Измеритель амплитуды и фазы световой волны

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„ЯЦ „„103 0645

З5 С, 01 В 9/02

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2l) 3403029/18-25 (22) 18.02.82 (46) 23.07.83. Бюл. № 27 (72) Э. А. Витриченко, Л. А. Пушной и В. А. Тартаковский (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения Оптика

Сибирского отцепения АН СССР, Институт оптики атмосферы Сибирского отце пения АН СССР и Институт космичес ких исспедований АН СССР (53) 535.24 (088.8) (56) 1. Патент США № 4305666, кп. С, 01 В 9/02, опубпик. 1981.

2. Авторское свидетепьство СССР

¹ 851092 кп. (;, 01 В 9/02, 1981 (прототип). (54) (57) ИЗМЕРИТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ СВЕТОВОЙ ВОЛНЫ, содержащий фотозатвор, приемную оптическую систему, сканирующий фотоприемник и анализатор сигналов, о т л и ч аю шийся тем, что, с цепью расширения диапазона и надежности измерений амппитуцы и фазы световой вопны, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы и светоделитель, а анализатор сигнапов вкпючает бпоки запазцывания, цепения и из влечения квацратного корня, погарифмический преобразоватепь Гипьберта, синусоидапьный преобразоватепь, блок умножения, преобразователь 1 ипьберта, преобразоватепь коорцинат, сумматор, источник единичного сигнапа, контропьный яумматор, инвертор, блок синхронизации и два квацратора, причем фотозатвор установлен в объектном канале приемной оптической системы, оба канала которой совмещены на свьтоцелитепе, поспе которого установпен сканирующий фотоприемник, к которому подключены послецоватепьно блоки запаздывания, деления, извпечения квадратного корня, погарифмический преобразоватепь Гипьберта, синусоицапь ный преобразоватепь, блок умножения, преобразователь Гипьберта, сумматор, один из квацраторов и контрольный сумматор, а преобразоватепь коорцинат одним вхоцом подключен к выходу бло ка умножения, другим входом - к выхооу-преобразоватепя Гипьберта, цва цругих вхоца контропьного сумматора соединены соответственно с выходом блока деления через инвертор и с выходом бпока умножения через цругой квацратор, при зтом источник единичного сигнала соединен с вторым вхоцом сумматора, второй выход скжщрующего фотоприемника соединен с вхоцом блока цепения, блок извлечения квадратного корня - с вхоцом блока умножения, а блок синхронизации соецинен с фотозатвором, сканируюиим фотоприемником и блоком запаздывания.

1030645

Изобретение относится к оптической измерительной технике, а именно к интерферометрии, и может быть использовано в оптическом приборостроеип и при исследовании оптических неоцнороцностей в прозрачных средах.

Известно устройство для измерения амплитуцы и фазы световой волны, содержащее фотозатвор, приемную оптическую систему, фотоприемник и анализатор сигналов Гl J.

Нецостатками устройства являктся сложность алгоритмов восстановления фазы и, как следствие, узкий рабочий циалазон, а также необходимость использования специализированных 3ВМ на всех стадиях получения и обработки интерфер огр аммы.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель амплитуды и фазы световой волны, содержащий фотозатвор, приемную оптическую систему, сканирующий Фотоприемник и анализатор сигналов 1 2 ), Нецостатками известного устройся ва являются малый диапазон фазы (не более одной полосы ), при котором работает устройство, и работоспособность только в условиях регулярной природы интерференционной картины (no лоса или кольцо). При наличии искаже= ния сложной формы на контролируемом, объекте устройство работать не может.

Однако, налример, оптические детали в процессе их изготовления имеют цефекты сложной формы и ошибки, oom шие по диалазону (от 0.1 цо 10 интерференционных полос), поэтому цля та ких значений неоднороцностей фазы такое устройство непригодно.

