Фурье-спектрометр

 

Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для научных и практических целей, конкретно, для измерения спектральных характеристик материалов. Цель изобретения - повышение точности при исследованиях широкого класса материалов, характеризующихся различной инерционностью протекающих в них процессов Для этого осуществляют синхронное детектирование полезного сигнала при двух различных фазах опорного сигнала и по значению двух сигналов в каждой точке счёта интерферограмм определяют текущее значение фазы, накапливают эти значения по всем точкам и определяют среднее значение Вычисляют косинус и синус среднего текущего значения фазы, по ним корректируют значения интерферограмм, снятых при двух фазах опорного сигнала, после чего их суммируют и получают искомую интерферограмму. 3 ил. fe

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОцИАлистических

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 J 3/28

ГосудАРстве1-ный комитет

Il0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1»

6 сти (21) 4497154/25 (22)21.10.88 (46) 23 01,91.Бюл.МЗ (71) Ленинградский электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) (72) В.А.Васильев, А.А.Копылов и А.H.Õîëîдилов (53) 535.8 (088,8) (56) Тарасов К,И. Спектральные приборы.

Л.: Машиностроение, 1974, с. 15. Авторское свидетельство СССР

%530!96, кл. G О1 J 3/28, 1976. (54) ФУРЬŠ— СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для научных и практических целей, конкретно, для измерения спектральных хаИзобретение относится к технике физического эксперимента и может быть использовано для измерения спектральных характеристик (например, поглощения, фотопроводимости и др.) материалов.

Цель изобретения — повышение точноНа фиг.1 — блок-схема Фурье-спектрометра, реализующего предлагаемый способ; на фиг,2 (а-ж) — временные диаграммы входных и выходных сигналов синхронных детекторов; на фиг.3 — временные диаграммы работ отдельных блоков под воздействием блока управления.

Устройство содержит интерферометр

Мвйкельсона 1, имеющий оптическую систему, состоящую из зеркал 2-13, из которых два являются подвижными, причем зеркало

2- подвижное вдоль оси, перпендикулярной плоскости зеркала, а зеркало 12 — подвижное,». Ы, 1622775 А1 рактеристик материалов. Цель изобретения — повышение точности при исследованиях широкого класса материалов, характеризующихся различной инерционностью протекающих в них процессов. Для этого осуществляют синхронное детектирование полезного сигнала при двух различных фазах опорного сигнала и по значению двух сигналов в каждой точке счета интерферограмм определяют текущее значение фазы. накапливают эти значения по всем точкам и определяют среднее значение. Вычисляют косинус и синус среднего текущего значения фазы, по ним корректируют значения интерферограмм, снятых при двух фазах опорного сигнала, после чего их суммируют и получают искомую интерферограмму, 3 ил. вокруг оси. проходящей параллельно плоскости зеркала, Остальные зеркала (3-11 и 13) — неподвижные, Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14 и датчиком 15 перемещения, которые электрически соединены с блоком 16 управления.

В интерферометре 1 имеется светоделитель 17, блок 18 фильтров с приводом, подключенным к блоку 16 управления, источник 19 оптического излучения, прерыватель 20 оптического излучения. подключенный к блоку модулятора 21, фотоприемник 22, B состав устройства входит оптический криостат 23 (показан условно), Исследуемый образец 24, помещенный в криостат 23, устанавливается на пути оптического излучения, сфокусированного зеркалом 9.

Фотоприемник 22 через пере лючатель

25 соединен с усилителем 26 низкой часто,0с ЬЭ

Ю

"V

V ,Ql

1622775 ты, либо исследуемый образец 24 соединен с усилителем 26 низкой частоты (в зависимости от положения переключателя 25).

Вход управления коэффициентом усиления усилителя 26 подключен к блоку 16 управления. Выход усилителя низкой частоты 26 соединен с первым входом синхронного детектора 27 и с первым входом синхронного детектора 28, Второй вход синхронного детектора 27 соединен с выходом опорного генератора 29. Второй вход синхронного детектора 28 соединен с выходом фаэовращателя 30, вход которого подключен к выходу опорного генератора 29. Вход управления опорного генератора 29 соединен с блоком управления.

Выход синхронного детектора 27 через аналого-цифровой преобразователь (на фиг,1 не показан) соединен с входом первого запоминающего устройства 31 (3Y1) и с первым входом делителя 32.

Выход синхронного детектора 28 через аналого-цифровой преобразователь (на фиг,1 не показан) соединен с входом запоминающего устройства ЗЗ и с вторым входом делителя 32.

