Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний

 

Изобретение относится к оптикоакустическим 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-интерферометрической 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; составляюпще. 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 быстроосциллирующей 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (5114 С 01 Н

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3783951/25-28 (22) 22.08.84 (46) 30.03.86. Бюл. У 12 (72) Е.А.Андрущак, Б.М.Букштам, . В.Б.Грузиненко и В.П.Тычинский (53) 621.438(088.8) (56) Акустический журнал. Т.22, Ф 1, с. 32. (54) ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ

КОЛЕБАНИЙ (57) Изобретение относится к оптикоакустическим измерениям и может быть использовано для измерения амплитуд и фаэ колебаний поверхности образца.

Целью изобретения является повышение чувствительности, помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей. В лазерно-интерферометрической системе измерения сверхмалых колебаний второй генератор возбуждает колебания поверхности объекта.

Пьезомодулятор под действием напряжения первого генератора вызывает верти-. кальные, низкочастотные поршневые колебания поверхности объекта. Лазерный

I .интерферометр преобразует фазовую модуляцию отраженного светового луча в интерференционный сигнал. Интерферен„„SU„„1221504 А ционный сигнал с выхода фотоприемника разделяется высокочастотным и низкочастотными фильтрами на высокочас». тотную 0 и низкочастотную 0 составляющие. Амплитуда сигнала IJ g пропорциональна амплитуде колебаний А(х,у) и коэффициенту к отражения, а амплитуда сигнала 0 зависит от к . Сигнал с выхода первого аттенюатора зависит только от А(х,у) и не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента отражения. Высокочастотный сигнал ц после высокочастотного фильтра поступает в смеситель, где он модулируется напряжением сигнала той же частоты f. Сигнал с выхода. аналогового перемножителя является быстроосциллирующей или знакопеременной функцией. Коммутаторы полярности 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. симостью

+ q(x y))

40 где А(х, y) 1 I2?15

Изобретение относится к оптик.— акустическим измерениям и может бь)ть испоггьзовано для измерения амплитуд и фаз колебаний поверхности образца.

Пелью изобретения является повьг1шение чувствительности, помехоустойчивости к расширение функциональных возможностей.

На чертеже изображена лазерноинтерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний поверхности.

Лазерно-интерферометрическая систе— ма измерения сверхмалых колебаний содержит лазерный интерферометр 1,фотопркемнкк 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 смесителя 10, последовательно соединен1гые первый низкочастотный фильтр 16, вход которого соединен с выходом фотоприемника 2, второй аттенюатор

17, второй усилитель 18 и второй фазосдвигающий блок 19, выход кото—

4F, рого соединен с вторым входом аналогового перемножителя 14, 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 23, инвертор 24 и первый коммутатор 25 поляро 2 ности, второй вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя 14, последовательно соединенные второй коммутатор 26 полярности, вход которого соединен с выходом аналогового перемножктеля 14, операционный усилитель 27, второй вход которого соединен с выходом первого коммутатора 25 полярности, и инте рирующий усилитель 28, выход которого соединен с регистратором 7, а выход компаратора 23 соединен с вторым входом второго коммутатора 26 полярности.

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

Предусмотрено жесткое соецинение пьезомодулятора 4 с предметным столом 30, который приводится во вращение электроприводом 31. Второй вход регистратора 7 предназначен для соединения с датчиком 32 смещения, напряжение которого пропорционально смещению предметного стола 30.

Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний работает следующим образом.

Второй генератор 5 возбуждает колебания поверхности объекта 6, выполненного в вице кварцевого пьезорезонатора. Колебания .поверхности объекта б можно описать завиа(х,y,t) = А(х,y)sin(2",ñ распределение амплитуды колебании поверхности объекта 6; частота колебаний поверхности объекта 6, возбужденного вторым генератором 5;

1(х,y) — распределение фаз колебаний поверхности объекта 6; х, у — координаты пт:.ерхноcбъекта, 6, коордкна-:а ;зремени;

sin — функция синуса.

