Světlo dokáže odhalit nerovnosti, které lidské oko nevidí, a změřit je s přesností na nanometry. Pro Techzpravy.cz vysvětluje doc. RNDr. Pavel Pavlíček, Ph.D., ze Společné laboratoře optiky Univerzity Palackého a Fyzikálního ústavu AV ČR, jak lze pomocí světla měřit povrchy bez jediného dotyku. Překvapivě přitom nemusí být laser vždy tou nejlepší volbou. V některých případech dokáže obyčejné bílé světlo nabídnout výhodnější řešení.
Optické měření dnes pomáhá kontrolovat kvalitu výrobků, odhalovat drobné vady a zkoumat povrchy, které by běžná měřidla mohla poškodit. Ani nejmodernější technologie však nejsou neomylné. Jejich přesnost ovlivňují vibrace, okolní prostředí i samotné vlastnosti měřeného materiálu. Pavel Pavlíček přibližuje, proč může být lesklý povrch někdy větší výzvou než matný a kde leží hranice současných měřicích metod.
1. Jak interferometr převede světlo odražené od povrchu na údaj o jeho výšce nebo tvaru?
Interferometr funguje tak, že světelnou vlnu ze zdroje světla, což může být např. laser, rozdělí na dvě části. Každá z nich pak jde svojí vlastní optickou cestou. Jedna vlna se odrazí od měřeného povrchu a druhá vlna se odrazí od zrcadla. Pokud je některé místo povrchu výše nebo níže, změní se délka dráhy, kterou světlo urazilo. Potom se vlna odražená od povrchu opět složí s vlnou odraženou od zrcadla. Z intenzity složené vlny se dá poznat posun jedné vlny vůči druhé vlně. A ze vzájemného posunu se spočítá rozdíl optických drah. Pokud se takový proces provede pro různé body měřeného předmětu, je možné spočítat jeho tvar. Vlnová délka použitého světla je měřítkem, pomocí kterého se rozdíl drah vyjadřuje. Pro viditelné světlo je její velikost přibližně půl mikrometru. Z toho je zřejmé, že interferometrické měření je přesné. S myšlenkou použít vlnovou délku světla jako měřítko pro měření vzdálenosti přišel v roce 1829 francouzský fyzik Jacques Babinet (1794–1872). V jeho době však bylo takové měření z technických důvodů neproveditelné. Měření pomocí vlnové délky světla provedl v roce 1892 americký fyzik Albert Michelson (1852–1931). Pro účely měření sestavil interferometr, který je od té doby po něm pojmenovaný.
2. V čem se liší měření bílým světlem od měření laserovým zdrojem?
Laserové světlo se vyznačuje tím, že má velmi úzké spektrum. Zjednodušeně si můžeme představit, že laser svítí pouze na jedné vlnové délce. A protože v oblasti viditelného světla odpovídá vlnové délce barevný vjem, nazýváme takové světlo monochromatické (jednobarevné). Naproti tomu polychromatické (vícebarevné) světlo má široké spektrum, svítí na mnoha vlnových délkách zároveň. V oblasti viditelného světla vnímáme takové světlo jako bílé. Na první pohled by se mohlo zdát, že laserové světlo je pro měřicí účely vhodnější. Snadno interferuje a interference je velmi přesná měřicí metoda, protože jako měřítko používá vlnovou délku světla. Někdy se snadnost interference ovšem stane nevýhodnou. Na drsném povrchu dochází k mnohonásobnému odrazu světla od malých plošek povrchu, vzniká množství odražených vln, které spolu interferují. Taková mnohonásobná interference působí rušivě. Další nevýhodou interference laserového světla je nejednoznačnost. Protože je světelná vlna periodický jev, nepoznáme z interferenčního obrazce, jestli je rozdíl mezi dvěma vlnami například 0,1 vlnové délky nebo 1,1 nebo 2,1 atd. Všechny zmíněné rozdíly se projeví stejně. Obě nevýhody – rušivou interferenci i nejednoznačnost – může vyřešit použití polychromatického (bílého) světla. Na rozdíl od monochromatického neinterferuje polychromatické (bílé) světlo tak „náruživě“. Spíše interferuje jen tam, kde mu k tomu vytvoříme podmínky. S trochou nadsázky se dá říci, že mnohdy stačí, když hoří v krbu, nemusí hořet hned celý dům. Pokud negativní projevy monochromatického světla při měření nevadí anebo je možné je účinně eliminovat, je použití monochromatického světla lepší volbou.
