OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE OPTICAL METHODS FOR MICROMETER RESOLUTION DISTANCE MEASUREMENTS

Átírás

1 MultiScience - XXXII. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference University of Miskolc, 5-6 September, ISBN OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE OPTICAL METHODS FOR MICROMETER RESOLUTION DISTANCE MEASUREMENTS Paripás Béla 1, Béres Miklós 2 1 PhD egyetemi tanár, 2 mérnöktanár Miskolci Egyetem, Fizikai Intézet, 3515 Miskolc-Egyetemváros ABSTRACT The laser based distance measuring methods are surveyed in this paper. In connection with a project work we considered mainly the laser (optical) methods with micrometre resolution: the laser triangular method and the confocal (chromatic) method. In spite of the fact that lasers are not used in the latter method at all, nevertheless it is a real alternative in a lot of applications. BEVEZETÉS A lézerekkel kiválóan lehet távolságot mérni ezt ma már mindenki tudja. A lézeres távolságmérő ott van a közlekedési rendőr, a lakberendező, a mesterember kezében is, akik ennek segítségével megbízhatóan, pontosan, kontaktus mentesen meghatározzák a kívánt méreteket, sőt (mérések sorozatával) a sebességet is. Ráadásul ez az eszköz már nem is drága, egyszerűbb kivitelben lényegében egy tolómérő vagy mérőszalag áráért is megkaphatók [1]. Ezeknek az egyszerű lézeres távolságmérőknek a működése a visszavert lézerimpulzus visszaérkezési idejének igen pontos mérésén alapul. A fizika szempontjából ezek tehát 1. ábra: A Fizikai Intézet lézerinterferometrikus mozgásanalizátorának (LIMA) optomechanikai vázlata. A rendszer a jobb oldali sarokprizma mozgását méri. DOI: /musci

2 lényegében repülési idő spektrométerek. A lézerimpulzusok hossza és az elektronikai eszközök működési gyorsasága legfeljebb kb. 1mm pontosságot tesz lehetővé, tehát ez egy viszonylag pontatlan lézeres módszer. A lézeres méréstechnika másik végletét a lézerinterferometrikus technika jelenti, amelynek a felbontása kisebb (esetenként sok nagyságrenddel is kisebb) az alkalmazott fény hullámhosszánál. Ezek a precíziós módszerek a lézerfény interferenciáján alapulnak. A Fizikai Intézetben jelenleg is rendelkezésre álló lézerinterferometrikus mozgásanalizátorok [2, 3] pontossága 0,1 µm (1. ábra). Ez a pontosság szinte korlátlanul növelhető, ha ezt az alapvetően Michelson típusú interferométert Fabry-Perot interferométerrel kombináljuk. Ez a technológia azonban helyigényes, a mérendő ponthoz egy speciális tükör (pl. sarokprizma) rögzítését igényli, a többi optikai elem helyén pedig rezgésmentes körülményeket kíván. Fontos azt is hangsúlyozni, hogy ez utóbbi technika nem távolságot, hanem elmozdulást mér. Ezek a körülmények külön-külön is (de együttesen egész biztosan) erősen korlátozzák alkalmazási lehetőségeit. Látható, hogy az egyszerű és a lézerinterferometrikus távolságmérés felbontása lényegesen eltér (1mm fölötti, ill. 0,1 µm alatti). Ugyanakkor az iparban nagy igény mutatkozik µm-es pontosságú gyors, kontaktus mentes mérésekre, amelyre az eddig említett két módszer egyike sem alkalmas. Egy ilyen probléma például - az indítómotorok tartóssági tesztjének elemeként - a kefekopás pontos mérése. A kefekopást jelenleg az indítómotor házán a kefe fölött kifúrt lyukon keresztül kézi mechanikai módszerrel mérik. Ennek a módszernek a pontossága kb 0,1 mm (=100 µm), amely a precíz vizsgálathoz már nem elegendő. A kefekopás µm-es pontosságú mérésére alkalmas kontaktus mentes módszer megtalálása és az adott rendszerhez e kutatás legfontosabb célja. OPTIKAI MÓDSZEREK MIKROMÉTERES FELBONTÁSÚ TÁVOLSÁGMÉRÉSRE Létezik lézeres módszer is ebben a pontossági tartományban, ez a lézeres háromszögeléses módszer [4]. Ez szinte minden tekintetben a fenti, két szélsőségnek tekinthető módszer között van. Tehát nem annyira kényes, mint a lézerinterferometrikus módszer, de rendelkeznek a megkívánt pontossággal. 2. ábra: A lézeres háromszögeléses módszer A módszer vázlata a 2. ábrán látható. A fókuszált lézernyaláb a céltárgyra esik. Ezt a fénypontot az optika egy helyzetérzékeny detektorra (pl. CCD panel) képezi le. A reflektáló felület közelítésével illetve távolodásával a fényszenzorra vetített pont helyzete is változik, a képpont helyzete és a céltárgy távolsága tehát egyértelmű kapcsolatban van egymással. Az ábrából rögtön kiolvasható a módszer hátránya is: a lézernyaláb beesési iránya és a mérési irány

