Laserová vlna jako přesné pravítko

Současná metrologie délky používá definici jednotky 1 metr, což je délka dráhy, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy. Tato definice se v národních metrologických ústavech realizuje normálovými lasery, které vyzařují koherentní záření s přesně určenou délkou vlny. Pakliže je toto světlo použito pro optické odměřování délky, získáváme laserový interferometr, který měří s přímou návazností na tuto definici. Principem optického měření je interference (skládání) dvou světelných vln. Jsou-li vlny ve fázi, vytvoří na výstupu interferometru pole světlé, pokud jsou v protifázi, vidíme pole tmavé. Jakmile posouváme měřicí zrcadlo jedné z těchto vln v prostoru neznámé měřené vzdálenosti, na výstupu se v rytmu posuvu střídavě objevují pole tmavá a světlá. Pouhým sečtením počtu světelných změn pak zjistíme, o kolik vlnových délek jsme se posunuli, jinými slovy kolik vlnových délek světelné vlny se „vejde“ do neznámé vzdálenosti. Když pak tento počet vynásobíme vlnovou délkou (u červeného laseru např. 633 nm), víme, kolik tato vzdálenost měří, a to již přímo v metrech.

Základním dílkem měření vzdálenosti interferometrem je tedy vlnová délka, což ovšem při velikosti 633 nm je rozlišení poměrně hrubé. Proto se u těchto optických přístrojů používá dělení dílku (interferenčního proužku) na zlomky, které mohou dosahovat řádu jednotek nanometrů. Tyto metody jsou v dnešní době dobře propracované a oddělení koherenční optiky Ústavu přístrojové techniky AV ČR se na výzkumu v této oblasti dlouhodobě podílí. Výzkumnému týmu ÚPT AV ČR se podařilo v minulých letech dokonce zavést originální metodu, která zajišťuje linearitu dělení interferenčního proužku a sahá až k desetině nanometru, tedy vzdálenosti srovnatelné s velikostí atomů.

Proč potřebujeme měřit tak přesně?

Světové trhy kladou čím dál vyšší požadavky na kvalitu, a tím i konkurenceschopnost nabízených výrobků. Jde-li o výrobky přesného strojírenství, jedním z měřítek kvality je jejich vysoká geometrická přesnost. Postupně se přesnost výroby zvyšuje a již nyní lze najít oblasti výroby, které díky nanotechnologiím dávají tvar produktům nanometrových velikostí. Protože vždy pro tuto výrobu nelze použít laserové interferometry (např. kvůli vysoké ceně či citlivosti na pracovní podmínky), jejich výrobci jsou nuceni používat elektronické snímače délky, především snímače indukčnostní, kapacitní a optoelektrická pravítka. Jedním z předpokladů jak zajistit vysokou přesnost měření délky elektronickými snímači je kalibrace jejich stupnic pomocí laserových interferometrů. Laserové interferometry, které pracují jako přesné normály pro kalibrace, se nazývají délkové komparátory, pro oblast nanoměření pak nanokomparátory.

Oddělení koherenční optiky ÚPT AV ČR, Český metrologický institut a firma Mesing, s. r. o., dokončují výzkumný projekt, jehož cílem je kompaktní laserový nanokomparátor pro přesné kalibrace délkových měřidel.

Unikátní metoda vyvinuta v rámci českého výzkumu Použité lineární vedení nanokomparátoru, na kterém je umístěno zrcadlo interferometru, vykazuje velmi malý odklon od měřicí osy snímače (typicky < 100 µrad). Časem však dochází k mechanickému opotřebení a chyba náklonu („pitch“ a „yaw“ error) se zvyšuje až několikanásobně. V takovém případě interferometr měří s chybou, a navíc s hysterezí. To vše snižuje reprodukovatelnost měření, a tedy i jistotu kalibrace. Pro rozsah snímače o délce např. 25 mm může způsobit zhoršující se vůle vedení chybu až několik desítek nanometrů. Abychom těmto nežádoucím vlivům zabránili, vyvinuli jsme metodu aktivní stabilizace náklonu zrcadla, která zhoršující se vůli lineárních vedení kompenzuje.

Metoda využívá zmíněné tři piezoelektrické měniče, jež upevňují zrcadlo na jezdec lineárního vedení. Měniče zrcadlo jemně posouvají v ose měření a zároveň ho mohou naklápět ve svislé či vodorovné ose. Aktivní stabilizace náklonu je řízena sledováním místa dopadu druhého průchodu měřicího svazku. Zrcadlo je polopropustné, tudíž fotodetektor P2, umístěný za zrcadlem, snímá polohu dopadu světelného svazku. Jakmile se zrcadlo nakloní vlivem vůle vedení, regulační algoritmus provede akční zásah a pomocí piezoměničů zajistí zpětný příklon zrcadla do správné polohy (přesně kolmé na osu měření). Regulační smyčka, která je realizována na bázi signálových procesorů, plně kompenzuje nežádoucí náklony zrcadla po celou dobu kalibrace snímače.

Když laserový svazek proběhne měřicí větví, je na výstupu interferometru detekována interference. To provádí detekční jednotka s kvadraturním výstupem, která zajišťuje velmi jemné dělení základního dílku (proužku) až na desetiny nanometrů.

Mechanická konstrukce nanokomparátoru

Základna laserového komparátoru je konstruována jako litinový rám, který spojuje referenční bod interferometru a kalibrovaného snímače v pevně definované poloze (obrázek 3). Samozřejmostí je i monitorování teplotních změn celého přístroje souborem teplotních čidel. Sledují se rovněž teplota, vlhkost a tlak vzduchu obklopujícího měřicí větev laserového interferometru. Je to z toho důvodu, že laserová měření na vzduchu jsou ovlivněna indexem lomu atmosféry, a proto je nezbytné přepočítat údaje z interferometru přes tuto hodnotu.

Průběh kalibrace je řízen počítačem PC, který je vybaven specializovaným softwarem pro zpracování výsledků kalibrace (obrázek 2) Umožňuje graficky zobrazit průběh kalibračního procesu, vynést kalibrační křivky a také vypočítat korekční parametry pro testované snímače.

Současnost a budoucnost nanokomparátoru

Nanokomparátor vznikl během necelých tří let za přispění soukromých prostředků především firmy Mesing a finanční podpory programu Tandem FT-TA3/133 z Ministerstva průmyslu a obchodu. Řešitelský tým za něj získal na 50. mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně Cenu redakce Technického týdeníku a Cenu časopisu Automatizace.

Nyní se velmi pečlivě vyhodnocuje kalibrační měřicí schopnost (celková nejistota) tohoto přístroje. Zároveň se v laboratořích ÚPT AV ČR testují kalibrace řady délkových snímačů. Kromě indukčnostních snímačů, které vyrábí firma Mesing, se testují i snímače firem ESSA ČR a Heidenhain SRN.

Řešitelský tým pracuje na zařazení nanokomparátoru do národní metrologické soustavy ČR, kdy tento systém bude k dispozici výrobcům elektronických snímačů délky. Firma Mesing zároveň má v úmyslu převést funkční vzorek nanokomparátoru do komerční podoby a nabízet jej pro metrologická střediska větších strojírenských firem a metrologických laboratoří v Evropské unii a Švýcarsku. Tento přístroj má tedy velký potenciál stát se nejen potřebným zařízením v národních podmínkách ČR, ale je i příkladem mezioborové spolupráce výzkumných institucí se sférou soukromých inovačních podniků.