СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО РАЗБАЛАНСА ДВУХЛУЧЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА Советский патент 1995 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к технике СВЧ- и ИК-диапазонов (прежде всего миллиметрового и субмиллиметрового), а именно к способам определения фазового разбаланса интерферометров в этих диапазонах.

По величине разбаланса интерферометра определяют количественные параметры того, что явилось причиной этого разбаланса: смещения элементов интерферометров, фазы коэффициентов пропускания или отражения объектов, помещаемых в интерферометр, толщины этих объектов, показатели преломления материалов, из которых они изготовлены, т.п. Таким образом, предполагаемое изобретение имеет отношение и к способам измерения смещений, толщин, а также физических и химических параметров веществ средствами СВЧ-ИК диапазона.

Цель изобретения упрощение способа, т.е. уменьшение числа необходимых амплитудных измерений без увеличения неопределенности результата измерения фазы. Данное техническое решение позволяет достичь этой цели для двухлучевого интерферометра, содержащего измерительное плечо и по меньшей мере одно опорное плечо (измерительное плечо может содержать объекты с неизвестными параметрами, в частности измеряемые объекты, или элементы с заранее неизвестным пространственным положением, в частности при интерферометрическом измерении перемещений и т.д. а опорное плечо подобных объектов или элементов содержать не может). Достижение этой цели ведет, в частности, к сокращению суммарного времени измерения фазы при последовательных амплитудных измерениях (возможны варианты заявляемого способа с параллельными (одновременными) амплитудными измерениями).

На фиг. 1 представлена векторная диаграмма, иллюстрирующая сущность заявляемого способа. На фиг. 2 и фиг. 3 векторные диаграммы, поясняющие особенности заявляемого способа в случае, когда дополнительная разбалансировка интерферометра на заданную величину, фаза которой γ не кратна 180^о, не является чисто фазовой, а сопряжена с заданной амплитудной разбалансировкой.

Заявляемый способ можно реализовать в следующем варианте. Имеется двухлучевой интерферометр, например, типа Маха-Цендера, содержащий объектное (измерительное) и опорное плечи (как в способе-прототипе). Для простоты предположим, что он первоначально сбалансирован так, что сигналы опорного и объектного плеч строго противофазны. В интерферометр вносят сложный амплитудно-фазовый разбаланс путем введения пассивного (не усиливающего) пропускающего объекта в его объектное плечо. Требуется определить фазовую часть этого разбаланса, т. е. фазу коэффициента пропускания объекта (или полную величину этого разбаланса, т.е. комплексный коэффициент пропускания объекта). Для этого интерферометр без объекта балансируют по амплитуде так, чтобы амплитуда сигнала, обусловленного только объектным плечом, составляла половину от амплитуды сигнала, обусловленного только опорным плечом (мощности соответствующих сигналов относятся как 1/4). Эту балансировку можно выполнить, например, введением соответствующего аттенюатора в объектное плечо. Затем в объектное плечо интерферометра вводят пропускающий объект и приступают непосредственно к измерениям. Измеряют амплитуду А1 суммарного сигнала опорного и объектного плеч интерферометра, соответствующего его первоначальному (искомому) разбалансу. Вносят в интерферометр дополнительный чисто фазовый разбаланс на угол γ не кратный 180^о, например, на 90^о. Это можно сделать, в частности, передвинув зеркало в опорном плече интерферометра на четверть длины волны. Затем измеряют амплитуду А2 второго сигнала на выходе интерферометра, соответствующего этой дополнительной разбалансировке. Далее перекрывают непрозрачным экраном объектное плечо интерферометра и измеряют амплитуду А3 сигнала на выходе, обусловленного только опорным плечом. Наконец по измеренным амплитудам А1, A2 и А3 определяют искомый фазовый разбаланс ϕ
Процедура нахождения фазового разбаланса по амплитудам А1, А2, и А3 проиллюстрирована фазовой диаграммой фиг. 1, причем эта процедура может сводиться к практическому построению подобной диаграммы с последующим измерением угла ϕ или к расчету по тригонометрическим формулам, соответствующим этой векторной, диаграмме, или быть иной, фактически эквивалентной этой диаграмме. На фиг. 1 представлен вектор АО длины, пропорциональной А3, соответствующий сигналу опорного плеча до дополнительной разбалансировки на угол γ Вектор ОС, равный половине вектора ОА, соответствует сигналу в обьектном плече до введения в него пассивного объекта, вносящего в интерферометр искомый разбаланс, взятому с обратным знаком. Далее строят вектор ОВ длины А3, составляющий с вектором ОА угол γ, соответствующий сигналу в опорном плече после дополнительной разбалансировки на угол γ Затем строят треугольник АВК (по трем сторонам), стороны АК и ВК которого пропорциональны А1 и А2 соответственно. Строят этот треугольник таким образом, чтобы вершина К лежала относительно линии АВ с той же стороны, что и точка О. Искомый фазовый разбаланс ϕ представляет собой угол между векторами ОК и ОС.

