Интерферометр повышенной точности с активным подавлением паразитных вибраций



Интерферометр повышенной точности с активным подавлением паразитных вибраций
Интерферометр повышенной точности с активным подавлением паразитных вибраций
Интерферометр повышенной точности с активным подавлением паразитных вибраций
Интерферометр повышенной точности с активным подавлением паразитных вибраций

 

G02B26/00 - Оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых оптических элементов для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, например, переключение, стробирование, модуляция (механически управляемые конструктивные элементы осветительных устройств для управления направлением света F21V; специально предназначенные для измерения характеристик света G01J; устройства или приспособления, оптические функции которых изменяются при изменении оптических свойств среды в этих устройствах или приспособлениях, G02F 1/00; управление светом вообще G05D 25/00; управление источниками света H01S 3/10,H05B 37/00-H05B 43/00)

Владельцы патента RU 2572412:

Общество с ограниченной ответственностью "Фурье фотоникс" (RU)

Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам. Сущность решения заключается в использовании электродинамической головки, у которой резонансная частота fr, обуславливающая паразитные вибрации, эффективно подавляется с помощью активной системы с обратной связью, за счет того, что достаточно удалена на частотной оси относительно частоты колебания зеркала f. Техническим результатом является возможность повышения точности измерения спектра предлагаемым интерферометром с колеблющимся зеркалом. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам.

Уровень техники

Одной из задач современной техники является подавление и устранение нежелательных вибраций. В интерферометрии надежная защита от вибраций определяет стабильность интерферограммы и корректное функционирование прибора. Задача подавления вибраций решается с использованием пассивных мер, например при помощи изоляции поглощающими звук материалами и увеличения массы прибора. Кроме того, известны активные системы подавления вибраций, которые содержат электронную систему с петлей обратной связи и средства компенсации вибрации. В свою очередь, активные системы делятся на системы, стабилизирующие платформу, на которой закреплен интерферометр, и системы, стабилизирующие движение зеркал.

Традиционно в интерферометрии распространены активные системы, которые направлены на защиту от вибрации прибора в целом, то есть обеспечивают виброразвязку платформы, на которой установлен интерферометр. Например, известны активные системы [патент США №6511035, опубликован 28 января 2003 г., патент США №8651447, опубликован 18 февраля 2014 г.], содержащие акселерометр, регистрирующий вибрации, и систему подавления вибраций, выполненную, например, при помощи пьезодвигателей.

С другой стороны известна система [патент США №5008606, опубликован 16 апреля 1991 г.], в которой зеркало интерферометра размещено на каретке, подключенной к акселерометру и содержащей управляющий элемент, например линейный пьезодвигатель, который корректирует смещение зеркала в зависимости от зарегистрированных вибраций.

В качестве прототипа выбирается интерферометр Майкельсона [патент РФ №2239801, опубликован 10 ноября 2004], в котором подвижное зеркало движется по гармоническому синусоидальному закону. Недостатком перечисленных решений применительно к прототипу является их сложность и неспособность надлежащего подавления резонансных колебаний зеркал, которые образуются на характерной частоте электродинамической головки. При работе интерферометра из-за колебания зеркала и приводят к снижению точности измерения спектра.

Техническая задача

При работе интерферометра электродинамическая головка колеблется по заданному синусоидальному закону с частотой F. Но из-за наличия у головки собственной резонансной частоты fr появляются паразитные вибрации, которые приводят к искажению синусоидального закона колебаний зеркала, что, в свою очередь, приводит к снижению точности измерений сигнала спектра. Перед настоящим изобретением ставится задача повышения точности работы прибора.

Решение

Для решения поставленной задачи предлагается следующее изобретение.

Интерферометр, содержащий в оптической схеме, по крайней мере, одно зеркало, причем зеркало жестко закреплено на электродинамической головке, колеблющейся с частотой F, которая разнесена на частотной оси относительно собственных резонансных частот fr головки настолько, что паразитные вибрации на частотах fr эффективно подавляются электронной системой с частотно зависимой обратной связью в цепи драйвера электродинамической головки.

