SU1681171A1 - Фурье-спектрометр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к технике физического эксперимента и может быть использовано дл  спектральных исследований материалов. Целью изобретени   вл етс  повышение точности и надежности. Дл  этого усилитель 25 низкой частоты, фазовраща,- тель 28, фильтр 29 низкой частоты и блок 15 управлени  приводом 14 подвижного зеркала 2 снабжены цифровыми блоками управлени , подключенными к ЭВМ 31. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

-Г1

Г

Ю fM

/С П-тЬ--

FZ F&Ttt П

#

г

С/)

L.

j

о оо

Фиг.

Изобретение относитс  к технике физического эксперимента и может быть использовано дл  спектральных исследований материалов, в частности полупроводниковых .

Цель изобретени  - повышение надежности и точности измерений в услови х действи  факторов, мен ющих параметры измерительного канала.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - блок-схема вычислительного устройства; на фиг. 3 - временные диаграммы на входах и выходах синхронного детектора с фильтром низкой частоты; на фиг. 4 - временные диаграммы сигнала на выходе фильтра низкой частоты и входе запуска аналого-цифрового преобразовател . Фурье-спектрометр содержит интерферометр Майкельсона 1 (фиг. 1), имеющий оптическую систему, состо щую из зеркал 2-13, из которых два  вл ютс  подвижными , причем зеркало 2 - подвижноэ вдоль оси, перпендикул рной плоскости зеркала, а зеркало 12 - подвижное вокруг оси, проход щей параллельно плоскости зеркала Остальные зеркала (3-11 и 13) неподвижные . Подвижное зеркало 2 соединено с приводом 14, который подключен к выходу блока 15 управлени  приводом.

В интерферометре 1 имеютс  светоделитель 16, управл емый блок 17 фильтров, источник 18 оптического излучени , прерыватель 19 оптического излучени , подключенный к выходу модул тора 20, и фотоприемник 21

В состав спектрометра входит оптический криостат 22 (показан условно). Исследуемый образец 23, помещенный в криостат 22, установлен на пути оптического излучени , сфокусированного зеркалом 9

Фотоприемник 21 через переключатель 24 соединен с усилителем 25 низкой частоты (в зависимости от положени  переключател  24), выход которого соединен с первым входом синхронного детектора 26. Вход модул тора 20 соединен с выходом опорного генератора 2-7, к которому вход фазовращател  28. Выход фазовращател  28 соединен с вторым входом синхронного детектора 26. Усилитель 25 снабжен блоком управлени  коэффициентом усилени  Фазовращатель 28 снабжен блоком управлени  сдвигом фазы.

На выходе синхронного детектора 26 имеетс  фильтр 29 низкой частоты, который снабжен блоком управлени  посто нной интегрировани  (блок управлени  на фиг 1 совмещен с фильтром 29 низкой частоты). Выход фильтра 29 низкой частоты соединен с входом аналого-цифрового преобразова

тел  30, выход которого подключен к входу вычислительного устройства 31. Вход запу- . ска аналого-цифрового преобразовател  30 соединен с выходом модул тора 20.

Второй выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока 15 управлени  приводом. Первый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом регистратора 32. Четвертый выход

0 вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управлени  коэффициентом усилени  усилител  25. Третий выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управлени  сдвигом фазы

5 фазовращател  28. П тый выход вычислительного устройства 31 соединен с входом блока управлени  посто нной интегрировани  фильтра 29 низкой частоты

В состав вычислительного устройства

0 31 (фиг. 2) вход т блок 33 определени  коэффициента усилени , блок 34 отсчета количества операций определени  коэффициента усилени , блок 35 определени  сдвига фазы , блок 36 определени  посто нной мнтег5 рировани , блок 37 формировани  команд управлени  приводом и накопитель 38 отсчета интерферограмм.

Вход блока 34 отсчета количества операций определени  коэффициента усилени 

0 соединен с первым выходом блока 33 определени  коэффициента усилени , второй выход которого образует четвертый выход вычислительного устройства 31. Первый вход блока 33 определени  коэффициента

5 усилени  образует вход вычислительного устройства 31.