Кроме того, остается неопределенность значения фазы в центре поля интерференционной картины, так как значения полученной фазы измеряются относитеттьно центрального значения фазы опрецеляемого центральным фотозатворами, Цель изобретения - расширение циапазона и надежности измерений амплитуцы и фазы световой волны„

Uemü цостигается тем, что в измерителе амплитуды и фазы световой волны, содержащем фотозатвор, приемную опть ческую систему, сканирующий фотоприемник и анализатор сигналов, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы и светоцелитель, а анализатор сигналов включает блоки залазцывания, деления и извлечения

55 квадратного корня, логарифмический преобразователь Гильберта, синусоидальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гильберта, преобразователь коорцинат, сумматор, источник единичного сигнала, контрольный сумматор, инвертор, блок синхронизации и два квацратора, причем фотозатвор установлен в объектном канапе приемной оптической системы, оба канала которой совмещены на светоцелителе, после которого установлен сканирующий фотоприемник, к которому поцключены послецовательно блоки запазцывания, деления, извлечения квацратного корня, логарифмический преобразов тель Гильберта, синусоицальный преобразователь, блок умножения, преобразователь Гитп берта, сумматор, один из квацраторов и контролыгый сумматор, а преобразователь коорцинат одним поцключен к выходу блока умножения. цругим вхоцомк выходу преобразователя Гильберта, два цругих входа контрольного сумматора соединены соответственно с выходом блока деления через инвертор и с выхоцом блока умножения через цругой квацратор, при этом источник ециничного сигнала соединен с вторым входом сумматора, второй выхоц скширу1с= щего фотоприемника соединен с вхоцом блока деления, блок извлечения квадратного корня — с вхоцом блока умножения, а блок синхронизащщ соединен с фотозатвором, сканирующим фотоприемником и блоком запаздывания.

На чертеже прецставпена схема уст ройства. Пунктиром выделена цепь автс контроля.

Измеритель содержит приемную оптическую систему с каналами l и 2. Опти= ческий канал 1 совмещен с каналом 2 через фотозатвор 3 и поворотное зеркало 4 на светоцетитепе 5. На оптической оси канала 1 расположен сканирующий фотоприемник 6, выхоц которого поцктпочен к блоку 7 залазцывания. Далее послецовательно поцключены; блок 8 целения, блок 9 извлечения квацратного корня, блок 10 логарифмического преобразователя Гилъберта, блок l l синусои дального функционального преобразователя, блок 12 умножения, преобразователь 13 Гипьáepra и через первый вход - преобразователь 14 цькартовых координат в полярные, K цругому вхоцу преобразователя 14 подключен выхоц блока 12 умножения.

Другой выхоц сканирующего фотоприем3 l0 ника 6 подключен к входу блока 8 пе= пения.

Кроме того, выход преобразователя 13

Гильберта соединен с входом сумматора 15, другой вход которого соединен с источником 16 единичного сигнала.

Выход сумматора 15 через квадратор 17 соединен с одним из входов контро п ного сумматора 18. Два других входа контрольного сумматора 18 соответственно соединены с выходом блока 8 деления через инвертор 19 и с выходом блока 12 умножения через квапратор 20. Сканирующий фотоприемник 6 и блок 7 запаздывания соединены с блоком 21 синхронизации, который соединен с фотозатвором 3. Совокупность блоков 7-21 представляет собой анали.затор сигналов.

Измеритель амплитуды и фазы световой волны работает спепуюшим образом.

По оптическому каналу 2 поступает объектная волна, которая прерывается

Фотозатвором 3, например в вице обтюратора и после отражения от поворотного зеркала 4 поступает на светоделитель 5.

По оптическому каналу 1 поступает опорная волна, 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 эаперживается на время, задаваемое блоком 21 синхронизации Блок 7 запаздывания может быть выполнен стандартными радиотехническими средствами, например в виде пинии задержки, либо в випе набора синхронизуемых элементов памяти, Работа блока 6 сканирования и блока 7 запаздывания синхронизуется блоком 21 таким образом, чтобы сигнал иэ блока 6, соответствуюший интенсивности интерференционной картины HB светоделитепе 5, и полученный в момент, когда канал 2 не перекрывается фотозатвором обтюратором} 3, задерживался блоком 7 запаздывания на время, необходимое для сканирования интенсивности опорной волны из кана; ла 1.

Причем, во время сканирования опорной волны канал 2 перекрывается фотоэатвором 3, Такую синхронизацию можно обеспечить стандартными ра10

55 введение в измеритель 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 совмещаюься во времени и одновременно поступают в блок 8 деления, с помощью zoторого определяется отношение этих сигналов. Далее сигнал с выхода блока 8 деления поступает в блок 9 извлечения квадратного корня, а затем — в логарифмический преобразователь 10 Гипьберта.

Логарифмический преобразователь 10

Гипьберта работает следующим образол4.

