Instrumentations for dimensional measurements based on self mixing intereferometry

During the last years, self-mixing interferometry has been considered even more as a valid alternative to the classical optical instrumentations. Its characteristics such as contactlessly, low-cost and high-resolution, allow to achieve novel kinds of measurement systems dedicated to dimensional measures. This Thesis work describes the development of four different instruments exploiting the self-mixing interferometry; the first one is a vibrometer operating in open-loop mode, which allows spatial resolution down to about 100 nanometres over an undefined spatial range. The second instrument is another kind of vibrometer, based on close-loop technology, which guarantees spatial resolution down to few nanometres, high linearity, but operating on a dynamic range of about 100 microns. A third developed device is oriented to the measure of the speed of a target, based on a particular frequency-domain algorithm; this prototype demonstrated good performances for speed until three meters per second with a resolution better than one millimetre per second. The last shown device is a rangefinder; the device takes the absolute distance measurement of a target, in the spatial range between 10 centimetres and 2 metres, with a resolution of about 100 microns. All the developed instrumentations have been studied, designed and finally implemented in a real-time electronic device, providing the results on an analog or digital output. This work also includes a novel application of the self-mixing interferometry: the holes depth measurements for high-power laser ablating systems. Thanks to its non-invasive property, self-mixing may be used to monitor the ablating processes of industrial texturing systems; different experimental tests are reported, suggesting the feasibility of this novel approach.

Durante gli ultimi anni , l'interferometria a self-mixing è stata considerata ancora più come valida alternativa alle classiche strumentazioni ottiche . Le sue caratteristiche quali contact-less, basso costo ed alta risoluzione, permettono di realizzare nuovi tipi di sistemi di misura dedicati per misure dimensionali . Questo lavoro di tesi descrive lo sviluppo di quattro diversi strumenti che sfruttano l'interferometria a self-mixing; il primo è un vibrometro operante in modalità open - loop, che permette fino a circa 100 nanometri di risoluzione spaziale su un intervallo spaziale indefinito . Il secondo strumento è un altro tipo di vibrometro, basato sulla tecnologia ad anello chiuso, che garantisce risoluzione spaziale fino a pochi nanometri, elevata linearità, ma opera su una gamma dinamica di circa 100 micron. Un terzo dispositivo realizzato è orientato alla misura della velocità di un bersaglio, basato su un particolare algoritmo nel dominio della frequenza; questo prototipo ha dimostrato buone prestazioni di velocità fino a tre metri al secondo con una risoluzione migliore di un millimetro al secondo . L'ultimo dispositivo illustrato è un telemetro; il dispositivo prende la misura della distanza assoluta di un bersaglio, nell'intervallo spaziale tra i 10 centimetri e 2 metri, con una risoluzione di circa 100 micron. Tutte le strumentazioni sviluppate sono state studiate, progettate e infine implementate in un dispositivo elettronico operante in tempo reale, fornendo i risultati su una uscita analogica e digitale . Questo lavoro include anche una nuova applicazione di interferometria a self-mixing: la misura dei fori nelle misure di profondità per sistemi di ablazione laser ad alta potenza. Grazie alla sua struttura non invasiva, il self-mixing può essere utilizzato per monitorare i processi di ablazione dei sistemi di texturing industriale; diverse prove sperimentali sono riportate, suggerendo la fattibilità di questo nuovo approccio.