Лмппитуда колебаний поверхности объекта 6, обусловленная возбуждением

1221504 т. е. не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента отражения R.

Информативный высокочастотный сигнал U после фильтрации в высокочастотном фильтре 15 поступает в смеситель 10, где он модулируется при смешении с напряжением сигнала той же частоты f поступающего через коммутатор 9 фазы непосредственно с второго генератора 5 или через первый фазасдвигающий блок

8. Низкочастотный усилитель 11 выделяет низкочастотный сигнал

На интегрирующем усилителе 28 про1 исходит выделение постоянной составЗ5 ляющей (напряжения корреляции) л

Ь

1 и„, = 1и „„,,)в, (13) о

5$ т.е. коэффициент передачи второго аттенюатора 17 обратна пропорционален сигналу U или коэффициенту ота ражения света. Первый и второй аттенюаторы 12 и 17 выполнены технически тождественными (т. е. имеют совпадающие параметры и характери— стики), вследствие чего закон изменения коэффициента передачи Кп первого аттенюатора 12 в такте сигнала U изменяется синхронно с

К = К„=О /U. (9)

При этом сигнал Ui на выходе первого аттенюатара 12 равен

V К U U<, (10) 2 4н — U (R) А(х,у) cos — В н в(п2вРв + p,(в) 1(х,у) + (1), (111 где 9 — фазовый сдвиг сигнала, осуществляемый фазосдвигающим 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

8 = п()/2 и знакопеременной функцией при 0 = О.

Первый и второй коммутаторы 25 и 26 полярности вместе с операционным усилителем 27 устраняют низкочастотные осцилляции сигнала, связанные с множителем cos27))Ft так как рабата коммутаторов 25 и 26 полярности с операционным усилителем 27 эквивалентна синхронному выпрямлению (детектираванию сигнала с тактовой частотой F), причем моменты переклю10 чения первого и второго коммутаторов

25 и 26 полярности совпадают с моментом изменения знака (зануления) множителя соя2 ((Ft. Необходимый режим коммутации обеспечивается последовательно соединенными третьим фазосдвигающим блоком 22, обеспечивающим фазовый сдвиг Т/2, и коммутаторам 23.

Противофазность коммутации перво2б ro и второго коммутатора 25 и 26 полярности обеспечивает инвертор 24.

На выходе операционного усилителя (дифференциального усилителя} 27 наблюдается сигнал

Я з л

U „, =, 11 AIx,у)/вов2вРв ° вы)(, опе() 2

Яи х соз(1)(х,у) + 6 )+cos — В- sin2((Ft+

ЗО

+2q „(t) + (1) (x, у) + 9 ) (12) где 4 — время интегрирования сигнала.

Причем, как видна из (13), при

1 выполнении условия, cc. F выходное

45 напряженке интегрирующего усилителя

28 равна

Пко К с ° А(х, у)соз(с (х, у) +

50 + с)) (14) где К, — постоянная установки, зависящая от Ug и коэффициента передачи интегратора.

Таким образом, при сканировании выбранного сечения образца 6 выходное напряжение отслеживает ампливторого генератора 5, много меньше длины световой волны

Пь е зомодулятор 4 и од действием напряжения первого генератора 3 вызывает вертикальные ни э ко ча ст о тные поршневые колебания поверхности объекта 6, описываемые выраже вием

122) )04

4и

U (t) = — U (R)A cos — R. зт.п

Ф,„

2) (2iF s + rp,iе",.)j si.s2 Fsf ; (4)

U (R,1 . 14))

U (с) =- — -- — яю — В, sis/2iFr+

+p (t) B(t) = В sin2))Ft где В

О амплитуда вертикальньгх низкочастотных поршневых колебаний поверхности объекта 6, частота низкочастотных вертикальных поршневых колебаний поверхности объекта 6.

Амплитуда низкочастотных вертикальных поршневых колебаний определяется выражением

 =- (3 — 4)%/2.

Лаэерный интерферометр 1 преобразует фазовую модуляцию отраженного колеблющейся поверхностью светового луча в интерференционный сигнал.

На выходе фотоприемника 2 интерференционный сигнал определяется выражением ц (t) =- п1 втп — В sinZi г+

Ug (R) . Г4и ииг 2 (а

+ — А(х,y) sin2)) f t +Q и8 (t), (3) где U+ (R) размах интерференцнонного сигнала на выходе фотоприемника

2, величина которого пропорциональна амплитудному коэффициенту R отражения света от объекта 62 (t) — случайные изменения

BHSð фазы рабочей точки интерферометра,связанные с вибрационным фоном и тепловым дрейфом интерферометра.

Сигнал (3) при А(х,у)(i 3/2 и

>Ъ P высокочастотным фильтром 15 и первым низкочастотным фильтром 16 разделяется на высокочастотную (информативную) составляющую Uy u низкочастотный вспомогательный сигнал U> которые как видна из (3) имеют вид

На (4) видно, что амплитуда сиг— нала U пропорциональна амплитуде колебаний А(х,y) H K s nH)HT R отражения, в то время как амплитуда вспомогательного сигнала зависит только от R (причем прямо пропорционально R).

Автоматическая нормировка сигнала Ui по уровню коэффициента отражения производится первым аттенюатором 12, коэффициент передачи которого К .обратно пропорционален коэффициенту R отражения света в каждой точке поверхности. В результате сигнал на выходе первого аттенюатора

12 имеет вид

u = К (R)U (К,А), (6) () " где K (t), — коэффициент передачи второго аттенюатора

17 в текущий момент сканирования поверхности объекта 6.

Из выражения (7) вытекает, что

К1 — U9, /UPI (8) где U (R,А) соответствует U2 (t) .

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

4С вспомогательному сигналу U и в рабочем режиме стабилизирует напряжение U+ на выходе второго усилите; ля IB около некоторого постоянного значения Б о .

45 На выходе второго усилителя 18 сигнал определяется из выражения

122 1З04

А(х, у) (), (15) 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 предметйого стола 30.

Сканирование сечения образца 6 зондирующим световым лучом обегпечивается 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 В = 0 и 8 = i/2, в результате регистратор 7 прочерчивает две кривые

U (х)/ 8> = 0 : — U (х) и

2 после чего амплитуды и фазы сверхма— лых колебаний поверхности образца 6 определяются из выражений:

cp(x, у) = агс д0 (х) /U (х) . (16)

Формула изобретения

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

l5

45 ч аюший с я тем, что, с целью повышения чувствительности, помехоустойчивости и расширения функциональных возможностей, она снабжена последовательно соединенными первым фазосдвигающим блоком, вход которого предназначен для приема колебаний по верхности объекта, коммутатором фазы, второй вход которого соединЕн с выходом второго генератора, и смесителем, низкочастотным усилителем, первым аттенюатором, первым усилителем и аналогoBbM перемножителем, высокочастотным фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход — с вторым входом смесителя, последовательно соединенными первым низкочастотным фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, вторым аттенюатором, вторым усилителем и вторым фазосдвиггющим блоком, выход которого соединен с входом аналогового перемножителя, последовательно соединенными амплитудным 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 первого аттенюатора, последовательно соединенными третьим фазосдвигающим блоком, выход которого соединен с выходом первого генератора, компаратором, инвертором и первым коммутатором полярности, второй вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя, последовательно соединенными вторым коммутатором полярности, вход которого соединен с выходом аналогового перемножителя, 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.

1221504

Составитель Г.Рыжакова

Редактор М.Келемеш Техред O.ГортвайКорректор А.Ференц

Заказ 1603/47 Тираж 507 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

1Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул.. Проектная, 4