Interferometrul Absolut

Calitate & Control

de Catalin Apostol

Interferometrul Absolut

Într-un mediu ideal, un Laser Tracker ar putea să îmbine capacitatea de a restabili, instantaneu, un fascicul laser întrerupt şi de a reîncepe, imediat, măsurarea unei ţinte aflate în mişcare. În acelaşi timp, ar trebui să măsoare distanţele absolute cu cea mai ridicată precizie, timpul necesar pentru determinarea poziţiei ţintei fiind aproape zero.

Până în prezent, nicio unitate separată nu are capacitatea de a realiza acest lucru, aşadar, ca rezultat, producătorii au fost nevoiţi să utilizeze ambele sisteme, de interferometrie cu laser (IFM) şi Absolute Distance Meter (ADM) separat.

Fiecare tehnologie prezintă propriile puncte forte şi slabe. Un sistem de măsurare IFM poate determina distanţele relative (de exemplu, schimbarea distanţei de la un punct la altul) cu o precizie la nivel nanometric. Un fascicul laser este proiectat de la sistem către un reflector, fiind monitorizate atât fasciculele care pleacă, cât şi cele care se întorc la sistem. În timp ce reflectorul este deplasat, fasciculul reflectat este defazat, lungimile de undă ale celor două suprapunându-se, creând o undă de superpoziţie (figura 1).

Figura 1 - Unda de superpoziție

 

Fiecare vârf al acestei unde de superpoziţie rezultat, corespunde unei modificări a distanţei de 1/2 din lungimea de undă, sau, în cazul AIFM, de 0,32 micrometri. Dacă se cunosc direcţia de deplasare şi numărul de vârfuri ale undei de superpoziţie, se poate înmulţi acest rezultat cu 1/2 din lungimea de undă a interferometrului, calculându-se exact modificarea distanţei. Acest procedeu este extrem de precis şi cvasiinstantaneu.

Rata de actualizare a rezultatelor depinde doar de viteza cu care poate fi deplasat reflectorul. Datorită acestei caracteristici, interferometrele cu laser sunt ideale pentru măsurări dinamice, pentru că, oricât de repede ar accelera ţinta, modificarea locaţiei este cunoscută, aproape instantaneu, la nivel sub-micronic. Aceste sisteme reprezintă un μ standard în industrie de peste 30 de ani şi rămân cele mai precise pentru măsurarea distanţelor mari. Cu toate acestea, ele sunt capabile să măsoare doar modificări ale distanţelor sau mişcări relative. Un IFM nu poate să determine o poziţie absolută 3D fără a avea un punct de origine cunoscut. Pe de altă parte, un ADM măsoară distanţe absolute (de exemplu distanţa până la un punct cunoscut într-un sistem de coordinate 3D) cu o precizie foarte ridicată, dar nici cel mai rapid sistem ADM nu va fi capabil să atingă viteza unui IFM pentru măsurări dinamice.

Toate sistemele ADM sunt afectate de timpul de integrare, timp necesar pentru efectuarea operaţiilor prin care se determină poziţia ţintei. Acest lucru este similar cu timpul de expunere al unui aparat de fotografiat. Cu cât este mai lung timpul de expunere, cu atât este mai dificilă captarea unei imagini clare a unui obiect aflat în mişcare. Acelaşi fenomen se întâmplă şi în cazul timpului de integrare, cu cât este mai lung, cu atât este mai probabil să introducă o eroare de măsurare a unui obiect aflat în mişcare. Din aceste motive AIFM sau Interferometrul Absolut este revoluţionar.

Poate măsura distanţele absolute ale unei ţinte în mişcare, fără a pierde din precizia de măsurare, pierdere datorată instabilităţii ţintei în timpul de integrare.

Îmbunătăţirea preciziei

Cei trei parametri cheie care influenţează precizia acestui ansamblu, afectează, de asemenea şi acurateţea

măsurărilor distanţelor scurte. Aceştia sunt:

  • frecvenţa de modulaţie;
  • lăţimea de bandă a frecvenţei;
  • sintetizatorul.

 

Instrumentele clasice operau la o frecvenţă maximă de 510 MHz, cu o lăţime de bandă cu frecvenţa de 20 MHz. Cu cât este mai mică frecvenţa lăţimii de bandă, cu atât domeniul minim de măsurare este mai mare, în acest caz, instrumentele clasice fiind limitate la o distanţă minimă de măsurare de aproximativ 20 de metri. Crescând frecvenţa lăţimii de bandă la 150 MHz, frecvenţa maximă de modulaţie ajunge la 900 MHz, obţinându-se, astfel, o nouă tehnologie ADM. Creşterea acestor parametri poate fi percepută ca având o scară gradată cu mai multe diviziuni, cu ajutorul căreia se realizează măsurări. Cu cât este mai mare frecvenţa de modulaţie şi mai mică rezoluţia sintetizatorului, cu atât va fi mai exact rezultatul măsurărilor. Noile sisteme AIFM au crescut şi mai mult frecvenţa maximă de modulaţie la 2,4 GHz, cu o frecvenţă a lăţimii de bandă de 300 MHz. Această creştere a frecvenţei, împreună cu un sintetizator de mare viteză, oferă sistemelor AIFM o precizie de 5 μm în întregul domeniu de măsurare.

