Вычислительное устройство для определения дробных долей и целого числа полос интерференция

 

Оп ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

4 г

3 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 08.12.77(21) >553496/18 4 с присоединением заявки №OO

Геоударстеенный комитет (23) Приоритет

Опубликовано 15.05.80. Бюллетень № 18 по делам изобретений н открытой.34

8) Дата опубликования описания 15,05.80

В. П. Захаров и Ю, А, Снежко (72) Авторы изобретения (7I). Заявитель (54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРОБНЫХ ДОЛЕЙ

И ЦЕЛОГО ЧИСЛА ПОЛОС ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Изобретение относится к вычислительным устройствам, используемым для интерференционных измерений, и может быть использовано для измерения различного рода апериодических смещений объектов с диффузноотражающими поверхностями.

Известно интерференционное устройство для счета интерференционных полос, содержащее источник излучения - светоделитель, предметный и опорный плечи, ге о нератор опорного напряжения, фотоприем« ник, фильтр на частоте модуляции, два фильтра низкой частоты,,пва формирователя последовательности прямоугольных

15 импульсов и логическое устройство дпя выделения знака реверса и счета целых интерференционных полос. B зтом устрой стве нельзя измерять дробные доли полс— сы и медленные смещения, оно критичнок качеству исследуемой поверхности, а также к дрейфу фазы, что существенно ограничивает точность его работы и область применения Ц.

Наиболее близким к предпагаемому яв ляется вычислительное устройство дпя определения дробных долей и целого числа полос интерференции, содержащее ии.терферометр, состоящий из источника иэлучения, полупрозрачного зеркала, фокусирующего объектива в измерительном плече интерферометра и опорного подвижного зеркала на пьезокерамической основе, а также фотоприемник. Кроме того, в состав устройства входит генератор опорного напряжения, два формирователя сигналов прямоугольной формы из интер» ференционного и опорного сигналов, генератор тактовой частоты, счетчик дробных долей интерференционных полос, блок управления счетом, реверсивный счетчик целого числа.интерференционных полос, блок сравнения, буферные регистры памяти соответственно дробной доли полосы и целого числа полос, цифроаналоговые преобразователи,пробной доли и целого числа полос, устройства дпя отображения информации g2), 49

7347

Указанные средства позволя|от при сканировании зеркала опорного ключа интерферометра путем возбуждения пьезоКерамической основы генератором модуляции осуществлять периодическое движение интерференционной картины в плоскости фотоприемника, в результате чего на его выходе вырабатывается электрический сигнал, фаза которого относитель . но модулирующего напряжения линейно l0 связана с величиной перемещения в измерительном плече.

Фазовое соотношение между опорным сигналом с фотоприемника преобразуется во временной интервал, измеряемый уст- 15 ройством. Одновременно измерение величины одного периода сигнала фотоприемника определяет числовое значение целой интерференционной полосы.

Поскольку измерение фазы однозначно 20 лишь в интервале 0,2, данное устройство при смещениях в измерительном плече интерферометра, больших Л /2, через каждые Л /2, (3. -длина волны излучения), соответствующие изменению фазы на 2, регистрирует направление перемещения по скачкам временного интервала и осуществляет, таким образом, реверсивный счет целых и дробных долей интерференционных полос. 30

Однако, вследствие неизбежного влияния нестабильности частоты и амплитуды модуляции пьезокерамики в процессе цифровых измерений меняется числовое значение целой интерференционной полосы. 3S

При этом счет дробных долей и целого числа полос осуществляется с неравным числовым весом, т. е. не согласованно, что снижает точность измерений производимых с помощью этого устройства„ и не позволяет достичь разрешения выш

10 Л /2.

Кроме того, при случайных уменьшениях амплитуды излучения, отраженного от исследуемого объекта, ниже порогово- 4 го уровня формирователя, например при профилометрии, когда происходит смена отражающих площадок на объекте, здесь происходят срывы работы измерительных блоков, приводящие к появлению ложных фазовых скачков и, следовательно, к искажению данных измерений.