Первый вход блока 35 определени  сдвига фазы соединен с первым выходом блока 34 отсчета количества операций опре0 делени  коэффициента усилени , второй вход подключен к первому входу блока 33 определени  коэффициента усилени . Первый выход блока 35 определени  сдвига фазы соединен с вторым входом блока 33

5 определени  коэффициента усилени , а его второй выход образует третий выход вычислительного устройства 31.

Второй выход блока 34 отсчета количества операций определени  коэффициента

0 усилени  соединен с первым входом блока 36 определени  посто нной интегрировани . Второй вход блока 36 определени  посто нной интегрировани  подключен к первому входу блока 33 определени  козф5 фициента усилени , его первый выход образует п тый выход вычислительного устройства 31, а второй выход соединен с входом блока 37 управлени  приводом. Первый выход блока 37 управлени  приводом образует второй выход вычислительного устройства 31. Второй выход блока 37 формировани  команд управлени  приводом соединен с первым входом накопител  38 отсчета интерферограмм, второй вход которого подключен к первому входу блока 33 определени  коэффициента усилени . Выход накопи -ел  38 отсчета интерферограмм образует первый выход вычислительного устройства 31.

Устройство работает следующим обра- зом.

От источника 18 оптического излучени  (Фиг. 1) световой поток проходит через прерыватель 19, обрезаетс  зеркалом 3 и кол- лимируетс  параболическим зеркалом 4. От зеркала 4 световой поток параллельным пучком направл етс  на светоделитель 16, отражаетс  от ппоского зеркала 5 и попадает вновь на светоделитель 16. Отраженный пучок, направленный в сторону зеркала 6, отражаетс  от этого зеркала и подаетс  на параболическое зеркало 7.

Друга  часть светового пучка отражаетс  от светоделител  16 в сторону подвижного зеркала 2. Отража сь oY зеркала 2, световой пучок проходит через светоделитель 16 и попадает на зеркало 6. Пучок оптического излучени , отраженный от зеркала 6, собираетс  сферическим зеркалом 7..

Таким образом, на зеркало 7 попадают два световых пучка, прошедших от источника 18 оптического излучени  по двум различным плечам интерферометра. В зависимости от того, в каком положении находитс  подвижное зеркало 2, определ ющее разность хода в плечах интерферометра , мен ютс  услови  интерференции пучков излучени , собираемых сферическим зеркалом 7.

В результате интерференции мен етс  интенсивность результирующего оптического излучени , которое направл етс  от зеркала 7 через предварительно выбранный фильтр блока 17 фильтров. После прохожде- ни  фильтра оптическое излучение ограниченного спектрального состава отражаетс  от зеркала 8, попадает на зеркало 9 и направл етс  на установленный в фокусе зеркала 9 исследуемый образец 23, размещенный в оптическом криостате 2-2.

Если исследуетс  спектральна  зависимость фотопроводимости, то электрический сигнал снимаетс  непосредственно с контактов к образцу 23 и через переключатель 24 (как показано на фиг. 1) поступает на усилитель 25 низкой частоты.

Если провод т измерени  спектров поглощени  калориметрической методикой, то вместе с образцом 23 в криостат 22 помещают термочувствительный элемент (например , терморезистор), который соедин ют с исследуемым образцом посредством теплопроводника(например, медной проволочки ). Электрический сигнал, снимаемый с термочувствительного элемента, аналогично подаетс  на усилитель 25 низкой частоты .

В случае, если измер ют спектры отражени  или пропускани  образцов материалов , то оптическое излучение либо отражаетс  от образца 23, собираетс  зеркалом 10 и попадает на фотолриемник 21, отража сь от зеркала 12 (повернутого в положение , показанное пунктирной чертой)и зеркала 13, либо проходит через образец 23, собираетс  зеркалом 11, отражаетс  от зеркал 12 и 13, попада  на фотоприемник 21 соответственно. Электрический сигнал с фотоприемника 21 через переключатель 24 (в положении, противоположном показанному на фиг, 1) поступает на усилитель 25 низкой частоты.

