Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
Interferometriska mätningar är grundläggande inom dimensionell mätningsteknik, särskilt när det gäller att fastställa små förändringar i position eller storlek med extrem precision. För att förstå och tillämpa interferometriska system, är det avgörande att beakta både de fysiska principerna och de tekniska aspekterna av olika interferometriska system, såsom homodyna och heterodyna laserinterferometrar. I denna sammanhang ska vi undersöka effekten av Doppler-skift på interferenssignalens faser och hur dessa effekter kan användas för att mäta förflyttningar och ytor med hög precision.
När en retroreflektor i ett mätarm förflyttas i en interferometrisk mätning, uppstår en Doppler-förskjutning av signalens frekvens. För att beskriva denna förskjutning kan den relativa hastigheten mellan mätobjektet och retroreflektorn användas, där en förändring i frekvensen Δf beror på objektets hastighet v, refraktivindexet för den omgivande luften n, och ljusets hastighet c i vakuum. Det är en grundläggande relation som beskriver hur ljuset påverkas av rörelse och hur denna påverkan kan användas för att beräkna en förflyttning.
För att förstå effekten av Doppler-skift på interferenssignalen måste vi beakta hur fasen förändras när retroreflektorn förflyttas över ett avstånd ΔL. Fasen i interferometriska system påverkas av både den initiala frekvensen och den Doppler-skiftade frekvensen, vilket innebär att varje förändring i avståndet ΔL motsvarar en fasändring som kan mätas och användas för att bestämma objektets position.
Ett specifikt exempel på hur denna princip kan tillämpas är i system som använder en heterodyn laserinterferometer. I sådana system är frekvensskillnaden mellan de två strålarna liten, vilket gör att det blir svårt att skilja mellan den använda frekvensen och frekvensen från referensstrålen. Detta är inte ett problem i industriella tillämpningar som kalibrering av maskinverktyg, eftersom skillnader på 4 MHz motsvarar en mycket liten relativ förändring i längd (ungefär 1·10–8). I praktiken, även när samma optiska komponenter används, som delare och hörnkuber, är dessa små skillnader svåra att detektera i sådana mätningar.
För att förstå ytmätningar med interferometri används en annan metod som innefattar Twyman-Green interferometern. Denna typ av interferometer tillåter noggranna mätningar av en ytas topografi i förhållande till en referensyta, vanligtvis en plan spegel. Här ersätts mätspegeln med ett objekt som har en reflekterande yta, där varje punkt på ytan beskrivs av en topografisk funktion z(x, y). Genom att analysera interferensmönstret som uppstår från ytan, kan man bestämma höjdvariationer med en noggrannhet i mikrometerområdet.
Interferensmönstren som skapas av en Twyman-Green interferometer används för att kartlägga ytor genom att observera de ljus-mörka linjer som bildas av interferens mellan mätstrålen och referensstrålen. För en perfekt plan yta kommer dessa linjer att vara raka och jämnt fördelade. Om ytan är böjd eller om det finns ojämnheter som exempelvis spår eller gropar, kommer interferenslinjerna att förändras och ge upphov till konturmönster som motsvarar dessa höjdskillnader. För att kvantifiera dessa förändringar görs mätningar i flera steg, ofta genom att förflytta objektet eller det optiska systemet för att skapa en förändring i ΔL, vilket gör det möjligt att mäta fasförskjutningarna som uppstår vid olika höjder på ytan.
För att bearbeta interferensmönstren och härleda topografin används ofta tekniker som "unwrap" för att hantera fassprång som kan uppstå vid övergången från 2π till 0 när man analyserar data längs en linje. Dessa tekniker är avgörande för att kunna rekonstruera en kontinuerlig yta från de diskreta faserna som mäts.
Det är också viktigt att notera att för att få noggranna mätningar måste man ta hänsyn till interferensintensiteten och fasskillnader, som kan beräknas med hjälp av specifika ekvationer. Till exempel kan intensiteten mellan olika mätpunkter användas för att uppskatta ytråhet eller för att identifiera avvikelser i ytan, som sprickor eller andra defekter. Effektiv kalibrering och noggrann dataanalys är nödvändigt för att säkerställa att resultaten är tillförlitliga och inte påverkade av bristande signalstyrka eller oönskade artefakter.
Förutom att tillämpa dessa tekniker på interferometri är det avgörande att förstå att även om det finns flera olika metoder för att genomföra ytmätningar, så är alla dessa beroende av en grundläggande förståelse för fas, frekvens och ljusets interaktion med ytor. Ytanalysens noggrannhet beror också på faktorer som brus, kalibrering och eventuell icke-linjäritet i den använda mättekniken. Därför är det av största vikt att använda de rätta matematiska modellerna och verktygen för att korrekt bearbeta och tolka interferensmönstren, så att de ger en exakt representation av den mätta ytan.
Hur mäts yttegenskaper längs en profil?