Введение отрицательных чисел в реверсивном счетчике целых интерференцион- ных полос не соответствует функционироI ванию счетчика дробных полос, осуществляемом только в области положительных. чисел, что затрудняет отсчет и приводит к накоплени.ю ошибок.

Цель изобретения — повышение точности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройство, содержащее интерферометр, состоящий из источника излучения, оптически связанного через полупрозрачное зеркало с исследуемым объектом, опорным зеркалом и фотоприемником, выход которого соединен с входом первого усилителя - формирователя, генератор опорного напряжения, соединенный с опорным зеркалом и входом второго усилителя-формирователя, блок управления счетом, входы которого соединены с выходами усилителей-формирователей и с выходом тактового генератора, а выходы соединены с входами блока сравнения кодов, счетчика дробной доли полосы и с управляющим входом блока оперативной памяти, сигнальные входы которого подключены к выходам счетчика дробной доли полосы, выход блока оперативной памяти подключен к входу блока сравнения кодов, реверсивный счетчик целых полос, входы которого соединены с выходами блока сравнения кодов, а выходы подключены ко . входам первого цифроаналогового преобразователя и к первой группе входов цифрового индикатора, и второй цифроаналоговый преобразователь, введены блок обращения кода и цепочка из последовательно соединенных блока нормировки полосы, реверсивного счетчика импульсов нормировки, дополнительного цифроаналогового преобразователя и усилителя постожного тока, выход которого подключен к управляющему входу тактового генератора, первый и второй управляющие входы блока нормировки полосы соединены с соответствующими выходами блока управления счетом, группа информационных входов соединена с выходами счетчика дробной доли полосы, а выход переполнения соединен с соответствующим входом блока управления, входы блока обращения кода подключены к выходам блока оперативной памяти, его знаковый вход соединен с выходом знакового разряда реверсивного счетчика целых полос, а выходы подсоединены к входам цифроаналогового преобразователя .и ко второй группе входов цифрового индикатора, При этом блок нормировки полосы содержит два триггера» 5-входы которых объединены и являются первым управляющим входом блока, )-вход, каждого триггера соединен с

5 734

его обратным выходом, обратный выход второго триггера является выходом пе реполнения блока, обратный выход первого триггера соединен с С -входом второго триггера и с первым входом первого элемента И, второй вход которого и первый вход второго элемента И соединены с обратным выходом второго триггера, третий вход первого элемента И соединен с выходом блока элементов И,группа входов которого является группой информационных входов блока, четвертый вход первого элемента И и второй вход второго элемента И объединены и являю ся вторым управляющим входом блока, 15 третий вход второго элемента И соединен с прямым выходомпервого триггера, выходы первого и второго элементов И являются соответствующими выходами блока. 2О

На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного устройства, на фиг. 2— временные диаграммы работы устройства, на фиг. 3 — принципиальная схема блока нормировки полосы.

Вычислительное устройство содержит иитерферометр, состоящий из источника 1 излучения, исследуемого объекта 2, опорного зеркала 3 на пьезокерамическом вибраторе, возбуждаемом генератором 4 опорного напряжения и фотоприемника 5.

Выходы фотоприемника 5 и генератора 4. через усилители-формирователи 6 и 7 поступают на блок 8 управления счетом, выходы которого подключены к входам З5 счетчика 9 дробной доли полосы, блока

10 оперативной памяти, блока 11 сравнения кодов и блока 12 нормировки полосы, подключенного к последовательно расположенным реверсивному счетчику 13 им- 4О пульсов нормировки, дополнительному цифроаналоговому преобразователю 14, усилителю 15 постоянного тока и тактовому генератору 16, соединенному с блоком 8 управления счетом.

