Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний Советский патент 1986 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к оптик -- акустнческим измерениям и может быть использовано для измерения амплитуд и фаз колебанир поверхности образца.

Целью изобретения является повьй шение чувствительности, помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей.

На чертеже изображена лазерно- интерферометрическая система измерения сверхг-1 аль Х колебаний поверхности.

Лазерно-интерферометричеекая система измерения сверхмалых колебаний содержит лазерный интерферометр 1,фотоприемник 2, установленный на выходе лазерного интерферометра 1, последовательно соединенные первый генератор 3 и пьезомодулятор 4, второй генератор 5, предназначенный для возбуждения колебаний поверхности объекта 6, выполненного в виде кварцевого пьезорезонатора, который скреплен с пьезомодулятором 4, и регистратор 7 выполненный в виде двухкоординатного самописца; последовательно соединенные первый фазосдвигающий блок 8 вход которого предназначен для приема колебаний поверхности объекта 6 коммутатор 9 фазы, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 5, смеситель 10, низкочастотный усилитель 11, первый аттенюатор 12, первый усилитель 13 и аналоговый перемножитель 14- высокочастотный фильтр 15, вход которого соединен с выходом фотоприемника 2, а выход с вторым входом смесите ля 10j последовательно соединенные первый низкочастотный фильтр 16, вход которого соединен с выходом фотоприемника 2, второй аттенюатор , 17, второй усилитель 18.и второй фазосдвигаю ций блок 19, выход которого соединен с вторым входом аналогового перемножителя 14s последовательно соединенные амплитудный детектор 20, вход которого соединен с выходом второго усилителя 18, и второй низкочастотный фильтр 21, выход которого соединен с вторым входом второго аттенюатора 17 и с вторым входом первого аттенюатора 12,, последовательно соединенные третий фазосдвигающий блок 22, вход которого соединен с выходом первого генератора 3, компаратор 23j инвертор 24 и первый коммутатор 25 поляр215042

ности, второй вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя 14, последовательно соединенные второй коммутатор 26 полярно- , сти, вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя 14, операционный усилитель 27, второй вход которого соединен с выходом первого коммутатора 25 полярности, и 0 интетрирующий усилитель 28, выход которого соединен с регистратором 7, а выход компаратора 23 соединен с вторым входом второго коммутатора 26 яолярности.

15

Поверхность объекта 6 устанавливают так, чтобы она располагалась в фокусе фокусирующей оптики 29.

Предусмотрено жесткое соединение пьезомодулятора 4 с предметным столом 30, который приводится во вращение электроприводом 31. Второй вход регистратора 7 предназначен для соединения с датчиком 32 смещения, на- 21J пряжение которого пропорционально смещению предметного стола 30.

Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмальгх колебаний работает следующим образом.

Второй генератор 5 возбуждает колебания поверхности объекта 6, выполненного в виде кварцевого пьезорезонатора. Колебания .поверхности объекта 6 можно описать завиCИvIOCTЬЮ

20

30

35

a(x,y,t) A(x,y)sin 2 Ht -f- Q(x,y) , где )

f(x,yJ

sin распределение амплитуды колебаний поверхности объекта 6;

частота колебаний поверхности объекта 6, возбужденного вторым генератором 5;

распределение фаз колебаний поверхности объекта 6; координаты поверхко- сти объекта , 6 , координата времени;функция синуса.

Амплитуда колебаний поверхности объекта 6, обусловленная возбуждением

т.е. коэффициент передачи второго аттенюатора 17 обратно пропорционален сигналу и или коэффициенту отражения света. Первый и второй аттенюаторы 12 и 17 выполнены технически тоткдественными (т. е. имеют совпадающие параметры и характеристики) , вследствие чего закон изменения коэффициента передачи Ко первого аттенюатора 12 в такте сигнала Uf изменяется синхронно с

К.

0 -- К,о и«/и,.

4

(9)

При этом сигнал Ur на выходе первого аттенюатора 12 равен

Uf

и

Jk

и,

(10)

5

т. е. не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента от- ражения R.

Информативный высокочастотный сигнал-Uj. после фильтрации в высокочастотном фильтре 15 поступает в смеситель 10, где он модулируется при смешении с напряжением сигн ла той же частоты f, поступающего через коммутатор 9 фазы непосредственно с второго генератора 5 и.т1и через первый фазосдвигающий блок 8, Низкочастотный усилитель 11 выделяет низкочастотный сигнал

BO

ч« т-х(

xsin2irFt + (p(t)q)(x,y) + б , (Ц

где 9 - фазовый сдвиг сигнала,

осуществляемый фазосдвигаю щим блоком 8.