3. Proč se při optickém měření sleduje fáze nebo interference vln, a ne pouze intenzita světla?
Interferenční metody tvoří pouze část ze všech optických měřicích metod. Dalo by se říci, že interferenční metody jsou podmnožinou množiny optických měřicích metod. Neinterferenční metody určí tvar předmětu z naměřených hodnot intenzity. U těchto metod fázi vyhodnocovat nemůžeme. U interferenčních metod je možné, ale ne nutné vyhodnotit i fázi. Ta je mírou vzájemného posuvu světelných vln. Pokud jedna vlna předběhne druhou o polovinu vlnové délky, je to fázový posuv 180°, pokud o čtvrtinu vlnové délky, je to fázový posuv 90° atd. U opticky drsných povrchů je fáze náhodnou veličinou a nemá smysl ji vyhodnocovat. Vyhodnocení fáze má smysl jen u opticky hladkých povrchů, to je povrchů, které odrážejí světlo podobně jako zrcadlo. U takových povrchů je výhodné fázi změřit, protože obsahuje zpřesňující informaci o tvaru povrchu. Měření tvaru opticky hladkých povrchů s využitím fáze je podstatně přesnější, než kdybychom fázi nevyhodnotili. Ale je důležité si uvědomit, že i ta fáze se určí z naměřených hodnot intenzity. Nedokážeme ji měřit přímo. Odpověď je tedy taková, že u optických metod měříme vždy intenzitu. U interferometrických metod z naměřených hodnot intenzity někdy určíme i fázi, pokud je to pro měření přínosné.
4. Jakou nejmenší změnu povrchu lze spolehlivě zachytit a co toto rozlišení omezuje?
Tady je důležité rozlišovat dvě důležité věci. Optické měřicí přístroje obvykle rozlišují podélný směr, což je směr rovnoběžný s optickou osou, a dva příčné směry, které jsou na optickou osu kolmé. Kdybychom měřený povrch přirovnali k povrchu země, odpovídá podélnému směru nadmořská výška a dvěma příčným směrům směr východ–západ a směr sever–jih. Optickou osu bychom si mohli představit jako stožár, který ční do výše. Nejistota měření v podélném směru dosahuje velmi malých hodnot. Interferometrické metody mohou měřit s podélnými nejistotami v řádu nanometrů. V podélném směru je možné se dostat ke hranici, která je dána omezeními vyplývajícími z kvantové mechaniky. Podle ní je nejistota měření tím menší, čím více fotonů máme k dispozici. Jinak řečeno, čím silnější světlo máme k dispozici, tím přesněji můžeme měřit. Nejistota měření v příčných směrech bývá vyšší, obvykle bývá v řádu mikrometrů. Nejistota měření v příčném směru souvisí s rozlišovací schopností použité optické soustavy.
