RU2640963C1 - Method of controlling phase shift in interference systems - Google Patents
Method of controlling phase shift in interference systems Download PDFInfo
- Publication number
- RU2640963C1 RU2640963C1 RU2016145289A RU2016145289A RU2640963C1 RU 2640963 C1 RU2640963 C1 RU 2640963C1 RU 2016145289 A RU2016145289 A RU 2016145289A RU 2016145289 A RU2016145289 A RU 2016145289A RU 2640963 C1 RU2640963 C1 RU 2640963C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- phase shift
- acousto
- oscillations
- light beam
- beam passes
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам управления фазовым сдвигом между двумя когерентными монохроматическими световыми волнами в лазерных измерительных информационных системах (ЛИИС).The invention relates to measuring technique, in particular to methods for controlling the phase shift between two coherent monochromatic light waves in laser measuring information systems (LIIS).
Метод управления фазовым сдвигом широко применяется в интерферометрах, построенных по разнообразным оптическим схемам (интерферометры с управляемым фазовым сдвигом (УФС) по схеме Линника [см., например, Григорьев С.Н., Телешевский В.И., Андреев А.Г., Игнатьев П.С., Индукаев К.В., Кольнер Л.С., Осипов П.А. Метрологическая аттестация лазерных микроскопов на основе принципов модуляционной интерферометрии с управляемым фазовым сдвигом // Вестник МГТУ «СТАНКИН», 2015, №3(34), с. 67-75], по схеме Кестерса [см., например, G. Michalecki, Automatic Calibration of Gange blocks Measured by Optical Interferometry, Measurement Science Review, 2001, Vol. 1, №1, p. 93-96], по схеме Физо и Тваймана-Грина [P. de Groot, Jim Biegen et. al. Optical Interferometry for measurement of the geometric dimensions of industrial parts // Applied Optics. 2002, vol. 41, №19, p. 3853-3860] и др.). Отметим, что модуляционный интерференционный микроскоп с УФС обеспечивает восстановление объекта с разрешением 0,1 нм по вертикали и до 10 нм в латеральной плоскости. Интерферометр Кестерса с УФС восстанавливает поверхность прецизионной концевой меры с разрешением до 10 нм.The phase shift control method is widely used in interferometers constructed according to various optical schemes (controlled phase shift interferometers (UFS) according to the Linnik scheme [see, for example, Grigoryev S.N., Teleshevsky V.I., Andreev A.G., Ignatiev P.S., Indukaev K.V., Kolner L.S., Osipov P.A. Metrological certification of laser microscopes based on the principles of modulation interferometry with controlled phase shift // Vestnik MGTU STANKIN, 2015, No. 3 (34 ), pp. 67-75], according to the Kester's scheme [see, for example, G. Michalecki, Automatic Calibration of Gange blocks Measured by Optical In terferometry, Measurement Science Review, 2001, Vol. 1, No. 1, p. 93-96], according to the scheme of Fizeau and Twyman-Green [P. de Groot, Jim Biegen et. al. Optical Interferometry for measurement of the geometric dimensions of industrial parts // Applied Optics. 2002, vol. 41, No. 19, p. 3853-3860] and others). Note that a modulation interference microscope with a UVS provides restoration of an object with a resolution of 0.1 nm vertically and up to 10 nm in the lateral plane. Kester's UFS interferometer restores the surface of a precision end gauge with a resolution of up to 10 nm.
Известен способ механического управления фазовым сдвигом в интерференционных системах (Патент РФ №2536764 C1, опубл. 27.12.2014).A known method of mechanical control of the phase shift in interference systems (RF Patent No. 2536764 C1, publ. 12/27/2014).
