La moderna interferometria per misure industriali: stato dell'arte S. Donati, G. Giuliani

1. 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

2. 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

3. 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

4. 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

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

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

7. Corner-cube di riferimento Corner-cube fissato al bersaglio mobile Fotorivelatori InterferometriaPrincipio - 2 • Interferometro a doppio fascio (per rimuovere l’ambiguità della funzione interferometrica “coseno”) 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

8. Misura di spostamentoPrestazioni • 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

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

10. [200ms/div] [1.2mm/div] spostamento del bersaglio s Target displacement Segnale di modulazione indotta DIODO LASER [20mV/div] BERSAGLIO MONITOR PD LENTE Down Derivata Contatore Up-Down Discrimin. Polarità Ampli transimp. Up Display Interferometria a retroiniezioneMisura 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] Segnale di modulazione indotta Derivata 100 ms/div Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

11. Interferometria a retroiniezioneMisura 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 UNITA’ ELETTRONICA TESTA OTTICA Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

12. SEGNALE DI INTERFERENZA FLUSSO PARTICELLE FASCI LASER T FRANGE DI INTERFERENZA TEMPO OTTICHE DI SEPARAZIONE E RICOMBINAZIONE FASCI LASER SUPERFICIE IN MOVIMENTO RIVELATORE Interferometria convenzionaleMisura 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) Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

13. DIODO LASER DIODO LASER TAMBURO ROTANTE DISCO ROTANTE Interferometria a retroiniezioneMisura 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 Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

14. MODULAZIONE DI CORRENTE s BERSAGLIO DIFFONDENTE DIODO LASER Interferometria a retroiniezioneMisura 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 Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

15. SCHEMA: INTERF. di MICHELSON SEZIONE DI RIVELAZIONE ESPANSORE DI FASCIO BERSAGLIO VIBRANTE POSSIBILITA’ DI SCANSIONE 2D LASER He-Ne Interferometria convenzionaleMisura 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) Fiera della Microelettronica, Vicenza 2002 - Sessione 5: Tecniche Ottiche ed Optoelettroniche per Misure Industriali

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

17. 10 um 1 um MOTORE A 2100 RPM 100 nm UNITA’ ELETTRONICA TESTA OTTICA RMS Displacement 10 nm 1 nm 100 pm 0 40 80 120 160 200 Frequency [Hz] Interferometria a retroiniezioneMisura di vibrazioni - 2 • 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

18. 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

19. 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