Вычислительное устройство для определения дробных долей и целого числа полос интерференция

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик Оп ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ АВТОРСКО ВИДЕТЕДЬСТВУ 1) Дополнительное к авт. свид-ву.77(21) 255349вки(22)Заявлено 08. с присоединением (23) ПриоритетОпубликовано 2 Геоударстеенный комитет по делам изобретений 15,05.80. Бюллетень18 ования описания 15,05.80.348) ткрытнн ата опубл А, Снежк В. П. Захаро(54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВОДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДРОБНЫХ ДОЛЕЙИ ЦЕЛОГО ЧИСЛА ПОЛОС ИНТЕРфЕРЕНЦИ ения Ц. Изобретение относится к вычислительным устройствам, используемым дпя интерференционных измерений, и может быт использовано дпя измерения различного рода апериодических смещений объектов с диффузноотражающими поверхностями. Известно интерференционное устройство дпя счета интерференционных понос, содержащее источник излучения - светоделитель, предметный и опорный плечи, генератор опорного напряжения, фотоприем ник, фильтр на частоте модуляции, два фильтра низкой частотыпва формирователя последовательности прямоугольных импульсов и логическое устройство дпя выделения знака реверса и счета целых интерференционных полос. В етом 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 при Наиболее близким к предпагаемому является вычислительное устройство дпяопределения дробных долей и целого числа полос интерференции, содержащее ицтерферометр, состоящий из источника иэлучения, полупрозрачного зеркала, фокусирующего объектива в измерительномплече интерферометра и опорного подвижного зеркала на пьезокерамической основе, а также фотоприемник. Кроме того,1 ов состав устройства входит генераторопорного напряжения, два формирователясигналов прямоугольной формы из интерференционного и опорного сигналов, гене 15ратор тактовой частоты, счетчик дробныхдолей интерференционных полос, блок управления счетом, реверсивный счетчикцелого числа.интерференционных полос,блок сравнения, буферные регистры памяти соответственно дробной доли полосы и целого числа полос, цифроаналоговые преобразователи дробной доли ицелого числа полос, устройства дпя отображения информации 121,49 7347 3Указанные средства позволяот присканировании зеркала опорного ключа интерферометра путем возбуждения пьезоКерамической основы генератором модуляции осуществлять периодическое движение интерференционной картины в плоскости фотоприемника, в результате чегона его выходе вырабатывается электрический сигнал, фаза которого относитель.но модулирующего напряжения линейно 10связана с величиной перемещения в измерительном плече.Фазовое соотношение между опорнымсигналом с фотоприемника преобразуетсяво временной интервал, измеряемый устройством. Одновременно измерение величины одного периода сигнала фотоприемника определяет числовое значение целойинтерференционной полосы,Поскольку измерение фазы однозначно 20лишь в интервале 0,2, данное устройствопри смещениях в измерительном плечеинтерферометра, больших Л /2, через каждые Л /23. -длина волны излучения),соответствующие изменению фазы на 2, 25регистрирует направление перемещения поскачкам временного интервала и осуществляет, таким образом, реверсивный счетцелых и дробных долей интерференционныхполос, 30Однако, вследствие неизбежного влияния нестабильности частоты и амплитудымодуляции пьезокерамики в процессе цифровых измерений меняется числовое значение целой интерференционной полосы. 35При этом счет дробных долей и целогочисла полос осуществляется с неравнымчисловым весом, т,е, не согласованно,что снижает точность измерений производимых с помощью этого устройстваи не позволяет достичь разрешения выше10 Л /2.Кроме того, при случайных уменьшениях амплитуды излучения, отраженногоот исследуемого объекта, ниже порогового уровня формирователя, например припрофилометрии, когда происходит сменаотражающих площадок на объекте, здесьпроисходят срывы работы измерительныхблоков, приводящие к появлению ложных ф 0фазовых скачков и, следовательно, к искажению данных измерений. Введение отрицательных чисел в реверсивном счетчике целых интерференцион- ных полос не соответствует функциониро-. ванию счетчика дробных полос, осуществляемом только в области положительных,чисел, что затрудняет отсчет и приводитк накоплению ошибок.Цель изобретения - повышение точности устройства,Указанная цель достигается тем, чтов устройство, содержащее интерферометр,состоящий из источника излучения, оптически связанного через полупрозрачноезеркало с исследуемым объектом, опорнымзеркалом и фотоприемником, выход которого соединен с входом первого усилителя - формирователя, генератор опорногонапряжения, 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 свходами блока сравнения кодов, счетчикадробной доли полосы и с управляющимвходом блока оперативной памяти, сигнальные входы которого подключены квыходам 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 оЬращения кода и цепочка из последовательно соединенных блока нормировки полосы,реверсивного счетчика импульсов нормировки, дополнительного цифроаналогового преобразователя и усилителя постожного тока, выход которого подключен куправляющему входу тактового генератора, первый и второй управляющие входыблока нормировки полосы соединены ссоответствующими выходами блока управления счетом, группа информационныхвходов соединена с выходами счетчикадробной доли полосы, а выход переполнениясоединен с соответствующим входом блокауправления, входы блока обращения кодаподключены к выходам блока оперативнойпамяти, его знаковый вход соединен свыходом знакового разряда реверсивногосчетчика целых полос, а выходы подсоединены к входам цифроаналогового преобразователя .и ко второй группе входовцифрового индикатора, При этом блокнормировки полосы содержит два триггера, 5-входы которых объединены и являются первым управляющим входом блока,3) -вход, каждого триггера соединен с5 734его обратным выходом, обратный выходвторого триггера является выходом переполнения блока, обратный выход первого триггера соединен с С -входом второго триггера и с первым входом первого элемента И, второй вход которогои первый вход второго элемента И соединены с обратным выходом второго триггера, третий вход первого элемента И соединен с выходом блока элементов И, - 10группа входов которого является группойинформационных входов блока, четвертыйвход первого элемента И и второй входвторого элемента И объединены и являются вторым управляющим входом блока, 15третий вход второго элемента И соединенс прямым выходомпервого триггера, выходы первого и второго элементов Иявляются соответствующими выходами блока. 2 ОНа фиг. 1 представлена блок-схемапредложенного устройства, на фиг. 2 -временные диаграммы работы устройства,на фиг. 3 - принципиальная схема блоканормировки полосы,25Вычислительное устройство содержитиитерферометр, состоящий из источника 1излучения, исследуемого объекта 2, опорного зеркала 3 на пьезокерамическомвибраторе, возбуждаемом генератором 4 ЗОопорного напряжения и фотоприемника 5.Выходы фотоприемника 5 и генератора 4через усилители-формирователи 6 и 7 поступают на блок 8 управления счетом,выходы которого подключены к входам 35счетчика 9 дробной доли полосы, блока10 оперативной памяти, блока 1 1 сравнения кодов и блока 12 нормировки полосы,подключенного к последовательно расположенным реверсивному счетчику 13 импульсов нормировки, дополнительномуцифроаналоговому 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 сравнениякодов и к блоку 17 обращения кода, соединенному с цифровым индикатором 18вторым цифроаналоговым преобразователем 5 О19,Два выхода блока 11 сравнения кодов подключены к входам реверсивногосчетчика 20 целых полос, соединенногос цифровым индикатором 18 первым циф 55эоаналоговым преобразователем 2 1 ис блоком 17 обращения кода. Один из выходов блока 12 нормирования полосы под 749 6ключен 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. 2 а) и сигнал с фотоприемника 5 (фиг. 2 б) 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. 2 г) и направляет ее в счет- чик 9 дробной доли полосы, подготовка которого к режиму измерения осуществляется импульсами (фиг. 2 д) каждый период частоты модуляции, Временной интервал между вырабатываемыми в блоке 8 импульсами представленными на фиг. 2 е, соответствующимц положительному фронту (фиг. 2 а) и первым предыдущим положительным фронтом (фиг. 2 б), совпадающим по времени с последним импульсом (фиг. 2 д), соответствует измеряемой пробной доле интерференционной полосы, С формированием импульса, представленного на фиг, 2 е, 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. 2 ж), служащий для обеспечения работы системы нормирования полосы, вырабатывается в момент прохождения целой интерференционной полосы в счетчике 9и формируется в блоке 8, Импульсы (фиг, 2 з), привязанные по времени к моменту окончанияимпульсов на фиг. 2 ж, служат для функционирования блока 1 1 сравнения кодов, формирующего реверсивные импульсы прохождения целой интерференционной полосы.Блок 1 1 сравнения кодов работает следующим образом.Импульсами, изображенными на фиг.2 з, 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 на7 73474фиг. 2 ж, В случае скачкообразного перехода сравниваемых чисел от максимального к минимальному или наоборот блок11 пропускает импульс, показанный нафиг. 2 ж, либо на суммирующий вход реверсивного счетчика целого числа полос20 либо на вычитающий.Блок 12 служит как для управлениянормировкой, так и для формирования спомощью триггера 23 сигнала "переполнение, фиксирующего состояние всегоустройства на время пропадания сигналана фиг, 2 б путем блокировки по входамреверсивного счетчика 13 импульсов нормировки и запрета на выработку в блоке 158 импульсов, показанных на фиг, 2 ж и 2 е,Блок нормирования полосы работаетследующим образом,Предположим, что числовое значениецелой интерференционной полосы, записанное в счетчике, 9, увели:илось (уменьшилось) и стало больше (меньше) заранеевыбранного нормированного значения Приэтом блок нормировки полосы 3.2 выработает импульс, поступающий на вычитающий суммирующий) вход реверсивногосчетчика 1 З.,Напряжение, снимаемое свыхода ЦАП 14 после усиления в усилителе 15 будет воздействовать на тактовый генератор 16 пропорционально рао- З 0стройке полосы, уменьшая увеличивая)его частоту, Описываемый цикл будетповторяться до полной. компенсации рассогласования.Кроме управления автоподстройкой 35блок нормирования полосы обеспечиваетвозможность блокировки срывов работысчетчика 9 дробной доли полосы, обусловленных случайными падениями амплитудыотраженного от исследуемой поверхности 4 Оизлучения, например, при профилографировании. При этом сохраняется значениеизмеряемой величины перемещения, предшествовавшее моменту срыва.45Наличие замкнутой системы автоподстройки частоты тактового генераторазначительно снижает требования к егостабильности. Технически он может бытьвыполнен в виде обычного регулируемогомультивибратора. Для совмещения числовых значений счетчика дробной .доли полосы 9 и реверсивного счетчика целыхполос 20 с учетом знака последнего впредлагаемое устройство вреден блок5517 обращения кода, управляемый сигналом от триггера знака реверсивного счетчика 20,9 8Таким образом, .описываемое устройство выгодно отличается от известного, так как уменьшается (компенсируется) пс грешность измерения перемещений, обусловленных влиянием нестабильности амплитуды и частоты сканированием зеркалаопорного плеча интерферометра. Кроме того, в результате нормировки цифровогозначения целой интерференционной полосыосуществляется счет дробных долей и целых полос с одинаковым .весом. Формула изобретения 1, Вычислительное устройство дпя определения дробных допей 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 введены 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 вы 9 734749 1 Оходами счетчика дробной доли полосы, а дом первого элемента И, второй вхопвыход переполнения соединен с соот- которого и первый вход второго элемеиветствующим входом блока управления, та И соединены с обратным вых.домвходы блока обращения кода подключены второго триггера, третий вход первогок выходам блока оперативной памяти, егоэлемента И соединен свыходом блоказнаковый вход соединен с выходом знако- элементов И, группа входов которогового 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 та И объединены и являются вторым упкатора, равляощим входом блока, третий вход2. Устройство по п. 1, о т л и ч а-. второго элемента И соединен с прямымю щ е е с я тем, что блок нормировки выходом первого триггера, выходы перполосы содержит два триггера, Я-входы вого и второго элементов И являютсякоторых являются первым управляющим 1 ь соответствующими выходами блока,входом блока, 0-вход каждого триггера Источники информации,соединен с его обратным выходом, обрат- принятые во внимание при экспертизеный выход второго триггера является вы. Патент США М 3409375,ходом переполнения блока, обратный вы- кл. 356-106, 1974,ход первого триггера соединен с С -ф 20 2. Ж, "Приборы и техника эксперивходом второго триггера и с первым вхо мента", 1976, М 6, с. 159-162 (прототип).