В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что имеет оптическую схему интерферометра Майкельсона.

В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в электрической цепи обратной связи используеся частотный фильтр верхних частот, причем нижняя граничная частота фильтра больше F.

В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве частотного фильтра используется фильтр нижних частот, причем верхняя граничная частота фильтра меньше F.

В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве частотного фильтра используется режекторный фильтр на частоте F.

В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве датчиков колебаний на нежелательных частотах используются электродинамические головки интерферометра.

Описание чертежей

Фиг. 1. Пример схемы системы активного подавления вибраций зеркал A1. Здесь 1 - генератор колебаний; 2 - суммирующий усилитель; 3 - зеркало, закрепленное на электродинамической головке; 4 - фильтр верхних частот; 5 - усилитель сигнала обратной связи; 6 - выключатель обратной связи.

Фиг. 2. Схема измерения коэффициента подавления вибраций зеркал, вызванных внешним воздействием. Здесь 8 - генератор возбуждения внешних колебаний; 3 - зеркало, закрепленное на электродинамической головке; 7 - внешний громкоговоритель (в качестве источника сигнала для внешних вибраций); 9 - измерительный выход.

Фиг. 3. Пример измеренного спектра колебаний зеркала, возбуждаемых громкоговорителем при выключенной (1) и при включенной (2) системе активного подавления вибраций зеркал A1. Отн. ед. соответствуют милливольтам.

Фиг. 4. Измеренный спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системы A1.

Детальное описание решения

В традиционных интерферометрах с подвижными зеркалами, которые используются для фурье-спектроскопии, зеркало, как правило, стабилизируется для движения по линейному закону. Фактически система стабилизации движения зеркала совмещает в себе функции подавления ускорений зеркала. Как правило, для фурье-спектроскопии зеркало должно периодически двигаться строго по линейному закону, который описывается непрерывной кусочно-линейной функцией Ф(t). Данная функция может быть представлена в виде суммы гармонических колебаний следующим образом:

где w=2πf.

Как следует из формулы, фурье-спектр этой функции содержит множество гармоник, охватывающих широкую область частот. Это делает затруднительным применение методов частотной фильтрации для подавления нежелательных колебаний, так как частотно-зависимая обратная связь неизбежно будет влиять на гармоники и, соответственно, на линейность закона перемещения.

Особенностью настоящего изобретения является то, что оно направлено на подавление вибраций зеркала, которое двигается строго по гармоническому закону, то есть на единственной частоте F. То есть функция управляющего сигнала Y(t) может быть представлена формулой: Y(t)=Asm(Ft).

Благодаря тому, что полезный сигнал расположен на единственной частоте, стало возможным применить методы частотной фильтрации для подавления как резонансных колебаний зеркала, так и других частот, которые соответствуют, например, внешнему акустическому шуму. Это достигается разнесением по спектру частоты управляющего сигнала F и резонансной частоты электродинамической головки fr. Далее описывается активная электронная схема, показанная на фиг. 1.

Схема A1 на фиг. 1 работает следующим образом. Генератор 1 через суммирующий усилитель 2 подключен к электродинамической головке 3, на которой закреплено зеркало. Цепь обратной связи реализована через усиливающий фильтр верхних частот (4, 5), вход которого подключен к электродинамической головке 3, используемой в качестве датчика вибраций (микрофонный эффект), а выход - к суммирующему усилителю 2. Схема подавления вибраций работает при замкнутом выключателе 6. При наличии источника, возбуждающего колебания диффузора электродинамической головки, наиболее интенсивные колебания возникают на частоте резонанса fr. По цепи обратной связи колебания на частоте резонанса поступают на вход фильтра и суммирующего усилителя 2, на выходе которого суммируются с усиленным управляющим сигналом от генератора 1. При этом, обратная связь, обеспечиваемая фильтром с помощью внутренних фазосдвигающих цепей, является отрицательной во всей частотной области, включая частотную область управляющего сигнала. Это обеспечивает устойчивость драйвера управления и подавление нежелательных вибраций не только на резонансной частоте электродинамической головки, но и в остальной частотной области пропускания фильтра.