Суть известного способа заключается в использовании интерферометра общего пути, представляющего собой сборку из бипризмы Дове и наклонного зеркала. Бипризма Дове закрепляется на линейном моторизованном трансляторе (в данном случае, на линейном пьезоприводе), который от соответствующего программируемого контроллера осуществляет перемещение бипризмы на определенное число шагов (порядка 4-х) в направлении, препендикулярном оптической оси, реализуя таким образом механическое перемещение для осуществления управляемого фазового сдвига. Световые пучки, вышедшие из бипризмы Дове, отражаются от зеркала, наклоненного на малый угол, и, отразившись от него, приобретают на выходе из призмы Дове определенный фазовый сдвиг, зависящий от значения моторизованного перемещения призмы Дове. Таким образом, имеет место УФС между интерферирующими пучками, определяемый числом и значением шагов перемещения бипризмы Дове.The essence of this method is to use a common path interferometer, which is an assembly of Dove biprisms and an inclined mirror. Biprism Dove is mounted on a linear motorized translator (in this case, a linear piezodrive), which from the corresponding programmable controller moves the biprism a certain number of steps (about 4) in the direction prependicular to the optical axis, thus realizing mechanical movement to effect controlled phase shift. Light beams emerging from the Dove biprism are reflected from a mirror tilted at a small angle, and, reflected from it, acquire a certain phase shift at the exit of the Dove prism, depending on the value of the motorized movement of the Dove prism. Thus, there is a UFS between the interfering beams, determined by the number and value of the steps of moving the Dove biprism.
К недостаткам известного технического решения следует отнести:The disadvantages of the known technical solutions include:
- относительно невысокую точность, обусловленную невозможностью реализовывать фазовые сдвиги высокой точности с дискретностью 1 нм и ниже;- relatively low accuracy due to the inability to realize phase shifts of high accuracy with a resolution of 1 nm or less;
- относительно невысокую помехоустойчивость, обусловленную тем, что смещение интерференционной картины достигается механическим перемещением опорного зеркала в пространстве от электрически возбуждаемого пьезоэлемента.- relatively low noise immunity due to the fact that the displacement of the interference pattern is achieved by mechanical movement of the reference mirror in space from an electrically excited piezoelectric element.
Наиболее близким к заявленному техническому решению как по технической сути, так и по достигаемому результату - прототипом - является реализованный в рамках способа получения фазового портрета объекта способ управления фазовым сдвигом в интерференционных системах, включающий формирование когерентного монохроматического излучения посредством источника, его разделение на опорный и предметный световые пучки посредством коллимационной системы, их направление на объект измерения и опорную поверхность с формированием в них фазового сдвига Δϕ, предназначенного для интерпретации интерференционной картины при их отражении на фотоприемнике (Патент РФ №2463552 С1, опубл. 10.10.2012).The closest to the claimed technical solution both in technical essence and in the achieved result - the prototype - is a method for controlling the phase shift in interference systems implemented as part of the method of obtaining a phase portrait of an object, including the formation of coherent monochromatic radiation by a source, its separation into reference and subject light beams by means of a collimation system, their direction to the measurement object and the supporting surface with the formation of a phase shift in them n Δφ, intended to interpret the interference pattern at their reflection on the photodetector (RF Patent №2463552 C1, publ. 10.10.2012).
Техническое решение по прототипу характеризуется тем, что:The technical solution for the prototype is characterized in that:
- для определения фазы объектного пучка на пикселе фотоприемника определяют не менее трех значений энергии, воспринятой пикселем фотоприемника за время экспозиции, при различных значениях фазы опорного пучка;- to determine the phase of the object beam at the pixel of the photodetector, at least three values of the energy perceived by the pixel of the photodetector during the exposure are determined for various values of the phase of the reference beam;
- для определения не менее одного значения воспринятой пикселем энергии получают зависимость освещенности пикселя от времени при изменении положения фазового модулятора и интегрируют полученную зависимость на интервале времени экспозиции;- to determine at least one value of the energy perceived by the pixel, the dependence of the pixel illumination on time is obtained when the position of the phase modulator is changed and the obtained dependence is integrated over the exposure time interval;
- для каждого пикселя получают серию промежуточных значений фазы объектного пучка при различном текущем сдвиге фазы опорного пучка;- for each pixel, a series of intermediate values of the phase of the object beam is obtained at a different current phase shift of the reference beam;
- сдвиг фаз реализуется управляемым сдвигом фазы опорного пучка (возможно также - объектного пучка), который осуществляют путем изменения длины оптического пути опорного пучка при механическом перемещении опорного зеркала.- the phase shift is realized by a controlled phase shift of the reference beam (possibly also an object beam), which is carried out by changing the optical path length of the reference beam during mechanical movement of the reference mirror.
