Фурье-спектрометр Советский патент 1991 года по МПК G01J3/28 

-Г1

Г

Ю fM

/С П-тЬ--

FZ F&Ttt П

#

г

С/)

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для спектральных исследований материалов. Целью изобретения является повышение точности и надежности. Для этого усилитель 25 низкой частоты, фазовраща,- тель 28, фильтр 29 низкой частоты и блок 15 управления приводом 14 подвижного зеркала 2 снабжены цифровыми блоками управления, подключенными к ЭВМ 31. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

L.

j

о оо

Фиг.

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для спектральных исследований материалов, в частности полупроводниковых.

Цель изобретения - повышение надежности и точности измерений в условиях действия факторов, меняющих параметры измерительного канала.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - блок-схема вычислительного устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы на входах и выходах синхронного детектора с фильтром низкой частоты; на фиг. 4 - временные диаграммы сигнала на выходе фильтра низкой частоты и входе запуска аналого-цифрового преобразователя. Фурье-спектрометр содержит интерферометр Майкельсона 1 (фиг. 1), имеющий оптическую систему, состоящую из зеркал 2-13, из которых два являются подвижными, причем зеркало 2 - подвижноэ вдоль оси, перпендикулярной плоскости зеркала, а зеркало 12 - подвижное вокруг оси, проходящей параллельно плоскости зеркала Остальные зеркала (3-11 и 13) неподвижные. Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14, который подключен к выходу блока 15 управления приводом.

В интерферометре 1 имеются светоделитель 16, управляемый блок 17 фильтров, источник 18 оптического излучения, прерыватель 19 оптического излучения, подключенный к выходу модулятора 20, и фотоприемник 21

В состав спектрометра входит оптический криостат 22 (показан условно). Исследуемый образец 23, помещенный в криостат 22, установлен на пути оптического излучения, сфокусированного зеркалом 9

Фотоприемник 21 через переключатель 24 соединен с усилителем 25 низкой частоты (в зависимости от положения переключателя 24), выход которого соединен с первым входом синхронного детектора 26. Вход модулятора 20 соединен с выходом опорного генератора 2-7, к которому вход фазовращателя 28. Выход фазовращателя 28 соединен с вторым входом синхронного детектора 26. Усилитель 25 снабжен блоком управления коэффициентом усиления Фазовращатель 28 снабжен блоком управления сдвигом фазы.

На выходе синхронного детектора 26 имеется фильтр 29 низкой частоты, который снабжен блоком управления постоянной интегрирования (блок управления на фиг 1 совмещен с фильтром 29 низкой частоты). Выход фильтра 29 низкой частоты соединен с входом аналого-цифрового преобразова

теля 30, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 31. Вход запу- . ска аналого-цифрового преобразователя 30 соединен с выходом модулятора 20.

Второй выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока 15 управления приводом. Первый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом регистратора 32. Четвертый выход

0 вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления коэффициентом усиления усилителя 25. Третий выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления сдвигом фазы

5 фазовращателя 28. Пятый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управления постоянной интегрирования фильтра 29 низкой частоты

В состав вычислительного устройства

0 31 (фиг. 2) входят блок 33 определения коэффициента усиления, блок 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления, блок 35 определения сдвига фазы, блок 36 определения постоянной мнтег5 рирования, блок 37 формирования команд управления приводом и накопитель 38 отсчета интерферограмм.

Вход блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления

0 соединен с первым выходом блока 33 определения коэффициента усиления, второй выход которого образует четвертый выход вычислительного устройства 31. Первый вход блока 33 определения коэффициента

5 усиления образует вход вычислительного устройства 31.

Первый вход блока 35 определения сдвига фазы соединен с первым выходом блока 34 отсчета количества операций опре0 деления коэффициента усиления, второй вход подключен к первому входу блока 33 определения коэффициента усиления. Первый выход блока 35 определения сдвига фазы соединен с вторым входом блока 33

5 определения коэффициента усиления, а его второй выход образует третий выход вычислительного устройства 31.

Второй выход блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента

0 усиления соединен с первым входом блока 36 определения постоянной интегрирования. Второй вход блока 36 определения постоянной интегрирования подключен к первому входу блока 33 определения козф5 фициента усиления, его первый выход образует пятый выход вычислительного устройства 31, а второй выход соединен с входом блока 37 управления приводом. Первый выход блока 37 управления приводом образует второй выход вычислительного устройства 31. Второй выход блока 37 формирования команд управления приводом соединен с первым входом накопителя 38 отсчета интерферограмм, второй вход которого подключен к первому входу блока 33 определения коэффициента усиления. Выход накопи -еля 38 отсчета интерферограмм образует первый выход вычислительного устройства 31.