С усилител  25 низкой частоты электрический сигнал поступает на первый вход синхронного детектора 26. На его второй вход подаетс  опорный сигнал с выхода фазовращател  28, который подключен к опорному генератору 27.

Коэффициент усилени  усилител  25 низкой частоты определ етс  сигналом, поступившим на вход блока управлени  коэффициентом усилени  с четвертого выхода вычислительного устройства 31.

Опорный сигнал на втором входе синхронного детектора 26 может быть сдвинут по фазе относительно сигнала опорного генератора 27. Величина сдвига фазы определ етс  сигналом, поступившим на вход блока управлени  сдвигом фазы фазовращател  28 с третьего выхода вычислительного устройства 31.

После синхронного детектировани  синхронным детектором 26 и фильтрации по низкой частоте фильтром 29 /чзкой частоты сигнал подаетс  на аналого-цифровой преобразователь 30. Посто нна  интегрировани  фильтра 29 низкой частоты определ етс  сигналом, поступающим на вход его блока управлени  посто нной интегрировани .

Аналого-цифровой преобразователь 30 осуществл ет преобразование аналогового сигнала в цифровой вид. В цифровом виде сигнал поступает на вход вычислительного устройства 31, в котором осуществл етс  его обработка.

В режиме Настройка подвижное зеркало 2 (фиг. устанавливаетс  в положение, Соответствующее нулевой оптической разнести хода лучей в плечах интерферометра (контроль осуществл етс  по индикатору нулевой оптической разности хода, который совмещен с приводом подвижного зеркала 14). В этом случае с выхода аналого-цифрового преобразовател  сигнал поступает на вход блока 33 определени  коэффициента усилени  (фиг. 2), который подключен к входу вычислительного устройства 31 (образует его вход). В начальный момент с второго выхода блока 33 определени  коэффициента усилени  на вход блока управлени  коэффициентом усилени  (фиг. 1) поступает сигнал управлени , который соответствует минимальному усилению. В блоке 33 (фиг. 2) осуществл етс  сравнение сигнала, поступающего с аналого-цифрового преобразовател , с уровнем номинального сигнала. Если этот сигнал меньше, то осуществл етс  пошаговое изменение сигнала управлени  в сторону увеличени  коэффициента усилени . Так происходит до тех пор, пока сигнал на первом входе блока 33 определени  коэффициента усилени  не превысит номинального значени , после чего на втором выходе блока 33 устанавливаетс  значение управл ющего сигнала, соответствующее коэффициенту усилени  усилител  25 (фиг. 1), при котором с выхода аналого-цифрового преобразовател  30 на вычислительное устройство 31 (первый вход блока 33, фиг. 2) поступает сигнал, близкий к номинальному (с меньшей стороны), т.е. уменьшаетс  коэффициент усилени  усилител  25 (фиг. 1) на одну градацию (один шаг) После установки коэффициента усилени  усилител  25 с первого выхода блока 33 (фиг. 2) на вход блока 34 отсчета количества операций определени  коэффициента усилени  поступает импульс, свидетельствую щий о завершении операции определени  коэффициента усилени 

В блоке 34 осуществл етс  счет количества операций определени  коэффициента усилени  (т.е. числа поступающих импульсов ). Если число поступивших импульсов меньше заданного, то с первого выхода блока 34 на первый вход блока 36 определени  сдвига фазы поступает сигнал запуска и он начинает функционировать. В начальный момент с второго выхода блока 35 определени  сдвига фазы на вход блока управлени  сдвигом фазы фазовращател  28 (фиг. 1) поступает сигнал управлени , соответствующий нулевому сдвигу фазы. Затем осуществл етс  пошаговое изменение сдвига фазы путем соответствующего изменени  сигнала управлени . На второй вход блока 35 определени  сдвига фазы (фиг. 2) поступает сигнал с выхода аналого-цифрового

преобразовател  30 (фиг. 1). Он записываетс  (запоминаетс ) дл  каждого шага. Изменение фазы производитс  от 0 до 360° с шагом 1-2°. Больша  дискретизаци  не приводит к значительному повышению точности измерений, а меньша  дискретизаци  снижает точность.