5. Jak se přístroj nastaví, aby měření odpovídalo různě velkým a členitým objektům?
Měřicí přístroje jsou konstruovány tak, aby vyhovovaly požadavkům zákazníka. Podle těchto požadavků mají například malé nebo velké měřicí pole. Malé měřicí pole s průměrem několika milimetrů se používá u měřicích mikroskopů. Větší měřicí pole s průměrem několika desítek centimetrů se používá u měřicích interferometrů. Každý měřicí přístroj je vybaven odpovídající optickou soustavou. Problém může nastat, pokud je měřený předmět větší, než jsou běžné rozměry měřicího pole. V takovém případě je možné použít takzvanou stitching interferometry (z anglického stitch – sešívat). V češtině bychom mohli říci interferometrie se spojováním dílčích měření. Velký předmět se měří po částech a výsledky jednotlivých měření se spojí pomocí vhodného softwaru. Jinou možností je postavit speciální přístroj z dostupných nebo individuálně vyrobených součástí. Takové řešení je ovšem nákladné.
6. Jak se ověřuje, že interferometr měří správně a jeho výsledek je srovnatelný s jiným přístrojem?
Výhodou interferometru je, že měřítkem, se kterým se měřená délka porovnává, je vlnová délka světla. Ta je ze své podstaty spolehlivým měřítkem. V letech 1960 až 1983 byl pomocí vlnové délky světla definován mezinárodní metr, později se přešlo k ještě přesnější definici. U některých zdrojů světla (např. plynové lasery, výbojky) známe vlnovou délku dostatečně přesně. Mohou tedy sloužit pro srovnávání výsledků, které byly naměřeny pomocí interferometrů s jinými zdroji. Další srovnávací metodou je použití kalibrovaných normálů. Normály mají přesně kalibrovaný nějaký rozměr, např. tloušťku, rozteč, hloubku zářezu. Existují firmy, které se zabývají výrobou přesných normálů z různých materiálů. Vyráběné normály definují různé vzdálenosti.
7. Jak se do výsledku promítají vibrace, teplota nebo změny okolního prostředí?
Všechny vyjmenované vlivy negativně ovlivňují správnou funkci měřicí metody a přesnost měření. To je také důvod, proč mnohé měřicí metody fungují skvěle v laboratoři a je obtížné je zavést do výrobní praxe. Vibrace se projevují negativně zejména u interferometrických metod. Proto se v praxi často používají robustnější (odolnější) měřicí metody, které jsou optické, ale ne interferometrické. Jako příklad můžeme uvést např. triangulaci nebo deflektometrii. Nejsou sice tak přesné jako interferometrické metody, ale výhoda jejich robustnosti překoná nevýhodu menší přesnosti.
8. Co znamená nejistota měření v případě, kdy přístroj zobrazuje velmi detailní mapu povrchu?
V dokumentech Mezinárodního úřadu pro míry a váhy (dokumenty jsou dostupné na internetu) je nejistota měření definovaná jako míra rozptylu naměřených hodnot. Přesné znění je: „nezáporný parametr charakterizující rozptyl hodnot přiřazovaných měřené veličině na základě použitých informací“, což je takový správně suchopárný jazyk typický pro definice. Pokud budeme měřit stejnou veličinu (například tloušťku skleněné destičky) mnohokrát po sobě, dostaneme pokaždé jinou hodnotu. Je to způsobené chybou měření, která je všudypřítomná. Když použijeme kvalitní měřicí přístroj, budou naměřené hodnoty blízko sebe a shluknou se okolo skutečné hodnoty. Pokud použijeme méně kvalitní měřicí přístroj, budou naměřené hodnoty rozptýleny více. Nejistota měření charakterizuje rozptyl naměřených hodnot. Malá nejistota měření říká, že naměřené hodnoty jsou blízko hodnoty skutečné. Chyba měření je vlastnost jednoho měření. Udává, jak je naměřená hodnota vzdálená od skutečné hodnoty. Nejistota měření je vlastnost měřicí metody nebo měřicího přístroje. Říká nám, jak velkou chybu můžeme očekávat. Nejistota měření měřicího přístroje je to, co chápeme jako přesnost přístroje. Nejistota měření je vhodnější název, protože malé číslo vyjadřuje malou nejistotu měření a velké číslo vyjadřuje velkou nejistotu měření. Naproti tomu, když řekneme nízká přesnost, představíme si třeba desetinu milimetru a u vysoké přesnosti třeba tisícinu milimetru. To znamená, že vysoká přesnost je spojena s malým číslem a nízká přesnost s velkým číslem. To způsobuje problémy s vyjadřováním a porozuměním.
