La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arte S. Donati, G. Giuliani Laboratorio di Elettroottica - Dipartimento di Elettronica - Università di Pavia e-mail: donati@ele.unipv.it, giuliani@ele.unipv.it Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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. Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Applicazioni delle tecniche interferometriche Interferometria laser Impieghi tecnici Impieghi scientifici s  1-100 km telemetria spaziale di satelliti geodetici s  100 m rilievo di meree terrestri vibrometria per grandi strutture edili s  1 m metrologia di lunghezza (e grandezze derivate) gravimetri geodetici s  0.1 m captazione motilità biologiche e flusso sanguigno Avionici giroscopi RLG e FOG Industriali interferometri per metrologia meccanica velocimetri Doppler ESPI (speckle-pattern) analisi di vibrazioni sensori a fibra ottica Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Mercato mondiale Anno di riferimento: 1997 Fonti: OIDA, Laser Focus Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 <  LASER BERSAGLIO SPECCHIO DIVISORE DI FASCIO FOTORIVELATORE FASCIO Interferometro a configurazione Mach-Zehnder CAMMINO DI RIFERIMENTO MISURA Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Interferometria Principio - 2 Interferometro a doppio fascio (per rimuovere l’ambiguità della funzione interferometrica “coseno”) Corner-cube di riferimento Fotorivelatori Corner-cube fissato al bersaglio mobile I1 = I0·[1 + cos(2ks)] I2 = I0·[1 + sin(2ks)] k = 2/ = numero d’onda s = spostamento del bersaglio Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 DIODO LASER CAMMINO DI MISURA FOTODIODO DI MONITOR BERSAGLIO  = 9 mm Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 Schema per la misura di spostamenti con risoluzione /2 = 400 nm [3] DIODO LASER MONITOR PD s LENTE BERSAGLIO Target displacement [20mV/div] [1.2mm/div] Segnale di modulazione indotta [200ms/div] spostamento del bersaglio Segnale di modulazione indotta Ampli transimp. Up Derivata Discrimin. Polarità Contatore Up-Down Display Down Derivata 100 ms/div Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Interferometria convenzionale Misura di velocità Bersaglio riflettente: mis. spostam. + derivata (d/dt) Sistemi di particelle sospese in fluidi: Laser Doppler Velocimetry - LDV (anemometria) Velocità trasversale di superfici rugose (cartiere, estrusioni) SEGNALE DI INTERFERENZA TEMPO T FLUSSO PARTICELLE FASCI LASER FRANGE DI INTERFERENZA LASER OTTICHE DI SEPARAZIONE E RICOMBINAZIONE FASCI RIVELATORE SUPERFICIE IN MOVIMENTO Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Interferometria a retroiniezione Misura di velocità Non richiede la separazione e la ricombinazione del fascio od un rivelatore separato: allestimento più compatto 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 DIODO LASER TAMBURO ROTANTE DISCO ROTANTE Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 . Accuratezza: < 1 mm su distanze 13 m (10 m possibile) Tecniche alternative: Telemetria, Triangolazione BERSAGLIO DIFFONDENTE s MODULAZIONE DI CORRENTE DIODO LASER Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 Applicazioni: analisi modale, automotive, altoparlanti, PZT, strutture edili, NDT Svantaggi: costo elevato (1D: 20 kEuro; 2D: 200 kEuro) SCHEMA: INTERF. di MICHELSON LASER He-Ne ESPANSORE DI FASCIO BERSAGLIO VIBRANTE SEZIONE DI RIVELAZIONE POSSIBILITA’ DI SCANSIONE 2D Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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 SEGNALE MOD. IND.  = 2ks t l/2 PRINCIPIO: AGGANCIO A META’ FRANGIA DIODO LASER - A FILTRO LP CIRC. DI RETROAZIONE CONV. V  I AMP. TRANS-Z FD MONITOR SPOSTAMENTO DEL BERSAGLIO SEGNALE OUT L1 L2 BERSAGLIO DIFFONDENTE TESTA OTTICA DIODO LASER Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

Interferometria a retroiniezione Misura di vibrazioni - 2 TESTA OTTICA UNITA’ ELETTRONICA 40 80 120 160 200 100 pm 1 nm 10 nm 100 nm 1 um 10 um Frequency [Hz] RMS Displacement MOTORE A 2100 RPM Sensibilità: 100 pm/Hz Max. vibrazione: 600 m p-p Banda: 70 kHz Dinamica > 100 dB Funzionamento su tutte le superfici rugose Vantaggi: misura combinata vibrazione/ distanza/spostamento; basso costo (fattore 2-4 risp. LDV)  sensore di linea industriale Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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. Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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. 800-806, 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 Feedback-Interferometric Measurements on MEMS”, IEEE J. Microelectromech. Syst., v. 10, pp. 327-335, 2001. Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali