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Comment fonctionnent les systèmes interférométriques ?

Comment fonctionne l'interférométrie ?

Introduction

Inventé par Albert Abraham Michelson en 1887, premier américain lauréat du prix Nobel de physique, l'interféromètre de Michelson est l'outil d'interférométrie le plus commun. Nous lui devons l'invention d'un système de miroirs et de miroirs semi-transparents (séparateurs de faisceau), permettant de fusionner des faisceaux lumineux séparés provenant de la même source. L'interférométrie laser est une méthode bien établie pour mesurer les distances avec grande précision.

Principes de base

Diagramme d'interféromètre de Michelson

À la base, l'interféromètre de Michelson sépare un faisceau unique provenant d'une source de lumière cohérente en deux faisceaux identiques. Chaque faisceau suit alors son propre chemin optique. Ils sont ensuite recombinés avant d'arriver à un détecteur. La distance différente parcourue par chaque faisceau crée une différence de phase entre eux. Cette différence de phase produite crée le schéma d'interférence entre les ondes identiques au départ et identifié par le détecteur. Si un faisceau unique est séparé sur deux chemins séparés (mesure et référence), la différence de phase indique l'occurrence d'un événement à l'origine d'une modification de la phase au cours de ce cheminement. Il peut s'agir d'une modification physique de la longueur du chemin lui-même ou d'un changement d'indice de réfraction au passage du faisceau.

Interférométrie de Michelson

Le faisceau laser (1) sort de la source laser ; il est séparé en deux faisceaux (référence (2) et mesure (3)) au départ de l'interféromètre. Ces faisceaux sont renvoyés par les deux rétroréflecteurs, se rejoignent à l'interféromètre avant d'arriver au détecteur.

Configuration du laser

Les rétroréflécteurs permettent de faire en sorte que les faisceaux provenant des bras de référence et de mesure soient parallèles, au moment où ils se rejoignent à l'interféromètre. Les faisceaux recombinés arrivent au détecteur où ils interfèrent entre eux, de manière constructive ou destructive. Pendant l'interférence constructive, les deux faisceaux sont en phase ; les crêtes des deux faisceaux se renforcent réciproquement produisant une frange lumineuse. Pendant l'interférence destructive en revanche, les faisceaux sont déphasés. Les crêtes d'un faisceau sont annulés par les creux de l'autre faisceau, produisant une frange sombre.

Traitement du signal

Le traitement du signal optique par le détecteur permet de constater l’interférence de ces deux faisceaux. Le déplacement du faisceau de mesure modifie la phase relative des deux faisceaux. Ce cycle d’interférences destructive et constructive soumet l’intensité de la lumière recombinée à une variation cyclique. Un cycle de variation d'intensité de l'état lumineux à l'état sombre se produit, à chaque fois que le faisceau de mesure/rétroréflecteur (3) se déplace d'une valeur correspondant à la moitié de la longueur d'onde du faisceau laser.

Précision du système

La précision des mesures de positions linéaires dépend du degré d'exactitude de la longueur d'onde du faisceau laser connue. La longueur d'onde opérationnelle du faisceau laser dépend de l'indice de réfraction de l'air traversé par le faisceau, sachant que la température de l'air, la pression atmosphérique et l'humidité relative ont une incidence sur cet indice. Par conséquent, la longueur d’onde du faisceau doit être modifiée (par compensation) pour incorporer les changements de ces paramètres, le cas échéant.

Systèmes RLE

Le système RLE est un système interférométrique laser homodyne perfectionné, conçu spécialement pour des applications de renvoi de position. Chaque système RLE se compose d'une unité laser RLU et d'une ou deux têtes de détection RLD10, dont le modèle dépend des critères de l'application spécifique.

Principal :

Codeur laser : RLU principal :
Unité laser RLU
Codeur laser : RLU principal
Tête de détection RLD
Codeurs laser : optiques principales
Optiques de mesure
RLE deux axes

Comment fonctionne le RLE ?

Source laserCouplage de fibreOptiques d'interféromètreOptiques de mesureSchéma de détectionSignaux de renvoi de données du codeur
Codeur laser : source laser
Laser à fréquence stabilisée Classe 2 HeNe
Codeur laser : couplage de fibre
Une ou deux sorties laser à fibre optique fournissant le rayon laser directement aux têtes de détecteur RLD
Codeur laser : optiques d'interféromètre
Interférence du rayon laser parcourant des chemins optiques différents
Codeur laser : optiques de mesure
Miroirs diélectriques hautement réfléchissants, revêtus d'oxyde dur
Codeur laser : schéma de détection
Pour la conversion des franges d'interférence en signal électronique
Codeur laser : signal d'erreur de codeur
Renvoi de position à quadrature standard numérique ou analogique

 

Comment fonctionne le RLU ?

Sortie laser du RLD au RLD  

Source laserComposants électroniques de stabilisationCouplage de fibreStabilité d'orientation du faisceau
Codeur laser : source laser
Laser à fréquence stabilisée Classe 2 HeNe
Codeur laser : composants électroniques de stabilisation
Servant au contrôle de la stabilité de fréquence laser, en modulant l'élément chauffant du tube laser
Codeur laser : couplage de fibre
Employant le système Renishaw inédit de transfert à fibre optique
Codeur laser : stabilité d'orientation du faisceau.
Déterminant pour garantir la stabilité à long terme de la position du faisceau sur les optiques de mesure

Traite le renvoi du signal au RLD 

Signaux d'erreur du codeurÉtat systèmeInterpolation numériqueSignaux analogiques de codeur
Codeur laser : signal d'erreur de codeur
Des lignes d'erreur actives, propres à chaque axe laser, peuvent être facilement intégrées au système de renvoi de la machine pour une utilisation en boucle fermée
Codeur laser : état système
Interface à LED située à l'avant du RLU, pour informer de manière intuitive de l'état opérationnel du système
Codeur laser : interpolation numérique
Quadrature numérique RS422 configurable par l'utilisateur et reconnue par l'industrie provenant directement du RLU, avec options de résolution jusqu'à 10 nm
Codeur laser : signaux analogiques oranges
Tête de détection analogique en temps réel, pouvant être intégrée directement au système de renvoi de position

Comment fonctionne le RLD ?