Анализ прототипа и ряда сходных с ним технических решений, описанных выше, позволяет выявить несколько общих недостатков.An analysis of the prototype and a number of technical solutions similar to it described above allows us to identify several common shortcomings.
Во-первых, указанные технические решения не позволяют реализовывать фазовые сдвиги высокой точности с дискретностью 1 нм и ниже. Так, несмотря на разнообразие применений в различных интерференционных схемах, само осуществление фазового сдвига реализуется одним известным способом - установкой в одно из плеч двухлучевого интерферометра (как правило, в опорное плечо) электромеханического двигателя (актуатора), на котором закреплено одно из зеркал интерферометра. Электромеханический актуатор под действием электрического напряжения или тока осуществляет смещение зеркала на определенную величину в пространстве, т.е. сдвигает пространственную фазу опорной волны и, следовательно, всей интерференционной картины. Применяются разнообразные актуаторы: пьезоэлектрические на основе пьезострикции, возникающей при обратном пьезоэффекте, магнитострикционные, использующие эффект гигантской магнитострикции, электродинамические на обратном эффекте электромагнитной индукции. Наибольшее распространение в современной интерферометрии управляемого фазового сдвига получили пьезоэлектрические актуаторы на основе пьезокерамики. Широкое разнообразие таких пьезодвигателей и платформ демонстрирует фирма Physik Instrumente (Германия) [http://www.physikinstrumente.com/products.html], к продукции которой относятся актуаторы с нанометровым разрешением по позиционированию и субмиллисекундным временем отклика (в частности, модель актуатора Р-602 обладает диапазоном перемещений 1 мм и минимальным гарантированным шагом дискретизации 6 нм, а Р-842 - диапазоном перемещений 90 мкм, минимальным гарантированным шагом дискретизации 1 нм). Однако точность позиционирования пьезокерамических актуаторов недостаточна, и количество реализуемых управляемых сдвигов обычно составляет от 3-7 до 11. На этот факт также обращается внимание на стр. 159 в вышеназванном источнике [В. Васильев, И. Гуров. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерференционным системам. - Спб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998 - 240 с. (глава 5, стр. 153-167)], где указывается, что для повышения точности и помехоустойчивости обработки результатов измерений число управляемых фазовых сдвигов должно быть увеличено. Известны также такие свойства пьезокерамики, как наличие гистерезиса, старение, что также приводит к дополнительным погрешностям во времени и пространстве. Ограничение по числу сдвигов является препятствием для более точного восстановления структуры поверхности объекта. Увеличение числа управляемых сдвигов до десятков-сотен и более в пределах длины световой волны позволит создать новые алгоритмы обработки интерференционной картины, уменьшающие погрешности, связанные с нелинейными искажениями, шумами и другими факторами, обусловленными амплитудно-фазовым характером обработки интерференционных изображений.Firstly, the indicated technical solutions do not allow realizing high-precision phase shifts with a resolution of 1 nm or lower. So, despite the variety of applications in various interference schemes, the implementation of the phase shift itself is realized in one known way - by installing in one of the arms of a two-beam interferometer (usually in the support arm) an electromechanical engine (actuator), on which one of the mirrors of the interferometer is mounted. An electromechanical actuator under the influence of electric voltage or current displaces the mirror by a certain amount in space, i.e. shifts the spatial phase of the reference wave and, therefore, the entire interference pattern. A variety of actuators are used: piezoelectric based on piezostriction arising from the inverse piezoelectric effect, magnetostrictive ones using the giant magnetostriction effect, electrodynamic ones based on the inverse effect of electromagnetic induction. The most widely used in modern interferometry controlled phase shift are piezoelectric actuators based on piezoceramics. A wide variety of such piezoelectric motors and platforms is demonstrated by Physik Instrumente (Germany) [http://www.physikinstrumente.com/products.html], whose products include actuators with nanometer resolution for positioning and submillisecond response time (in particular, the actuator model P -602 has a range of motion of 1 mm and a minimum guaranteed sampling step of 6 nm, and P-842 has a range of motion of 90 microns, a minimum guaranteed sampling step of 1 nm). However, the positioning accuracy of piezoceramic actuators is insufficient, and the number of realized controlled shifts is usually from 3-7 to 11. This fact is also drawn to p. 159 in the above source [V. Vasiliev, I. Gurov. Computer signal processing as applied to interference systems. - St. Petersburg: BHV-Saint Petersburg, 1998 - 240 p. (