На фиг. 1 представлена также точка М, отстоящая от точек А и В на расстояния А1 и А2 (как и точка К), но лежащая по другую сторону линии АВ, чем точка О. Соответствующий точке М фазовый разбаланс Ψ не может быть истинным фазовым разбалансом интерферометра, поскольку отношение длин векторов ОМ и ОС превышает единицу, т.е. модуль коэффициента пропускания объекта, вызывающего разбаланс, превышает единицу, что противоречит предложению о пассивности этого объекта. На фиг. 1 представлена также окружность с центром в точке О, проходящая через точку С. Все возможные значения комплексного разбаланса интерферометра, обусловленные пассивной причиной, могут лежать лишь внутри или на, но не вне этой окружности. На фиг. 1 представлена также вторая окружность, симметричная первой относительно линии АВ, с центром в точке Е, симметричной точке О. Внутри или на этой второй окружности лежат значения "ложного" фазового разбаланса, обусловленного пассивной причиной. Характерно, что первая и вторая окружности не пересекаются. т.е. всегда существует возможность отличить истинный разбаланс интерферометра от "ложного" по тому, внутри какой из окружностей находится соответствующий ему вектор комплексной амплитуды сигнала из объектного плеча, или, что то же самое, с какой стороны от линии АВ расположен этот вектор, или, что то же самое, какому из разбалансов соответствует меньшая амплитуда сигнала в объектном плече.

Положительный эффект здесь обусловлен тем, что, по сравнению с прототипом данный способ требует на одно амплитудное измерение меньше (три против четырех), что позволяет сократить полное время измерений. При повторных измерениях (в частности, если имеется несколько объектов, фазу коэффициентов пропускания которых требуется измерить) положительный эффект возрастает, т. к. отпадает необходимость не только в повторных предварительных амплитудных балансировках интерферометра, но и в повторных измерениях амплитуды А3 сигнала в опорном плече (т.к. объект измерения помещают в другое плечо). В этом случае заявляемый способ требует лишь двух амплитудных измерений против трех у способа-прототипа.

Представляется целесообразным рассмотреть некоторые варианты заявляемого способа. Прежде всего, его можно реализовать не только на интерферометре Маха-Цендера, но и на любом другом двухлучевом интерферометре (Майкельсона, Мартина-Поплетта и др.). "Пассивный" фазовый разбаланс можно вносить в него не только путем введения пропускающего объекта, но и путем замены одного или более зеркал отражающим объектом, путем перемещения зеркала или другого элемента интерферометра и т.п. Угол дополнительной разбалансировки интерферометра γ может быть не равен 90^о, но составлять 30^о, 60^о, 120^о или другую величину, не кратную 180^о, и вообще эта разбалансировка может быть не чисто фазовой, а амплитудно-фазовой (о чем будет сказано ниже). Амплитуду А3 сигнала опорного плеча можно измерять не только после измерения амплитуд А1 и А2, но и до него, и даже до введения "пассивного" объекта в объектное плечо интерферометра, а в некоторых случаях даже до операции амплитудной балансировки интерферометра (если эта разбалансировка не влияет на опорное плечо или влияет известным образом). Амплитудные измерения А1, А2 и А3 можно выполнять последовательно, причем в любом порядке, или параллельно (одновременно), например, если интерферометр многоканальный (см. описание способа-прототипа), или параллельно-последовательно. В случае, если какие-то амплитудные измерения выполняются параллельно, отпадает необходимость в операции дополнительной фазовой разбалансировки интерферометра на угол γ (при параллельном измерении А1 и А2), или в операции перекрытия непрозрачным экраном объектного плеча (при параллельном измерении А1 и А3, или А2 и А3, или А1 и А2 и А3), т.к. соответствующие операции выполняются во время настройки многоканального интерферометра.