На фиг.1 аналого-цифровые преобразователи не показаны, так как в принципе возможно последующее преобразование в аналоговом виде.

Выход делителя 32 соединен с входом вычислителя арктангенса 34, выход которого соединен с входом интегратора 35. Вход управления интегратора 35 подключен к блоку управления 16.Выход интегратора 35 соединен с входами вычислителей синуса

36 и косинуса 37, выходы которых соединены с запоминающими устройствами 38 и 39, соответственно.

Входы управления запоминающих устройств 38 и 39 подключены к блоку16 управления.

Выход запоминающего устройства 38 соединен с первым входом умножителя 40, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 31.

Выход запоминающего устройства 39 соединен с первым входом умножителя 41, второй вход которого соединен с выходом запоминающего устройства 33.

Выход умножителя 40 соединен с первым входом сумматора 42, второй вход которого соединен с выходом умножи еля 41.

Выход сумматора 42 соединен с блоком

16 управления и с регистратором 43, вход управления которого соединен с блоком 16 управления.

На фиг,1 связи функциональных блоков с блоком управления не показаны.

Предложенный способ рассмотрим на примере работы устройства, представленного на фиг.1, От источника оптического излучения 19 световой поток проходит через прерыватель 20, обрезается зеркалом 3, коллимируется параболическим зеркалом 4, От зеркала 4 световой поток параллельным пучком направляется на светоделитель 17, отражается от плоского зеркала 5, попадает вновь на светоделитель 17, отраженный пучок, направленный в сторону зеркала 6, отражается от этого зеркала и подается на параболическое зеркало 7, Другая часть светового пучка отражается от светоделителя 17 в сторону подвижного зеркала 2. Отражаясь от зеркала 2, световой пучок проходит через светоделитель 17 и попадает на зеркало 6. Пучок оптического излучения, отраженный от зеркала 6, собирается сферическим зеркалом 7.

Таким образом, на зеркало 6 приходят два световых пучка, прошедших от источника 19 оптического излучения по двум различным плечам интерферометра. И в зависимости от того, в каком положении находится подвижное зеркало 2, определяющее разность хода в плечах интерферометра, будут изменяться условия интерференции пучков излучения, собираемого сферическим зеркалом 7.

В результате интерференции будет меняться интенсивность результирующего оптического излучения, которое направляется от зеркала 7 через предварительно выбранный фильтр блока 18 фильтров. После прохождения фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражается от зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направляется на исследуемый образец 24, установленный в фокусе зеркала 9 и размещенный в оптическом криостате 23, Если исследуется спектральная зависиM0cTb фотопроводимости, то электрический сигнал снимается непосредственно с контактов к образцу и через переключатель 25 (показано на фиг.1) поступает на усилитель

26, Если проводятся исследования калориметрической методикой. то вместе с образцом 24 в криостате 23 помещается термочувствительный элемент (например. термореэистор), который соединяется с исследуемым образцом посредством теплопроводника (например, медной проволочки).

Электрический сигнал, снимаемый с термочувствительного элемента, также подабтся на усилитель низкой частоты 26.

1 (". 22 7 75

В cay(ao если (1(.следу(отс (спе (трельные характеристики отражения или . ропускания, оптическое из у(ение отражается

o: образца 24, coáëðañ ся з ркалом 10 и попадает на фотопрМмн((к 22, 0(ражаясь от зеркала .2 (в положении, показан QM 11) HI(тиром) и зеркала 13, либо прохог(..т ч ое:

ОбраЗЕц 24, СО51равг ЗЕр .. лОм 11, О Оакается от a(;I,кал 12 и 13, г о )адая на фотоприймник 22, оо.ве(ствел(но, Электрический сигнал с фотоприел(ника 22 через переключатег(ь 25 (в погожении, противополо.к(-ом покээанному н фиг.1) поступает нэ усилиель низкой аст гы 26

С ус(.л(1гел. 26 эл .ктри е..кий сигна,( ((осту - ) ет од (оврг л е(IHG на два си((хрс ((— ных детсктора 27 и 28 которыми осуще«вляетсл син- роННор детг. т роnf(I(1 ;": сигн ла при дв,х,азах опорного сигнала сдвину(\ тых на 90 один от((о и.ельно )()уго(о Для

:3(I пол Hе((,(я такого де Tåê ãèðîâà((I:÷ перль((1 вход сиг xpoHI(oro деток;"ра 2с3 ((Одк((ю (е(( выходу ф азов(рд(ца) (ля . О, вхо "(которого соедине((с oooo((ыл1 Гене() ) (о» 1(л 29 Фазоеращагель 30 осу(цествляет сдвиг фазы опорного сигнала от генерато )а 29 на 90".