Mätning av yttegenskaper längs en profil är en central del inom dimensionalmetrologi, och den har omfattande användning inom industriell kvalitetssäkring och forskningsapplikationer. En av de vanligaste teknikerna för att mäta yttornas textur är att använda en mekanisk sonde, ofta en LVDT-probe (Linear Variable Differential Transformer). Enligt ISO 25178-601:2025 definieras den grundläggande designen och egenskaperna för dessa instrument som följer.
Proben har ett nominellt spetsradius på 2 µm, 5 µm eller 10 µm, och spetsen är ofta konformad med en vinkel på 60° eller 90°. Mätkraften som appliceras statiskt är 0,75 mN. Denna kombination av spetsradius och mätkraft är noggrant vald för att minimera risken för repor på hårda material som stål. För mjukare material som aluminium kan repor dock uppträda.
Mätinstrumentet använder ofta en linjär skala för att registrera positionen i x-led och ge referens för en rak rörelse i denna riktning. X-området varierar beroende på instrumentets typ, där handhållna enheter vanligtvis har ett område på cirka 20 mm, medan laboratorieinstrument kan mäta upp till 200 mm. Mätningens hastighet är dock begränsad av sondens dynamik; vid för höga hastigheter riskerar instrumentet att förlora kontakt med arbetsstycket, vilket kallas "stylus flight". Därför används ofta en högre kraft för sonden med större radius (5 µm eller 10 µm).
En annan begränsning är z-rörelsen, som ofta är begränsad till sub-millimeterområdet. För att säkerställa en tillräcklig förstärkning av LVDT-proben krävs att arbetsstycket är korrekt justerat i z-riktningen. Det kan vara nödvändigt att justera arbetsstyckets yta i förhållande till x-rörelsen av drivaggregatet, vilket ibland kräver att drivaggregatet kan roteras kring y-axeln eller att fixturen har en lutningsmekanism.
För att utöka mätomfånget kan alternativa mätprober användas, exempelvis de som har en inbyggd linjär skala eller till och med ett inbyggt laserinterferometersystem. Dessa system erbjuder en större mätområdeskapacitet och kan kombineras med formmätning. Den långsammare mätningen, omkring 1 mm/s, gör att dessa instrument är mindre vanliga vid arealmätningar, även om de kan användas genom att flytta arbetsstycket längs y-axeln i små steg mellan profilmätningarna.
Handhållna grovhetsmätare är utbredda inom industrin, där dessa instrument placeras direkt på arbetsstycket och ofta visar mätparametern direkt på displayen. En sådan enhet kan vara utrustad med en så kallad skid, en vägledning med ett stort effektivt radie som styr proben på ytan. Skidens fördel är att den gör instrumentet mer robust mot externa vibrationer, men detta medför också en viss mekanisk filtreringseffekt som kan påverka noggrannheten.
Det finns även optiska alternativ för att mäta yttegenskaper utan att fysiskt beröra ytan. Ett optiskt system kan erbjuda högre hastigheter än mekaniska sonder, och därmed undvika de dynamiska begränsningarna som uppstår vid beröring. Optiska prober som används för detta syfte inkluderar konfokala kromatiska sensorer och konfokala punktsensorer, som kan användas för både profil- och arealmätningar. Dessa instrument mäter opto-elektroniskt och tillåter en högre mätningstakt, vilket gör dem användbara i sammanhang där snabbhet är viktig, som i industriella processer eller vid inspektion av stora arbetsstycken.
För arealmätning kan även optiska mikroskopssystem användas. Dessa instrument använder en vertikal scanningsteknik där ett flertal bilder tas från objektets yta, och dessa bilder sammanfogas för att skapa en topografisk bild av arbetsstycket. Prestandan för dessa instrument är starkt beroende av det mikroskopobjektiv som används, vilket påverkar den laterala upplösningen och den förmåga att upptäcka små detaljer på ytan.
En annan viktig aspekt i optisk mätning är förmågan att hantera diffraktionseffekter och utelämnade mätpunkter. När miljontals datapunkter samlas kan det hända att vissa av dessa punkter inte ger tillräckligt stark signal och därmed markeras som saknade. Samtidigt kan intensiva signaler från närliggande punkter påverka den totala mätningen och ge orealistiska höjdvärden.
För optiska system är det dessutom viktigt att förstå begrepp som den laterala periodbegränsningen och Rayleigh-kriteriet, som definierar gränserna för vad som kan mätas och med vilken noggrannhet. Lateral periodbegränsningen, som beskriver den minsta periodiska strukturen som kan avbildas korrekt, är avgörande för att förstå hur små ytförändringar kan registreras med optiska instrument.
Sammanfattningsvis är mätning av yttegenskaper längs en profil en process som kan göras på flera olika sätt, beroende på behov och specifikationer. Både mekaniska och optiska metoder har sina fördelar och nackdelar, och valet av metod beror på de tekniska krav som ställs för den aktuella applikationen. För att säkerställa att mätningarna blir både exakta och pålitliga är det viktigt att förstå de olika faktorer som påverkar precisionen i mätresultaten, såsom mätmetodens hastighet, ytmateriel, samt vilken typ av instrument och sensor som används.