9. Jak se měří lesklý, průhledný nebo silně zakřivený povrch?
Všechny vyjmenované případy mohou způsobovat problémy při měření, ale nejsou nepřekonatelné. Tvar lesklého povrchu, pokud je povrch rovný nebo přibližně rovný, se měří snadno. Je to ideální případ pro interferometrické metody. Problém způsobí, když se lesklé části povrchu střídají s matnými. To se obvykle řeší tak, že se měří ve dvou nebo více krocích. V prvním kroku se měří s nižší intenzitou světla, a tím se změří dobře odrážející části povrchu. V druhém kroku se měří s vyšší intenzitou a změří se ty části povrchu, které odrážejí špatně.
Ani měření tvaru průhledného povrchu nemusí být složité. Z teorie optiky víme, že i průhledný povrch odráží část dopadajícího světla. Známe to všichni, když je venku tma a máme v pokoji rozsvíceno, tak nevidíme ven, ale vidíme se v okně jako v zrcadle.
Silně zakřivený povrch dělá problémy zejména, když je lesklý. Zakřivený povrch odráží dopadající světlo do všech možných směrů. V takovém případě je nutné měření opět rozdělit do několika kroků a měřit z různých směrů tak, aby se vždy část odraženého světla dostala do objektivu měřicího zařízení.
10. Kde má bezkontaktní měření největší výhodu oproti dotykové sondě?
Kontaktní měření jsou obvykle časově náročná. Bylo by problematické je používat třeba při výrobě, kdy má být proměřen každý kus. Dotyková měřidla mohou ovlivnit měřenou součást například poškrábáním. Tyto nevýhody dotykových měřidel jsou zároveň výhodami bezkontaktních měřičů. Je to rychlost měření a z ní plynoucí možnost proměřit každý výrobek a dále jejich bezkontaktnost. Ta zajistí, že nedochází k opotřebení jak výrobku, tak měřicího zařízení.
11. Jak lze interferometrii využít při kontrole kvality součástek nebo optických prvků?
Interferometrie se v těchto oblastech často používá. Používá se při kontrole správného tvaru optických ploch u čoček, zrcadel, hranolů. Při kontrole rozměrů součástek. Při měření tlouštěk optických vrstev. Interferometrie je v tomto případě velmi vhodnou metodou, protože při měření dochází ke stejnému fyzikálnímu ději jako při samotné funkci součástky nebo optického prvku.
12. Kdy je pro kontrolu povrchu lepší kombinovat interferometrii s jinou metodou?
Pokud je měřená plocha velká a nároky na přesnost nejsou vysoké, může být použití některé neinterferometrické metody výhodnější. Při měření nebo kontrole tvaru velkých ploch se využívá některého typu deflektometrie. Při měření rozměrů součástek se používá triangulace.
13. Které typy povrchů jsou pro interferometrii dosud nejobtížnější?
Tato otázka byla částečně zodpovězena u otázky č. 9. Obtížné jsou povrchy, které špatně odrážejí světlo – matné tmavé povrchy. Pak jsou to povrchy, od kterých se světlo částečně odráží, ale částečně vniká dovnitř, odráží se v hlubších částech pod povrchem a zase vystupuje ven. Odražené světlo se mísí se světlem, které se dostalo do hlubších částí, a to působí rušivě při vzniku interferencí. Tak se chovají například některé plasty. Další problematickou kategorií povrchů jsou povrchy, které se chovají jako optické tenké vrstvy. U nich dochází ke složitým interferenčním jevům, což působí rušivě při měření.
