Лазерно-интерферометрическая система измерения сверхмалых колебаний

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН 04 Н 9/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ НИЯ ам, ски 2,(21) 3783951/25-28(54) ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ КОЛЕБАНИЙ(57) Изобретение относится к оптико- акустическим измерениям и может быть использовано для измерения амплитуд и фаэ колебаний поверхности образца. Целью изобретения является повышение чувствительности, помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей, В лазе.в ,но-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 интерферометр преобразует фазовую модуляцию отраженного светового луча в интерференционный сигнал. Интерференционныи сигнал с выхода фотоприемника разделяется высокочастотным и низкочастотными фильтрами на высокочас тотную 0и низкочастотную 3 составляющие, Амплитуда сигнала 1пропорциональна амплитуде колебаний А(х,у) и коэффициенту к отражения, а амплитуда сигнала 1зависит от к . Сигнал с выхода первого аттенюатора зависиттолько от А(х,у) и не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента отражения. Высокочастотный сигнал цпосле высокочастотного фильтра поступает в смеситель, где он модулируется напряжением сигнала той же частоты й. Сигнал с выхода. аналого-вого 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.+ (х у)40 где А(х,у) распределение амплитуды колебании поверхности объекта 6,частота колебаний 1 1215Изобретение относится к оптик(акустическим измерениям и можетбыть испоггьзовано для измерения амплитуд и фаз колебаний поверхностиобразца.5целью изобретения является повью.шение 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 генератор3 и пьезомодулятор 4, Второй генера- Отор 5, предназначенный для возбуждения колебаний поверхности объекта6, выполненного в виде кварцевогопьезорезонатора, который скреплен спьезомодулятором 4, и регистратор 7,выполненный в виде двухкоординатногосамописца; последовательно соединенные первый фазосдвигающий блок 8,вход которого предназначен для приема колебаний поверхности объекта букоммутатор 9 фазы, второй вход которого соединен с выходом второго генератора 5, смеситель 10, низко-частотный усилитель 11, первый аттенюатор 12, первый усилитель 13 ианалоговый перемножитель 14; высокочастотный фильтр 15, вход которогосоединен с выходом фотоприемника 2,а выход - с вторым входом смесителя 10, последовательно соединенныепервый низкочастотный Фильтр 16,вход которого соединен с выходомфотоприемника 2, второй аттенюатор17, второй усилитель 18 и второйфазосдвигающий блок 19, выход кото( хрого соединен с вторым входом аналогового перемножителя 14, последовательно соединенные амплитудный детектор 20, вход которого соединен свыходом второго усилителя 18, и втоРой низкочастотный Фильтр 21, выходкоторого соединен с вторым входомвторого аттенюатора 17 и с вторымвходом первого аттенюатора 12; последовательно соединенные третийфазосдвигающий блок 22, вход которого соединен с выходом первого генератора 3, компаратор 23, инвертор 24 и первый коммутатор 25 поляр 04 2ности, 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, второйвход которого соединен с выходомпервого коммутатора 25 полярности, иинтегрирующий усилитель 28, выход которого соединен с регистратором 7, авыход компаратора 23 соединен с вто 1)ым входом второго коммутатора 26полярности. 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 завих(х,у,х) = А(х,у)х 1 о 2 Гх поверхности объекта 6, возбужденноговторым генератором 5;у(х,у) - распределение фазколебаний поверхности объекта 6;х, у - координаты пт.ерхностк объекта, 6,коордкната втемени;зхг, - функция синуса.Лмппитуда колебаний поверхности объекта 6, обусловленная возбуждениемт,е. коэффициент передачи второго аттенюатора 17 обратна пропорционален сигналу Б или коэффициенту отаражения света. Первый и второй аттенюаторы 12 и 17 выполнены технически тождественными (т. е. имеют совпадающие параметры и характеристики), вследствие чего закон изменения коэффициента передачи К первого аттенюатора 12 в такте сигнала Б изменяется синхронно с 1 о ным усилителем 27 устраняют низкочастотные осцилляции сигнала, связанные с множителем сов 2%Р так как работа коммутаторов 25 и 26 полярности с операционным усилителем 27 эквивалентна синхронному выпрямлению (детектированию сигнала с тактовой частотой Р), причем моменты переклю О чения первого и второго коммутаторов25 и 26 полярности совпадают с моментом изменения знака (зануления) множителя сов 2)Р. Необходимый режим коммутации обеспечивается последова тельно соединенными третьим фазосдвигающим блоком 22, обеспечивающим фазовый сдвиг Т/2, и коммутаторам 23.Противофазность коммутации перво О го и второго коммутатора 25 и 26полярности обеспечивает инвертор 24.На выходе операционного усилителя (дифференциального усилителя) 27 наблюдается сигнал25 Ко О /1)При этом сигнал 0 на выходе первого аттенюатара 12 равен т, е, не зависит от случайным образом изменяющегося коэффициента отражения Н.Информативный высокочастотный сигнал П после Фильтрации в высокочастотном Фильтре 15 поступает в смеситель 10, где он модулируется при смешении с напряжением сигнала той же частоты Г, поступающего через коммутатор 9 фазы непосредственно с второго генератора 5 или через первый Фазасдвигающий блок 8. Низкочастотный усилитель 11 выделяет низкочастотный сигнал 83 лБ , =, 11 А 1 х,у)/вовгввхи вы, опер г 8сов(р 1,хву) +6 )+совВ в 1 п 2)1 Р+ ЗО+2 С 1)(сЭ + Ч)(х, у) + 9 ) (12) 2 )4Б = - Б И) А(х,у) сов- Ва ъ квхп 21 ув + 11,(в(х,у) + в 1, 111) где ь - время интегрирования сигнала. Причем, как видна из (13), при где 9 - фазовый сдвиг сигнала,осуществляемый фазосдвигающим блоком 8,После нормировки этого сигналапервым аттенюатором 12 и усиленияпервым усилителем 13 информативныйсигнал поступает на первый вход аналогового перемножителя 14, на второйвход которого поступает продифференцированный во втором Фазосдвигающемблоке 19 сигнал с выхода второгоусилителя 18. Сигнал с выхода аналогового перемножителя 14 являетсябыстроосциллирующей Функцией при8 = /2 и знакопеременной функцией при 0 = О.Первый и второй коммутаторы 25и 26 полярности вместе с операцион 1выполнении условия в , сс Р выходное 45 напряженке интегрирующего усилителя 28 равна П = К А(х, у)сов(Ч)(х, у) +5 О +Е) (14) где К , - постоянная установки,зависящая от 0 и коэффициента передачи интегратора.Таким образом, при сканировании выбранного сечения образца 6 выходное напряжение отслеживает амплиНа интегрирующем усилителе 28 про 1исходит выделение постоянной составЗ 5 ляющей (напряжения корреляции)лЬ111, = - 1 ц,)в, 1о( ), (35) 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 предметного 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 9 = О и 9 = 1/2, в результате регистратор 7 прочерчивает две кривые Б (х)/ 6 = О е У (х) ии"(х)/6, = - ": - Б (х),после чего амплитуды и фазы сверхмалых колебаний поверхности образца 6 определяются из выражений: Ч(х, у) = агсЕаи (х)П (х)(1 ИФормула изобретения Лазерно-интерферометрическая система измерениясверхмалых 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 -5 10 15 20 25 30 35 40 45 чаюший с я тем, что, с цельюповышения чувствительности, помехоустойчивости и расширения функциональных возможностей, она снабженапоследовательно соединенными первымфазосдвигающим блоком, вход которогопредназначен для приема колебаний поверхности объекта, коммутатором фазы, второй вход которого соединЕн свыходом второго генератора, и смесителем, низкочастотным усилителем,первым аттенюатором, первым усилителем и аналоговым перемножителем,высокочастотным фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход - с вторым входомсмесителя, последовательно соединенными первым низкочастотным фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, вторым аттенюатором, вторым усилителем и вторым фазосдвиггющим блоком, выходкоторого соединен с входом аналогового перемножителя, последовательно соединенными амплитудным детектором, вход которого соединен свыходом второго усилителя, и вторымнизкочастотным фильтром, выход которого соединен с вторым входом вто-,рого аттенюатора и вторым входом первого аттенюатора, последовательносоединенными третьим фазосдвигающим блоком, выход которого соединен с выходом первого генератора,компаратором, инвертором и первымкоммутатором полярности, второйвход которого соединен с выходоманалогового перемножителя, последовательно соединенными вторым коммутатором полярности, вход которогосоединен 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 - свторым входом второго коммутатораполярности,1221504 Тираж 50Государственноголам изобретенийсква, Ж, Рауш Подписноекомитета СССР аказ 1 б 03/ВНИИПИ открыт 4/5 113035,с город, ул. Проектная, 4 Филиал П нт Составитель Г.Рыжаковаедактор М. Келемец Техред О, Гортвай Корректор А. Ферен