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간섭계 시스템의 작동 원리

간섭계 작동 원리

소개

간섭계에서 가장 일반적인 도구인 마이켈슨(Michelson) 간섭계는 미국 최초 노벨과학상 수상자인 Albert Abraham Michelson이 1887년에 발명했습니다. 그는 같은 광원에서 나오는 분리된 여러 광선 빔을 병합하기 위해 미러와 반투명 미러(광분할기)로 구성된 시스템을 개발했습니다. 레이저 간섭계는 뛰어난 정확도로 거리를 측정할 수 있는 첨단 계기입니다.

기본 원리

마이켈슨 간섭계 도면

간섭성 광원은 일반적으로 마이켈슨 간섭계에 의해 두 개의 동일한 빔으로 분할됩니다. 두 개의 빔은 각각 다른 경로로 이동하다가 검출기에 도달하기 전에 다시 결합됩니다. 두 빔의 이동 거리 간 차이로 인해 빔 사이에 위상차가 발생합니다. 이렇게 나타난 위상차가 검출기에서 같은 것으로 측정되는 초기 동일한 파 사이에서 간섭 패턴을 생성하는 요인입니다. 하나의 빔이 두 경로(측정 및 기준)로 분할되는 경우, 발생하는 위상차는 두 경로를 따라 위상이 변동되는 모든 것으로 진단됩니다. 이러한 변동은 경로 길이 자체의 실제 변동이거나 빔 이동 중 굴절률 변동이 될 수 있습니다.

마이켈슨 간섭계

레이저 빔(1)이 레이저 소스로부터 나와, 간섭계에서 두 개의 빔(기준빔(2), 측정빔(3))으로 분할됩니다. 두 빔은 2개의 역반사경에서 다시 반사된 후 검출기에 도달하기 전에 간섭계에서 다시 결합됩니다.

레이저 셋업

역반사경을 사용함으로써 간섭계에서 두 빔이 서로 재결합될 때 기준 암과 측정 암에서 나오는 빔들이 평행을 이루게 됩니다. 재결합된 빔이 검출기에 도달한 후 빔 사이에서 보강적 또는 상쇄적 간섭 작용이 일어납니다. 보강 간섭 중에는 두 빔이 같은 위상에 있고 빔들의 최고치가 서로를 보강하여 밝은 프린지를 생성하는 반면, 상쇄 간섭 중에는 두 빔이 다른 위상에 있고 첫째 빔의 최고치가 둘째 빔의 최저치에 의해 상쇄되어 어두운 프린지를 생성합니다.

신호 처리

검출기에서 광 신호 처리를 통해 두 빔의 간섭을 관측할 수 있습니다. 측정 빔의 변위로 인해 두 빔의 상대적인 위상이 바뀌게 됩니다. 이러한 상쇄 간섭과 보강 간섭 사이클에 따라 재결합된 빔의 세기가 주기적으로 변합니다. 밝은 빛에서 어두운 빛으로 세기 변동의 1회 사이클은 측정 빔/역반사기(3)가 레이저 파장의 1/2씩 이동될 때마다 발생합니다.

시스템 정확도

선형 위치 측정의 정확도는 레이저 빔의 파장은 확인되는 정확도에 따라 결정됩니다. 레이저 빔의 작동 파장은 빔 경로에 있는 공기의 굴절률에 따라 달라지며, 공기의 굴절률은 기온, 기압, 상대 습도에 따라 변합니다. 따라서 이러한 매개변수 변동을 반영하기 위해 빔의 파장을 변경(보상)해야 합니다.

RLE 시스템

RLE 시스템은 특별히 위치 피드백 분야용으로 설계된 독창적인 첨단 호모다인(homodyne) 레이저 간섭계입니다. 각 RLE 시스템은 RLU 레이저 장치 한 대와 RLD10 검출기 헤드 1 - 2개로 구성되며, 특정 분야의 요건에 따라 모델이 결정됩니다.