Как видно из диаграммы фиг. 1 для того, чтобы истинное значение разбаланса интерферометра можно было отличить от "ложного", необходимо, чтобы амплитуда сигнала в объектном плече была достаточно мала по сравнению с амплитудами в опорном плече, или, что же самое, амплитуды в опорном плече велики по сравнению с амплитудой объектного. Более конкретно, высота треугольника АОВ (фиг. 1), опущенная из вершины О на сторону АВ, должна быть больше (точнее, не меньше) амплитуды сигнала в объектном плече, т.е. больше модуля вектора ОС. Применительно к конкретным параметрам задачи, которой соответствует фиг. 1, сигнал в опорном плече должен превышать сигнал объектного плеча более чем в раз по амплитуде (в 2 раза по мощности). Это самое условие можно сформулировать в виде алгебраического неравенства, введенного в формулу изобретения, на языке амплитуд сигнала в опорном плече, приведенных к единичной амплитуде в объектном плече (т.е. частных от деления амплитуды опорного на амплитуду объектного плеча) при измерении сигналов А1 и А2. В случае, которому соответствует фиг. 1, обе приведенные амплитуды больше либо равны 2, а левая часть неравенства составляет не менее чем что больше единицы. Левая часть неравенства минимальна в отсутствие объекта в объектном плече или при его 100% пропускании. Введение "пассивного" объекта в объектное плечо интерферометра уменьшает (точнее, не увеличивает) амплитуду сигнала в нем, что ведет к увеличению приведенных амплитуд сигнала опорных плеч и, как следствие, усилению (как минимум, к сохранению) вышеназванного неравенства.

При реализации заявляемого способа фазовую разбалансировку на заданный угол γ можно вносить в интерферометр разными методами, многие из которых сопряжены с дополнительной амплитудной разбалансировкой. В частности, такая комплексная амплитудно-фазовая разбалансировка получается при введении в интерферометр фазовой пластинки, т.к. ее коэффициент пропускания (отражения), как правило, заметно меньше единицы. Фиг. 2 и фиг. 3 поясняют заявляемый способ в случае такой комплексной разбалансировки.

На фиг. 2 представлена векторная диаграмма, соответствующая варианту настоящего способа, совпадающего с описанным ранее, за исключением того, что разбалансировка интерферометра на заданную величину достигается путем введения в его опорное плечо фазовой пластинки с коэффициентом пропускания 1/2 по амплитуде (1/4 по мощности). Фазовый сдвиг γ вносимый пластиной, составляет 90^о. Вектор ОА здесь соответствует сигналу в опорном плече до введения в него фазовой пластинки, а вектор ОВ тому же сигналу после ее введения. Длина ОВ составляет половину длины ОА. Амплитуда сигнала в объектном плече (вектор ОС) выбрана равной четверти от амплитуды сигнала в опорном плече до введения пластинки (вектор ОА). Приведенные амплитуды а и b сигналов в опорном плече составляют в этом случае 4 и 2, а левая часть неравенства, приведенного в формуле изобретения, 4/ , что заметно больше единицы. На фиг. 2 видно, что окружность с центром в точке О радиусом ОС не пересекает линии АВ, т.е. имеется возможность отличить истинный разбаланс интерферометра от ложного при любом "пассивном" разбалансе, причина которого локализована в его объектном плече.

Амплитуду сигнала в объектном плече в принципе можно выбрать как меньше, так, и больше четверти амплитуды вектора ОА, однако она ограничена сверху величиной высоты ОН треугольника ОАВ, т.е. в данном случае она должна быть меньше, чем ОА/.