Sortie laser du RLD aux optiques de mesure

Optiques d'interféromètreOrienteur de faisceau
Codeur laser : optiques d'interféromètre

Schémas optiques uniques à erreur de subdivision réduite au minimum, compatibles avec les optiques de mesure à miroir plan ou rétroréflecteur

Codeur laser : orienteur de faisceau

Tête d'orientation intégrée, utilisée pour réduire au minimum le temps d'installation en simplifiant le réglage angulaire du faisceau

 

Entrée laser des optiques de mesure au RLD  

 Signaux analogiques de codeur Schéma de détection Optiques de mesure
Codeur laser : signaux analogiques verts

Quadrature analogique intrinsèque, produite par le schéma de détection et transférée directement au RLU

Codeur laser : schéma de détection

Le schéma de détection de frange intégré convertit en signal électronique les franges d'interférence des faisceaux de mesure et de référence

Codeur laser : optiques de mesure

Miroirs diélectriques hautement réfléchissants, revêtus d'oxyde dur

Systèmes HS20

HS20 sans couvercle

La tête laser HS20 Renishaw combinée à un kit optique linéaire, constitue un système de codage laser interférométrique sans contact, pour applications de renvoi de données de positions linéaires haute précision sur axes longs.

La tête laser HS20 peut être incorporée à la boucle de commande de position de n'importe quel système d'asservissement, pouvant être configuré pour accepter les signaux de codeur aux formats de quadrature numérique ou analogique. La tête laser peut être installée en remplacement direct d'un système de codeur linéaire, pour applications OEM et rétromontées.

Comment fonctionne le HS20 ? 

Source laserComposants électroniques de stabilisationOptiques de mesure

Signaux 
d'erreur et d'avertissement

Signaux 
de renvoi de position du codeur
HS20 : source laser

Laser stabilisé Classe 2 (<1 mW) HeNe

PCB RLE

 

Servant au contrôle de la stabilité de fréquence laser, en modulant l'élément chauffant du tube laser

HS20 : optiques de mesure

 

Solutions d'optiques longue portée pour les longueurs d'axe machine jusqu'à 60 m

HS20 : signaux d'erreur et d'avertissement

 

Des lignes d'erreur actives, propres à chaque axe laser, peuvent être facilement intégrées aux commandes de la machine pour une utilisation en boucle fermée

HS20 : signaux de renvoi du codeur

 

Quadrature standard numérique ou analogique aux normes industrielles, pour renvoi de position haute résolution

Systèmes de compensation

Les interféromètres laser sont souvent considérés comme étant automatiquement capables de s'acquitter de mesures d'une précision exceptionnelle. Toutefois dans la pratique, la situation est plus compliquée. Dans les scénarios de mesure de déplacements linéaires dans l'air avec un laser, l'efficacité du système de compensation de l'environnement est primordiale. Le laser et les optiques de mesure interférométrique s'acquittent de très hauts niveaux de résolution et de précision linéaires, mais pour les applications « in air », la précision de mesure des systèmes dépend surtout de l'unité de compensation de l'environnement.

Le déplacement s'exprime en termes de longueur d'onde spécifiée. Il va donc de soi que les mesures précises et répétables dépendent de la régularité de la longueur d'onde. En traversant l'air, la longueur d'onde du faisceau laser varie en fonction de l'indice de réfraction.

D'un autre côté, la mesure du codeur ne tient pas compte de la dilatation thermique de la pièce à usiner ou de la structure de la machine.
Afin de compenser la source d'erreur ci-dessus et de garantir le plus haut niveau de précision possible dans les applications « in air », un système de compensation s'impose.

Facteurs environnementaux ayant une incidence sur la précision

Facteurs d'indice de réfraction :

Icône température de l'air Icône humidité Icône pression

Température de l'air

 Humidité relative

 Pression atmosphérique

Dilatation thermique : 

Icône température matériau

Température matériau

 

Système de compensation RCU10

Le système de quadrature en temps réel RCU10 évite les sources d'erreur d'environnement de mouvements linéaires des systèmes à mouvement linéaire, d'où une amélioration des niveaux de précision et de répétabilité des processus.

Le RCU10 surveille l'environnement ambiant d'une machine grâce à plusieurs capteurs et se sert du traitement de signaux numériques sophistiqué pour exécuter la compensation en temps réel des signaux de renvoi de position. L'unité fournit les signaux de renvoi corrigés au contrôleur de mouvement, aux formats numérique ou analogique.

RCU10

Comment fonctionne le RCU10 ?

Le diagramme ci-dessous illustre le flux de travail du RCU10.Diagramme de flux de travail du RCU10

 

L'unité de compensation RCU10 accepte la quadrature numérique, ainsi que les données sur l'environnement recueillies par plusieurs capteurs, afin de calculer le degré de compensation nécessaire pour corriger la position de l'axe. La compensation déduite est ensuite appliquée par mise à l'échelle et injection de quadrature (ajout ou suppression d'impulsions de quadrature) au signal de renvoi du codeur. L'ensemble du processus s'exécute avec un minimum de latence au contrôleur de mouvement. Les signaux de renvoi corrigés sont fournis au contrôleur de mouvement, aux formats numérique ou analogique.