После записи сигнала дл  каждого шага дискретизации осуществл етс  определение максимального значени  сигнала и на втором выходе блока 35 определени  сдвига фазы (фиг. 2) устанавливаетс  управл ющий сигнал, соответствующий этому значению. При этом управл ющий сигнал, поступа  на

вход блока управлени  сдвигом фазы фазовращател  28 (фиг. 1), производит сдвиг фазы опорного сигнала на величину сдвига фазы сигнала в канале измерени . В результате на входы синхронного детектора 26 опорный и полезный сигналы поступают синфаз- но.

На фиг. За, б представлены временные диаграммы полезного и опорного сигналов, поступающие на первый и второй входы

синхронного детектора 26. При наличии задержки в канале измерени  полезный сигнал (фиг. За), обозначенный сплошной линией, оказываетс  сдвинутым по фазе на величину Ау (котора  зависит от характера

факторов, мен ющих параметры измерительного канала). Пунктирной линией на фиг За представлен полезный сигнал

35

/V 0.

На фиг. 36 пунктирной линией обозначен опорный сигнал, поступающий на второй вход синхронного детектора 26 при

40Л/ 1 0

В идеальном случае при отсутствии задержки в канале измерени 

45 Ду5 Др О

Сплошной линией на фиг. 36 обозначен опорный сигнал, сдвинутый на величинуДуз.

На фиг. Зв пунктирной линией обозна- 50 чен сигнал после синхронного детектировани  (с выхода блока 26) приДу 0. Оказываетс , что в этом случае сигнал с выхода фильтра 29 низкой частоты, представленный на фиг. 3 также пунктирной линией, 55 имеет максимально возможное значение.

При задержке полезного сигнала на величину Ду и 0 происходит неоптимальное детектирование полезного сигнала (на фиг. Зв такой сигнал показан сплошной

линией). В результате этого на выходе фильтра 29 низкой частоты (фиг. 1) амплитуда U полезного сигнала падает в соответствии с формулой U Умакс cos Л/ (фиг. Зг, сплошна  лини ). Таким образом, сдвиг фазы А/} полезного сигнала однозначно определ етс  амплитудой полезного выходного сигнала, снимаемого с выхода фильтра 29 низкой частоты, и максимальному значению амплитуды полезного сигнала соответству- ет сдвиг фазы А/, равный нулю. Дл  обеспечени  оптимального детектировани  не об зательно сдвигать на величину Л/7 сам полезный сигнал Сдвиг опорного сигнала

на величину А/ А/) эквивалентен этому, и в предлагаемом устройстве опорный сигнал с помощью фазовращател  28 (фиг. 1)

сдвигаетс  на величину А/о А/) , аА/ однозначно определ етс  по максимально- му значению амплитуды полезного сигнала.

После выполнени  операции определени  и установки оптимального сдвига фазы с первого выхода блока 35 (фиг. 2) на второй вход блока 33 определени  коэффициента усилени  поступает импульс его повторного запуска и происходит повторное определение и установка коэффициента усилени . Эта операци  крайне необходима, так как после операции определени  и установки сдвига фазы (блоком 35) полезный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразовател  30 измен етс  и может быть значительно больше номинального значени  (или даже допустимого).

Если полезный сигнал превышает допустимую величину, то он ограничиваетс , и значение фазы не определ етс  однозначно (учитыва  одно из близких значений фазы). В этом случае оказываетс  недостаточным однократное определение фазы (т.е. однократна  работа блока 35) и необходим повторный цикл определени  и установки сдвига фазы и коэффициента усилени .

