Advanced Digital Methods for Precise Measurement of Length

Mgr. Šimon Řeřucha, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Tato práce se zabývá číslicovým zpracováním interferenčního signálu v laserové interferometrii, konkrétně v oblasti přesného odměřování geometrických veličin. Na poli optických měřicích metod představuje laserová interferometrie nejpřesnější techniku měření vzdálenosti s rozlišením v řádu nanometrů. Dosažení takové přesnosti vyžaduje zpracování s pomocí složitého detekčního optického hardwarového vybavení, které je navíc mechanicky citlivé a celkově náročné na výrobu i provoz. Cílem práce bylo navrhnout detekční metodu, která by umožnila nahradit toto optické zpracování sadou algoritmů v číslicovém výpočetním prostředí. Řešení zahrnuje dvě klíčové části: algoritmy pro zjištění momentálního fázového posunu interferujícíh svazků (tzv. interferenční fáze) z výstupního signálu interferometru a dále sadu algoritmů pro kompenzaci chyb vzniklých při aplikaci metody do laboratorního měřicího systému. Jednotlivé části metody jsou popsány pomocí pseudo-algoritmického jazyka. Korektnost je prokázána analytickými výpočty a funkčnost celé sady algorimů byla ověřena experimentálně. Prezentované výsledky ukazují, že navrhovaná metoda je vhodným nahrazením homodynní detekční techniky, protože dosahuje srovnatelných výsledků za použití výrazně zjednodušeného hardwarového vybavení.

Abstract:

This thesis deals with digital processing of interference signal in laser interferometry dedicated to high-resolution measurements of length. Among the optical measurement techniques, the laser interferometry provides the best performance for the length measurement at a nanometre scale. An achievment of such an ultimate resolution requires an expensive complex and sensitive underlying optical hardware for processing of the interference signal. In this work, I present a novel algorithm, called \techname{}, that allows processing of the interference signal with minimal hardware demands. The objective was to design a collection of algorithms that will replace the demanding optical hardware procesing (represented by a traditional homodyne detection technique) by the means of processing in a digital computing environment. My solution had two pillars: the algorithms for extraction of the interference phase data from the interference signal and the algorithm for compensation of measurement errors introduced in the real measurement system. The methods were formally described using a pseudo-algorithmic language and their correctness was shown analytically. The performance of the methods in a laboratory environment has been experimentally tested and the results are presented. The proposed method has proven to be a suitable replacement for the homodyne detection since it performs with comparable accuracy but requires much simpler underlying optical hardware.

Keywords

číslicové zpracování signálu, kompenzace chyb, detekční techniky, laserové interferometrie, přesné odměřování vzdálenosti

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 5. 2012

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 10. 7. 2012
• Vedoucí: prof. Ing. Václav Přenosil, CSc.
• Oponent: prof. Ing. Otakar Wilfert, CSc., Prof. Dr. Ing. Friedemann Mohr

Masarykova univerzita

Fakulta informatiky

Doktorský studijní program / obor:
Informatika (čtyřleté) / Informatika