Измеритель амплитуды и фазы световой волны Советский патент 1983 года по МПК G01B9/02 

Изобрете1ше относится к оптической змерительной технике, а именно к инерферометрии, и может быть исполъзО ано в оптическом приборостроении и ри исспеиовашш оптических неоцнороц костей в прозрачных средах.

Известно устройство цля измерения амплитуды и фазы световой вотшы, со (Держащее фотозатвор, приемную опт1гчеокую систему, фотоприемник и анаггизат-ор сигналов 1 «

Недостатками устройства явпяк1тся сложность алгоритмов восстановпения фазы и, как следствие, узкий рабочий циапазон, а также необходимость испоп.ъ аования специализированных ЭВМ на всех стациях получения и обработзш 1штерфер огр

Наиболее близким техническим ре- lueimeM к изобретению является измери- тепъ амплитуды и фазы световой воп ны, содержащий фотозатвор, приемнуюоптическую систему, сканирующий фо- оприекгаик и анализатор сигналов Г 2 ;

Heцocтaткa Ш известного устройст ва являются малый диапазон фазы {не более оцной полосы ), при котором работает устройство, и работоспособость только в условиях регулярной природы интерференционной картин1 1 (по лоса или кольцо). При наливши иск:аже. 1-0Ш сложной формы на контролируемом объекте устройств работать не может. днако, налример, оптические детали в процессе их изготовления ш-леют дефекты сложной формы и ошибки, большие по диапазону {от 0.1 цо 1О ннтерь ференднонных полос), поэтому для та ких значений неоднороцностей фазы такое устройство непригодно,

Кроме того, остается неопределен- ость значения фазы в центре поля иньтерференционной картины, так как значения полученной фазы измеряются относительно центрального значения фазы определяемого центральным (JJOTO-затворами.

Цель изобретения - расширение диапазона и надежности измерений амплитуды и фазы световой волны,,

Цель достигается тем, что в измерИ тепе амплитуды и фазы световой волны, соцержащем фотозатвор, приемную опти-™ ческую систему, сканирующий фотоприемник и анализатор сигналов приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы и светоделитель , а еияализатор сигналов включает блоки запаздывания, целения и извлечения

кварратного корня, погарифм1гчос1Шй преобразователь Гильберта, синусоидальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гильберта, преобразователь координат, сумматор, источник единичного сигнала, контрольный сумматор, инвертор, блок синхронизации и два квацратора, причем фотозатвор установлен в объектном канале прием-

ной опт1гческой системы, оба канала которой совмещены на еветоцелителе, после которого установлен сканирующий фотоприемник, к которому подключены последовательно блохи запаздывания,

деления, извлечения квадратного корня, логарифмический преобразователь Гильберта, синусоидальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гильберта, сумматор, один из квадраторов и

контрольный сумматор, а преобразова- тель координат одним подключен к выходу блока умножения, другим входом - к выходу преобразователя Гильберта, два других, входа контрольного сухтматора соецине -Ш1 соответственно с выходом блока целения через инвертор и с выходом блока умножения через другой, квадратор, при этом источник единичного сигнала соединен с вторым входом сумматора, второй выхоц сканирующего фотоприемншсасоединен с входом блока деления, блок извлечения квацрат« ного корня - с входом блока умножения, а блок синхрошгзации соединен с

фотозатвором, сканирующим фотоприем- НИКОМ и блоком запаздывания.

На чертеже представлена схема уст ройства Пунктиром выделена-цепь авто контроля.

Измеритель содержит приемную опти

чесзсую систему с каналами 1 и 2. Опти ческий канал 1 совмещен с каналом 2 через фотозатвор 3 и поворотное зерка ло 4 на светоделителе 5, На оптичео

кой оси канала 1 расположен сканирующий фотоприемник 6, выхоц которого подключен к блоку 7 запаздывания. Далее последовательно подключены; блок 8 целения, блок 9 извлечения квадратного корня, блок 10 логарифмического преобразователи Гильберта , блок 11 синусоидального функционального пр&образователя, блок 12 умножения, образоватепь 13 Гильберта и чеоеа первый вход - преобразователь 14 ц&картовых координат в полярные.

