Интерференционный фазометр

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФАЗОМЕТР, содержащий приемную оптическую систему , сканирующий фотоприемник, анализатор сигналов и блок синхронизации , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона и быстродействия измерений амплитуды и фазы световой волны, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы, оптический смеситель и фотозатвор, а анализатор сигI налов включает в себя блоки запаздывания , деления, извлечения квадратного корня, логарифмирования, преобразователь Гильберта, синусоидальный и косинусоидальный преобразователи, два блока умножения, преобразователь координат, сумматор и источник отрицательного единичного сигнала, причем в объектном канале приемной .оптической системы установлен фотоэатвор и оба канала совмещены на оптическом смесителе, а после него установлен сканирующий фотоприемник, к которс лу подключены последовательно блоки запаздывания, деления, извлечения квадратного корня и логарифмирования , преобразователь Гильберта, выход которого соединен с входами преобразователя координат двумя параллельными цепями, первая из которых содержит последовательно включенные косинусоидальный преобразователь, блок умножения и сумматор,а вторая синусоидальный преобразователь и ДРУ гой блок умножения,при этом вторые входы блоков умножения соединены с выходом блока извлечения квадратного корня,второй вход сумматора соединен с источником отрицательного единичного сигнала,второй выход сканирующего 4отоприемника соединен с вторьви входом блока деления, а блок синхронизации соединен с фотозатворсм, блоком запаздывания и сканирующим фотоприемником .

СОН33 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Ц,51) 0 01 В 9/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ;

H ABT0PCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬ(ТИЙ (21) 3403030/18-25 (22) 18 ° 02. 82 (46) 07. 11. 83. Вюл. 941 (72) Э.A.Витриченко, Л.A.Ïóøíoé и В.A Òàðòàêoâñêèé (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения Оптика СО AH СССР, Институт оптики атмосферы СО AH СССР и Институт косми" ческих исследований АН СССР (53) 535.24.(088.8) (56) 1. Патент США 9 4222669, кл.С 01 В 9/02, опублик. 1980.

2. Душин Л.A. и др. Автоматическая система для первичной обработки оптических интерферограмм плазмы. — Asтометрия,1974, 9 1, с. 89-91 (прототип) . (54)(57) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ФАЭОМЕТР, содержащий приемную оптическую систему, сканирующий фотоприемник, анализатор сигналов и блок синхронизации, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона и быстродействия измерений амплитуды и фазы световой волны, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы, оптический смеситель и фотозатвор, а анализатор сигI налов включает в себя блоки запаздывания, деления, извлечения квадратного корня, логарифмирования, преоб„„SU„„1 52850 А разователь Гильберта, синусоидальный и косинусоидальный преобразователи, два блока умножения, преобразователь координат, сумматор и источник отрицательного единичного сигнала, причем в объектном канале приемной оптической системы установлен фотозатвор и оба канала совмещены на оптическом смесителе, а после него установлен сканирующий фотоприемник, к которому подключены последовательно блоки запаздывания, деления, извлечения квадратного корня и логарифмирования, преобразователь Гильберта, выход которого соединен с входами преобразователя координат двумя парал. лельными цепями, первая из которых Q содержит последовательно включенные косинусоидальный преобразователь, блок умножения и сумматор,а вторая— синусоидальный преобразователь и дру" гой блок умножения,при этом вторые входы блоков умножения соединены с выходом блока извлечения квадратного корня, второй вход сумматора соединен с источником отрицательного единично-го сигнала, второй выход сканирующего ,фотоприемника соединен с вторым входом блока деления, а блок синхронизации соединен с фотоэатвором, блоком запаздывания и сканирующим фото-: приемником.

1052850

Иэобртение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в интерференционных приборах для измерения волновых аберl раций оптических деталей и систем на оптико-механических заводах, а также при интерферометрии плазмы и оптических неоднородностей в лабораторных и заводских установках.

Известен интерференционный фазометр, содержащий оптическую систему 1р фстоприемник и анализатор сигналовL12

Недостатками известного устройства являются ограниченные быстродействие и диапазон измерений.

Наиболее близким к предлагаемому является интерференционный фаэометр, содержащий приемную оптическую систему, сканирующий фотоприемник. анализатор сигналов и блок синхронизации 2Д.

