Високошвидкісний інтерферометр на основі запам’ятовуючого пристрою

Реферат: Винахід належить до галузі приладобудування взагалі і, зокрема, до прецизійної лазерної інтерферометрії. Високошвидкісний інтерферометр містить фотодіоди, що перетворюють оптичні сигнали у електричні відповідно до інтенсивності оптичних квадратурних сигналів. Фотодіоди електрично пов'язані через підсилювачі з входами аналого-цифрових перетворювачів, виходи яких пов'язані з адресними сигналами запам'ятовуючого пристрою. Також винахід містить пристрій Up/Down, входи якого з'єднані з виходами підсилювачів, що видає на виходи сигнали про кожний пройдений інтервал /2 із урахуванням напрямку руху. Виходи пристрою Up/Down приєднані через цифровий лічильник та пристрій множення, разом з виходом запам'ятовуючого пристрою до входів суматора. Технічним результатом винаходу є зняття обмеження на швидкість переміщення, що обумовлено залежністю пристрою обробки даних від частоти дискретизації АЦП та створення високошвидкісного інтерферометра. UA 106553 C2 (12) UA 106553 C2 UA 106553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 1. Винахід належить до галузі приладобудування взагалі і, зокрема, до лазерної інтерферометрії. Конкретно мова йде про прилад - лазерний інтерферометр, який дозволяє в режимі реального часу визначити величину та напрямок лінійного переміщення рухомого предмета з високою точністю, що має велике значення у нановимірюваннях. 2. На виході фотодетектора класичного двопроменевого інтерферометра Майкельсона інтенсивність інтерференційного сигналу I змінюється за виразом (1): (1) I(L)=I0+Im~cos(4L/), де: I0 - стала складова сигналу; Im~ - амплітуда змінного сигналу; 2L - геометрична різниця шляху інтерференційних променів;  - довжина хвилі лазера. Оскільки вираз (1) є періодичною функцією відстані з періодом /2, то зміну відстані між двома дзеркалами можна визначити за кількістю періодів (максимумів) функції (1) з кроком дискретизації /2 як dk/2, де k - кількість періодів. При використанні двох квадратурних сигналів крок дискретизації зменшується до /4. Недоліками цієї схеми є відсутність інформації про напрямок руху та значні похибки вимірювання переміщення, які рівномірно розподілені на інтервалі (0, /4). Аналогом є пристрій патенту [1] - високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою. Кожній парі квадратурних сигналів інтерферометра, які оцифровуються, поставлена у відповідність частина відстані між двома дзеркалами (кутовими відбивачами) на інтервалі (0, /2), яка попередньо записана в пам'яті запам'ятовуючого 2N пристрою. При цьому ємність запам'ятовуючого пристрою повинна бути 2 комірок, де N розрядність аналогово-цифрового перетворювача одного із квадратурних сигналів інтерферометра. Для визначення переміщення більшого ніж /2, використовується лічильник Up/Down (позиція 245 на fig. 3 аналогу), який додає одиницю до розрядного простору пам'яті на кожне із k зміщень на /2 (що не заявлено у формулі винаходу). Таким чином, розрядність 2N+k адресного простору становить 2N+k, а ємність запам'ятовуючого пристрою - 2 комірок відповідно. Недоліком аналогу є значне збільшення об'єму пам'яті при вимірюванні переміщення, набагато більшого за довжину хвилі лазера інтерферометра. Так наприклад, для вимірювання переміщення до 10 мм значення k досягне 10 000 000 нм/316,4 нм = 31605, тобто розрядність лічильника становитиме 15 біт, а об'єм необхідної пам'яті, наприклад, при N=9 відповідно 18+15 2 =8589934592 комірок для зберігання чисел від 0 до 10 000 000. Крім того, через реально обмежену ємність пам'яті такий інтерферометр має обмеження у вимірюванні переміщень. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип, є пристрій патенту [2] високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою. Суть прототипу пояснюється за допомогою креслень (на фіг. 1 прототипу). Він включає в себе оптичну систему для обробки першого й другого оптичного сигналу, які інтерферують один з одним, а саме: фотодіоди перетворюють оптичні сигнали у електричні, які змінюються відповідно до інтенсивності оптичних квадратурних сигналів інтерферометра, які через підсилювачі надходять на входи аналого-цифрових перетворювачів, на виході яких існують два, відповідних до оптичних сигналів інтерферометра цифрових сигнали, що становлять адресні сигнали запам'ятовуючого пристрою, далі значення із запам'ятовуючого пристрою 7 проходять через алгоритм усунення неоднозначності, який реалізований технічно блоками 8, 9, 10, завдяки якому показання лічильника 11 збільшується або зменшується, що відповідає напрямку та кількості інтервалів /2, які пройшов досліджуваний об'єкт. Недоліком прототипу є те, що алгоритм вирішення неоднозначності має швидкодію, обмежену значенням частоти дискретизації аналого-цифрового перетворювача. Графічно це зображено на фіг. 1, де Соmр. Track - це розрахована траєкторія руху при використанні алгоритму вирішення неоднозначності при швидкості об'єкта V: V/2Т, де λ - довжина хвилі лазера; Т - період дискретизації аналого-цифрового перетворювача. 