Выходы блока 10 оперативной памяти подключены к блоку 11 сравнения кодов и к блоку 17 обращения кода, соединенному с цифровым индикатором 18 вторым цифроаналоговым преобразователем5О

19, Два выхода блока 11 сравнения кодов подключены к входам реверсивного счетчика 20 целых полос, соединенного с цифровым индикатором 18 первым циф- 55 эоаналоговым преобразователем 21 и с блоком 17 обращения кода. Один из выходов блуа 12 нормирования полосы под749 6 ключен к блоку 8 управления счетом и служит для блокировки при возможных срывах сигнала.

Блок 12 нормировки полосы в свою очередь содержит триггеры 22, 23, первый 24 и второй 25 элементы И, группу элементов И 26.

Устройство работает следующим образом.

Сформированные сигналы прямоугольной формы — сигнал модуляции, сформированный опорным зеркалом интерферометра (фиг. 2а) и сигнал с фотоприемника 5 (фиг. 2б) поступают в блок 8 управления счетом через усилители 6 и

7. Одновременно, на вход блока 8 поступают импульсы тактового генератора 16 . высокой частоты.

Блок 8 выделяет из импульсов тактового генератора определенную последовательность (фиг. 2г) и направляет ее в счет чик 9 дробной доли полосы, подготовка которого к режиму измерения осуществляется импульсами (фиг. 2д) каждый период частоты модуляции. Временной интервал между вырабатываемыми в блоке 8 импульсами представленными на фиг. 2е, соответствующими положительному фронту (фиг. 2а) и первым предыдущим положительным фронтом (фиг. 2б), совпадающим по времени с последним импульсом (фиг. 2д), соответствует измеряемой пробной доле интерференционной полосы. С формированием импульса, представленного на фиг. 2е, в блок 10 оперативной памяти переводятся числовые значения величины дробной доли полосы из счетчика

9 для последующего ее отображения и использования.

Импульс сравнения (на фиг. 2ж), служащий для обеспечения работы системы нормирования полосы, вырабатывается в момент прохождения целой интерференционной полосы в счетчике 9 и формируется в блоке 8. Импульсы (фиг. 2з), привязанные IIo времени к моменту окончания импульсов на фиг. 2ж, служат для функционирования блока 1 1сравнения кодов, формирующего реверсивные импульсы прохождения целой интерференционной полосы.

Блок 1 1 сравнения кодов работает следующим образом.

Импульсами, изображенными на фиг.2з, за каждый такт модуляции производится запись текущего содержания блока 10 памяти в блок 11 сравнения, что обеспечивает сравнение предыдущей информации счетчика 9 с текущей импульсами на

7 73474 фиг. 2ж, В случае скачкообразного перехода сравниваемых чисел от максималь ного к минимальному или наоборот блок

11 пропускает импульс, показанный на фиг. 2ж, либо на суммирующий вхОд реверсивного счетчика целого числа полос

20 либо HB вычитакщий.

Блок 12 служит как для управления нормировкой, так и для формирования с помощью триггера 23 сигнала перепол- о нение, фиксирующего состояние всего устройства на время пропадания сигнала на.фиг. 26 путем блокировки по входам реверсивного счетчика 13 импульсов нор. мировки и запрета на выработку в блоке <5

8 импульсов, показанных на фиг, 2ж и 2е, Блок нормирования полосы работает следующим образом.

Предположим, что числовое значение целой интерференционной полосы, записан- gp ное в счетчике. 9, увели =.илось (уменьши лось) и стало больше (меньше) заранее выбранного нормированного значения. При этом блок нормировки полосы 12 выработает импульс, поступающий на вычитаю- 25 щий (суммирующий) вход реверсивного счетчика 13. напряжение, снимаемое с выхода БАП 14 после усиления в усилителе 15 будет воздействовать на тактовый генератор 16 пропорционально рао- ЗО стройке полосы, уменьшая (увеличивая) его частоту, Описываемый цикл будет повторяться до полной. компенсации рассогласования.