주요 기능:

레이저 엔코더: 핵심 RLU
RLU 레이저 장치
레이저 엔코더: 핵심 RLU
RLD 검출기 헤드
레이저 엔코더: 핵심 옵틱
측정 옵틱
이중 축 RLE

RLE의 작동 원리

레이저 소스광섬유 커플링간섭계 옵틱측정 옵틱검출 방식엔코더 피드백 신호
레이저 엔코더: 레이저 소스
주파수 안정화 등급 2 HeNe 레이저
레이저 엔코더: 광섬유 커플링
RLD 검출기 헤드로 레이저 광선을 직사하는 한 개 또는 두 개의 광섬유 레이저 출력
레이저 엔코더: 간섭계 옵틱
서로 다른 광 경로를 이동하는 레이저 광의 간섭
레이저 엔코더: 측정 옵틱
높은 반사율의 고강도 산화물 피복 유전체 미러
레이저 엔코더: 검출기 방식
간섭 프린지를 전자 신호로 변환
레이저 엔코더:엔코더 오류 신호
표준 디지털 또는 아날로그 직각 위치 피드백

RLU의 작동 원리

RLU로부터 RLD로 레이저 출력

레이저 소스안정화 전자기기광섬유 커플링빔 조향 안정성
레이저 엔코더: 레이저 소스
주파수 안정화 등급 2 HeNe 레이저
레이저 엔코더: 안정화 전자기기
레이저 튜브 헤더 조립체를 변조하여 레이저 주파수 안정성을 제어하는 데 사용함
레이저 엔코더: 광섬유 커플링
독보적인 광섬유 전달 시스템 활용
레이저 엔코더: 빔 조향 안정성
장시간 측정 옵틱에서 안정된 빔 위치를 유지하는 데 있어 핵심

RLD로 돌아오는 신호 처리

엔코더 오류 신호시스템 상태디지털 보간아날로그 엔코더 신호
레이저 엔코더:엔코더 오류 신호
각 레이저 축에 개별적인 활성 오류 라인들을 기계 피드백 시스템에 쉽게 통합하여 폐쇄 루프 작동을 지원할 수 있습니다.
레이저 엔코더:시스템 상태
RLU 전면에서 작동 상태를 알기 쉽게 표시해주는 LED 인터페이스
레이저 엔코더:디지털 보간
사용자 구성이 가능하며, 10 nm 미만의 분해능 옵션으로 RLU로부터 직사되는 업계 공인 RS422 디지털 직각 위상
레이저 엔코더: 아날로그 신호 주황색
위치 피드백 시스템에 직접 내장될 수 있는 실시간 아날로그 검출기 헤드

RLD의 작동 원리

RLD로부터 측정 옵틱으로 레이저 출력

간섭계 옵틱빔 유도기
레이저 엔코더: 간섭계 옵틱

다른 평면 미러 또는 반사경 측정 옵틱과 호환되며 SDE를 최소화한 독창적인 광학 방식

레이저 엔코더: 빔 유도기

간소화된 방식의 빔 각도 조정을 통해 설치 시간을 최대한 단축하기 위해 사용되는 내장 옵틱 웨지

측정 옵틱에서 RLD로 레이저 입력

아날로그 엔코더 신호검출 방식측정 옵틱
레이저 엔코더: 아날로그 신호 녹색

검출 방식을 통해 생성되고 RLU로 직접 전달되는 고유한 아날로그 직각 위상

레이저 엔코더: 검출기 방식

내장 프린지 검출 방식에 따라 측정 및 기준에서 전자 신호로 간섭 프린지가 변환됩니다.

레이저 엔코더: 측정 옵틱

높은 반사율의 고강도 산화물 피복 유전체 미러

HS20 시스템

덮개를 벗긴 HS20

Renishaw HS20 레이저 헤드는 외장 리니어 옵틱 키트와 결합되어 장축, 고정밀, 리니어 위치 피드백 분야용 비접촉식 간섭계 기반 엔코더 시스템을 구성합니다.