Во-вторых, важным фактором, ограничивающим развитие метода управляемого фазового сдвига, является недостаточное быстродействие. Этот фактор в пьезоэлектрических актуаторах связан с тем, что смещение интерференционной картины достигается механическим перемещением опорного зеркала в пространстве от электрически возбуждаемого пьезоэлемента, то есть электромеханически. При этом сигнал управления фазовым сдвигом представляет собой либо постоянное напряжение (для пьезоэлектрического актуатора), либо постоянный ток (для магнитострикционных или электродинамических актуаторов), значения которых задаются контроллером управления. Таким образом, управление механическим перемещением опорного (или объектного) зеркала интерферометра в пространстве осуществляется наименее помехоустойчивым амплитудным способом. Это обстоятельство принципиально, а возможности пьезокерамики с ее высокой диэлектрической проницаемостью не беспредельны. Механическому перемещению зеркала свойственна инерционность, что ограничивает распространение метода управляемого фазового сдвига на динамические измерения объектов с переменным во времени и пространстве профилем, структурой, положением и т.д. К недостаткам стрикционных пьезоэлектрических актуаторов следует отнести свойственный им гистерезис, нелинейности функции преобразования напряжения при перемещении, необходимость высокой стабилизации постоянного электрического сигнала сдвига в широком диапазоне значений (до десятков и сотен вольт).Secondly, insufficient speed is an important factor limiting the development of the controlled phase shift method. This factor in piezoelectric actuators is due to the fact that the displacement of the interference pattern is achieved by mechanical movement of the reference mirror in space from an electrically excited piezoelectric element, that is, electromechanically. In this case, the phase shift control signal is either a constant voltage (for a piezoelectric actuator) or a constant current (for magnetostrictive or electrodynamic actuators), the values of which are set by the control controller. Thus, the mechanical movement of the reference (or object) mirror of the interferometer in space is controlled by the least noise-resistant amplitude method. This circumstance is fundamental, and the possibilities of piezoceramics with its high dielectric constant are not unlimited. Inertia is characteristic of the mechanical movement of the mirror, which limits the spread of the controlled phase shift method to dynamic measurements of objects with a profile, structure, position, etc., variable in time and space, etc. The disadvantages of striction piezoelectric actuators include their characteristic hysteresis, nonlinearity of the voltage conversion function when moving, the need for high stabilization of a constant electric shear signal in a wide range of values (up to tens and hundreds of volts).
С учетом изложенного задача изобретения - исключение из состава действий механических перемещений, управляющих фазовым сдвигом в интерференционных системах.Based on the foregoing, the objective of the invention is the exclusion from the composition of the actions of mechanical displacements that control the phase shift in interference systems.
Технический результат - повышение надежности за счет повышения точности и помехоустойчивости.The technical result is an increase in reliability by increasing the accuracy and noise immunity.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе управления фазовым сдвигом в интерференционных системах, включающем формирование когерентного монохроматического излучения посредством лазерного источника, его разделение на опорный и предметный световые пучки посредством коллимационной системы, их направление на объект измерения и опорную поверхность с формированием в них фазового сдвига Δϕ, предназначенного для интерпретации интерференционной картины при их отражении на фотоприемнике, фазовый сдвиг опорного и предметного световых пучков формируют за счет их брэгговской дифракции на одинаковые по номеру и знаку порядки путем пропускания на участке между коллимационной системой и опорной поверхностью и объектом измерения соответственно через идентичные акустооптические модуляторы, на которые подают опорные колебания от общего генератора U1 и U2 так, что U1=U0 cos[2πf×t+Δϕ] и U2=U0 cos[2π f×t]], где U0 - амплитуда опорных колебаний; f - собственная частота колебаний акустооптических модуляторов; t - время осуществления опорных колебаний, при этом возможна подача опорных колебаний U1 на акустооптический модулятор, через который проходит предметный световой пучок, а опорных колебаний U2 на акустооптический модулятор, через который проходит опорный световой пучок, или наоборот.The problem is solved, and the claimed technical result is achieved by the fact that in the method of controlling the phase shift in interference systems, including the formation of coherent monochromatic radiation by means of a laser source, its separation into reference and subject light beams by means of a collimation system, their direction to the measurement object and reference surface with the formation in them of a phase shift Δϕ, designed to interpret the interference pattern when they are reflected on the photodetector e, the phase shift reference and object light beams formed by virtue of their Bragg diffraction on the same line and sign orders by passing the section between the collimating system and the support surface and the measurement object, respectively, through identical acousto-optic modulators, which serves counterbalanced fluctuations of the total oscillator U 1 and U 2 so that U 1 = U 0 cos [2πf × t + Δϕ] and U 2 = U 0 cos [2π f × t]], where U 0 is the amplitude of the reference oscillations; f is the natural frequency of the acousto-optical modulators; t is the time of carrying out the reference oscillations, while the reference oscillations U 1 can be supplied to the acousto-optic modulator through which the object light beam passes, and the reference oscillations U 2 to the acousto-optic modulator through which the reference light beam passes, or vice versa.