Устройство работает следующим обра- зом.

От источника 18 оптического излучения (Фиг. 1) световой поток проходит через прерыватель 19, обрезается зеркалом 3 и кол- лимируется параболическим зеркалом 4. От зеркала 4 световой поток параллельным пучком направляется на светоделитель 16, отражается от ппоского зеркала 5 и попадает вновь на светоделитель 16. Отраженный пучок, направленный в сторону зеркала 6, отражается от этого зеркала и подается на параболическое зеркало 7.

Другая часть светового пучка отражается от светоделителя 16 в сторону подвижного зеркала 2. Отражаясь oY зеркала 2, световой пучок проходит через светоделитель 16 и попадает на зеркало 6. Пучок оптического излучения, отраженный от зеркала 6, собирается сферическим зеркалом 7..

Таким образом, на зеркало 7 попадают два световых пучка, прошедших от источника 18 оптического излучения по двум различным плечам интерферометра. В зависимости от того, в каком положении находится подвижное зеркало 2, определяющее разность хода в плечах интерферометра, меняются условия интерференции пучков излучения, собираемых сферическим зеркалом 7.

В результате интерференции меняется интенсивность результирующего оптического излучения, которое направляется от зеркала 7 через предварительно выбранный фильтр блока 17 фильтров. После прохожде- ния фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражается от зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направляется на установленный в фокусе зеркала 9 исследуемый образец 23, размещенный в оптическом криостате 2-2.

Если исследуется спектральная зависимость фотопроводимости, то электрический сигнал снимается непосредственно с контактов к образцу 23 и через переключатель 24 (как показано на фиг. 1) поступает на усилитель 25 низкой частоты.

Если проводят измерения спектров поглощения калориметрической методикой, то вместе с образцом 23 в криостат 22 помещают термочувствительный элемент (например, терморезистор), который соединяют с исследуемым образцом посредством теплопроводника(например, медной проволочки). Электрический сигнал, снимаемый с термочувствительного элемента, аналогично подается на усилитель 25 низкой частоты.

В случае, если измеряют спектры отражения или пропускания образцов материалов, то оптическое излучение либо отражается от образца 23, собирается зеркалом 10 и попадает на фотолриемник 21, отражаясь от зеркала 12 (повернутого в положение, показанное пунктирной чертой)и зеркала 13, либо проходит через образец 23, собирается зеркалом 11, отражается от зеркал 12 и 13, попадая на фотоприемник 21 соответственно. Электрический сигнал с фотоприемника 21 через переключатель 24 (в положении, противоположном показанному на фиг, 1) поступает на усилитель 25 низкой частоты.

С усилителя 25 низкой частоты электрический сигнал поступает на первый вход синхронного детектора 26. На его второй вход подается опорный сигнал с выхода фазовращателя 28, который подключен к опорному генератору 27.

Коэффициент усиления усилителя 25 низкой частоты определяется сигналом, поступившим на вход блока управления коэффициентом усиления с четвертого выхода вычислительного устройства 31.

Опорный сигнал на втором входе синхронного детектора 26 может быть сдвинут по фазе относительно сигнала опорного генератора 27. Величина сдвига фазы определяется сигналом, поступившим на вход блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28 с третьего выхода вычислительного устройства 31.

После синхронного детектирования синхронным детектором 26 и фильтрации по низкой частоте фильтром 29 /чзкой частоты сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь 30. Постоянная интегрирования фильтра 29 низкой частоты определяется сигналом, поступающим на вход его блока управления постоянной интегрирования.

Аналого-цифровой преобразователь 30 осуществляет преобразование аналогового сигнала в цифровой вид. В цифровом виде сигнал поступает на вход вычислительного устройства 31, в котором осуществляется его обработка.

