RU2640963C1 - Method of controlling phase shift in interference systems - Google Patents

Method of controlling phase shift in interference systems Download PDF

Info

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
Application number
RU2016145289A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Ильич Телешевский
Сергей Геннадьевич Гришин
Семён Викторович Бушуев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН")
Priority to RU2016145289A priority Critical patent/RU2640963C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2640963C1 publication Critical patent/RU2640963C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: in the method of controlling the phase shift in interference systems, including the formation of coherent monochromatic radiation by the laser source, its separation into the reference and object light beams by a collimating system, directing them on measurement object and supporting surface to form a phase shift in them intended for the interpretation of interference pattern at their reflection on the photodetector, the phase shift Δϕ of the reference and object light beams is formed by their Bragg diffraction on the similar by number and sign orders by passing on the section between collimating system and the support surface and the measurement object, respectively, through identical acousto-optic modulators, on which the reference vibrations Uand Uare fed from the common generator so that U=Ucos[2π f×t+Δϕ] and U=Ucos[2π f×t], where Uis amplitude of reference oscillations; f is frequency of reference oscillations of acousto-optic modulators; t is the time of reference oscillations, and it is possible to supply the reference oscillations Uon the acousto-optic modulator through which the object light beam passes, and the reference oscillations U- on the acousto-optic modulator through which the reference light beam passes, or vice versa.EFFECT: increased reliability through improved accuracy and noise immunity.3 cl, 3 dwg

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. (chapter 5, p. 153-167)], which states that in order to increase the accuracy and noise immunity of processing the measurement results, the number of controlled phase shifts should be increased. Also known are the properties of piezoceramics such as the presence of hysteresis, aging, which also leads to additional errors in time and space. The limit on the number of shifts is an obstacle to a more accurate restoration of the surface structure of the object. An increase in the number of controlled shifts to tens of hundreds or more within the limits of the light wavelength will allow creating new algorithms for processing the interference pattern, which reduce errors associated with nonlinear distortions, noise, and other factors due to the amplitude-phase nature of the processing of interference images.

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 laser 1 through the collimator 2 is sent to a beam splitter 3 and a mirror 4, forming parallel light beams 5 and 6. The beams 5 and 6 are sent to acousto-optical modulators (AOM) 7 and 8, installed so that the output from them identical diffraction spectra. In this case, the light diffracts at 0 and +1 diffraction orders both on the modulator 7 and on the modulator 8. Diffraction maxima of +1 orders on the modulator 7 - a plane light wave E 1 - and on the modulator 8 - a plane light wave E 2 - are introduced into the optical scheme of the interferometer as interfering light waves at the LIIS. The AOM 7 and AOM 8 are excited by the generator 9, however, between the signals arriving at the AOM from the common generator 9, a phase-shifting device (FS) 10 is installed, discretely controlled electronically from the control device (BU) 11.

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

Figure 00000001
возбуждается бегущая гармоническая ультразвуковая волна посредством пьезопреобразователя 12. Лазерное излучение с оптической частотой ν0 под углом Вульфа-Брэгга
Figure 00000002
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
Figure 00000003
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
Figure 00000004
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-optic modulator 7, in which from an electronic generator 9 at a frequency
Figure 00000001
a traveling harmonic ultrasonic wave is excited by means of a piezoelectric transducer 12. Laser radiation with an optical frequency of ν 0 at a Wulf-Bragg angle
Figure 00000002
where λ is the wavelength of light, Λ is the wavelength of sound, passes through an optically transparent modulator 7 and diffracts by two orders of magnitude: 0th with a frequency ν 0 and + 1st with a frequency
Figure 00000003
In FIG. Figure 2 on the right shows a similar picture of Bragg diffraction when light is incident at a negative Wulf-Bragg angle. In this case, in addition to the 0th order with a frequency ν 0 , a -1th order with a frequency
Figure 00000004
It is important to note that by adjusting the voltage amplitude at the electronic generator 9, it is possible to pump all the energy of the incident laser voltage into +1 or -1 diffraction orders, which ensures efficient use of radiative energy in the method.