Вначале определяется натуральный логарифм входного сигнала. Это может быть реализовано при помощи серийного логарифмического усилителя. Затем сигнал фильтруется линейным фильтром. Раосчитанный фильтр может быть реализован стандартными радиотехническими методами. Логарифмическое преобразование Гильберта является одной из существенных операций, реализующих связь между интенсивностью и фазой свето= вой волны. Для упрощения обработки сигнала целесообразно наличие опногo блока, совмещающего погарифмирование и преобразование Гильберта.

С выхода логарифмического преобразователя 10 Гильбертов сигнал поступает в синусоипапьный преобразователь l l, с которого поступает в; блок 12 умножения, на другой axon которого поступает сигнал из блока 9 извлечения квапратного корня. После перемножения сигналов с бпоков 9 и ll результирующий сигнап подается HB вход преобразователя 13 Гильберта и на спин из входов преобразователя 14 пекартовых координат в попярные, HB другой вход которого поступает сигнал с выхода блока 12. При этом, преобразователь 14 координат преобразует вхопные декартовые координаты, а именно, сигналы с бпоков 12 и 13 в выходные - пплярные координаты т.е. амплитуду и фазу объект30645 4 диотехническими способами, например, используя тактовые импульсы от фотозатвора 3, поступающие на делитель импульсов блока 21 синхронизации. Та5, кой aenHTenb форл ирует из последовательнасти тактовых импульсов от фотозатвора 3 управляющие сигналы пля запуска и остнновки блока 6 сканирования и блока 7 запаздывания. При этом

5 10 ной волны, Отметим, что сигналы с блоков 12 и 13 можно прецставить в вице: U=A(41cos ЧИ! и V=A(t?si Ч (Ю. А преобразователь 14 выполняет операции нац этими сигналами в соответствии с алгоритмами, описываемыми выражениями: д()» ц (Ц+я (4) и Ч (В=е О(у у це Щ7"

2 2 T V(l l фаза объектной волны,А(1) - амппитуца обьектной волны, F - оператор вычиспе ния арктангенса по моцупю 2 3 .

Для проверки правильности формирования объектной и опорной вопны и обнаружения неправипьного функционирования отцепьных блоков и обеспечения тем самым нацежности получаемого результата, измеритепь амппитуцы и фазы световой волны соцержит цепь автоконтропя, которая работает следующим образом. Сигнал с выхоца преобразоватепя 13 йшьберта скпацывается в блоке 15 с ециничным сигналом из блока 16. С выхоца блока 15 через квацратор 17 сигнал поступает на вхоц контропьного сумматора 18. На цругие вхоцы контропьного сумматора 18 поступают сигналы с блока 12 через квацратор 20, иэ блока 8 через инвертор 19.

В случае правильности функционирования .всех бпоков устройства сигнал на выхоце контрольного сумматора 18 цопжен быть равен нулю. При неправильном функционировании устройства на выхоцe блока 18 появляется ненулевой сигнал.

30645 6

Надежность попучаемого результата гарантируется наличием нулевого сигнала в процессе измерения на выхоце блока 18.

Изобретение позволяет визуализировать профиль фазы и амплитуцы объекта. на экране осциллографа или цругого цисппея. Этот профиль, например оптической цетали, в соответствующей cxeip ме интерферометрического контроля не сет свецения о цефектах поверхности измеряемой цетапи или о неоцнороцности показателя лрепомпения (фаза) и показателя погпощения (амппитуца) в исслецуемом объекте. Оцновременное получение значения амплитуцы и фазы позвопяет применить прецпагаемый измеритель при контроле объектов, имек щих, например, просветляющее ипи от ражающее покрыите, и при этом количественно оценить качество этого покрытия и независимо оценить количественно отступления формы поверхности или неоцнороцности коэффициента прелом25

Для повышения надежности получаемого сигнала в прецлагаемом измерителе применена цепь бпоков автоконтроля, ЗО которая, используя описанные связи интенсивности и фазы световой вопны, на выхоце блока 18 контрольного сумматора при правильном функционировании блоков устройства выцает нулевой сит

1030645

Составитепь А. Чурбаков

Редактор А. Шанцор Техрец Л.Пекарь Корректор А. Ноях

Заказ 5190/41 Тираж 602 Поцписное

ИНИИПИ Государственного комитета СССР по цепам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., ц. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, уп. Проектная, 4