3 szöget zár be egymással. A jelenlegi geometriában, amikor egyetlen furat van az indítómotor házán, ez a mérés nem végezhető el. A geometria átalakításával (nagyobb átmérőjű furat vagy furat helyett egy hosszabb rés) azonban ez a módszer is alkalmassá tehető. A konfokális távolságérzékelők azonban megoldást jelenthetnek már a jelenlegi (egyetlen furatos) geometriában is. A módszer a lencsék színi hibáját is eredményező diszperzión alapul, ami miatt a fehér fényforrás fényét egy lencserendszer a hullámhossz függvényében más-más fókuszponttal fókuszálja. Ebben az alkalmazásban kimondottan a nagy színi hibájú (nagy kromatikus aberráció) leképezés a cél, amit nagy diszperziójú üvegből készült lencsével érhetünk el. Az 3. ábra bal oldalán a kromatikus aberráció jelenségét, a jobb oldalán pedig néhány üvegtípus diszperzióját láthatjuk. Nagy kromatikus aberrációjú lencserendszert különböző diszperziójú üvegek ügyes kombinációjával lehet építeni. 3. ábra: Bal oldalt a kromatikus aberráció jelenségét, jobb oldalt pedig néhány üvegtípus diszperzióját láthatjuk. 4. ábra: A konfokális távolságérzékelők elvi felépítése

4 A konfokális távolságérzékelők elvi felépítését a 4. ábra mutatja. A pontszerű fehérfény forrás fényét a nagy kromatikus aberrációjú lencserendszer a mérendő tárgy felszínére fókuszálja. Természetesen csak egyetlen színi komponens lesz, amelynek a fókusza pont a tárgy felületére esik (az ábrán ez a középső - színesben zöld - komponens). A céltárgy által visszavert fény visszafelé is áthalad a lencserendszeren, tehát a zöld komponens pontosan a pontszerű fényforrásra fókuszálná. Ezt megelőzően azonban a visszavert fényt egy nyalábosztóval eltérítjük, így a fókuszpont egy lyukszűrőre kerül. Ha a lyuk helyét és átmérőjét jól választjuk meg, akkor a fókuszált fény (az ábrán a zöld fény) teljes egészében átjut rajta, míg a többi szín csak töredékesen. Ha a távolság változik, akkor egy másik szín fókusza esik a tárgyra, és visszaverődés után ennek a színnek a fókusza esik a lyukszűrő lyukára és ez detektálódik. A vevőbe jutó fény hullámhosszát megállapítva következtethetünk az érzékelő és a céltárgy távolságára. A műszer tehát egy jó minőségű optikai spektrométert is tartalmaz. Alapvető követelmény, hogy a lencserendszert és lyukszűrőt tartalmazó mérőfej kicsi legyen, amely száloptikával kapcsolódik a távolabb lévő alapműszerhez (amely a jó minőségű optikai spektrométert is tartalmazza). Az interneten több cég témához kapcsolódó anyaga is elérhető [5, 6]. Jelen cikkben elsősorban az utóbbi, az Omron cég konfokális száloptikai távolságmérőire koncentrálunk (ZW sorozat). A mérőfejek közül csak az jön szóba, amelynek a mérési tartománya meghaladja a maximális kefekopást (8-10mm). Ezt a ZW-S40 mérőfej teljesíti (5. ábra), ennek a mérő távolsága 40 ± 6mm (azaz a spektrum kis hullámhosszú szélén lévő ibolya színt 34mm-re, a spektrum másik szélén lévő vörös színt 46mm-re fókuszálja). A szénkefe mérendő felületének és az indítómotor háza külső felületének a távolsága ennél sokkal kisebb (mintegy 28mm-rel), tehát a mérőfejhez gyártandó speciális rögzítő elemnek ezt a távolság tartást is el kell végeznie. 5. ábra: Az Omron cég konfokális száloptikai távolságmérője ZW-S40 mérőfejjel