После Нормировки этого сигнала первым аттенюатором 12 и усиления первым усилителем 13 информативный сигнал поступает на первый вход аналогового перемножителя 14, на второй вход которого поступает продифференцированный во втором фазосдвигающем блоке 19 сигнал с выхода второго усилителя 18. Сигнал с выхода аналогового перемножителя 14 является быстроосциллирующей функцией при Q (Г/2 и знакопеременной функцией при 0 0.

Первый и второй коммутаторы 25 и 26 полярности вместе с операцион0

5

0

5

0

5

ным усилителем 27 устраняют низкочастотные осцилляции сигнала, связанные с множителем так как работа коммутаторов 25 и 26 полярности с операционным усилителем 27 эквивалентна синхронному выпрямлению (детектированию сигнала с тактовой частотой F), причем моменты переключения первого и второго коммутаторов 25 и 26 полярности совпадают с мо- мейтом изменения знака (зануления) множителя cos2 uFt. Необходимый режим коммутации обеспечивается последовательно соединенными третьим фазо- сдвигающим блоком 22, обеспечивающим фазовый сдвиг , и коммутатором 23.

Противофазность коммутации первого и второго коммутатора 25 и 26 полярности обеспечивает инвертор 24. На выходе операционного усилителя (.дифференциального усилителя) 27 наблюдается сигнал

вы., AU,y)/cos2i;Ft.

t- 87 :os(cpU,y) +е )+cos -;j--BjSin2 HFt +

.t) +ч(х, у) ) (12)

На интегрирующем усилителе 28 npo-j исходит выделение постоянной составляющей (напряжения корреляции)

t L

1

и

kOi

f

вых.впер

(13)

40

где о - время интегрирования

сигнала. Причем, как видно из (13), при

выполнении условия тг « F выходное

с

напряжение интегрирующего усилителя 28 равно

tcop y)cos(c|(x, у) +

so +е;,

(14)

где К ц. - постоянная установки,

зависящая от Us и коэффициента передачи интегратора.

Таким образом, при сканировании выбранного сечения образца 6 выходное напряжение отслеживает ампли3

второго генератора 5, много меньше длины световой волны

Пьезомодулятор 4 под действием напряжения первого генератора 3 вызывает вертикальные низкочастот- Hf)ie поршневые колебания поверхности объекта 6, описываемые выражением

B(t) sin2fFt,

где В,

F амплитуда вертикальных низкочастотных поршневых колебаний поверхности объекта 6, частота низкочастотных вертикальных поршневьЕ колебаний поверхности объекта 6.

Амплитуда низкочастотных вертикальных поршневых колебаний определяется выражением

В.

(3 - 4)л/2.

Лазерный интерферометр 1 преобразует фазовую модуляцию отраженного колеблющейся поверхностью световогч луча в интерференционный сигнал. На выходе фотоприемника 2 интерференционный сигнал определяется вы ражением

:-

иинг( -% ,-sin2m.

:-

A(x,y),SpCt)

.

где Urt (R) - размах интерференционного сигнала на выходе фотоприемника 2, величина которого пропорциональна ам- плитудному коэффициенту R отражения света от объекта 6j (р с (t) - случайные изменения фазы рабочей точки интерферометра,связанные с вибрационным фоном и тепловым дрейфом интерферометра. Сигнал (3) при A(x,yJ«ii д/2 и f F высокочастотным фильтром 15 и первым низкочастотным фильтром 16 разделяется на высокочастотную (.информативную) составляющую U и низкочастотный вспомогательный сигнал Ил, которые как видно из (3) имеют вид

4

U,it) U(R)A .sin 2irFt + VgU.)- si,n2-ilftj ; (4)

о

Q Ha (4) видно, что амплитуда сигнала U пропорциональна амплитуде колебаний А(,х,у) и коэффициенту R отражения, в то время как амплитуда вспомогательного сигнала зависит

15 только от R (.причем прямо пропорционально R) ,

Автоматическая нормировка сигнй- ла Ur по уровню коэффициента отражения производится первым аттенюато2Q ром 12, коэффициент передачи которого Кл обратно пропорционален коэффициенту R отражения света в каждой точке поверхности. В результате сигг нал на выходе первого аттенюатора 12 имеет вид

2S

и

К (R),A),

6)

.

где UARjA) соответствует U(t}.

Сигнал с выхода первого аттенюато 30 ра |2 оказывается зависящим только от амплитуды исследуемых колебаний поверхности А(х, у). Требуемьй режим регулирования первого аттенюатора 12 обеспечивается следующей по35 следовательной замкнутой связью: второй аттенюатор 17| второй усилитель 18, амплитудный детектор 20| второй низкочастотный фильтр 21, которая работает по низкочастотному;

40 вспомогательному сигналу U/ и в

рабочем режиме йтабилизирует напряжение и на выходе второго усилите-;

ля 18 около некоторого постоянного значения U о .