На Фиг. 2 показана схема измерения коэффициента подавления вибрации с помощью активной схемы A1. В данной схеме резонансная частота электродинамической головки 3 равнялась fr=112 Гц. Измерение проводили следующим образом. От генератора 8 на громкоговоритель 7 подавали возбуждающий сигнал с частотой f, которая выбиралась в диапазоне от 20 до 400 Гц. Звуковая волна приводила в движение зеркало 3 на возбуждаемой частоте колебаний.

На Фиг. 3 показаны амплитуды возбуждаемых колебаний зеркала в зависимости от частоты, наводимые внешним возбудителем 8, при выключенной (1) и при включенной (2) обратной связи в активной системе подавления A1. Амплитуда напряжения на головке 8 была одинаковой для всех частот.

На Фиг. 4 показан спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системе A1.

Пример

Согласно Фиг. 2 была собрана схема измерения коэффициента подавления вибраций активной схемой A1. В схеме для элементов 3 и 7 использовались одинаковые электродинамические головки Wavecor SW070-WA-02 с номинальным сопротивлением 8 Ом и резонансной частотой 112 Гц. Сопротивление R1=12 Ом. Измерения проводили по описанию, приведенному выше. Для каждого спектра наведенных вибраций фиксировалась максимальная амплитуда на частоте f. Результаты измерения амплитуды вибраций на разных частотах f показаны на Фиг. 3.

На Фиг. 4 показан частотный спектр коэффициента подавления вибраций, обеспечиваемого активной системой A1. Коэффициент подавления превышает значение К=10 вблизи резонансной частоты электродинамической головки.

Таким образом, система подавляет вибрации примерно в 10 раз, т.е. на 20 дБ.

1. Интерферометр, содержащий в оптической схеме по крайней мере одно зеркало, причем зеркало жестко закреплено на электродинамической головке, колеблющейся с частотой F, которая разнесена на частотной оси относительно собственных резонансных частот fr головки настолько, что паразитные вибрации на частотах fr эффективно подавляются с помощью усиливающего частотного фильтра, включенного в цепь обратной связи управляющей системы.

2. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что имеет оптическую схему интерферометра Майкельсона.

3. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве частотного фильтра используется фильтр верхних частот, причем нижняя граничная частота фильтра больше F.

4. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве частотного фильтра используется фильтр нижних частот, причем верхняя граничная частота фильтра меньше F.

5. Интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что в качестве частотного фильтра используется режекторный фильтр на частоте F.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптики и касается устройства управления параметрами лазерного излучения. Устройство включает в себя источник лазерного излучения, поляризатор, вращающийся оптический элемент и цепь обратной связи.

Изобретение касается переключателя или коммутатора, содержащего хотя бы один такой переключатель, который содержит бистабильный элемент в МЭМС-исполнении, средства переключения и коммутационный узел.

Изобретение относится к области аппаратуры, применяемой для астрофизических исследований, и может быть использовано при наблюдении за звездным небом с помощью телескопа.

Изобретение относится к оптической технике. Устройство для модуляции монохроматического оптического излучения содержит оптически прозрачную среду, в которой установлены разделитель монохроматического оптического излучения на первый и второй каналы распространения, отражающий элемент во втором канале, участок когерентного суммирования для формирования модулированного монохроматического оптического излучения.

Изобретение относится к лазерной технике. Оптико-механический модулятор добротности с функцией коммутатора представляет собой устройство, включающее оптико-механический блок, блок питания и процессор управления, а также сборную призму, которая устанавливается на вращающемся роторе электромотора, состоящую из двух прямоугольных призм Ap90, закрепленных гипотенузными гранями на наклонных гранях ромб-призмы с зазором между гранями.