Изобретение иллюстрируется графическими материалами, где:The invention is illustrated in graphic materials, where:
- на Фиг. 1 представлена реализованная в изобретении схема акустооптического взаимодействия - дифракции света на ультразвуке;- in FIG. 1 shows a diagram of acousto-optical interaction implemented in the invention — light diffraction by ultrasound;
- на Фиг. 2 представлен акустооптический модулятор;- in FIG. 2 shows an acousto-optical modulator;
- на Фиг. 3 представлена схема управления фазовым сдвигом.- in FIG. 3 shows a phase shift control circuit.
В основе предлагаемого способа лежит явление акустооптического взаимодействия - дифракции света на ультразвуке [Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение // Советское радио, М., 1978, с. 5 - 8]. Сущность этого явления иллюстрируется на Фиг. 1. Исходное излучение лазера 1 посредством коллиматора 2 направляется на светоделитель 3 и зеркало 4, формирующих параллельные световые пучки 5 и 6. Пучки 5 и 6 направляются на акустооптические модуляторы (АОМ) 7 и 8, установленные таким образом, чтобы на выходе из них образовались одинаковые дифракционные спектры. В этом случае свет дифрагирует в 0 и +1 порядки дифракции как на модуляторе 7, так и на модуляторе 8. Дифракционные максимумы +1 порядков на модуляторе 7 - плоская световая волна E1 - и на модуляторе 8 - плоская световая волна E2 - вводятся в оптическую схему интерферометра как интерферирующие световые волны в ЛИИС. Возбуждение АОМ 7 и АОМ 8 осуществляется генератором 9, однако между сигналами, поступающими на АОМ от общего генератора 9, установлено фазосдвигающее устройство (ФС) 10, дискретно управляемое электронным способом от устройства управления (БУ) 11.The basis of the proposed method is the phenomenon of acousto-optical interaction - diffraction of light by ultrasound [Magdich L.N., Molchanov V.Ya. Acousto-optical devices and their use // Soviet Radio, M., 1978, p. 5 to 8]. The essence of this phenomenon is illustrated in FIG. 1. The initial radiation of the
Особенностью акустооптического взаимодействия является перенос фазы электрического возбуждения модулятора в фазу оптической световой волны в дифракционном порядке. Проиллюстрируем эту особенность (Фиг. 2). При брэгговской дифракции возможны две схемы акустооптического взаимодействия.A feature of acousto-optical interaction is the transfer of the phase of the electric excitation of the modulator to the phase of the optical light wave in the diffraction order. We illustrate this feature (Fig. 2). With Bragg diffraction, two acousto-optic interaction schemes are possible.
