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]
1
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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Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5:
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
3
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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
s1m
• 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
5
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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]
[1.2m/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 13 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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