В режиме Настройка подвижное зеркало 2 (фиг. устанавливается в положение, Соответствующее нулевой оптической разнести хода лучей в плечах интерферометра (контроль осуществляется по индикатору нулевой оптической разности хода, который совмещен с приводом подвижного зеркала 14). В этом случае с выхода аналого-цифрового преобразователя сигнал поступает на вход блока 33 определения коэффициента усиления (фиг. 2), который подключен к входу вычислительного устройства 31 (образует его вход). В начальный момент с второго выхода блока 33 определения коэффициента усиления на вход блока управления коэффициентом усиления (фиг. 1) поступает сигнал управления, который соответствует минимальному усилению. В блоке 33 (фиг. 2) осуществляется сравнение сигнала, поступающего с аналого-цифрового преобразователя, с уровнем номинального сигнала. Если этот сигнал меньше, то осуществляется пошаговое изменение сигнала управления в сторону увеличения коэффициента усиления. Так происходит до тех пор, пока сигнал на первом входе блока 33 определения коэффициента усиления не превысит номинального значения, после чего на втором выходе блока 33 устанавливается значение управляющего сигнала, соответствующее коэффициенту усиления усилителя 25 (фиг. 1), при котором с выхода аналого-цифрового преобразователя 30 на вычислительное устройство 31 (первый вход блока 33, фиг. 2) поступает сигнал, близкий к номинальному (с меньшей стороны), т.е. уменьшается коэффициент усиления усилителя 25 (фиг. 1) на одну градацию (один шаг) После установки коэффициента усиления усилителя 25 с первого выхода блока 33 (фиг. 2) на вход блока 34 отсчета количества операций определения коэффициента усиления поступает импульс, свидетельствую щий о завершении операции определения коэффициента усиления

В блоке 34 осуществляется счет количества операций определения коэффициента усиления (т.е. числа поступающих импульсов). Если число поступивших импульсов меньше заданного, то с первого выхода блока 34 на первый вход блока 36 определения сдвига фазы поступает сигнал запуска и он начинает функционировать. В начальный момент с второго выхода блока 35 определения сдвига фазы на вход блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28 (фиг. 1) поступает сигнал управления, соответствующий нулевому сдвигу фазы. Затем осуществляется пошаговое изменение сдвига фазы путем соответствующего изменения сигнала управления. На второй вход блока 35 определения сдвига фазы (фиг. 2) поступает сигнал с выхода аналого-цифрового

преобразователя 30 (фиг. 1). Он записывается (запоминается) для каждого шага. Изменение фазы производится от 0 до 360° с шагом 1-2°. Большая дискретизация не приводит к значительному повышению точности измерений, а меньшая дискретизация снижает точность.

После записи сигнала для каждого шага дискретизации осуществляется определение максимального значения сигнала и на втором выходе блока 35 определения сдвига фазы (фиг. 2) устанавливается управляющий сигнал, соответствующий этому значению. При этом управляющий сигнал, поступая на

вход блока управления сдвигом фазы фазовращателя 28 (фиг. 1), производит сдвиг фазы опорного сигнала на величину сдвига фазы сигнала в канале измерения. В результате на входы синхронного детектора 26 опорный и полезный сигналы поступают синфаз- но.

На фиг. За, б представлены временные диаграммы полезного и опорного сигналов, поступающие на первый и второй входы

синхронного детектора 26. При наличии задержки в канале измерения полезный сигнал (фиг. За), обозначенный сплошной линией, оказывается сдвинутым по фазе на величину Ау (которая зависит от характера

факторов, меняющих параметры измерительного канала). Пунктирной линией на фиг За представлен полезный сигнал

35

/V 0.

На фиг. 36 пунктирной линией обозначен опорный сигнал, поступающий на второй вход синхронного детектора 26 при

40Л/ 1 0

В идеальном случае при отсутствии задержки в канале измерения

45 Ду5 Др О

Сплошной линией на фиг. 36 обозначен опорный сигнал, сдвинутый на величинуДуз.

На фиг. Зв пунктирной линией обозна- 50 чен сигнал после синхронного детектирования (с выхода блока 26) приДу 0. Оказывается, что в этом случае сигнал с выхода фильтра 29 низкой частоты, представленный на фиг. 3 также пунктирной линией, 55 имеет максимально возможное значение.

