Proyecto EMRP SIB58 “Angle metrology”

Área de Longitud
03/03/2015
Proyecto iniciado

Realización y diseminación de la unidad SI de ángulo plano, el radián

Ref.:
EMRP SIB58
Financiado por:
Proyecto financiado conjuntamente por los países miembros de EURAMET participantes en el programa EMRP y la Unión Europea.
Título:
“Angle metrology”
Acrónimo:
SIB58
Periodo:
2013-2016
Investigadores:
2
Contratados:
--
Presupuesto:
248,41 k€
Participantes:
Financiados:UME-TUBITAK (Turquía), CEM (España), CMI (República Checa), INRIM (Italia), IPQ (Portugal), LNE (Francia), MG-GUM (Polonia), MIKES (Finlandia), PTB (Alemania), SMD (Bélgica). No financiados: AIST (Japón), FAGOR Automation (España), IK4-TEKNIKER (España), KRISS (Corea), MWO (Alemania), HZB (Alemania).
Objetivos:
Garantizar la realización y diseminación de la unidad SI de ángulo plano, el radián, a los distintos niveles de demanda existentes – desde el trabajo científico de alto nivel realizado en los sincrotrones (aceleradores de partículas) y FEL (instalaciones de láseres de electrones libres), hasta las aplicaciones industriales, contribuyendo a un progreso significativo, más allá del estado del arte, en las siguientes áreas:
  • Autocolimadores y sus aplicaciones en perfilometría, bajo condiciones de medida críticas (longitudes variables, dos ejes de operación, pequeñas aperturas, sobre superficies curvas, distintas posiciones relativas entre apertura y eje del autocolimador)
  • Codificadores (encoders) angulares con varias configuraciones de cabezas lectoras y nuevos métodos de calibración (distintas configuraciones ópticas de cabezas lectoras, nuevos métodos para la determinación precisa de errores en la interpolación de señales, investigación sobre fuentes de error en encoders angulares)
  • Generadores de pequeños ángulos (SAGs) y generadores híbridos, con amplios rangos de medida y sensibilidades sub-nrad (SAGs precisos, económicos y portátiles para la calibración in-situ de autocolimadores, generación de nanoradianes, mejoras en comparadores angulares híbridos)
Antecedentes:

La metrología angular es una tecnología clave en áreas científicas e industriales de alto valor en las que la UE es globalmente competitiva. Entre las múltiples áreas de aplicación están la medición precisa de defectos de forma de superficies ópticas (ópticas en líneas de haces de sincrotrones y FEL (láseres de electrones libres) –– y patrones de planitud para calibraciones interferométricas); ingeniería de precisión (determinación de geometrías de máquinas – rectitud, planitud y paralelismo); aplicaciones industriales (automoción, aviónica y robots industriales), y un amplio rango de aplicaciones científicas (medición de la constante gravitacional G y estabilización angular de componentes ópticos en rayos X). Los nuevos dispositivos de medición angular desarrollados suponen nuevos retos como la caracterización precisa y la calibración de autocolimadores y encoders angulares con menores incertidumbres, y el desarrollo de generadores de pequeños ángulos con incertidumbre de nanoradianes, como forma de garantizar la trazabilidad al SI.

Necesidad del proyecto:

La necesidad de una metrología angular de alta precisión trazable se da en la mayor parte de los sectores industriales y en las aplicaciones científicas de alto nivel. Por ejemplo, la mayor parte del equipamiento utilizado en geodesia, en medición de grandes distancias, y en medición de grandes volúmenes (p. ej., láser trackers o teodolitos) incorpora dispositivos de medición angular tales como encoders angulares; lo mismo sucede en los robots y en las máquinas herramienta utilizadas en la industria. La exactitud de dichos dispositivos depende directamente de los encoders que llevan incorporados, influyendo sobre la exactitud de la fabricación. La mayor exactitud de fabricación requerida hoy día por la industria productiva exige una mejora de los encoders angulares y de su calibración.