Следует отметить, чго с)(виг Фазы может быть выбран и л(обым друг: м, Однако, с то.ки зрения простоты реализации и о)(н,)временного об(=сплчения высокои точн(=(и определения з Ia«p(ия екy(цc(," двига фазы искомого сигнала, цел(.сообразно сдвигать фазу на 96".

На фиг.2 (а-ж) пс казаны в. Oä (ые и ()ыходные сигналы с нхронных детг.кторо() 27 и 28, сплошной ли(ией — сигналы при наличии сдвига фазы (Лр) полезного сигнала, п,нктир((ой линисй - At и Лу) О.

На фиг.2а представлен сигнал, пэступа(о(дий на первый вход синхронного детек—,ора 27 и второй в < д синхронного детектора

28. На фиг.2б показа((сигнаг(от опорного г.нера ора 29, гоступа(ощий на второй вюд синхронно-о детек)ора 27 (.)ервого синхронного детектора).

На фиг.2(показан сигнь.(,поступающий с выхода фазовра(.. вбегя 30 на первь(й вход синхронного детектора 28 (второго синхрон((ого де ектора). Опор» ые сигналы, показанные на ф г 2б и фиг.2г, сдвинуты по фазе на 90 один относи(ельно другого.

На фиг.2в и фиг.2д показаны сигналы после синхоонногс детектирования до фильтрации, а на фиг.2е и (()иг.?ж — после фильтрации, соответственно для синхронных детекторов 27 ((28.

Как видно из фиг.2а-ж, при отсутствии сдвига фазы полезного сигнала относительНо опорных, выходное напря:кение. снимагдегг)„, начальн е зна ние фазы полезного сигнала, посту г ающего на первый синхронный детектор:

Ч вЂ” значение фазы полез(ого сигнала;

U„- — напряжение полезного сигнала, Для второго синхронного детектора значение фазы опорного сигнала сдвинуто о л на 90, т.е. на,.

Выходное напряжение второго синхронного детектора (после фильтра) определяется

+ = л

45 2

0сд2 = — f 0с sIn (Ч - ро ) ОЧ л л

+—

50 + — -л

1,/ S In(V 1I2p )d Ч

+ л

2 (2) 55

После интегрирования выражения (1) и (2) принимают вид:

20с

Осд = . COSPo емое о синхронного детектора 27, имеет максимальное эна (ение. а выходное напряжение, снимаемое с синхронно "о детектора

28, — минимальное (cob )äàåò с ссью абс5 цисс). При наличии дви;а фазы полезно(э

СИГНСЛд ОтНОСИтЕЛЬНО ОПООНЫХ, ВЫХОД((ОЕ напряжение синхронного де-ектора 27 у леньшается, а выходHop. Напряжение синхронногс детектора 28 — увеличивается.

10 Такой сдвиг фазы возникает вследствие проявления инерционных свойств исследуемого образца. Для различных образцов величина сдвига фаз будет неоди)(аковой. Она а же зависит от метода измерений. Наи15 бо) ьший сдви(фазы полеэнг го сигнала п(.11су(; калорим т; ическол;у методу измерения сп .ктра поглощ-.ния. Эначительный сдвиг ((а.-.ы возникает при снятии спектра фотон рог одимости.

20 Р»коднь(е напряжения синхро:(нь .х детек(оров 2 а 28 несут в себе информацию о фаз» поскольку эти напряжения прогор(.:,Ональны косинусу и синусу екущей фазы.

Выходное напряжение 0сл первого

?5 синхронного детектора (f)oclio фильтпа) определяется

1 л

u« == =--- J u

- ло

30 1 — — Г 0(;sin (Ð f p) d Ч (1)

2л

1622775

Осд = — — Sii г 2ис ,тг (4)

Начальное значение фазы полезного сигнала р, устанавливается однократно при настройке прибора, Целесообразно настра- 5 ивать устройство так, чтобы ро = 0 (хотя для реализации работы данного устройства это непринципиально).

Если отсутствует сдвиг фазы Л р,то текущее значение сдвига фазы р=чр,. 10

Когда Л р 0

У=У +М

С учетом этого выражения (3) и (4) можно записать

u„= соя(р, +Лp) = — cosp (5)

1 2Ос 2Uc

Положим, что p<>= О, тогда выражения (4) и (5) принимают вид:

u„„= cos hp

2Ос (7)

2 2Ос

О„,г = — sin Лр. (8)

Таким образом, имея на выходе синхронных детекторов 27 и 28 напряжения, определяемые полезным сигналом U,, а также косинусом и синусом сдвига фазы, можно выделить Ëp.

Для этого в каждой точке счета интерферограммопределяютотношениеОсд к U,ä

35 и вычисляют арктангенс этого отношения.

Действительно, поделив выражение (8) на (7), имеем

Осд sink

COS P

19 Р откуда (1 2

Ap = arktg (10) 45

U сд

Отношение значений Осд и Осд выполг няется делителем 32, который выполняет данную функцию в цифровом виде, если после синхронных детекторов 27 и 28 имеются аналого-цифровые преобразователи. 8 предлагаемом устройстве на выходе синхронных детекторов 27 и 28 поставлены аналого-цифровые преобразователи. С выхода делителя 32 сигнал поступает на вычислитель арктангенса 34. На выходе вычислителя арктангенса 34 получается сигнал, определяющий текущий сдвиг фазы p. Таким образом, на интегратор 35 поступают текущие значения фазы, однозначно определяющие сдвиг фазы в каждой точке интерферограммы. Интегратор 35 выполняет (по команде с блока 16 управления) вычисление среднего по всем точкам интерфераграммы

1" текущего значения фазы p = — ) и где n — число точек, t — время. После вычисления среднего текущего значения фазы по команде с блока управления сигнал, соответствующий этому значению, пода6тся на вычислители синуса 36 и косинуса 37.откуда в преобразованном виде поступает на запоминающие устройства 38 и 39. Запоминающие устройства 38 и 39 по команде с блока 16 управления заносят в память поступившие значения сигналов, Or,÷oBðåìåíío с поступлением сигналов с выходов синхронных детекторов 27 и 28 на делитель 32 эти же сигналы посгупают на запоминающие устройства 31 и 33, которые осуществляют запись в память значения интерферограмм в каждой точке.

После записи одного скана (записи интерферограммы по всем заданным точкам) и установления на выходе запоминающих устройств 38 и 39 уровней, соответствующих значениям sill p u cos p, llo командам с блока управления осуществляется параллельный вывод по точкам значений интерферограмм. записанных в запоминающих устройствах 31 и 33. Сигналяl поступают на умножители 40 и 41. Умножители 40 и 41 осуществляют операцию умножения значений в точках интерферограмм на значения уровней сигналов, поступающих с запоминающих устройств 38 и 39.

Эту операцию можно записать в следующем виде

U xi = Uxi cos p (11)

U yi = О у; sin P, где Ох — значение сигнала в одной I-той точке интерферограммы, поступающее и хранящееся в запоминающем устройстве 31; Uyi— значение сигнала в одной I — той точке интерферограммы, поступающее и хранящееся в запоминающем устройстве 33, С выхода умножителей 40 и 41 сигналы поступают на сумма ор 42, на выходе которого имеется восстановленное значение сигнала, соответствующее каждой точке интерферограммы

Uci = Uxl cos p + Uyl з1п ф . (12}

Значение U„, регистрируется регистратором 43, управление которым осуществляется от блока 16 управления.

1622775

10

20

После регистрации интерферограмм делается обратное Фурье-преобразование и получается спектр.

Управление работой устройства осуществляется блоком 16 управление. Блок управления может быть построен различным образом, например, на основе электронновычислительной машины. Тогда работа этого блока определяется управля кащей программой. В любом случае необходимо, чтобы выполнялись временные диаграммы работы отдельных блоков, представленных на фиг.Ç.

Поясним работу устройства фиг.1 по временным диаграммам на фиг.3.

Перед началом измерений (см а иг.1 и фиг.3) производлтся выбор режимов работы отдельных блоков устройства. Так, за время от 0 до t осуществляется уста ов«а зеркала 1 (фиг.3a). выбор нужного филырэ в блоке 18 фильтров (фиг.Зб), установка подвижного зеркала 2, При этом работают опорный генератор 29 (фиг.Зг) и усилитель

26 низкой частоты (фиг.Зд).

B момен времени t> - t2 производится выбор и установка коэффициента усиления усилителя 26 по выходному сигналу

За время tz <з осуществляется запись интерферогрэмм

При перемещении подвижно о зеркала

2 в определьнные моменты времени (в соответствующих точкэк) производится запись значений гигнэлов запоминающими устройствами 31 (ЗУ1) (фиг.Зе) и ЗЗ (ЗУ2) (фиг.Зж). В это же время работает интегратор 35 (фиг.Зд).

