) a cást paprsku postupuje smerem k
detektoru s fotocitlivými prvky, kde se detekuje
interference paprsku. Maximum odpovídá svetlému
interferencnímu proužku, minimum tmavému
interferencnímu proužku. Pocet interferencních
proužku prošlých pres šterbinu fotodetektoru, je
mírou zmeny délky dx.
4
Konstruktivní a destruktivní interference
Ústav metrologie a zkušebnictví
Interference jev spojené se skládáním
(svetelných) vln.
Konstruktivní interference
Pro k 0, 1, 2,n Kde ?1- ?2 je fázový rozdíl
mezi vlnami 1 a 2
Destruktivní interference
Pro k 0, 1, 2,n Kde ?1- ?2 je fázový rozdíl
mezi vlnami 1 a 2
5
Ústav metrologie a zkušebnictví
Schéma cinnosti laserového interferometru I
Vetev referencní
Lineární interferometr
Vetev merící
Vstupní svazek
Referencní svazek
Merící svazek
Svazek vzniklý opetovným složením referencního
a merícího svazku
6
Ústav metrologie a zkušebnictví
Schéma cinnosti laserového interferometru II
Nepohyblivý lineární odražec
Pohybující se lineární odražec
Vstupní svazek
Referencní svazek
Merící svazek
Svazek vzniklý opetovným složením referencního
a merícího svazku
7
Ústav metrologie a zkušebnictví
Schéma cinnosti laserového interferometru III

-
Konstruktivní interference
Destruktivní interference
8
He Ne (helium - neonový) laser
Ústav metrologie a zkušebnictví

• Lasery s malým výkonem
• pracují s výkonem 0.1 2 mW
• délka výbojky je do 300 mm
• pracují na vlnové délce 0.633µm
• Jedná se o nejrozšírenejší druh laseru
  používaného v metrologii. Základní cástí je
  výbojka o délce 100 300mm naplnená He a Ne.
  Zhotovuje se teplovzdorného skla s dostatecnou
  tlouštkou steny, základním požadavkem je její
  lineárnost, tuhost, zanedbatelná propustnost,
  vysoká kruhovitost vnitrního prumeru.
• Lasery se stredním výkonem
• pracují s výkonem 2.5 15 mW
• pracují na vlnové délce 0.63 a 1.15µm
• Lasery s vyšším výkonem
• pracují s výkonem 20 60 mW
• pracují na vlnové délce 0.63, 1.15 a 3.39µm

9
Možnosti využití laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví

• Presnost polohování lineárních os
• Prímost vedení a prícné vule
• Prímocarost pojezdu
• Rovinnost
• Kolmost
• Presnost polohování rotacních os
• Rychlost, zrychlení pohyblivých dílcu

10
Základní a doplnující cásti laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Optika pro polohování
Jednotka kompenzace podmínek prostredí
Laserová hlavice
Úhlová optika
Optika pro prímocarost
Optika pro rovinnost
Optika a software pro stanovenírychlost, zrychlení
11
Vliv prostredí na interferometrická merení
Ústav metrologie a zkušebnictví

• ? vlnová délka laserového paprsku ve vzduchu
• ?0 vlnová délka laserového paprsku ve vakuu
• n index lomu vzduchu
• Vlnová délka laserového paprsku ve vzduchu závisí
  na indexu lomu vzduchu. Index lomu vzduchu je
  funkcí teploty, tlaku, vlhkosti a složení vzduchu
  (CO2 a další prímesi mají také malý vliv).
• Nejistotu merení ovlivnuje též znecištení optické
  cesty mezi laserem, interferometrem a koutovým
  odražecem a dále skutecná teplota mereného
  predmetu
• Vlnová délka laserového zárení vzroste o 1µm
  temito zmenami atmosferických podmínek
• 1? C nárust teploty vzduchu
• 3.7 millibaru pokles tlaku vzduchu
• 100 pokles relativní vlhkosti
• Má-li interferometrické merení provádené ve
  vzduchu poskytnout presné výsledky, je nezbytné
  kompenzovat zmenu indexu lomu vzduchu

12
Kompenzacní jednotka laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví

• Pokud je merení s HeNe laserem provádeno v bežném
  prostredí, presnost kompenzace podmínek prostredí
  je mnohem duležitejší než stabilita frekvence
  laserové hlavice.

Cidlo tlaku
Cidlo vlhkosti
Cidla teploty vzduchu a
materiálu
13
Vliv kompenzace podmínek prostredí na presnost
merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
Presnost merení s/bez kompenzace
S kompenzací
Bez kompenzace
0
25
50
75
100
Relativní vyjádrení presnosti merení na
podmínkách prostredí
Teplota vzduchu
Tlak
Rel. vlhkost
Frekvence laseru
14
Lineární merení pomocí laserového interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Lineární interferometr
Lineární odražec
Montážní zarízení pro uchycení optiky
Smer pohybu
Kompenzacní jednotka
Laser
Cidlo teploty materiálu
Cidlo teploty vzduchu
Tiskárna
Stativ
Vyhodnocovací softvare
Interface
15
Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip lineárních merení pomocí laserového
interferometru
Pohled stranový
Lineární odražec
Osa pohybu
Referencní paprsek
Merící paprsek
Laserová hlava
Polopropust zrcadlo (delic paprsku)
Lineární odražec
Lineární interferometr
Laserová hlava je umístena ve smeru osy merení
16
Princip lineárních merení pomocí laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Pohled horní
Pevné zrcadlo
Referencní lineární odražec
Lineární interferometr
Osa pohybu
Merící lineární odražec
Laserová hlava je natocena v pravém úhlu vzhledem
k ose merení
17
Princip lineárních merení pomocí laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Merící lineární odražec
Osa pohybu

Referencní lineární odražec
Lineární interferometr
Smerovací zrcadlo
Laserová hlava je natocena v obecném úhlu
vzhledem k ose merení
18
Reduktor paprsku a miniaturní reflektor pri
lineárních mereních
Ústav metrologie a zkušebnictví

• Minimální vliv na dynamiku stroje -
  hmotnost 10g
• Redukce paprsku ze 6 na 3mm
  a zmenšení odstupu
• Rozsah do 4m

Pohled stranový
Schéma chodu paprsku
Klasický a miniaturní lineární odražec
19
Software pro vyhodnocování lineárních merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
20
Mrtvá dráha vznikající pri merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
21
Mrtvá dráha vznikající pri merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
Interferometr (stacionární optika)

Lineární odražec Pohybující se optika
Výchozí hodnota Záznamu (nulování laseru)
Dráha merení
Mrtvý chod
Výchozí hodnota Záznamu (nulování laseru)

22
Cosinová chyba
Ústav metrologie a zkušebnictví
Namerená vzdálenost
Laserový paprsek
Osa pohybu
Skutecná vzdálenost
23
Chyba zpusobená nedodržením tzv. Abbeho principu
Ústav metrologie a zkušebnictví
Pohyblivá optika
Abbeho chyba
Smer laserového paprsku

Úhel
Osa pohybu
24
Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip úhlových merení pomocí laserového
interferometru
Target I
Target III
Target II
2 arc.sec
1 arc.sec
Interval size 100mm
0
50
100
150
200
250
300
First targe 50mmt
Last target 250
25
Ústav metrologie a zkušebnictví
Princip úhlových merení pomocí laserového
interferometru
Target I
Target III
Target II
5 arc.sec
Interval size 100mm
0
50
100
150
200
250
300
First targe 50mmt
Last target 250
26
Ústav metrologie a zkušebnictví
Typický diagram pri úhlových mereních
27
Optika využívaná pri úhlových merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
Úhlový odražec
Úhlový interferometr
Krytky se zamerovacímy body
28
Konfigurace úhlových merení pomocí laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Pohled stranový

Osa pohybu
Merící paprsek

Referencní paprsek
Úhlovýí odražec
Laserová hlava
Úhlový interferometr
Laserová hlava je umístena ve smeru osy merení
29
Konfigurace úhlových merení pomocí laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví

Úhlovýí odražec
Osa pohybu
Pohled stranový

Úhlový interferometr
Laserová hlava je natocena v pravém úhlu vzhledem
k ose merení
30
Usporádání úhlových merení pomocí laserového
interferometru
Ústav metrologie a zkušebnictví
Úhlový interferometr
Úhlový odražec
Smer pohybu
Montážní zarízení pro uchycení optiky
Laser
Tiskárna
Stativ
Vyhodnocovací softvare
Interface
31
Umístení optiky reálného úhlového merení
Ústav metrologie a zkušebnictví
32

• Konec V.bloku