2О

Недостатками известного устройства являются ограниченные диапазон и быстродействие измерений. В известном устройстве нельзя обработать сложные интерферограммы, так как в этом случае невозможен принцип фильтрации, что сужает диапазон исследуемых искажений.

Цель изобретения — расширение диапазона и быстродействия измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в интерференционном фаэометре, содержащем приемную оптическую систему, сканирующий фотоприемник., анализатор сигналов и блок синхронизации, приемная оптическая система содержит объектный и опорный каналы, оптический смеситель и фотозатвор, а анализатор сигналов включает в себя блоки запаздывания, деления, 40 извлечения квадратного корня, логарифмирования, преобразователь Гильберта,синусоидальный и косинусоидальный преобразователи, два блока умножения, преобразователь коорди" нат, сумматор и источник отрицательного единичного сигнала, причем в объектном канале приемной оптической системы установлен фотоэатвор и оба канала совмещены на оптическом смесителе, а после него установлен сканирующий фотоприемник, к которому последовательно подключены блоки зй аздывания, деления, извлечения квадратного корня, логарифмирования, преобразователь Гильберта, выход котОрого соединен с входами преобразователя координат двумя параллельными цепями, первая из которых содержит последовательно включенные косинусоидальный преобразова- ®О тель, блок умножения и сумматор, а вторая - синусоидальный преобразователь и другой блок умножения, при этом вторые входы блоков умножения соединены с выходом блока иэвлече- 65 ния квадратного корня, второй вход сумматора соединен с источником отрицательного единичного сигнала, второй выход сканирующего фотоприемника соединен с вторым входом блока деления, а блок синхронизации соединен с фотозатвором, блоком запаздывания и сканирующим фотоприемником.

Использование двухканальной оптической системы со смесителем и фотозатвором позволяет, обходясь одним сканирующим фотоприемником, учесть неизвестные возмущения в опорной волне, а использование перечисленных блоков аналоговой обработки сигнала позволяет по интенсивности опорной и объектных волн определить как фазу, так и интенсивность Световой волны в любой ее точке без определения положения максимумов (минимумов) интерференционной картины, что в совокупности позволяет расширить рабочий диапазон и быстродействие фазометра при одновременном увеличении пространственного разрешения и сохранении точности измерений.

На чертеже представлена схема работы устройства.

Устройство содержит приемную оптическую систему, имеющую оптичес(кие каналы 1 и 2, причем оптический канал 1 через фотозатвор 3, поворотное зеркало 4 и:оптический смеситель

5 совмещен с оптическим каналом 2, на оси которого после оптического смесителя 5 расположен сканирующий фотоприемник б, выход которого подключен к блоку 7 запаздывания.

Далее последовательно подключены блок 8 деления, блок 9 извлечения квадратного корня, блок 10 логарифмировани я, преоб раз ов а тель Гиль берта

11, который через косинусоидальный функциональный преобразователь 12 и блок 13 умножения подключен к одному из входов сумматора 14, с вторым входом которого соединен источник 15 отрицательного единичного сигнала, а его выход соединен с одним из входов преобразователя 1б координат, другой вход преобразователя 16 координат через блок 17 умножения и синусоицальный функциональный преобразователь 18 подключен к выходу преобразователя Гильберта 11. Причем вторые входы блоков 13 и 17 умножения соединены с выходом блока 9 извлечения квадратного корня. Кроме того, другой выход сканирующего фотоприемника б соединен непосредственно с входом блока 8 деления, а фотозатвор 3 связан с блоком 19 синхронизации, который одним своим выходом подключен к блоку б сканирования, а другим — к блоку 7 запаздывания.Совокупность блоков 7-18 представляет собой анализатор сигналов.

1052850

Интерференционный фаэометр работает следующим образом.

По оптическому каналу 1 поступает объектная волна, прерываемая фото= затвором 3, выполненным, например

5 в виде обтюратора, и после отражения от повторного зеркала 4 поступает на -оптический смеситель 5. По оптическому каналу 2 по-тупает опорная волна, которая совмещается в оптическом смесителе 5 с объектной волной, образуя интерференционную картину, которая сканируется блоком б, представляющим собой сканирующий фотоприемник, например диссектор, с синхронизуемыми развертками. сиг- 15 нал с блока 6 постуйает в блок 7 запаздывания, где задерживается на время, задаваемое блоком 19 синхронизации. Блок запаздывания может быть выполнен, например, в виде линии задержки либо в виде набора синхрониэуемых элементов памяти .