На фиг. 3 представлена векторная диаграмма еще одного варианта реализации настоящего способа. Он отличается от предыдущего варианта тем, что разбалансировка интерферометра на заданную величину осуществляется введением той же самой фазовой пластинки, но не в опорное, а в объектное плечо. Здесь вектор ОА по-прежнему соответствует сигналу опорного плеча до введения фазовой пластинки, а вектор ОВ тому же сигналу после ее введения. Фазовая часть γ этой разбалансировки составляет в данном случае не 90^о, а -90^о. Длина вектора ОВ вдвое превышает длину вектора ОА, что отражает тот факт, что фазовая пластинка, уменьшая вдвое амплитуду сигнала в объектном плече и реально не изменяя амплитуду сигнала в опорном, во столько же раз (т.е. вдвое) увеличивает приведенную амплитуду опорного плеча. Амплитуда ОС сигнала в объектном плече выбрана равной половине амплитуды сигнала опорного плеча (без фазовой пластинки). В данном случае приведенные амплитуды а и b опорного плеча составляют соответственно 2 и 4 (а при введении в объектное плечо "пассивной" причины разбаланса еще больше), таким образом, левая часть вышеупоминавшегося неравенства составляет 4/ (при введении "пассивной" причины еще больше), что заметно больше единицы. Как и ранее, амплитуда сигнала в объектном плече в принципе может быть как меньше, так и больше половины амплитуды вектора ОА. При этом, однако, она должна быть не больше высоты ОН треугольника ОАВ, т.е. в данном конкретном случае не больше ОАх2/.

Три приведенных выше примера реализации настоящего способа не исчерпывают данного технического решения. Прежде всего, в них рассматривался разбаланс интерферометра, вызванный введением "пассивного" пропускающего объекта (т.е. объекта без усиления) в объектное плечо интерферометра. Но способ остается не менее эффективным и при других "пассивных" (не приводящих к усилению) причинах разбаланса интерферометра: помещение в объектное (измерительное) плечо отражающего объекта без усиления; смещение элементов интерферометра (например, зеркал) и другие причины, которые не могут привести к увеличению части сигнала на выходе, обусловленной излучением, прошедшим по измерительному плечу. В этом случае передаточная функция измерительного плеча ограничена по модулю сверху по крайней мере единицей, а в отдельных случаях можно назвать и еще меньшую верхнюю границу модуля передаточной функции измерительного плеча (например, на основе предварительных измерений или иного анализа причины разбаланса интерферометра).

Существуют и другие варианты реализации этого способа. Так, при реализации любого варианта настоящего способа требуется, чтобы неравенство, приведенное в формуле изобретения, выполнялось после введения в объектное плечо интерферометра причины разбаланса. Достаточным (но не необходимым) условием этого является выполнение этого же неравенства для "пустого" интерферометра в случае "пассивной" причины разбаланса. Однако в некоторых случаях требование выполнения этого неравенства для "пустого" интерферометра представляется излишне строгим. Например, если требуется измерить фазу коэффициента пропускания "пассивного" объекта, коэффициент пропускания по мощности которого заведомо не превышает 1/100 (что может быть установлено, например, в результате предварительных "амплитудных" измерений), вполне можно выполнить амплитудную балансировку интерферометра так чтобы для "пустого" (т.е. без объекта) интерферометра амплитуда сигнала в объектном плече превышала высоту треугольника на соответствующей векторной диаграмме, однако не более чем в 10 раз. В этом случае для пустого интерферометра неравенство не выполняется, а для интерферометра с измеряемым объектом в объектном плече выполняется. Такой вариант реализации также соответствует настоящему изобретению.

Возможности настоящего способа не ограничиваются "пассивными" причинами разбаланса интерферометра. ОН с успехом может быть применен и в случаях, когда причина разбаланса является "активной" (связанной с усилением сигнала), но с ограниченной сверху по модулю передаточной функцией, причем эта верхняя граница должна быть задана (в отличие от "пассивного" случая, когда этой верхней границей всегда можно выбрать единицу). В частности, если имеется "активный" пропускающий объект, коэффициент пропускания которого по мощности не превышает четырех (а по амплитуде двух), и требуется измерить фазу его коэффициента пропускания, то можно сделать это способом, аналогичным любому из вариантов, описанных выше, за исключением амплитудной балансировки интерферометра. В отличие от этих вариантов, "пустой" интерферометр здесь надо сбалансировать по амплитуде так, чтобы сигнал объектного плеча был не просто меньше высоты соответствующего треугольника на векторной диаграмме, а как минимум вдвое меньше. Тогда после введения измеряемого объекта в интерферометр, даже с учетом возможного усиления, сигнал объектного плеча не превысит этой высоты, вышеприведенное неравенство будет соблюдено и положительный эффект достигнут.