Вполне достаточно дважды проводить определение сдвига фазы. Число циклов определени  и установки сдвига фазы ограничиваетс  блоком 34. При этом всегда должно выполн тьс  условие N К + 1, где N - число циклов определени  коэффициен- та усилени ; К - число циклов определени  сдвига фазы. При этом минимальное К, при котором обеспечиваетс  устойчива  работа, равно 2 (хот  может быть и больше), а N 3. После третьего цикла определени  и уста- новки коэффициента усилени  блоком 33 на вход блока 34 поступает третий импульс, который не приводит к запуску блока 35 определени  сдвига фазы. Однако при этом на втором выходе блока 34 по вл етс  сигнал , который запускает блок 36 определени  посто нной интегрировани .

В начальный момент с второго выхода блока 36 на вход блока управлени  посто нной интегрировани  фильтра 29 низкой частоты (фиг. 1) поступает управл ющий сигнал, соответствующий минимально допустимой величине посто нной интегрировани  (величине. при которой среднеквадратичное отклонение полезного сигнала, без образца в канале измерени , не превышает допустимого значени ),

В блоке 36 (фиг. 2) осуществл етс  запись полезного сигнала через одинаковые интервалы времени по числу п точэк; п выбирают произвольным, С увеличением г возрастает точность определений статических параметров, в частности среднеквадратичного отклонени .

Число отсчетов, например, мохе ч быть выбрано п 1000.

Далее производитс  статистическа  обработка записанных данных, в результате определ етс  среднеквадратичное отклонение величины полезного сигнала Затем производитс  сравнение полученного среднеквадратичного отклонени  о с допустимым Одоп Если о Одоп . то работа блока 36 заканчиваетс  и управл ющий сигна/, на втором выходе остаетс  прежним.

Если о сгДоп . то на первом выходе блока 36 управл ющий сигнал измен етс  так, что при этом посто нна  интегрировани  фильтра 29 низкой частоты увеличиваетс  на некоторую посто нную величину. Затем вновь повтор етс  цикл определени  среднеквадратичного отклонени  и сравне- .ни  его с Одоп . Так происходит до тех пор, пока а не будет меньше или равно 7ДОп . После завершени  операции определени  и установки посто нной интегрировани  с выхода блока 36 на вход блока 37 управлени  приводом поступает сигнал, свидетельствующий о готовности устройства к работе.

В режиме Работа подп/хное зеркало 2 по команде с блока 37 формировани  команд управлени  приводом перемещаетс  в исходную позицию (смещаетс  относительно нулевой разности хода на заданное число точек). Затем осуществл етс  пошаговое сканирование зеркалом 2, При остановке зеркала 2 в точках отсчета интерферограмм с второго выхода блока 37 формировани  команд управлени  приводом поступает на первый вход накопител  отсчетов интерферограмм сигнал, разрешающий запись отсчета интерферограммы.

После завершени  скана записанна  интерферограмма может быть выведена из

блока 38 на регистратор 32. Обратное Фурье-преобразование сн той интерферог- раммы позвол ет получить спектр.

В вычислительное устройство 31 может входить Фурье-процессор (не показан), который устанавливают после накопител  38 отсчетов интерферограмм. Тогда на регистратор 32 выводитс  непосредственно спектр.

В предлагаемом устройстве в процессе всей работы (режимах Настройка и Работа ) запуск аналого-цифрового преобразовател  30 (фиг. осуществл етс  по сигналу с выхода модул тора 20. Это позвол ет при измерени х низких уровней сигналов, снимаемых с образцов, снизить вли ние на измерительный канал наводок частотой 50 Гц и уменьшить вли ние флюктуации сигнала (с выхода фильтра низкой частоты) на процесс преобразовани  его в цифровой вид.

На фиг. 4а представлен сигнал с выхода фильтра 29 низкой частоты. Из-за неидеальной фильтрации он флюктуирует по амплитуде с частотой модул ции (которую целесообразно выбирать равной 12,5 Гц).

На фиг. 46 показаны импульсы запуска аналого-цифрового преобразовател  30, поступающие на его вход запуска с выхода модул тора 20.