Prin modularea stării de polarizare a luminii laser pentru determinarea distanţei, orice modificare a stării de polarizare a fascicului neinterpretată, poate crea o sursă de eroare. Aceste erori de polarizare sunt, de regulă, foarte mici, dar, pentru a beneficia de noua precizie îmbunătăţită, acestea trebuie eliminate. S-a constatat că, prin utilizarea unei surse de lumină de bandă largă, în care lumina este emisă pe un domeniu vast de lungimi de undă, aceste erori pot fi reduse în mod semnificativ. Prin schimbarea unei diode laser (sursă de lumină monocromatică) din sistemul ADM, cu o diodă emiţătoare de lumină superluminescentă (SLED), aceste sensibilităţi dispar la polarizare. Astfel, se poate atinge precizia de 5 μm menţionată anterior, în întregul domeniu de măsurare, fără limitări.

Îmbunătăţiri în funcţionalitate

Există trei parametri principali impuşi de un astfel de sistem pentru a putea calcula o distanţă:

  • lungimea de undă a sursei laser;
  • viteza luminii (inclusiv indicele de refracţie al aerului);
  • frecvenţa de modulaţie a luminii polarizate.

 

Această frecvenţă de modulaţie este de o importanţă deosebită pentru ADM, dar, pentru a o putea măsura cu acurateţe, trebuie analizată forma reflectată a undei, deter­minându-se, astfel, punctul de minim. Această măsurare a undei este similară unei măsurări a oscilaţiei faţă de punctul minim al undei, calculându-se o valoare medie (figura 2).

Figura 2

 

Până de curând, reflectorul trebuia să rămână fix în timpul acestei măsurări a oscilaţiei. Dacă acesta se deplasa, forma undei îşi modifica poziţia, aşadar, punctul de minim se schimba. Dar, chiar dacă reflectorul se află în mişcare, forma undei nu se modifică, ci doar se mută în raport cu distanţa relativă cu care se deplasează reflectorul. Asta înseamnă că reflectorul nu trebuie să rămână, neapărat, într-o singură poziţie, atât timp cât îi este cunoscută deplasarea relativă.

Aici este necesar ca cele două tehnologii ADM (Absolute Distance Meter) şi IFM (Interferometrul cu laser) să fie inte­grate într-un singur sistem numit AIFM (Interferometrul Absolut). Atunci când reflectorul este în incidenţa razei laser, IFM începe urmărirea mişcării relative. Chiar dacă reflectorul este deplasat cu viteza maximă şi cu acceleraţia permisă de sistem, IFM va furniza informaţii submicronice ale poziţiei către ADM în timpul de integrare. Modulul ADM măsoară forma undei, aşa cum este descris anterior, dar foloseşte informaţiile furnizate de IFM, compensând pentru deplasarea formei de undă. Îndată ce punctul de minim este calculat, distanţa absolută este comunicată înapoi modulului IFM, schimbându-l dintr-un interferometru relativ într-un interferometru cu o referinţă absolută, sau aşa cum este denumit, ,,Interferometru Absolut”.

Viteză şi precizie

Interferometrul Absolut Leica se diferenţiază de cele­lalte sisteme de măsurare cu laser, oferind o precizie ridicată a măsurărilor. O măsurare este finalizată în 0,2 secunde, fără a pierde din acurateţe ca urmare a deplasării reflectorului în timpul procesului. Dacă un sistem ADM este capabil să înregistreze 10,000 de măsurări pe secundă, atunci acesta are un timp de integrare de 100 de microsecunde. Dacă reflectorul este deplasat în acest timp şi sistemul nu are o modalitate de a monitoriza mişcarea (ca în cazul AIFM), atunci orice deplasare în timpul de integrare creează o eroare care se reflectă în incertitudinea de măsurare. De exemplu, considerăm un reflector care se deplasează cu 1/2 m/s în timpul de integrare. Dacă este utilizat un ADM cu timpul de integrare de 100 de microsecunde pentru a măsura deplasarea, atunci vom avea: 500 mm/s ∙ 0,0001 s/măsurare = 0,05 mm/măsurare.

Incertitudinea de măsurare poate fi compusă din incer­titudinea sistemului ADM (10 μm) plus incertitudinea datorată deplasării (50 μm), rezultând o incertitudine totală de măsurare de până la 60 μm. Dacă, în cadrul aceluiaşi exemplu, este utilizat un sistem AIFM, deplasarea relativă a reflectorului este cunoscută în timpul secvenţei de măsurare şi, chiar dacă măsurarea propriu-zisă durează mai mult, rezultatele au o incertitudine de aproximativ 5 μm. Un alt avantaj este faptul ca AIFM nu foloseşte doar o singură măsurare într-un interval de timp.

Din moment ce are, întotdeauna, interferometrul (IFM) ca referinţă, eşantioane suplimentare sunt folosite pentru a creşte acurateţea măsurării. Acest lucru nu permite furniza­rea unei măsurări eronate modulului IFM, ceea ce ar rezulta în alterarea tuturor măsurărilor ulterioare.

Concluzii

Tehnologia AIFM îmbină cele mai bune caracteristici ale ambelor sisteme ADM şi IFM, oferind o soluţie de vârf unei probleme binecunoscute. Tehnologiile de bază ADM şi IFM sunt folosite de mai mult de un deceniu în componenţa dispozi­tivelor Laser Tracker, fiind îmbunătăţite continuu şi în final îmbinate, pentru a crea ,,Interferometrul Absolut” sau AIFM, reprezentând cel mai precis şi mai stabil dispozi­tiv de măsurare dinamică, dezvoltat şi oferit de Leica Geosystems.


Cătălin Apostol este inginer, MICRO-TOP Consulting Engineering & Service