5 A műszer elvi pontossága 1 µm alatti, a valóságos mérési pontosság azonban néhány µm lehet majd. A mérési pontosságot a mért felület érdessége, a rárakódó szennyeződések, az esetleges tengely kotyogás is ronthatja. Úgy gondoluk azonban, hogy a legkritikusabb tényező mindenképpen a mérőfej visszahelyezés reprodukálhatóságának pontossága ill. pontatlansága lesz. A mérési módszer által adott mérési pontosság csak akkor közelíthető meg, ha a mérőfejhez gyártandó speciális rögzítő elem a kb. 1 µm-nyi pontosságú reprodukálhatóságot tudja biztosítani. AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE A lézeres távolságmérési módszerek áttekintése során arra jutottunk, hogy az adott mérési feladat a lézeres háromszögelési módszerrel megoldható, ha a mérési geometriát kissé átalakítjuk (nagyobb átmérőjű vagy más alakú mérőlyukat fúrunk). A Fizikai Intézetben fejlesztett lézerinterferométeres módszer a helykorlát miatt, a sztenderd (a lézerimpulzus futási idejének mérésén alapuló) lézeres távolságmérés pedig a nagy mérési hibája miatt nem alkalmazható a jelen mérési feladatban. A jelenlegi egyetlen furatos geometriában is megoldást kínál viszont a konfokális távolságérzékelés. Ez a módszer szigorúan véve nem lézeres módszer (mert fehér fényű fényforrást használ), de rendelkezik a kontaktusmentes lézeres módszerek minden előnyével. Jelenleg ezt tekinthető az optimális megoldásnak, a cikkben is erre az optikai módszerre koncentráltunk. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A kutató munka az Európai Unió és a magyar állam támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával, a GINOP projekt keretében valósult meg, a felsőoktatás és az ipar együttműködésének elősegítése céljából. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] [2] M. Béres and B. Paripás: Comparison of two laser interferometric methods for the study of vibrations, Series Title: Lect.Notes Mechanical Engineering, Book Title: Vehicle and Automotive Engineering, K. Jármai and B. Bolló (eds.), Book Subtitle: Proceedings of the VAE2016, Chapter 20, pp (2017) Miskolc, Hungary, ISBN: , Springer [3] Béres M., Paripás B., Majár J., Bodolai T., Rónai L., Illavszky V.: Rezgések precíziós összehasonlító vizsgálata lézerinterferometrikus mozgásanalizátorokkal, Multiscience XXX. microcad International Multidisciplinary Scientific Conference, C3: Natural Sciences, ISBN , University of Miskolc (C3/4), április [4] [5] en.pdf, [6]