La necesidad de una metrología angular avanzada no deja de crecer tampoco en las líneas de radiación de sincrotrones y FEL. Las mayores demandas de medición de formas de superficies ópticas fuertemente curvadas han hecho que los laboratorios de metrología de estas instalaciones singulares hayan desarrollado una nueva generación de perfilómetros superficiales de alta exactitud basados en mediciones angulares. Actualmente, la medición de formas limita la fabricación de estas superficies ópticas. El desarrollo de ópticas que trabajarán en el ultravioleta extremo (XUV) en la próxima generación de fuentes de luz de sincrotrones y FEL, requiere la mejora de la metrología angular basada en autocolimadores incorporados a la configuración de los perfilómetros (objetivo: 0,01” / 0,05 µrad de desviación cuadrática media angular, correspondiente a 0,5 nm de desviación cuadrática media de forma). Esto requiere una mayor investigación para mejorar las prestaciones de los autocolimadores a pequeñas aperturas y la mejora de los algoritmos de localización sub-pixel de imágenes en el detector CCD, así como verificaciones periódicas in-situ de las prestaciones de dichos autocolimadores utilizando para ello generadores portátiles de pequeños ángulos.

La necesidad de esta investigación va más allá de la comunidad metrológica ya que demandas por encima del estado del arte surgen desde aplicaciones industriales hasta científicas de alto nivel, ya sea en ciencia básica o en mecatrónica, ingeniería mecánica o civil, producción energética, avances médicos, investigación de materiales, industrias de automoción y aeroespaciales, investigación nuclear, medición o fabricación de instrumentación médica. Este listado muestra la importancia de la metrología angular como tecnología clave en la producción industrial.

Resultados esperados e impacto potencial:

El proyecto pretende dar respuesta a las necesidades de los distintos interesados en la diseminación del radián, algo imprescindible en la actualidad en muchas aplicaciones situadas en la frontera de la metrología de ángulos. Específicamente, pretende lograr la trazabilidad en el mensurando “ángulo” con menor incertidumbre (menos de 50 nrad) en un amplio abanico de dispositivos de medición, aplicaciones y condiciones críticas. Además de a la metrología angular, se espera que el proyecto afecte positivamente a otras áreas tales como la medición de formas, la medición de grandes distancias, la medición de rotaciones y el control de inclinación con sensibilidad de nanoradianes, y la producción industrial.

  • Impacto medioambiental: La investigación realizada en las instalaciones de sincrotrones y FEL tiene amplia repercusión en los sectores de la medicina, los materiales y la energía, contribuyendo a un mejor medio ambiente y a fuentes de energía sostenibles.
  • Impacto económico: En el mundo existen en torno a 60 sincrotrones, los cuales requieren de la metrología angular para la medición de forma de sus ópticas de precisión y el alineamiento de sus líneas de radiación. La metrología angular es una tecnología clave para un amplio rango de equipos de medición y fabricación en casi todos los sectores industriales.
  • Impacto social: Los sectores usuarios de la metrología angular son importantes para la generación de empleo y riqueza en la UE. Terapias avanzadas mediante haces de partículas y radiaciones generadas en sincrotrones encuentran aplicación en prestaciones sanitarias – Premios Nobel de Química en 2009 y 2012
Trabajos realizados:

A fecha de hoy, se han completado ya varias actividades que han dado lugar a 4 informes considerados como documentos “definitorios” del estado del arte en metrología angular. Simulaciones sobre trazado de rayos en autocolimadores (AC) para investigar el efecto de distancias variables entre muestra y AC han generado nuevos conocimientos aplicables a AC utilizados en perfilometría. El trabajo experimental para verificar el comportamiento de los AC a distintas distancias de los muestras continúa. También se han desarrollado dos configuraciones distintas e innovadoras para la calibración bidimensional (2D) de AC, la primera de ellas ya verificada, así como nuevas aplicaciones de los AC en condiciones críticas en perfilometría. Asimismo, se han realizado extensas calibraciones de diferentes autocolimadores sobre diferentes superficies reflectantes, generando nuevos conocimientos de particular aplicación a sincrotrones y al diseño de AC utilizables en ellos. A resultas de ello se ha mejorado la resolución lateral de los perfilómetros superficiales basados en deflectometría angular, mediante empleo de un autocolimador comercial mejorado con la incorporación de un nuevo detector de cero; asimismo, se ha logrado una alta exactitud en la medición de planitud de superficies de baja reflectividad mediante spots láser de 1 mm de diámetro, obteniéndose una repetibilidad inferior a 0,6 nm. Un nuevo dispositivo para el centrado de aperturas (con reproducibilidad inferior a 0,1 mm) junto a un procedimiento normalizado, han sido desarrollados por primera vez para el eficiente uso de los autocolimadores en perfilometría deflectométrica. La verificación de las capacidades del dispositivo y del procedimiento aún está siendo investigada.

Las técnicas de shearing ofrecen una oportunidad única para separar los errores de la muestra y del sistema de medida, permitiendo así calibrar ambos sistemas sin tener que recurrir a patrón externo alguno. Por primera vez se ha aplicado y demostrado experimentalmente la adaptación de técnicas avanzadas de shearing a la calibración precisa de autocolimadores mediante encoders angulares. La separación de los errores del autocolimador y del encoder angular condujo a valores residuales muy pequeños, mostrando que la influencia de los errores sistemáticos podía mantenerse por debajo de 2 nrad (0,0004”). Asimismo, el desarrollo de modelos de estimación de incertidumbres ha conducido a una incertidumbre típica inferior a 5 nrad (0,001”). Estos impresionantes logros confirman la mejora en la calibración de autocolimadores, reduciendo la incertidumbre en más de tres veces. La aplicación de estas técnicas de shearing con diferentes encoders y generadores de pequeños ángulos (SAGs) sigue en marcha a fin de proporcionar soluciones a aplicaciones situadas en las fronteras de la metrología angular. Se están investigando encoders angulares, tanto de cabezal lector único como de cabezales múltiples, para tratar de definir las distintas fuentes de error y sus influencias en aplicaciones de alta precisión.

Se han determinado en detalle las necesidades específicas de calibración de autocolimadores de usuarios finales, p. ej., los de aceleradores circulares y lineales de partículas, para su utilización en condiciones críticas, diseñándose tres tipos diferentes y novedosos de interferómetros angulares (dos de diferente configuración, basados en la medición de desplazamientos, y el tercero basado en interferometría de Fizeau) junto a mecanismos también novedosos de generación precisa de ángulos, a fin de construir tres generadores de pequeños ángulos, de rango amplio (LRSAGs), distintos entre sí.

El proyecto ha producido hasta ahora 8 artículos en revistas de impacto (Measurement Science and Technology, Journal of Synchrotron Radiation, Physical Review, SPIE Proceedings), 15 presentaciones en conferencias internacionales, 7 presentaciones a distintos comités (como los de Synchrotron Optics, High Level Experts on Asphere Metrology, etc.), 5 acciones formativas, 8 acciones de diseminación. El proyecto mantiene continuo contacto con el Comité Consultivo de Longitud (CCL), en particular con el Grupo de Discusión DG3 sobre Ángulos, y con el EURAMET TC-L. El Comité de Interesados (Stakeholder Committee, SC) creado dentro del proyecto y compuesto por miembros de diferentes áreas relacionadas con la metrología angular (centros sincrotrón y FEL, Institutos nacionales de metrología, Grupo WG-MRA del CCL y presidencia del CCL-DG3 “Angle”) son informados regularmente, siendo consideradas en el proyecto sus opiniones y valoraciones.

La página web del proyecto, http://www.anglemetrology.com, se actualiza periódicamente con información de interés. En breve se añadirán los 4 informes definitorios del estado del arte (D111, D211, D311 y D411) dedicados respectivamente a autocolimadores, el empleo de éstos en perfilometría, encoders angulares y generadores de pequeños ángulos (SAG). Dichos informes podrán descargarse libremente del sitio web del proyecto en sus versiones PDF.