Настоящий способ можно применить при исследовании не только пропускающих, но и отражающих объектов (как "пассивных" так и "активных"), а также при интерференционном измерении перемещений и в других случаях.

Использование настоящего способа вместо прототипа позволяет сократить суммарное время измерения как минимум на четверть, т.к. требует на четырех, а трех амплитудных измерений. В случае, когда речь идет о повторных измерениях (несколько объектов с не очень сильно отличающимися параметрами, непрерывный контроль перемещений и т.п.) суммарное время измерений сокращается на треть, поскольку отпадает необходимость в многократных измерениях сигнала опорного плеча (АЗ), а повторяющимися амплитудными измерениями являются у способа-прототипа три суммарных сигнала, а у настоящего способа два суммарных сигнала (А1 и А2).

Как настоящий способ, так и способ-прототип могут быть реализованы не только в последовательном, но и в параллельном вариантах (с одновременным выполнением нескольких амплитудных измерений, например, несколькими приемниками). В этом случае преимуществом настоящего способа будет простота аппаратурной реализации, т.к. он потребует лишь трех параллельных приемных каналов (возможно двух, при повторных измерениях), а способ-прототип четырех (или соответственно трех). В случае реализации комбинированных параллельно-последовательных вариантов преимущества нового способа перед известным будут состоять либо в меньшем времени измерений, либо в более простой аппаратуре, либо в обоих этих качествах одновременно (в зависимости от конкретных сравниваемых вариантов).

Использование: изобретение относится к технике СВЧ-и ИК диапазонов, прежде всего миллиметрового и субмиллиметрового, а именно к способам измерения фазы в этих диапазонах. Сущность изобретения: способ включает возбуждение интерферометра электромагнитным излучением, измерение амплитуды первого сигнала на выходе, измерение амплитуды второго сигнала на выходе, соответствующего тому же интерферометру, дополнительно разбалансированному относительно первого состояния на заданную величину, так что фаза дополнительной разбалансировки γ не кратна 180°, измерение амплитуды третьего сигнала на выходе, соответствующего только опорному плечу интерферометра, и определение фазового разбаланса по трем измеренным амплитудам. Новым в способе является то, что до измерения первых двух вышеупомянутых амплитуд интерферометр балансируют по амплитуде так, чтобы после введения причины разбаланса в интерферометр амплитуды сигналов в его опорном плече, приведенные к единичной амплитуде в объектном плече, при измерении первых двух сигналов удовлетворяли неравенству где a и b - приведенные амплитуды сигналов опорного плеча, а при определении фазового разбаланса интерферометра по измеренным амплитудам отбрасывают то его значение, которое соответствует большей амплитуде сигнала в объектном плече. Положительный эффект достигается здесь за счет уменьшения количества амплитудных измерений, нужных для одного фазового. 3 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО РАЗБАЛАНСА ДВУХЛУЧЕВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА, содержащего измерительное плечо и по меньшей мере одно опорное плечо, путем его возбуждения электромагнитной волной, измерения амплитуд трех сигналов на выходе, соответствующих различным разбалансировкам измерительного плеча относительно опорного, различающимся между собой на заданную величину, такую, что для двух из этих разбалансировок фазы измерительного плеча относительно опорного отличаются друг от друга на заданный угол ν, не кратный 180^o, а для третьей амплитуда измерительного плеча пренебрежимо мала по сравнению с амплитудой опорного, определения фазового разбаланса по измеренным амплитудам, отличающийся тем, что, с целью упрощения, до измерения амплитуд при первых двух разбалансировках интерферометр балансируют по амплитуде так, чтобы выполнялось соотношение

где a и b отношения амплитуды в опорном плече к амплитуде в измерительном плече для первой и второй разбалансировок интерферометра, причем при определении фазового разбаланса интерферометра по измеренным амплитудам выбирают то его значение, которое соответствует меньшей амплитуде в измерительном плече.