При задержке полезного сигнала на величину Ду и 0 происходит неоптимальное детектирование полезного сигнала (на фиг. Зв такой сигнал показан сплошной

линией). В результате этого на выходе фильтра 29 низкой частоты (фиг. 1) амплитуда U полезного сигнала падает в соответствии с формулой U Умакс cos Л/ (фиг. Зг, сплошная линия). Таким образом, сдвиг фазы А/} полезного сигнала однозначно определяется амплитудой полезного выходного сигнала, снимаемого с выхода фильтра 29 низкой частоты, и максимальному значению амплитуды полезного сигнала соответству- ет сдвиг фазы А/, равный нулю. Для обеспечения оптимального детектирования не обязательно сдвигать на величину Л/7 сам полезный сигнал Сдвиг опорного сигнала

на величину А/ А/) эквивалентен этому, и в предлагаемом устройстве опорный сигнал с помощью фазовращателя 28 (фиг. 1)

сдвигается на величину А/о А/) , аА/ однозначно определяется по максимально- му значению амплитуды полезного сигнала.

После выполнения операции определения и установки оптимального сдвига фазы с первого выхода блока 35 (фиг. 2) на второй вход блока 33 определения коэффициента усиления поступает импульс его повторного запуска и происходит повторное определение и установка коэффициента усиления. Эта операция крайне необходима, так как после операции определения и установки сдвига фазы (блоком 35) полезный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 30 изменяется и может быть значительно больше номинального значения (или даже допустимого).

Если полезный сигнал превышает допустимую величину, то он ограничивается, и значение фазы не определяется однозначно (учитывая одно из близких значений фазы). В этом случае оказывается недостаточным однократное определение фазы (т.е. однократная работа блока 35) и необходим повторный цикл определения и установки сдвига фазы и коэффициента усиления.

Вполне достаточно дважды проводить определение сдвига фазы. Число циклов определения и установки сдвига фазы ограничивается блоком 34. При этом всегда должно выполняться условие N К + 1, где N - число циклов определения коэффициен- та усиления; К - число циклов определения сдвига фазы. При этом минимальное К, при котором обеспечивается устойчивая работа, равно 2 (хотя может быть и больше), а N 3. После третьего цикла определения и уста- новки коэффициента усиления блоком 33 на вход блока 34 поступает третий импульс, который не приводит к запуску блока 35 определения сдвига фазы. Однако при этом на втором выходе блока 34 появляется сигнал, который запускает блок 36 определения постоянной интегрирования.

В начальный момент с второго выхода блока 36 на вход блока управления постоянной интегрирования фильтра 29 низкой частоты (фиг. 1) поступает управляющий сигнал, соответствующий минимально допустимой величине постоянной интегрирования (величине. при которой среднеквадратичное отклонение полезного сигнала, без образца в канале измерения, не превышает допустимого значения),

В блоке 36 (фиг. 2) осуществляется запись полезного сигнала через одинаковые интервалы времени по числу п точэк; п выбирают произвольным, С увеличением г возрастает точность определений статических параметров, в частности среднеквадратичного отклонения.

Число отсчетов, например, мохе ч быть выбрано п 1000.

Далее производится статистическая обработка записанных данных, в результате определяется среднеквадратичное отклонение величины полезного сигнала Затем производится сравнение полученного среднеквадратичного отклонения о с допустимым Одоп Если о Одоп . то работа блока 36 заканчивается и управляющий сигна/, на втором выходе остается прежним.

Если о сгДоп . то на первом выходе блока 36 управляющий сигнал изменяется так, что при этом постоянная интегрирования фильтра 29 низкой частоты увеличивается на некоторую постоянную величину. Затем вновь повторяется цикл определения среднеквадратичного отклонения и сравне- .ния его с Одоп . Так происходит до тех пор, пока а не будет меньше или равно 7ДОп . После завершения операции определения и установки постоянной интегрирования с выхода блока 36 на вход блока 37 управления приводом поступает сигнал, свидетельствующий о готовности устройства к работе.

В режиме Работа подп/хное зеркало 2 по команде с блока 37 формирования команд управления приводом перемещается в исходную позицию (смещается относительно нулевой разности хода на заданное число точек). Затем осуществляется пошаговое сканирование зеркалом 2, При остановке зеркала 2 в точках отсчета интерферограмм с второго выхода блока 37 формирования команд управления приводом поступает на первый вход накопителя отсчетов интерферограмм сигнал, разрешающий запись отсчета интерферограммы.

После завершения скана записанная интерферограмма может быть выведена из

блока 38 на регистратор 32. Обратное Фурье-преобразование снятой интерферог- раммы позволяет получить спектр.