Как видно из фиг. 4а, б, запуск аналого- цифрового преобразовател  30 осуществл етс  всегда в один и тот же момент времени флюктуации полезного сигнала, поступающего на его вход. Следовательно, за врем  преобразовани  всегда происход т аналогичные изменени  полезного сигнала и флюктуаци  сигнала на выходе аналого- цифрового сигнала оказываетс  значительно сниженной, что повышает точность измерений.

Claims (2)

1. Наводки частотой 50 Гц могут вызывать биени  полезного сигнала из-за воздействи  их на модул тор. Однако они не привод т к снижению точности в предлагаемом Устройстве, так как запуск аналого-цифрового преобразовател  и модул ци  оптического излучени  осуществл ютс  по одному и Тому же сигналу (с выхода модул тора 20). Формула изобретени  1. Фурье-спектрометр, содержащий интерферометр Майкельсона с приводом подвижного зеркала, подключенным к блоку управлени  приводом, модул тор, подключенный к опорному генератору, последова- тельно соединенные фотоприемник, усилитель низкой частоты, выход которого соединен с первым входом синхронного детектора , фильтр низкой частоты, аналого- цифровойпреобразователь, вычислительное устройство, первый выход

   которого соединен с регистратором, а также фазовращатель, вход которого подключен к опорному генератору, а выход - к второму входу синхронного детектора, отличающийс   тем, что, с целью повышени  точности и надежности измерений в услови х действи  факторов, мен ющих параметры измерительного канала, усилитель низкой частоты снабжен цифровым блоком управлени  ко0 эффициентом усилени , фазовращатель снабжен цифровым блоком управлени  сдвигом фазы, фильтр низкой частоты снабжен цифровым блоком управлени  посто нной интегрировани , а блок управлени 

   5 приводом подвижного зеркала снабжен цифровым входом, который подключен к второму выходу вычислительного устройства , при этом управл ющий вход усилител  низкой частоты соединен с четвертым выхо0 дом вычислительного устройства, управл ющий вход фазовращател  соединен с третьим выходом вычислительного устройства , управл ющий вход фильтра низкой частоты соединен с п тым выходом

   5 вычислительного устройства.
2. 2. Фурье-спектрометр по п. 1, от л и ч а- ю щ и и с   тем, что вычислительное устройство состоит из блока определени  коэффициента усилени , блока отсчета количества

   0 операций определени  коэффициента усилени , блока определени  сдвига фазы, блокаопределени посто нной интегрировани , блока формировани  команд управлени  приводом и накопител 

   5 отсчетов интерферограмм, причем вход блока отсчета количества операций определени  коэффициента усилени  соединен с первым выходом блока определени  коэффициента усилени , второй выход которого

   0  вл етс  четвертым выходом вычислительного устройства, а первый вход совпадает с входом вычислительного устройства, первый вход блока определени  сдвига фазы Соединен с первым выходом блока отсчета

   5 количества операций определени  коэффициента усилени , второй вход подключен к первому входу блока определени  коэффициента усилени , первый выход блока определени  сдвига фазы соединен с вторым

   0 входом блока определени  коэффициента усилени , а его второй выход  вл етс  третьим выходом вычислительного устройства , второй выход блока отсчета количества операций определени  коэффициента

   5 усилени  соединен с первым входом блока определени  посто нной интегрировани , второй вход которого подключен к первому входу блока определени  коэффициента усилени , его первый выход  вл етс  п тым выходом вычислител , а второй выход соединен с входом блока формировани  ко-рограмм, второй вход которого подключен

   манд управлени  приводом, первый выходкЪервому входу блока определени  коэфкоторого образует второй выход вычисли-фициента усилени , а выход  вл етс  пертельного устройства, а второй подключен квым выходом вычислительного

   первому входу накопител  отсчета интерфе-5 устройства.

   L.

   7

   А Фиг. 2

   л

   S

   /

   ФигЗ

   Л/2X

   Фиг. 4

   Ж/2