Работа блока 6 сканирования и блока

7 запаздывания синхронизуется блоком

19 таким, образом, чтобы сигнал N3 блока б,соответствующий интерференционной картине на смесителе 5 и полученный в момент, когда канал 1 не перекрывается фотоэатвором (обтюратором) 3, задерживается блоком 7 запаздывания на время, необходимое для сканирования опорной волны из канала 2. Причем канал 1 перекрывается фотозатвором

3. Введение в фазометр фотоэатвора

3 и блока 19 синхронизации позволяет обходиться только одним блоком 6 сканирования. Таким образом, сигналы с второго выхода блока б сканирования и с выхода блока 7 запаздывания совмещаются во времени и одновременно 40 поступают в блок 8 деления, где определяется их отношение. Далее сигнал с выхода блока 8 деления поступает в блок 9 извлечения квадратного корня, а затем в логарифми- 45 ческий преобразователь 10, определяющий натуральный логарифм сигнала.

Прологарифмированный сигнал поступает в блок 1.1, где подвергается преобразованию Гильберта. Преобразователь Гильберта 11 представляет собой линейный фильтр с импульсной характеристикой 1/t. С выхода преобразователя 11 сигнал идет по двум каналам. По одному иэ них он поступает на вход косинусоидального функционального преобразователя 12 ° После блока 12 сигнал поступает в блок

13 умножения, где умножается на сигнал с выхода блока 9 извлечения квадратного корня, а с выхода блока 13 60 сигнал подается на один из входов сумматора 14. Яа другой вход сумматора 14 поступает отрицательный единичный сигнал из блока 15, а с выхода сумматора 14 сигнал поступает 65

V(t)=F " И»

Я(Ф /"jrpe Ч() — фаза объектной волны; !

А (tl — амплитуда объектной волны оператор вычисления арктангенса по модулю 2У.

Работа интерференционного фазаметра основана на детерминированной взаимосвязи между интенсивностью и фазой световой волны. Для фазы Ф(2/ и амплитуды световой волныЯ(2/, измеренных в точке Z имеют

Ф(ц = =н/ dz

6т /A(у. i у j z-2 ф где p — главное значение интеграла в смысле Коши, а сам интеграл пред-, ставляет собой преобразование Гиль" берта от логарифма амплитуды.

В применении к интерференционной картине можно, основываясь на ее математическом описании для интенсивности поля интерференции запи сать:

)А(/Е ) =)1+ ((2/ 14(Е))2 где A — измеряемая величина интенсивности; с (2) — амплитуда объектной волны1 °

V(2) — Фаза объектной волны;

Ф(2) — фаза, определяемая через преобразование Гнльберта.

Это условия, при которых указанная система уравнений имеет (единственное решение.

Основываясь на приведенной теории, разрабатывают алгоритм восстановления фазы и амплитуды объектной волны применительно к интерферометрии..

Изобретение позволяет испольэовать простую цифроаналоговую обработку сигнала и получить .в реальном времени на выходе фазометра Фазу и на один из входов преобразователя

16 координат. Одновременно на втоРой вход преобразователя 16 поступает сигнал из блока 17 умножения, s котором сигнал с выхода блока 9 извлечения квадратного корня умножается на сигнал с выхода синусоидального преобразователя 18, на вход которого поступает сигнал, идущий по другому каналу от преобразователя Гнльберта

11. При этом преобразователь 16 координат преобразует входные декартовы кбординаты, а именно сигналы с блоков 14 и 17,в выходные - полярные координаты, т.е. амплитуду и фазу объектной волны. Электрнческие сигналы с блоков 14 и 17 можно представить в виде 0=A(tkes V(t l u

V=A(t/ 5in Р (t! . А преобразователь 16 выполняет опер.—.ции над этими сигналами в соответствии с выражения1052850

Составитель A.×óðáàêîâ

Редактор Н.Кешеля Техред И.Метелева Корректор Г.Огар

Заказ 8842/34 Тираж б02 Подписное

BHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 амплитуду, вносимую исследуемым объектом в световую волну. Например, при подключении осциллографа можно наблюдать профиль контролируемой детали, а набор таких профилей позволяет получить карту детали, что решает задачу оперативного технологического контроля оптики.