В вычислительное устройство 31 может входить Фурье-процессор (не показан), который устанавливают после накопителя 38 отсчетов интерферограмм. Тогда на регистратор 32 выводится непосредственно спектр.

В предлагаемом устройстве в процессе всей работы (режимах Настройка и Работа) запуск аналого-цифрового преобразователя 30 (фиг. осуществляется по сигналу с выхода модулятора 20. Это позволяет при измерениях низких уровней сигналов, снимаемых с образцов, снизить влияние на измерительный канал наводок частотой 50 Гц и уменьшить влияние флюктуации сигнала (с выхода фильтра низкой частоты) на процесс преобразования его в цифровой вид.

На фиг. 4а представлен сигнал с выхода фильтра 29 низкой частоты. Из-за неидеальной фильтрации он флюктуирует по амплитуде с частотой модуляции (которую целесообразно выбирать равной 12,5 Гц).

На фиг. 46 показаны импульсы запуска аналого-цифрового преобразователя 30, поступающие на его вход запуска с выхода модулятора 20.

Как видно из фиг. 4а, б, запуск аналого- цифрового преобразователя 30 осуществляется всегда в один и тот же момент времени флюктуации полезного сигнала, поступающего на его вход. Следовательно, за время преобразования всегда происходят аналогичные изменения полезного сигнала и флюктуация сигнала на выходе аналого- цифрового сигнала оказывается значительно сниженной, что повышает точность измерений.

Наводки частотой 50 Гц могут вызывать биения полезного сигнала из-за воздействия их на модулятор. Однако они не приводят к снижению точности в предлагаемом Устройстве, так как запуск аналого-цифрового преобразователя и модуляция оптического излучения осуществляются по одному и Тому же сигналу (с выхода модулятора 20). Формула изобретения 1. Фурье-спектрометр, содержащий интерферометр Майкельсона с приводом подвижного зеркала, подключенным к блоку управления приводом, модулятор, подключенный к опорному генератору, последова- тельно соединенные фотоприемник, усилитель низкой частоты, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора, фильтр низкой частоты, аналого- цифровойпреобразователь, вычислительное устройство, первый выход

которого соединен с регистратором, а также фазовращатель, вход которого подключен к опорному генератору, а выход - к второму входу синхронного детектора, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и надежности измерений в условиях действия факторов, меняющих параметры измерительного канала, усилитель низкой частоты снабжен цифровым блоком управления ко0 эффициентом усиления, фазовращатель снабжен цифровым блоком управления сдвигом фазы, фильтр низкой частоты снабжен цифровым блоком управления постоянной интегрирования, а блок управления

5 приводом подвижного зеркала снабжен цифровым входом, который подключен к второму выходу вычислительного устройства, при этом управляющий вход усилителя низкой частоты соединен с четвертым выхо0 дом вычислительного устройства, управляющий вход фазовращателя соединен с третьим выходом вычислительного устройства, управляющий вход фильтра низкой частоты соединен с пятым выходом

5 вычислительного устройства.

0 операций определения коэффициента усиления, блока определения сдвига фазы, блокаопределенияпостояннойинтегрирования, блока формирования команд управления приводом и накопителя

5 отсчетов интерферограмм, причем вход блока отсчета количества операций определения коэффициента усиления соединен с первым выходом блока определения коэффициента усиления, второй выход которого

0 является четвертым выходом вычислительного устройства, а первый вход совпадает с входом вычислительного устройства, первый вход блока определения сдвига фазы Соединен с первым выходом блока отсчета

5 количества операций определения коэффициента усиления, второй вход подключен к первому входу блока определения коэффициента усиления, первый выход блока определения сдвига фазы соединен с вторым

0 входом блока определения коэффициента усиления, а его второй выход является третьим выходом вычислительного устройства, второй выход блока отсчета количества операций определения коэффициента

5 усиления соединен с первым входом блока определения постоянной интегрирования, второй вход которого подключен к первому входу блока определения коэффициента усиления, его первый выход является пятым выходом вычислителя, а второй выход соединен с входом блока формирования ко-рограмм, второй вход которого подключен

манд управления приводом, первый выходкЪервому входу блока определения коэфкоторого образует второй выход вычисли-фициента усиления, а выход является пертельного устройства, а второй подключен квым выходом вычислительного

первому входу накопителя отсчета интерфе-5 устройства.

L.

7

А Фиг. 2

л

S

/

ФигЗ

Л/2X

Фиг. 4

Ж/2