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

Figure 00000005
Figure 00000005

зависит от фазы электрического гармонического колебания U(t)=U0cos(Ωt+ϕ), где U0 - амплитуда,

Figure 00000006
- 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,
Figure 00000006
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

Figure 00000007
Figure 00000007

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):

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

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)

Figure 00000010
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 control unit BU 11. Essentially, the FS10 device must be formed as a chain of delay lines Δt k connected from the control system according to a given program. Then each elementary delay line creates a phase shift between the light waves E 1 and E 2 interfering in the LIIS (Fig. 1)
Figure 00000010
which corresponds to one step of the phase shift. The value of ϕ is the phase difference between the light waves E1 and E2 interfering in the LIIS

Figure 00000011
Figure 00000011

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).AOM 7 and AOM 8 (Fig. 1) are identical and are excited from a common generator 9 with the only difference that a phase shifter 10 is included in the excitation circuit of one of the AOM. The main element of the phase shifter is the phase shift between the reference signal “OP”, which drives the reference AOM (for example, AOM 7 in Fig. 1), and the phase signal "ФЗ", which excites the phase-shifting AOM (in Fig. 1 - AOM 8), is a phase-locked loop 13 (PLL). The input signal to the PLL subsystem is supplied from generator 9 (GEN). PLL parameters are controlled through the dynamic reconfiguration port 14 (PDR). The microcontroller 15 (MK) acts as the phase shifter control device, which controls the PLL parameters using the dynamic reconfiguration port controller 16 (KPDR) connected to the PLL dynamic reconfiguration port (PDR). MK receives commands and gives signs of confirmation of command execution and diagnostic information from the computer through universal asynchronous transceiver 17 (UAPP).

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)

1. Способ управления фазовым сдвигом в интерференционных системах, включающий 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, отличающийся тем, что 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 U1 и U2 от общего генератора так, что1. A method of controlling the phase shift in interference systems, including the formation of coherent monochromatic radiation by a laser source, its separation into reference and subject light beams by means of a collimation system, their direction to the measurement object and the reference surface with the formation of a phase shift Δϕ for interpretation interference pattern when reflected on a photodetector, characterized in that the phase shift of the reference and subject light beams form due to their Bragg diffraction into orders of the same number and sign by passing in the section between the collimation system and the reference surface and the measurement object, respectively, through identical acousto-optical modulators, to which reference oscillations U 1 and U 2 are supplied from the common generator so that U1=U0cos[2πf×t+Δϕ] иU 1 = U 0 cos [2πf × t + Δϕ] and U2=U0cos[2πf×t], гдеU 2 = U 0 cos [2πf × t], where U0 - амплитуда опорных колебаний;U 0 - the amplitude of the reference oscillations; f - частота опорных колебаний акустооптических модуляторов;f is the frequency of reference vibrations of acousto-optical modulators; t - время осуществления опорных колебаний.t is the time of the implementation of the reference oscillations. 2. Способ управления фазовым сдвигом в интерференционных системах по п. 1, отличающийся тем, что опорные колебания U1 подают на акустооптический модулятор, через который проходит предметный световой пучок, а опорные колебания U2 подают на акустооптический модулятор, через который проходит опорный световой пучок.2. A method of controlling the phase shift in interference systems according to claim 1, characterized in that the reference oscillations U 1 are supplied to an acousto-optic modulator through which the subject light beam passes, and the reference oscillations U 2 are supplied to an acousto-optic modulator through which the reference light beam passes . 3. Способ управления фазовым сдвигом в интерференционных системах по п. 1, отличающийся тем, что опорные колебания U2 подают на акустооптический модулятор, через который проходит предметный световой пучок, а опорные колебания U1 подают на акустооптический модулятор, через который проходит опорный световой пучок.3. The method of controlling the phase shift in interference systems according to claim 1, characterized in that the reference vibrations U 2 are fed to an acousto-optic modulator through which the subject light beam passes, and the reference vibrations U 1 are fed to an acousto-optic modulator through which the reference light beam passes .
RU2016145289A 2016-11-18 2016-11-18 Method of controlling phase shift in interference systems RU2640963C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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