К входу преобразователя 14 под:ключен выход блока 12 умножения. Другой выхоц сканирующего фотоприем- 3 ника 6 поцкпючен к входу бпока8 aeneifflH. Кроме того, выхоц преобразоватепя Гильберта соединен с входом сумматора 15, другой вхоц которого соединен с источником 16 единичного сигнапа. Выход сумматора 15 через квадратор соединен с одним из входов контрошьного сумматора 18. Два других входа контрольного сумматора 18 соответ ственно соединены с выходом бпока 8 деления через инвертор 19 и с выходом бпока 12 умножения через квадра тор 20. Сканирующий фотоприемкик 6 и блок 7 запаздывания соединены с блоком 21 синхронизации который сое динен с фотозатвором 3. Совокупность блоков 7-21 представляет собой анали затор сигналов. Измеритель амплитуды и фазы св&товой волны работает следующим образом. По оптическому каналу 2 поступает объектная волна, которая прерывается фотозатвором 3, например в виде обтю ратора и после отражения от поворотно зеркала 4 поступает на светоделитель По оптическому каналу 1 поступает опорная вопна, которая совмещается на светоделителе 5 с объектной волной канала 2, образуя интерференционную картину. Интерференционная картина сканируется блоком 6, представляющим собой сканирующий фотоприемник, например диссектор с синхронизуемыми развертками. Сигнал с блока 6 поступает в блок 7 запаздывания, где задер живается на время, задаваемое блоком синхронизации Блок 7 запаздывания может быть выполнен стандартными радиотехническими средствами, наприм в виде линии задержки, либр в виде набора синхронизуемых элементов памя ти. Работа блока 6 сканирования и блока 7 запаздывания синхронизуется блоком 21 таким образом, чтобы сигнал из блока 6, соответствующий интенсивности интерференционной карти ны на светоделителе 5, и полученный в момент, когда канал 2 не перекрывается фотозатвором (обтюратором) 3, задерживался блоком 7 запаздывания на время, необходимое для сканировани интенсивности опорной волны из канала 1. Причем, во время сканирования опорной волны канал 2 перекрывается фотозатвором 3. Такую синхронизацию можно обеспечить стандартными рен454алотехннчес1щми способами, например, используя тактовые импульсы от фото затвора 3, поступающие на делитель импульсов блока 21 синхронизации. Такой делитель формирует из последовательности тактовых импульсов от фото затвора 3 управляющие сигналы для запуска и остановю блока 6 скашфова™ ния и блока 7 запаздывания. При этом введение в измер1ггель фотозатвора 3 и блока 21 синхронизации позволяет обходиться только одним блоком 6 сканирования. Таким образом, сигналы с второго выхода блока 6 сканирования и с выхода блока 7 запаздывания совмещаются во времени и одновременно поступают в блок 8 деления, с помощью которого определяется отношение этих сигналов. Далее сигнал с выхода блока 8 целения поступает в блок 9 извлечения квадратного корня, а затем - в логарифмический преобразователь 10 Гипьбернта. Логарифмический преобразователь 1О Гильберта работает следующим образом. Вначале определяется натуральный логарифм входного сигнала. Это может быть реализовано при помощисерийного логарифмического усилителя. Затем сигнал фильтруется линейным фильтром. Рассчитанный фильтр может быть реализован стандартными радиотехническими методами. Логарифмическое преобразование Гильберта является одной из существенных операций, реализующих связь интенсивностью и фазой свето вой волны, Дпя упрощения обработки сигнала целесообразно наличие оцного блока, совмещающего логарифмирование и преобразование Гильберта, С выхода логарифмического преобразователя 10 Гильберта сигнал поступает в синусоидальный преобразователь 11, с которого постртает влблок 12 лшожения, на другой вхоц которого поступает сигнал из блока 9 извлечения квадратного корня. После перемножения сигналов с блоков 9 и 11 результирующий сигнал подается на вход преобразователя 13 Гильберта и на один из входов преобразователя 14 декартовых коорш нат в полярные, на другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 12. При этом, преобразователь 14 координат преобразует входные декартовые координаты, а именно, сигналы с блоков 12 и 13 в выходные - полярные координаты т.е. амплитуду и фазу объектной вопны. Отметим, что сигнапы с блоков 12 и 13 можно прецставить в вице: (t) cos (Ь) и (t)Sih4(7. А тфеобраэоватепь 14 выполняет операции над этими сигналами в соответствии