На Фиг. 2 слева представлен акустооптический модулятор 7, в котором от электронного генератора 9 на частоте возбуждается бегущая гармоническая ультразвуковая волна посредством пьезопреобразователя 12. Лазерное излучение с оптической частотой ν0 под углом Вульфа-Брэгга где λ - длина волны света, Λ - длина волны звука, проходит через оптически прозрачный модулятор 7 и дифрагирует на два порядка: 0-й с частотой ν0 и +1-й с частотой На Фиг. 2 справа представлена аналогичная картина брэгговской дифракции при падении света под отрицательным углом Вульфа-Брэгга. В этом случае, помимо 0-го порядка с частотой ν0, формируется -1-й порядок с частотой Важно отметить, что регулировкой амплитуды напряжения на электронном генераторе 9 можно добиться перекачки всей энергии падающего лазерного напряжения в +1 или -1 порядки дифракции, что обеспечивает эффективное использование в способе излучательной энергии.In FIG. 2 on the left is an acousto-
Из теории связанных волн [Kogelnik Н. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell System Technical Journal, 1969, p. 2909-2949] вытекает важное свойство брэгговской дифракции: в нулевом дифракционном порядке E(0)=E` exp[-i(ω0t+ψ0)], где E` - амплитуда световой волны, ω0=2πν0, ψ0 - постоянный фазовый сдвиг, фаза световой волны не зависит от фазы возбуждающего ультразвукового напряжения. В то же время фаза световой волны в +1 порядке дифракцииFrom the theory of coupled waves [Kogelnik N. Coupled wave theory for thick hologram gratings // Bell System Technical Journal, 1969, p. 2909-2949] implies an important property of Bragg diffraction: in the zero diffraction order E (0) = E` exp [-i (ω 0 t + ψ 0 )], where E` is the amplitude of the light wave, ω 0 = 2πν 0 , ψ 0 - constant phase shift, the phase of the light wave does not depend on the phase of the exciting ultrasonic voltage. At the same time, the phase of the light wave in the +1 diffraction order
зависит от фазы электрического гармонического колебания U(t)=U0cos(Ωt+ϕ), где U0 - амплитуда, - круговая частота ультразвука, ϕ - фазовый сдвиг возбуждающего ультразвук сигнала от генератора. Аналогично и в -1 порядке дифракцииdepends on the phase of the electric harmonic oscillation U (t) = U 0 cos (Ωt + ϕ), where U 0 is the amplitude, is the circular frequency of ultrasound, ϕ is the phase shift of the signal exciting the ultrasound from the generator. Similarly and in -1 diffraction order
Содержащаяся в (1) и (2) фаза ϕ есть фаза электрического возбуждающего ультразвук напряжения U1 (предметный пучок) и U2 (опорный пучок):The phase ϕ contained in (1) and (2) is the phase of the electric exciting ultrasound voltage U 1 (object beam) and U 2 (reference beam):
U0 - амплитуда опорных колебаний.U 0 - the amplitude of the reference oscillations.
Значение сдвига фаз в возбуждающем напряжении U1 можно изменять в ФС 10 (Фиг. 1) шагами программно от устройства управления БУ 11. По существу устройство ФС10 должно быть сформировано как цепь линий задержек Δtk, подключаемых от системы управления по заданной программе. Тогда каждая элементарная линия задержки создает фазовый сдвиг между интерферирующими в ЛИИС световыми волнами E1 и E2 (Фиг. 1) что соответствует одному шагу фазового сдвига. Величина ϕ - разность фаз между интерферирующими в ЛИИС световыми волнами E1 и E2 определяется какThe value of the phase shift in the exciting voltage U 1 can be changed in FS 10 (Fig. 1) in software steps from the
где k=0, 1, …, n - число произведенных фазовых шагов.where k = 0, 1, ..., n is the number of phase steps taken.
Возбуждение ультразвука на акустооптических модуляторах, как правило, предусматривается на частоте, равной десяткам-сотням МГц, а скорость ультразвука в АОМ (например, на парателлурите) составляет порядка 700 м/с, максимальное время отклика составит не более 10 мкс, что не менее чем на порядок меньше времени отклика известных пьезоэлектрических актуаторов. Это означает существенное повышение быстродействия интерферометрии с электронно управляемым фазовым сдвигом.The excitation of ultrasound by acousto-optical modulators is usually provided at a frequency of tens to hundreds of MHz, and the speed of ultrasound in the AOM (for example, paratellurite) is about 700 m / s, the maximum response time will be no more than 10 μs, which is not less than an order of magnitude less than the response time of known piezoelectric actuators. This means a significant increase in the speed of interferometry with an electronically controlled phase shift.
Схема управления фазовым сдвигом представлена на Фиг. 3.The phase shift control circuit is shown in FIG. 3.