45 На выходе второго усилителя 18 сигнал определяется из выражения

и

Л

к,„ (t)-u,,

10

(7)

где Kjjj(t) .- коэффициент передачи второго аттенюатора 17 в текущий момент сканирования поверхности объекта 6. Из выражения (7) вытекает, что

К

10

uv/u.

(8)

туду и фазу колебаний поверхности образца 6, информация о которых выводится на регистратор 7, выполненный в виде двухкоординатного самописца. На вторую координату самописца подается напряжение с датчика 32 смещения, пропорциональное линейному смещению предметАого стола 30. Сканирование сечения образца 6 зондирующим световым лучом обеспечивается движением предметного стола 30, который приводится в движение электроприводом 31. В результате световой луч последовательно ощупывает точки выбранного сечения поверхности образца.

При колебаниях точек поверхности образца 6 с произвольной начальной фазой (измерение выполняется вблизи резонанса, но не при точной настройке на него) измерения в каждом сечении выполняются дважды: при S - О и 2 , в результате регистратор 7 прочерчивает две кривые

и(х)/0, О н Uj(x) и

(х)/б UgU),

после чего амплитуды и фазы сверхмалых колебаний поверхности образца 6 определяются из выражений:

А(х, у) ) + и| (к), (15) С|(х, у) arctgUg(x)/Ug(x). () Формула изобретения

Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний, содержащая лазерный интерферометр, фотоприемник, установленный на выходе лазерного интерферометра, следовательно соединенные первый генератор и пьезомодулятор, второй генератор, предназначенный для возбуждения колебаний поверхности объекта, и регистратор, о т л и .215048

чающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, помехоустойчивости и расширения функциональных возможностей, она снабжена

5 последовательно соединенными первым фазосдвигающим блоком, вход которого предназначен для приема колебаний поверхности объекта, коммутатором фазы, второй вход которого соединен с

10 выходом второго генератора, и смесителем, низкочастотным усилителем, первым аттенюатором, первым усилителем и аналоговым перемножителем, высокочастотным фильтром, вход кото)5 рого соединен с выходом фотоприем- ника, а выход - с вторым входом смесителя, последовательно соединенными первым низкочастотным фильтром, вход которого соединен с вы20 ходом фотоприемника, вторым аттенюатором, вторым усилителем и вто- рым фазосдвигаюЕЦим блоком, выход которого соединен с входом аналогового перемножителя, последо25 вательно соединенными амплитудньм де тектором, вход которого соединен с . выходом второго усилителя, и вторым низкочастотным фильтром, выход которого соединен с вторым входом вто-; рого аттенюатора и вторым входом пер30

35

40

45

вого аттенюатора, последовательно соединенными третьим фазосдвигающим блоком, выход которого соединен с выходом первого генератора, компаратором, инвертором и первым ко -гмутатором полярности, второй вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя, последовательно соединенными вторьш коммутатором полярности, вход которого соединен с выходом аналогового пере- мнолдателя, операционный усилителем,. второй вход которого соединен с выходом первого коммутатора полярно- сти, и интегрирующим усилителем, выход которого соединен с регистратором, а выход компаратора - с вторым входом второго коммутатора полярности.

Ш

.ЖЛ

22 -

Изобретение относится к оптико- акустическим измерениям и может быть использовано для измерения амплитуд и фаз колебаний поверхности образца. Целью изобретения является повышение чувствительности, помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей. В лазерно-интерферометри- ческой системе измерения сверхмалык колебаний второй генератор возбуждает колебания поверхности объекта. Пьбзомодулятор под действием напряжения первого генератора вызывает вертикальные, низкочастотные поршневые колебания поверхности объекта. Лазерный интерферометр преобразует фазовую модуляцию отраженного светового луча в интерференционный сигнал. Интерференционный сигнал с выхода фотоприемника разделяется высокочастотным и низкочастотными фильтрами на высокочас.- тотную и и низкочастотную Ui; состав- ляюпще. Амплитуда сигнала U i пропорциональна амплитуде колебаний А(к,у) и коэффициенту R отражения, а амплитуда сигнала U зависит от R . Сигнал с выхода первого аттенюатора зависит только от А(х,у) и не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента отражения.Высокочастот1{ый сигнал и после высокочастотного фипьтра поступает в смеситель, где он модулируется напряжением сигнала той же частоты f. Сигнал с выхода.аналогового перемножителя является быстро- осциллирующей или знакопеременной функцией. Коммутаторы поля рности вместе с операционным усилителем устраняют низкочастотные осцилляции сигналов. Инвертор обеспечивает противофазность коммутации. На выходе интегрирующего усилителя выделяется постоянная составляющая сигнала. При сканировании выбранного сечения образца выходное напряжение отслеживает амплитуду и фазу колебаний Поверхности образца. 1 ил. § СО ю ю сд о 4