디지털 또는 아날로그 직각 위상 형식 엔코더 신호를 허용하도록 구성할 수 있는 모든 모션 제어 시스템의 위치 제어 루프에 HS20 레이저 헤드를 통합할 수 있습니다. 레이저 헤드는 OEM과 개장 분야 모두에서 리니어 엔코더 시스템의 대체품으로 장착할 수 있습니다.

HS20의 작동 원리

레이저 소스안정화 전자기기측정 옵틱

오류 & 경고
신호

엔코더 피드백
신호
HS20: 레이저 소스

안정화 등급 2(<1 mW) HeNe 레이저

RLE PCB

레이저 튜브 헤더 조립체를 변조하여 레이저 주파수 안정성을 제어하는 데 사용함

HS20: 측정 옵틱

최장 60 m 길이 기계 축에 대한 장거리 옵틱 솔루션

HS20: 오류 및 경고 신호

각 레이저 축에 개별적인 활성 오류 라인들을 기계 제어기에 쉽게 통합하여 폐쇄 루프 작동을 지원할 수 있습니다.

HS20: 엔코더 피드백 신호

고분해능 위치 피드백을 제공하는 업계 표준 디지털 또는 아날로그 직각 위상

보정 시스템

레이저 간섭계가 자동으로 최상의 측정 정확도를 제공하는 것으로 간주되곤 합니다. 하지만 실제 상황은 훨씬 복잡합니다. 레이저로 대기 중 선형 변위를 측정할 때, 환경 보정 시스템의 성능이 특히 중요합니다. 레이저 및 간섭계 측정 옵틱은 매우 높은 수준의 선형 분해능과 정밀도를 지원하지만 '대기 중' 측정 분야에서 1차적으로 시스템의 측정 정확도를 결정하는 것은 환경 인자 보정 장치입니다.

변위는 지정된 파장으로 표시됩니다. 따라서 정확성과 반복정도는 파장의 불변성에 좌우됩니다. 레이저 빔이 공기를 통과해 이동할 때, 굴절률에 따라 파장이 달라집니다.

반면에 엔코더의 측정값에는 온도 변동으로 인한 공작물 또는 기계 구조물의 팽창이 고려되지 않습니다.
이러한 오류 유발원을 보정하여 '대기 중' 측정 분야에서 최고 정확도를 유지하기 위해 보정 시스템이 필요합니다.

정확도에 영향을 미치는 환경 인자

굴절률 인자:

기온 아이콘습도 아이콘압력 아이콘

기온

상대 습도

기압

열팽창:

물질 온도 아이콘

소재 온도

RCU10 보정 시스템

RCU10 실시간 직각 위상 보정 시스템은 리니어 모션 시스템에서 환경 요인으로 오류를 극복하여 프로세스의 정확도와 반복정도를 향상시킵니다.

RCU10은 일련의 센서들을 통해 주위 환경을 모니터링하고, 첨단 디지털 신호 처리를 통해 위치 피드백 신호에 대한 실시간 보정을 수행합니다. 이 장치를 보정된 피드백 신호를 아날로그 또는 디지털 엔코더 형식으로 모션 컨트롤러에 전달합니다.

RCU10

RCU10 작동 원리

아래 그림은 RCU10의 작업 흐름을 보여줍니다.RCU10 작업 흐름도

RCU10 보정 장치는 일련의 센서에 의해 수집된 환경 데이터와 함께 디지털 직각 위상을 수신하여 축 위치를 보정하는 데 필요한 총 보정량을 계산합니다. 그런 다음, 직각 위상 스케일링 및 주사(직교 펄스 추가 또는 제거)를 통해 엔코더 피드백 신호에 필요한 보정을 적용하면 모션 컨트롤러에 최소 대기 시간으로 전체 프로세스가 완료됩니다. 보정된 피드백 신호는 디지털 또는 아날로그 엔코더 형식으로 모션 컨트롤러에 전달됩니다.