Кроме управления автоподстройкой 35 блок нормирования полосы обеспечивает возможность блокировки срывов работы счетчика 9 дробной доли полосы, обусловленных случайными падениями амплитуды отраженного от исследуемой поверхности излучения, например, при профилографировании. При этом сохраняется значение измеряемой величины перемещения, предшествовавшее моменту срыва.

Наличие замкнутой системы автоподстройки частоты тактового генератора значительно снижает требования к его стабильности. Технически он может быть выполнен в виде обычного регулируемого @ мультивибратора. Для совмещения числовых значений счетчика дробной .доли полосы 9 и реверсивного счетчика целых полос 20 с учетом знака последнего в предлагаемое устройство вреден блок

17 обращения кода, управляемый сигналом от триггера знака реверсивнок о счет чика 20.

9 8

Таким образом, .описываемое устройство выгодно отличается от известного, так как уменьшается (компенсируется) пс грешность измерения перемещений, обусловленных влиянием нестабильности амплитуды и частоты сканированием зеркала опорного плеча интерферометра. Кроме того, в результате нормировки цифрового значения целой интерференционной полосы осуществляется счет дробных долей и целых полос с одинаковым .весом.

Формула изобретения

1. Вычислительное устройство для определения дробных долей и целого числа полос интерференции, содержащее ин« терферометр, состоящий иэ источника излучения, оптически связанного через полупрозрачное зеркало с исследуемым объектом, опорным зеркалом и фотоприемником, выход фотоприемника соединен с входом первого усилителя - формирователя," генератор опорного напряжения, соединенный с опорным зеркалом и входом .второго усилителя-формирователя; блок управления счетом, входы которого соединены с выходами усилителей-формирователей и с выходом тактового генератора, а выходы соединены с входами блока сравнения кодов, счетчика дробной доли полосы и с управляющим входом блока оперативной памяти, сигнальные входы которого подключены к выходам счетчика дробной доли полосы выход блока оперативно памяти подключен к входу блока сравнения кодов, реверсивный счетчик целых. полос, входы которого соединены с выходами блока сравнения кодов, а выходы подключены ко входам первого цифроаналогового преобразователя и к первой группе входов цифрового индикатора, второй цифроаналоговый преобразователь, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него вве дены блок обращения кода и цепочка иэ последовательно соединенных блока нор мировки полосы, реверсивного счетчика импульсов нормировки, дополнительного цифроаналогового преобразователя и усилителя постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу тактового генератора, первый и второй управляющие входы блока нормировки полосы соединены с соответствующими выходами блока управления счетом, группа информационных входов соединена с вы9 734749 1О ходами счетчика дробной доли полосы, а дом первого элемента И, второй ахоп выход переполнения соединен с соот- которого и первый вход второго элемеиветствующим входом блока управления, та И соединены с обратным выхдом входы блока обращения кода подключены второго триггера, третий вход первого к выходам блока оперативной памяти, его > элемента И соединен с выходом блока знаковый вход соединен с выходом знако- элементов И, группа входов которого вого разряда реверсивного счетчика це- является группой, информационных вхолы полос, а выходы подсоединены к вхо- дов блока, четвертый вход первого эледам цифроаналогового преобразователя и мента И и второй вход второго элеменко второй группе входов цифрового инди- ð та И объединены и являются вторым упкатора. равлыощим входом блока, третий вход

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а-. второго элемента И соединен с прямым ю щ е е с я тем, что блок нормировки выходом первого триггера, выходы перполосы содержит два триггера, 5 -входы вого и второго элементов И являются которых являются первым управляющим ts соответствующими выходами блока. входом блока, D-вход каждого триггера Источники информации, соединен с его обратным выходом, обрат принятые во внимание при экспертизе ный выход второго триггера является вы- 1. Патент США М 3409375, ходом переполнения блока, обратный вы- кл. 356-106, 1974, ход первого триггера соединен с С - - 20 2. Ж, "Приборы и техника эксперивходом второго триггера и с первым вхо» мента", 1976, ¹6, с. 159-162 (прототип).