Запоминающие устройства ЗУ1 и ЗУ2 хранят записанную информацию до тех пор, пока с блока 16 управления не поступит сигнал на ее вывод

В момент времени tg после прекращения работы генератора 35, на его выходе появляется сигнал, определяющий текущую фазу. За время из — t< производится вычисление синуса и косинуса текущего значения фазы (вычислителями синуса 36 и косинуса

37) и ввод полученных значений по команде с блока 16 управления в запоминающие устройства 38 (ЗУЗ) и 39(ЗУ4) (фиг.Зк и фиг.Зл).

Далее по команде с блока 16 управления в момент времени т5 t6 осуществляется синхронный вывод информации из запоминающих устройств 31 и 33 (фиг.3е и фиг.Зж).

Сигналы с выходов запоминающих устройств 31 и 33 поступают на умножители 40 и 41.При этом на другие входы умножителей

40 и 41 поступают сигналы с запоминающих устройств 38 и 39 (фиг.Зк, фиг,Зл).

2г;

После суммирования сигналов с выходов умножителей 40 и 41 осуществляе1с регистрация интерферограммы по гочкам регистратором 43 (фиг.3).

В качестее регистратора 43 мсжет быть, например перфоратор. В дальнейшем для получения спектра делают обратное Фурьепреобразование записаннсй интерферограммы, Авторами для записи интерферогрэмм используется накопитель на магнитных дисках "Электроника ГМД7012", подключен ный к микро-РВМ Электроника-60".

По сравнению с прототипом. применение изобретения позволяет повы,ить точнесть при исследовании широкого класса материалов, характеризую.цихся различной инерционностью протекающих в них процессов.

Тэк, если при измерениях спектров фотопровпдимости или cne«rpoe поглощения (кэлори ;етрическим методом) с помощью устройства взятого зэ прототип, возникает по р. юность 10- 30ь, обусловленная инерциоь <остью методов и разллчными своиствами обрэвцов, то при использовании нового способа зта погрешность не превышает 0,57,, s.l.. увеличивается to«i

Предлагаемое устройство, в отличие ст протогипа, позволяет беэ особых трудностей производить измерения спектральных характеристик материалов, практически по любой методике. При этом отпадает необходимость постояннои подстройки устройства (с целью устранения сдвига фазы) при переходе от образца к образцу, от одной методики измерений - к другой. Это в значительной мере повышает производительность работ на установке, упрощает ее эксплуатацию.

Формула изобретения

Фурье-спектрометр, содержащий интерферометр Мэйкельсона с приводом подвижного зеркала, подключе <ным к блоку управления, последовагельно соединенные фотоприемник, усилитель низкой частоты и синхронный детектор, опорный генератор, соединенный с вторым входом синхронного детекторэ и модулятором оптического излучения, запоминающее усгройство и регистратор интерферограмм, с т л и ч а ю шийся тем, что, с цепью повышения точности при исследовании инерционных процессов, в него дополнительно введены второй синхронный детектор, фазовращатель, второе, третье и четвертое запоминающие устройства, делитель напряжения, вычислитель арктангенса, интегратор, вычислители синуса и косинуса, два умножителя и сумматор, при этом вход фаэовращэтеля подключен к

1622775 бцг. 7 опорному генератору, а выход соединен с первым входом второго синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом усилителя низкой частоты и соответствующим входом первого синхронного детектора, при этом выход первого синl хронного детектора соединен с входом первого запоминающего устройства и с первым входом делителя напряжения, выход второго синхронного детектора соединен с входом второго запоминающего устройства и вторым входом делителя напряжения, выход которого соединен с входом вычислителя арктангенса, выход вычислителя арктангенса соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входами вычислителей синуса и косинуса, выход вычислителя синуса соединен с входом третьего запоминающего устройства, выход вычислителя косинуса соединен с входом четвертого запоминающего устройства, при этом выход первого запоминающего устройства соединен с первым входом первого

5 умножителя, а выход третьего запоминающего устройства соединен с вторым входом первого умножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго

10 умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго запоминающего устройства, а второй вход — с выходом четвертого запоминающего ус ройства, при этом выход сумматора соединен с входом

15 регистратора и с блоком управления,к которому также подключены входы управления усилителем низкой частоты, интегратором, запоминающими устройствами и регистратором.

1622775 а/ р

rf

S! о " г

«() У ! БЕ

oL

4 г t> L

Фиг,!

Сос авитель Г.Воробьева

Редактор FÄâðìè!.,онтова Техрвд 3.Цапл.ок Корректор Л.Алексеенко

Заказ 146/91 Тираж Подписное

ВНИИПИ Госудаоственногс комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113935, Москва, Ж-35. Раушска!! наб„4/5

Производственно-издагельский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101