с алгоритмами, описываемыми выражениями:

A|t)Vu2{t)w2(i) и Чa F гпel«

фаза объектной вопны, Д(-Ь) - амплитуца объектной волны, F - оператор вычисп нйя арктангенса по модулю 2 3 .

Для проверки правильности фЬрмирс вания объектной и опорной волнь и обнаружения неправильного функционирования отдельных блоков и обесЪечения тфм самым надежности получаемого результата, измеритепь амплитуды и фазы световой волны содержит цепь автоконтропя, которая работает следуюишм образом. Сигнал с выхода преобра- зоватвпя 13 Гильберта складывается в блоке 15 с единичным сигналом из блока 16. С выхода блока 15 через квадратор 17 сигнал поступает на вход контрольного сумматора 18. На другие вйоды контрольного сумматора 18 поо гупают сигналы с блока 12 через квадратсф 20, из блока 8 через инвертор 19 В случае правильности функционирования .всек блоков устройства сигнал на выходе контрольного сумматора 18 должен быть равен нулю. При неправильном 4ф1к1юонировании устройства на выходе блока 18 появляется ненулевой сигнал.

Надежность получаемого результата гарантируется наличием нулевого сигнала в процессе измерения на выходе блока 18.

Изо етение позволяет визуализировать профиль фазы и .амплитуды объекта на экране осциллографа или другого дисплея. Этот профиль, например оптической детали, в соответствующей схеме интерферометрического контроля н&сет сведения о дефектах поверхности измеряемой детали или о неоонородности показателя преломления (фаза) и показателя поглощения (амплитуда) в исследуемом объекте. Одновременное получение значения амплитуды и фазы позволяет применить предлагаемый измеритель при контроле объектов, юлекщих, например, просветляющее или от ражающее покрыите, и при этом количественно оценить качество этого покрытия и независимо оценить количественно отступления формы поверхности или неоднородности коэффициента преломления.

Для повышения надежности получа&мого сигнала в предлагаемом измерителе применена цепь блоков автоконтроля, которая, используя описанные связи интенсивности и фазы световой волны, на выходе блока 18 контрольного сумматора при правильном функционировании блоков устройства выдает нулевой сигнал.

ИЗМЕРИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ, содержащий фотозатвор, приемную оптическую систему, сканирующий фотоприемник и анализатор сигналов, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона и надежности измерений амплитуды и фазы световой волны, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы и светоделитель, а анализатор сигналов включает блоки запаздывания, деления и извлечения квадратного корня, логарифмический преобразователь Гильберта, синусоидальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гильберта, преобразователь координат, сумматор, источник единичного сигнала, контрольный юумматор, инвертор, блок синхронизации и два квадратора, причем фотозатвор установлен в объектном канапе приемной оптической системы, оба канала которой совмещены на светоцепктеле, после которого установлен сканирующий фотоприемник, к которому подключены последовательно блоки запаздывания, деления, извлечения квадратного корня, погарифмический преобразователь Гильберта, синусоидальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гильберта, сумматор, один из квадраторов и контрольный сумс 9 , а преобразователь координат одним вкоцом подключен к выходу бло(Л ка умножения, другим входом - к выходу-преобразователя Гильберта, два других входа контрольного сумматора соецинены соответственно с выходом бло1ш целения через инвертор и с выходом бпока умножения через другой квадратор, при этом источник единич00 ного сигнала соединен с вторым вхоо дом сумматора, второй выход скани05 рующего фотоприемника соединен с вхо1 дом блока деления, блок извлечения сл квадратного корня - с входом блока умножения, а блок синхронизации соединен с фотозатвором, сканирующим фотоприемником и блоком запаздывания.