14. Které výsledky z kvantové optiky mají zatím především výzkumný význam a které už mají praktické využití?
Z těch, které mají praktické využití, bych zmínil možnost detekce jednotlivých fotonů a praktické využití některých neklasických stavů světla.
Kvantová optika popisuje různé stavy světla. Některé stavy se dají popsat kvantově i klasicky. Například světlo z laseru je v kvantové optice známé jako koherentní stav. Existují ale neklasické stavy, které se dají popsat jen kvantově. Pokud používáme klasické světlo (z laseru, žárovky nebo svíticí diody), není možné měřit přesněji, než stanoví standardní kvantová mez (standard quantum limit – SQL). Pokud se použijí neklasické stavy světla, je možné standardní kvantovou mez překonat a měřit přesněji. K použití neklasických stavů světla zatím dochází převážně v laboratořích. Při jejich přípravě narážíme na problém vhodných zdrojů a vhodných detektorů světla. U detektorů je problémem jejich nízká kvantová účinnost. U zdrojů světla se obtížně kontroluje, kolik fotonů vyzáří. Přes všechny obtíže se některé neklasické stavy světla už používají pro praktická měření. Například u interferometru pro detekci gravitačních vln LIGO (interferometry jsou umístěny v USA, jeden ve státě Washington a druhý ve státě Louisiana) se od roku 2019 používá takzvaný stlačený vakuový stav světla (squeezed vacuum state). Jeho použití umožňuje snížit vliv šumu a dostat se pod standardní kvantovou mez.
Je důležité si uvědomit, že standardní kvantová mez není pevně daná hranice nejistoty měření. Spíše stanoví, jaké nejistoty můžeme dosáhnout, pokud máme k dispozici určitý počet fotonů. Pokud počet fotonů zvýšíme, můžeme s klasickým světlem měřit přesněji. Na první pohled to vypadá jednoduše. Přidáme několik fotonů a budeme měřit přesněji. A skutečně to tak funguje. Problém je v tom, že počet fotonů nemůžeme zvyšovat neomezeně, narazili bychom na hranice zdrojů světla, možnosti detektorů a také na výkonové meze optických materiálů zrcadel a čoček. Pokud se podaří standardní kvantovou mez překonat, můžeme měřit přesněji i bez zvýšení počtu fotonů.
Kvantovou mechaniku lidé chápou většinou jako velmi neintuitivní teorii. Jako něco, co se příčí „zdravému rozumu“. Ale v teorii měření kvantová mechanika říká, že nikdy nemůžeme měřit úplně přesně. To je podle mého názoru snad jediná oblast, kde jsou předpovědi kvantové mechaniky bližší „zdravému rozumu“ než předpovědi klasické optiky.
15. Jaký problém v bezkontaktním měření by podle vás měl být vyřešen jako další?
U této otázky bych napřed udělal malé ohlédnutí do minulosti. Principy interferometrie jsou známé od konce 19. století. Ale teprve rozvoj polovodičových zdrojů světla a zobrazovacích prvků CCD v sedmdesátých letech minulého století a především mohutný vývoj výkonných počítačů, který nastal v devadesátých letech minulého století, přispěly k tomu, že se potenciál interferometrických metod mohl plně využít. Je to rozvoj technologií, který umožní využít již známé fyzikální znalosti. Co bychom tedy mohli očekávat v budoucnosti?
Určitě by pomohly detektory (kamery) s vyšším dynamickým rozsahem. To je častý problém při měření, že někdy přichází od měřené plochy světla málo, jindy zase hodně a jen málokdy tak akorát. Pokud by měl detektor vyšší dynamický rozsah, dokázal by zpracovat světlo s velkou i malou intenzitou. Dalším zajímavým prvkem by byl zdroj světla, u kterého by se dal naprogramovat a plynule měnit tvar spektra produkovaného světla. Vybrali bychom si určitý tvar spektra a postupně ho měnili. Takový zdroj by určitě našel mnoho zajímavých aplikací.