АОМ 7 и АОМ 8 (Фиг. 1) идентичны и возбуждаются от общего генератора 9 с той лишь разницей, что в цепь возбуждения одного из АОМ включен фазосдвигатель 10. Основным элементом фазосдвигателя, осуществляющим фазовый сдвиг между опорным сигналом «ОП», который возбуждает опорный АОМ (например, АОМ 7 на Фиг. 1), и фазовым сигналом «ФЗ», который возбуждает фазосдвигающий АОМ (на Фиг. 1 - АОМ 8), является подсистема фазовой автоподстройки частоты 13 (ФАПЧ). Входной сигнал на подсистему ФАПЧ подается с генератора 9 (ГЕН). Управление параметрами ФАПЧ осуществляется через порт динамической реконфигурации 14 (ПДР). В качестве управляющего устройства фазосдвигателя выступает микроконтроллер 15 (МК), который управляет параметрами ФАПЧ с помощью контроллера порта динамической реконфигурации 16 (КПДР), подключенного к порту динамической реконфигурации (ПДР) ФАПЧ. МК принимает команды и выдает признаки подтверждения выполнения команд и диагностическую информацию от компьютера через универсальный асинхронный приемо-передатчик 17 (УАПП).
Количество фазовых сдвигов в предлагаемом способе не ограничено, так как число задержек может быть велико (десятки, сотни и более). Так, фазосдвигатель, реализованный на основе оценочного комплекта «SP601 Evaluation Kit», обеспечивает генерацию двух цифровых сигналов частотой 40 МГц с управляемым фазовым сдвигом, которые используются для возбуждения акустооптических модуляторов. Управление фазовым сдвигом осуществляется по интерфейсу USB. Дискретность задания фазового сдвига составляет Δϕk=360°/160=2,25, что в пересчете на длину волны для гелий-неонового лазера (632,8 нм) дает дискретность сдвига оптических фаз порядка 3,96 нм, а для эксимерных лазеров на парах фтора (длина волны 157 нм) - дискретность сдвига фаз 0,98 нм. Это обстоятельство позволит существенно повысить точность детектирования и обработки фазовой информации, а также разрешающую способность интерференционных систем. При этом управляемый фазовый сдвиг осуществляется не изменением амплитуды постоянного напряжения в десятки-сотни вольт (как это имеет место в вышерассмотренных аналогах и прототипе), а дискретно-низковольтными сигналами с постоянной амплитудой от компьютера, что гарантирует повышение помехоустойчивости.The number of phase shifts in the proposed method is not limited, since the number of delays can be large (tens, hundreds or more). Thus, a phase shifter based on the SP601 Evaluation Kit provides the generation of two digital signals with a frequency of 40 MHz with controlled phase shift, which are used to excite acousto-optical modulators. Phase shift is controlled via USB. The phase shift resolution is Δϕ k = 360 ° / 160 = 2.25, which in terms of wavelength for a helium-neon laser (632.8 nm) gives a discrete phase shift of the optical phases of the order of 3.96 nm, and for excimer lasers fluorine vapor (wavelength 157 nm) - phase shift resolution of 0.98 nm. This circumstance will significantly improve the accuracy of detection and processing of phase information, as well as the resolution of interference systems. In this case, the controlled phase shift is carried out not by changing the amplitude of the direct voltage of tens to hundreds of volts (as is the case in the above analogs and prototype), but by discrete-low-voltage signals with a constant amplitude from the computer, which ensures increased noise immunity.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - исключение из состава действий, управляющих фазовым сдвигом в интерференционных системах, механических перемещений - решена, а заявленный технический результат - повышение надежности (достоверности) за счет повышения точности и помехоустойчивости - достигнут.The foregoing allows us to conclude that the task set - the exclusion from the list of actions that control the phase shift in interference systems, mechanical displacements - has been solved, and the claimed technical result - increased reliability (reliability) by improving accuracy and noise immunity - has been achieved.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the characteristics indicated in the independent claim are interrelated with each other with the formation of a stable set of necessary attributes unknown at the priority date from the prior art sufficient to obtain the required synergistic (over-total) technical result.
Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Therefore, the claimed subject matter meets the requirements of the patentability conditions of “novelty”, “inventive step” and “industrial applicability” under applicable law.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145289A RU2640963C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Method of controlling phase shift in interference systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016145289A RU2640963C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Method of controlling phase shift in interference systems |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2640963C1 true RU2640963C1 (en) | 2018-01-12 |
Family
ID=68235594
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016145289A RU2640963C1 (en) | 2016-11-18 | 2016-11-18 | Method of controlling phase shift in interference systems |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2640963C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2697900C1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Device for generating phase shift in optical range |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4006343A1 (en) * | 1990-03-01 | 1991-09-05 | Bernd Dr Breuckmann | Evaluating strip patterns for optical measuring process - modulating by carrier frequency and imaging on sensor for evaluating by phase shift algorithm |
DE19652113A1 (en) * | 1996-12-14 | 1998-06-18 | Johannes Prof Dr Schwider | Automated phase division evaluation method for interferometer, used, e.g., in CCD array |
RU2463552C1 (en) * | 2011-04-29 | 2012-10-10 | Осипов Павел Альбертович | Method of determining phase of object beam on photodetector pixel and method of obtaining phase image of object |
-
2016
- 2016-11-18 RU RU2016145289A patent/RU2640963C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4006343A1 (en) * | 1990-03-01 | 1991-09-05 | Bernd Dr Breuckmann | Evaluating strip patterns for optical measuring process - modulating by carrier frequency and imaging on sensor for evaluating by phase shift algorithm |
DE19652113A1 (en) * | 1996-12-14 | 1998-06-18 | Johannes Prof Dr Schwider | Automated phase division evaluation method for interferometer, used, e.g., in CCD array |
RU2463552C1 (en) * | 2011-04-29 | 2012-10-10 | Осипов Павел Альбертович | Method of determining phase of object beam on photodetector pixel and method of obtaining phase image of object |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2697900C1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Device for generating phase shift in optical range |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Petitgrand et al. | 3D measurement of micromechanical devices vibration mode shapes with a stroboscopic interferometric microscope | |
US8077324B2 (en) | Surface characteristic determining apparatus | |
CN102564318B (en) | High precision absolute displacement measurement system based on optical fiber composite interference | |
Lee et al. | Vertical-actuated electrostatic comb drive with in situ capacitive position correction for application in phase shifting diffraction interferometry | |
JP6979391B2 (en) | Distance measuring device, distance measuring method, and three-dimensional shape measuring device | |
RU2640963C1 (en) | Method of controlling phase shift in interference systems | |
Na et al. | Massively parallel electro-optic sampling of space-encoded optical pulses for ultrafast multi-dimensional imaging | |
RU2645005C1 (en) | Laser interferometer | |
Kim et al. | Scanning grating microinterferometer for MEMS metrology | |
JP6172465B2 (en) | Stage position control apparatus and method | |
Pachisia et al. | Multiple reflection assisted Laser Doppler Vibrometer setup for high resolution displacement measurement | |
Tao et al. | Carrier-separating demodulation of phase shifting self-mixing interferometry | |
Iwasińska-Kowalska | Stabilisation of a laser beam with a liquid filled wedge with variable angle | |
Lin et al. | Micro-Movement Measured by Laser Heterodyne Interferometer Based on Acousto-Optic Effect | |
Ngoi et al. | An acousto-optic vibrometer for measurement of vibration in ultra-precision machine tools | |
Kostsov et al. | Optoelectronic system for studying nanodisplacements of moving MEMS elements | |
JP2990266B1 (en) | Sinusoidal wavelength scanning interferometer and sinusoidal wavelength scanning light source device | |
Ehrlich et al. | Voltage‐controlled acousto‐optic phase shifter | |
Martinussen et al. | Heterodyne interferometry for high sensitivity absolute amplitude vibrational measurements | |
JP6341325B2 (en) | Stage position control device | |
Zhou et al. | Microchip laser feedback interferometer with an optical path multiplier | |
Mohammdalizadeh et al. | New temporal phase-shifting technique utilizing stroboscopy for static characterization of microstructures | |
Ngoi et al. | A Novel Technique for Measurement of Vibration Using Acousto Optic Modulator (AOM) | |
Bao et al. | Fringe-locking phenomenon in a laser diode interferometer with optical feedback | |
Mecchi et al. | Development and characterization of a unimorph-type piezoelectric actuator applied to a michelson interferometer |