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Explicación de la interferometría

La interferometría láser es un método muy reconocido de medición de distancias con la máxima precisión.

Principios básicos

La 'interferometría' es un método de medición que aplica el fenómeno de interferencia de las ondas (generalmente, ondas de luz, radio o sonido). Las mediciones pueden incluir otras determinadas características de las propias ondas y los materiales por los que se propagan. Además, la interferometría se utiliza para describir las técnicas que utilizan ondas de la luz para estudiar los cambios de desplazamiento. La interferometría de medición de desplazamiento se utiliza ampliamente en la calibración y el control de movimiento en la fase mecánica del mecanizado de precisión.

Mediante dos rayos de luz (normalmente, un rayo desdoblado en dos), se forma un patrón de interferencia donde se superponen los dos rayos. Puesto que la longitud de onda del rayo visible es muy corta, pueden detectarse pequeños cambios en las diferencias de las trayectorias ópticas (distancia recorrida) entre los dos rayos (ya que las diferencias producen cambios notables en el patrón de interferencia). Por consiguiente, la interferometría óptica ha sido una técnica de medición muy valiosa desde hace más de cien años. Su precisión se ha mejorado con la aparición del láser.

En 1887, Albert A. Michelson desarrolló el primer interferómetro y demostró el uso del principio de la interferencia de la luz como herramienta de medición. Aunque la tecnología (y la precisión de medición) ha avanzado mucho con el paso de los años, el principio básico del interferómetro de Michelson aún subyace en el núcleo de la interferometría.

Un interferómetro de Michelson se compone de un desdoblador del haz (espejo mitad plateado) y dos espejos. Cuando la luz atraviesa el espejo mitad plateado/desdoblador del haz (que refleja parcialmente) se divide en dos rayos con distintas trayectorias ópticas (una hacia el espejo 1 y otra hacia el espejo 2). Los rayos de vuelta se reflejan en los espejos y se vuelven a combinar en el desdoblador del haz antes de llegar al detector. La diferencia de trayectoria de los dos rayos genera una diferencia de fase que forma un patrón de borde de interferencia. Seguidamente, se analiza el patrón en el detector para evaluar las características de la onda, las propiedades del material o el desplazamiento de uno de los espejos (dependiendo de la medición para la que se utiliza el interferómetro).

Diagrama del interferómetro de Michelson

Interferometría aplicada

Para generar un patrón de interferencia con alta precisión (bordes distintos), es muy importante disponer de una fuente de longitud de onda muy estable, y esto se consigue en el láser XL-80 laser.

Existen varias configuraciones diferentes basadas en el principio de Michelson, no obstante, la configuración lineal es el tipo más fácil de explicar.

En el sistema láser XL-80, los dos espejos (utilizados en el interferómetro de Michelson) son retrorreflectores (prismas que reflejan la luz incidente de vuelta en sentido paralelo a la dirección de llegada). Uno de ellos se sujeta al desdoblador del haz para formar el brazo de referencia. El otro retrorreflector forma el brazo de medición de longitud variable, ya que su distancia varía respecto al desdoblador del haz.

El haz láser (1) sale del cabezal láser XL-80 y se divide en dos rayos (que se reflejan [2] y transmiten [3]) en el desdoblador del haz polarizador. Los haces se reflejan de vuelta desde los dos retrorreflectores y se vuelven a combinar en el desdoblador del haz antes de llegar al detector. El uso de retrorreflectores asegura que los rayos que vuelven desde los brazos de referencia y medición son paralelos cuando se combinan en el desdoblador del haz. Los haces combinados llegan al detector, donde interfieren entre ellos, de forma constructiva o destructiva. Durante la interferencia constructiva, los dos haces están en fase y los picos de ambos se refuerzan entre sí y producen una franja brillante, mientras que, durante la interferencia destructiva, los haces están desfasados y los picos de uno son anulados por el paso del segundo, lo que genera una franja oscura.

Reglaje del láser

El procesamiento de señales óptico del detector, permite observar la interferencia de los dos haces. El desplazamiento del brazo de medición, provoca el cambio en la fase relativa de los dos haces. Este ciclo de interferencia destructiva y constructiva hace que la intensidad de la luz de los haces combinados sufra una variación cíclica. Cada vez que se mueve el brazo de medición/retrorreflector 316,5 nm, se genera un ciclo de variación de intensidad de oscuro a iluminado, que equivale a la mitad de la longitud de onda del láser (ya que este movimiento genera una trayectoria óptica de cambio de 633 nm, que es la longitud de onda del láser). Por tanto, para calcular el movimiento, se mide el número de ciclos mediante la siguiente fórmula:

fórmula

Donde d es el desplazamiento (en micras), λ es la longitud de onda del láser (0,633 micras) y N es el número de bordes pasados. La resolución más alta de 1 nm se alcanza mediante la interpolación de fases entre estos ciclos.

Independientemente de la calidad de la unidad láser (es decir, su precisión y estabilidad) la exactitud de las mediciones de posición lineal depende de la precisión con la que se detecta la longitud de onda del haz. La longitud operativa del haz láser depende del índice de refracción del aire que atraviesa, y esta se altera con la temperatura, la presión y la humedad relativa del aire. Por tanto, es necesario alterar (compensar) la longitud de onda del haz para incorporar los cambios en estos parámetros.

Compensación ambiental

Sin una compensación fiable y precisa de la longitud de onda, serían frecuentes los errores de lectura de medición lineal entre 20 y 30 ppm al combinar las variaciones temperatura, humedad y presión de los valores nominales (incluso si las condiciones del ensayo permanecen estables). Es posible reducir estos errores utilizando una unidad de compensación ambiental (XC-80), que garantiza la precisión de las mediciones en el sistema XL-80 en condiciones muy variadas. El siguiente gráfico, a la derecha, muestra un ejemplo del error en un sistema de interferometría sin compensar y el origen de los errores.

 Impacto de la compensación XC-80

El compensador XC-80 mide la temperatura, presión y humedad del aire y luego calcula el índice de refracción de este (y, por ende, la longitud de onda del láser). Luego, la lectura del láser se ajusta automáticamente para compensar cualquier variación que se produzca en la longitud de onda del láser. La ventaja de un sistema automático es que no interviene el usuario y que la compensación se actualiza frecuentemente.

Nota: Con el sistema láser de Renishaw NO se necesita compensación ambiental para mediciones angulares o de rectilinealidad. Esto se debe a que las compensaciones se calculan comparando las diferencias entre dos haces colocados a muy corta distancia, donde los factores ambientales no causan desviaciones. Al igual que en los ejes rotatorios, las mediciones de cuadratura y planitud se basan también en estas mediciones, que tampoco requieren compensación ambiental.

Interferometría remota

Algunos sistemas llevan instalado el interferómetro y el desdoblador del haz en el cabezal láser. La expansión térmica del cabezal modifica la longitud de la trayectoria, por tanto, se necesita un tiempo de precalentamiento antes de iniciar una medición de precisión. Renishaw ha solucionado este problema utilizando un desdoblador del haz remoto.

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