Изобретение относится к области квантовой криптографии - системам квантового распределения криптографических ключей, а более конкретно способу кодирования и передачи криптографических ключей.

Дисплей содержит множество пикселей, включающих красный, зеленый и синий интерференционный модуляторы. Каждый из пикселей выполнен с возможностью вывода более высокой интенсивности зеленого света, чем красного и синего света.

Изобретение относится к электрооптическим полимерным материалам, изменяющим коэффициент преломления при приложении электрического поля. .

Изобретение относится к микроэлектромеханическим системам и может быть использовано в дисплеях, содержащих интерференционные модуляторы. .

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа компенсации дрейфа частоты опорного источника энергии в спектрометрическом приборе на основе FT-интерферометра.

Изобретение относится к измерителям смещений длины волны электромагнитного излучения интерферометрическим методом по допплеровскому смещению длины волны света, переданного по волокну, с использованием интерферометра Фабри-Перо и касается способа компенсации световых потерь.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и может быть использовано преимущественно в дилатометрии, например, для измерения коэффициента линейного расширения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для контроля неплоскостности кольцевых поверхностей. В способе голографического контроля формируется первый опорный пучок с помощью светоделителя и зеркал и объектный пучок, включающий проекционный объектив, рабочую зону и узел регистрации голограммы.

Изобретение относится к области для измерения концевых мер длины. Двусторонний интерферометр содержит два лазера со стабилизированной частотой излучения, кольцевой трехзеркальный интерферометр и две наложенные голограммы, одна из которых записана излучением одного лазера, другая - другого лазера.

Изобретение относится к способу голографической визуализации быстропротекающих процессов - двухфазных потоков «твердые частицы - газ». При реализации способа посредством оптических элементов создают два объектных и два опорных пучка.

Изобретение относится к области интерферометрии. Система с интерферометрами содержит содержит волоконно-оптический датчик, который может иметь часть датчика Майкельсона и часть датчика Маха-Цендера.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа многоканального измерения смещения длины волны света. Измерения осуществляются с использованием интерферометра Фабри-Перо.

Изобретение может быть использовано для диагностики неоднородностей в прозрачных средах, в том числе в физике горения, экспериментальной газовой динамике, прикладной аэродинамике, гидродинамике.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических фазовых датчиках интерферометрического типа. При измерении сигнала датчика в ступенчатый пилообразный модулирующий сигнал добавляют один скачок напряжения за его период, амплитуда скачка равна амплитуде модулирующего сигнала, а длительность составляет половину длительности одной его ступени, причем скачок напряжения осуществляют в момент времени, соответствующий линейному участку выходного интерферометрического сигнала, полученного за предыдущий период модулирующего сигнала.

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а именно к интерференционным системам и методам контроля качества оптических поверхностей. Устройство для контроля качества плоских оптических деталей, расположенных под углом к оптической оси, состоит из передающего канала, включающего источник излучения, формирующий два пучка, расположенных на расстоянии друг от друга со взаимно перпендикулярными линейными состояниями поляризации, находящихся в фокальной плоскости объектива, четвертьволновую пластину, а также последовательно расположенные по ходу излучения на выходе объектива эталонную оптическую пластину, контролируемую оптическую деталь и возвратное зеркало, а также приемного канала, включающего светоделитель и после него приемник излучения, состоящий из матричного фотоприемника и линейного анализатора, позволяющий регистрировать одновременно несколько интерферограмм, необходимых для дальнейшего анализа. Источник излучения включает два точечных источника, разнесенных на расстояние Δ относительно друг друга перпендикулярно оптической оси. Устройство изготовлено с возможностью регулирования расстояния L между плоской эталонной поверхностью эталонной пластины и возвратным зеркалом в соответствии с граничным условием максимально допустимого расстояния: , где D - диаметр контролируемой детали, f′ - фокусное расстояние объектива, n×n - количество элементов строк и столбцов матричного фотоприемника. Технический результат - минимизация погрешностей измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх