RU2572412C1 - High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations - Google Patents
High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572412C1 RU2572412C1 RU2014125977/28A RU2014125977A RU2572412C1 RU 2572412 C1 RU2572412 C1 RU 2572412C1 RU 2014125977/28 A RU2014125977/28 A RU 2014125977/28A RU 2014125977 A RU2014125977 A RU 2014125977A RU 2572412 C1 RU2572412 C1 RU 2572412C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- filter
- mirror
- interferometer
- vibrations
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам.The invention relates to the field of spectroscopy, namely to interferometers and Fourier spectrometers.
Уровень техникиState of the art
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.One of the tasks of modern technology is the suppression and elimination of unwanted vibrations. In interferometry, reliable vibration protection determines the stability of the interferogram and the correct operation of the device. The problem of vibration suppression is solved using passive measures, for example, by isolation with sound-absorbing materials and by increasing the mass of the device. In addition, active vibration suppression systems are known which comprise an electronic system with a feedback loop and vibration compensation means. In turn, active systems are divided into systems that stabilize the platform on which the interferometer is mounted, and systems that stabilize the movement of mirrors.
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.Traditionally, active systems are widely used in interferometry, which are aimed at protecting against vibration of the device as a whole, that is, they provide vibration isolation of the platform on which the interferometer is installed. For example, active systems are known [US patent No. 6511035, published January 28, 2003, US patent No. 8651447, published February 18, 2014] containing an accelerometer detecting vibrations and a vibration suppression system made, for example, using piezoelectric motors.
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.On the other hand, a system is known [US patent No. 5008606, published April 16, 1991], in which the mirror of the interferometer is placed on a carriage connected to an accelerometer and containing a control element, for example a linear piezoelectric motor, which corrects the mirror shift depending on registered vibrations.
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.The Michelson interferometer [RF patent No. 2239801, published November 10, 2004], in which the movable mirror moves according to a harmonic sinusoidal law, is selected as a prototype. The disadvantage of these solutions in relation to the prototype is their complexity and inability to properly suppress the resonant vibrations of the mirrors that are formed at the characteristic frequency of the electrodynamic head. When the interferometer is operating due to mirror oscillations, they also lead to a decrease in the accuracy of spectrum measurement.
Техническая задачаTechnical challenge
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.During the operation of the interferometer, the electrodynamic head oscillates according to a given sinusoidal law with a frequency F. But due to the presence of a natural resonant frequency f r for the head, spurious vibrations appear, which distort the sinusoidal law of oscillations of the mirror, which, in turn, reduces the accuracy of measurements spectrum signal. The present invention is tasked with increasing the accuracy of the device.
РешениеDecision
Для решения поставленной задачи предлагается следующее изобретение.To solve this problem, the following invention is proposed.
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.An interferometer containing in the optical circuit at least one mirror, the mirror being rigidly fixed to an electrodynamic head oscillating with a frequency F that is spaced on the frequency axis relative to the natural resonant frequencies f r of the head so that spurious vibrations at frequencies f r are effectively suppressed electronic system with frequency-dependent feedback in the driver circuit of the electrodynamic head.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что имеет оптическую схему интерферометра Майкельсона.As a possible implementation of the interferometer, a solution can be used, characterized in that it has an optical design of a Michelson interferometer.
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.As a possible implementation of the interferometer, a solution can be used, characterized in that a high-pass filter is used in the feedback circuit, and the lower cutoff frequency of the filter is greater than 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.As a possible implementation of the interferometer, a solution can be used, characterized in that a low-pass filter is used as a frequency filter, the upper cutoff frequency of the filter being less than F.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве частотного фильтра используется режекторный фильтр на частоте F.As a possible implementation of the interferometer, a solution can be used, characterized in that a notch filter at a frequency F is used as a frequency filter.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве датчиков колебаний на нежелательных частотах используются электродинамические головки интерферометра.As a possible implementation of the interferometer, a solution can be used, characterized in that the electrodynamic heads of the interferometer are used as vibration sensors at undesirable frequencies.
Описание чертежейDescription of drawings
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.FIG. 1. An example circuit diagram of an active mirror vibration suppression system A1. Here 1 is an oscillation generator; 2 - summing amplifier; 3 - mirror mounted on an electrodynamic head; 4 - high-pass filter; 5 - feedback signal amplifier; 6 - feedback switch.
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.FIG. 2. The scheme for measuring the coefficient of suppression of vibration of mirrors caused by external influences. Here 8 is a generator of excitation of external vibrations; 3 - mirror mounted on an electrodynamic head; 7 - external speaker (as a signal source for external vibrations); 9 - measuring output.
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.FIG. 3. An example of a measured spectrum of mirror vibrations excited by a loudspeaker with (1) off and (2) active mirror vibration suppression systems A1 turned on. Rel units correspond to millivolts.
Фиг. 4. Измеренный спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системы A1.FIG. 4. The measured spectrum of the vibration reduction coefficient of the mirror when the active system A1 is turned on.
Детальное описание решенияDetailed Solution Description
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:In traditional interferometers with moving mirrors, which are used for Fourier spectroscopy, the mirror, as a rule, is stabilized for motion according to a linear law. In fact, the mirror stabilization system combines the functions of suppressing mirror accelerations. As a rule, for Fourier spectroscopy, the mirror must periodically move strictly according to the linear law, which is described by a continuous piecewise linear function Φ (t). This function can be represented as the sum of harmonic oscillations as follows:
где w=2πf.where 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.As follows from the formula, the Fourier spectrum of this function contains many harmonics spanning a wide frequency range. This makes it difficult to apply frequency filtering methods to suppress unwanted oscillations, since frequency-dependent feedback will inevitably affect harmonics and, accordingly, the linearity of the law of movement.
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).A feature of the present invention is that it is aimed at suppressing vibrations of a mirror that moves strictly according to a harmonic law, that is, at a single frequency F. That is, the control signal function Y (t) can be represented by the formula: 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.Due to the fact that the useful signal is located at a single frequency, it has become possible to apply frequency filtering methods to suppress both resonant oscillations of the mirror and other frequencies that correspond, for example, to external acoustic noise. This is achieved by spacing the frequency spectrum of the control signal F and the resonant frequency of the electrodynamic head f r . The active electronic circuit shown in FIG. one.
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.Scheme A1 in FIG. 1 works as follows. The
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.In FIG. 2 shows a circuit for measuring a vibration suppression coefficient using the active circuit A1. In this scheme, the resonant frequency of the
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.In FIG. Figure 3 shows the amplitudes of the excited oscillations of the mirror as a function of the frequency induced by the external exciter 8 when the feedback in the active suppression system A1 is turned off (1) and when the feedback is turned on (2). The voltage amplitude at head 8 was the same for all frequencies.
На Фиг. 4 показан спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системе A1.In FIG. 4 shows the spectrum of the vibration reduction coefficient of the mirror when the active system A1 is turned on.
ПримерExample
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.According to FIG. 2, a circuit for measuring the vibration reduction coefficient of the active circuit A1 was assembled. In the circuit for
На Фиг. 4 показан частотный спектр коэффициента подавления вибраций, обеспечиваемого активной системой A1. Коэффициент подавления превышает значение К=10 вблизи резонансной частоты электродинамической головки.In FIG. 4 shows the frequency spectrum of the vibration reduction coefficient provided by the active system A1. The suppression coefficient exceeds the value K = 10 near the resonant frequency of the electrodynamic head.
Таким образом, система подавляет вибрации примерно в 10 раз, т.е. на 20 дБ.Thus, the system suppresses vibrations by about 10 times, i.e. 20 dB.
Claims (5)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014125977/28A RU2572412C1 (en) | 2014-06-27 | 2014-06-27 | High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations |
PCT/RU2015/000405 WO2015199582A2 (en) | 2014-06-27 | 2015-06-29 | Improved accuracy interferometer with active damping of parasitic vibrations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014125977/28A RU2572412C1 (en) | 2014-06-27 | 2014-06-27 | High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2572412C1 true RU2572412C1 (en) | 2016-01-10 |
Family
ID=54938907
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014125977/28A RU2572412C1 (en) | 2014-06-27 | 2014-06-27 | High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2572412C1 (en) |
WO (1) | WO2015199582A2 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3567325A (en) * | 1967-08-31 | 1971-03-02 | Dawson Inc Alexander | System for stable positioning of interferometer mirrors |
RU2092786C1 (en) * | 1994-04-20 | 1997-10-10 | Виктор Васильевич Мушкаев | Interferometer with mobile reflector (versions) |
US7545508B2 (en) * | 2001-06-19 | 2009-06-09 | The Foundation For The Promotion Of Industrial Science | Interferometric apparatus utilizing a cantilever array to measure a surface |
WO2010062860A2 (en) * | 2008-11-26 | 2010-06-03 | Zygo Corporation | Fiber-based interferometer system for monitoring an imaging interferometer |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS585015A (en) * | 1981-06-30 | 1983-01-12 | Ishida Scales Mfg Co Ltd | Differential amplifying circuit incorporating low-pass filter |
RU2239801C2 (en) * | 2002-12-26 | 2004-11-10 | Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН | Method for modulating optical travel difference in michelson interferometer for fourier spectrometry and fourier spectrometer for infrared, visible, and ultraviolet spectral ranges |
-
2014
- 2014-06-27 RU RU2014125977/28A patent/RU2572412C1/en not_active IP Right Cessation
-
2015
- 2015-06-29 WO PCT/RU2015/000405 patent/WO2015199582A2/en active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3567325A (en) * | 1967-08-31 | 1971-03-02 | Dawson Inc Alexander | System for stable positioning of interferometer mirrors |
RU2092786C1 (en) * | 1994-04-20 | 1997-10-10 | Виктор Васильевич Мушкаев | Interferometer with mobile reflector (versions) |
US7545508B2 (en) * | 2001-06-19 | 2009-06-09 | The Foundation For The Promotion Of Industrial Science | Interferometric apparatus utilizing a cantilever array to measure a surface |
WO2010062860A2 (en) * | 2008-11-26 | 2010-06-03 | Zygo Corporation | Fiber-based interferometer system for monitoring an imaging interferometer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2015199582A3 (en) | 2016-03-24 |
WO2015199582A2 (en) | 2015-12-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7028548B2 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
JP6448236B2 (en) | Laser frequency measuring method and apparatus using optical frequency comb | |
US10429405B2 (en) | Vibrating beam accelerometer | |
JP5518177B2 (en) | Micromechanical system and method for manufacturing a micromechanical system | |
JP2009515107A (en) | Vibration isolation system and method | |
JP2013156252A (en) | Resonant sensor measurement device | |
Chao et al. | An aluminum nitride on silicon resonant MEMS accelerometer operating in ambient pressure | |
US20100111318A1 (en) | Active noise controller | |
RU2572412C1 (en) | High-precision interferometer with active suppression of spurious vibrations | |
US20150143905A1 (en) | Resonator | |
JP6916070B2 (en) | Concentration measuring instrument | |
RU2708907C1 (en) | Solid-state wave gyroscope | |
Zhao et al. | A resonant MEMS accelerometer utilizing AC polarization | |
Chintapalli et al. | An experimental investigation of cavity noise control using mistuned Helmholtz resonators | |
Basarab et al. | Application of a magnetic sensor for determining the mass imbalance of the Coriolis vibratory gyroscope with cylindrical metallic resonator | |
JP6097615B2 (en) | Crystal oscillator | |
JP6097614B2 (en) | Crystal oscillator | |
Di Virgilio et al. | Displacement power spectrum measurement of a macroscopic optomechanical system at thermal equilibrium | |
Levy et al. | Phase noise analysis of the Frequency Tracking Oscillator | |
Jiang et al. | The design of a novel low phase noise anti-vibration OCXO | |
Klimkovich | Correcting filter for single-axis ring laser gyros on the mechanical dither | |
US20200271510A1 (en) | Systems and methods for extending frequency response of resonant transducers | |
RU160686U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING VALUE OF FREQUENCY OF INSTALLATION RESONANCE OF A PIEZOELECTRIC VIBRATION CONVERTER | |
JP4253713B2 (en) | High sensitivity quartz crystal sensor | |
KR100585893B1 (en) | A micro gyroscope and a method for tuning the Q-factor thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170628 |