3. Задачею винаходу є створення високошвидкісного інтерферометра на основі запам'ятовуючого пристрою, якому для роботи не потрібно мати величезні масиви даних або значно обмежений інтервал вимірювання переміщення, та швидкодія інтерферометра не буде залежати від періоду дискретизації аналого-цифрового перетворювача. 4. Технічні характеристики об'єкту згідно з винаходом більш детально характеризуються за допомогою фігур креслення: 1 UA 106553 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 4.1. Фіг. 1. Графічне зображення залежності роботи алгоритму вирішення неоднозначності від значення частоти дискретизації аналого-цифрового перетворювача; 4.2. Фіг. 2. Загальний вигляд функціональної блок-схеми високошвидкісного інтерферометра на основі запам'ятовуючого пристрою. 5. Суть технічного рішення високошвидкісного інтерферометра на основі запам'ятовуючого пристрою, який включає в себе оптичну систему для обробки першого й другого оптичного сигналу, які інтерферують один з одним, а саме: фотодіоди перетворюють оптичні сигнали у електричні, які змінюються відповідно до інтенсивності оптичних квадратурних сигналів інтерферометра, які через підсилювачі надходять на входи аналого-цифрових перетворювачів, на виході яких існують два відповідних до оптичних сигналів інтерферометра цифрових сигнали, що становлять адресні сигнали запам'ятовуючого пристрою, полягає в тому, що вона містить додатково лічильник переходів півхвиль Up/Down. Порівняльний аналіз технічного рішення, яке заявляється, із прототипом, дозволяє зробити висновок, що високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою, який заявляється, відрізняється тим, що в ньому присутній пристрій Up/Down. Суть винаходу пояснюється за допомогою креслень, де на фіг. 2 показано загальний вигляд функціональної блок-схеми високошвидкісного інтерферометра на основі запам'ятовуючого пристрою, що заявляється. Високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою містить (див. фіг. 2) інтерферометр 1, фотодіоди 2 та 3, підсилювачі 4 та 5 сигналів фотодіодів, двоканальний аналогово-цифровий перетворювач 6, запам'ятовуючий пристрій 7, пристрій Up/Down 8, лічильник 9, пристрій множення 10, суматор 11. Високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою працює наступним чином. На фотодіоди 2 та 3 подаються оптичні квадратурні сигнали з інтерферометра 1, які перетворюють оптичні сигнали у електричні, які через підсилювачі 4 та 5 надходять на відповідні входи АЦП 6. АЦП 6 конвертує аналогові квадратурні сигнали інтерферометра у відповідні цифрові сигнали, які являють собою адресні сигнали, що надходять на запам'ятовуючий пристрій 7, який відповідно до адресних сигналів видає значення переміщення Хk у цифровому вигляді на інтервалі (0, /2). Таким чином, у загальному випадку переміщення може бути представлене у цифровому вигляді як: B Yk=Xk+p2 , де В - розрядність комірки запам'ятовуючого пристрою; B 2 - переміщення на /2 у цифровому вигляді, а значення р збільшується на 1 або зменшується на 1, відповідно напрямку руху, який визначає пристрій Up/Down. Підвищення ефективності застосування високошвидкісного інтерферометра на основі запам'ятовуючого пристрою досягається шляхом введення в його структуру пристрою Up/Down, який знімає обмеження на частоту дискретизації аналого-цифрового перетворювача для швидкості руху досліджуваного об'єкта. Джерела інформації: 1. Пат. 2009/0112500А1 США. Int.CI. G01R 13/00, G01R 15/00. Memory-based high-speed interferometer. William S. Yerazunis, Dirk Brinkman. Mitsubishi Electric Research Laboratories, Inc. (US). Apr. 30, 2009. 2. Пат. на кор. мод. 66878 Україна, МПК G01R 13/00, G01R 15/00. Високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою / Петров В.В., Бріцький О.І., Бородін Ю.О., Атаєв В.О., Возненко М.В.; заявник та власник Ін-т проблем реєстрації інформації НАН України. - № u2011 07294, заявл. 09.06.2011, опубл. 25.01.2012, Бюл. № 2. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 60 Високошвидкісний інтерферометр на основі запам'ятовуючого пристрою, який містить перший та другий фотодіоди, виконані з можливістю перетворення оптичних сигналів у електричні відповідно до інтенсивності оптичних квадратурних сигналів, які електрично пов'язані через відповідні підсилювачі з входами відповідних аналого-цифрових перетворювачів, виходи яких пов'язані з адресними сигналами запам'ятовуючого пристрою, який відрізняється тим, що додатково містить пристрій Up/Down, входи якого з'єднані з виходами підсилювачів, виконаний з можливістю видачі на виходи сигналів про кожний пройдений інтервал /2 із урахуванням напрямку руху, при цьому його виходи приєднані до входу цифрового лічильника, вихід якого приєднаний до входу пристрою множення, вихід якого разом з виходом запам'ятовуючого пристрою приєднані до входів суматора, вихід якого є виходом пристрою. 2 UA 106553 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3