Приборы и техника эксперимента, 2019, № 2, стр. 109-113

КОНСТРУКЦИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

Схема оптико-механического блока приведена на рис. 1. Основной узел каждого фурье-спектрометра – интерферометр. В данном приборе применен интерферометр Майкельсона [5, 6], состоящий из светоделителя (1, 2) и двух отражателей (3, 4), или ретрорефлекторов: неподвижного (3), используемого для юстировки интерферометра, и подвижного (4), двигающегося вдоль оптической оси. Выходящее из интерферометра излучение плоским зеркалом 5 направляется в объектив 6, в фокусе которого находится пироэлектрический приемник 7, светочувствительная площадка которого имеет диаметр 2 мм.

Рис. 1.

Схема оптико-механического блока. 1 – светоделительная пластина; 2 – компенсаторная пластина; 3 – неподвижный отражатель; 4 – подвижный отражатель; 5 – плоское зеркало; 6 – объектив; 7 – пироэлектрический фотоприемник; 8 – ходовой винт; 9 – направляющая; 10 – мотор с редуктором; 11 – каретка; 12 – механизм подстройки скорости; 13 – разъем световода; 14 – коллиматор; 15 – призма коллиматора; 16 – призма приемника опорного канала; 17 – приемник опорного канала; 18 – основание; 19 – виброизолятор; 20 – микрометрический винт.

Пластины светоделителя 1 и 2 диаметром 50 и толщиной 8 мм выполнены из кварца КИ; светоделительное покрытие нанесено на пластину 1. Светоделитель данного образца предназначен для видимой и инфракрасной областей спектра до 4 мкм. В этом заключается основное отличие от проектируемого летного образца, у которого светоделитель должен быть изготовлен из бромида калия и работать в интервале 1.9–17 мкм. Остальные оптические элементы данного образца соответствуют штатному прибору. В качестве ретрорефлекторов используются полые уголковые отражатели ∅25 мм фирмы PLX. Объектив 6 выполнен из селенида цинка, имеет форму мениска с радиусами поверхностей 40 и 120 мм при световом диаметре 27 мм.

Для равномерного движения отражателя 4 применена двухступенчатая схема стабилизации скорости движения. Первая ступень – это направляющая 8 (HIWIN KK40 Tehnologies Corp), снабженная ходовым винтом 9 с шагом 1 мм. Для вращения винта используется двигатель постоянного тока maxon A-max 12 (10) с понижающим 200-кратным редуктором maxon GS 12 A. Эта система обеспечивает строго прямолинейное перемещение каретки 11, скользящей со скоростью 0.25 мм/с на пути 104 мм. На каретке расположена вторая ступень 12 – механизм подстройки скорости с установленным на нем отражателем 4. Назначение этого механизма – обеспечение при движении постоянство скорости изменения оптической разности хода. Его схема приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Механизм подстройки скорости. 1 – основание; 2 – подвижная платформа; 3 – пружина передняя; 4 – пружина задняя; 5 – катушка; 6 – магниты; 7 – магнитопроводы.

Он представляет собой пружинный параллелограмм, установленный основанием 1 на каретке, а вверху на подвижной платформе 2 закреплен отражатель. Боковые стороны 3 и 4 выполнены из пружинной стали толщиной 0.13 мм и шириной 10 мм. Коэффициент упругости обеих пружин равен 0.6 Н/мм. На основании 1 закреплена катушка 5 диаметром 26 мм, имеющая 240 витков медной проволоки ∅0.2 мм. На верхней платформе на двух магнитопроводах 6 установлены четыре магнита 7 из сплава неодим-железо-бор размером 15 × 8 × 2 мм. Магниты обращены друг к другу разноименными полюсами. Правая и левая части катушки находятся в зазоре между магнитами, и при протекании тока в катушке на правые и левые пары магнитов действуют одинаково направленные силы. Удельное усилие равно 1.56 Н/А. Масса подвижной части вместе с отражателем достаточно мала, всего 50 г. Это позволяет компенсировать существенно более высокочастотные отклонения скорости изменения оптической разности хода, чем в интерферометрах типа “двойной маятник” [2] или в интерферометре с одноступенчатым механизмом линейного перемещения, но со значительно более мощным и массивным электромагнитным приводом [7]. Малая масса подвижной части позволяет работать на Марсе даже при большом отклонении направляющей от горизонтального положения.

Для стабилизации скорости и определения моментов считывания интерферограммы используется опорный канал. В качестве источника опорного излучения используется DFB-лазер с длиной волны 0.76 мкм при оптимальной мощности 2 мВт. Существенно, что излучение этого лазера находится в видимой области спектра. Это излучение поступает по оптоволокну, свободный конец которого закреплен в разъеме 13 (рис. 1) в коллиматор 14, где превращается в параллельный пучок и направляется зеркальной призмой 15 в светоделитель 1 параллельно оптической оси интерферометра. Пройдя через интерферометр, опорное излучение через призму 16 собирается линзой на кремниевый приемник 17.

Оптические и механические узлы спектрометра размещены на оребрéнном основании 18. Это основание соединено с корпусом прибора через 5 металлорезиновых виброизоляторов 19 [8].

Внешний вид оптико-механического блока показан на рис. 3.

Рис. 3.

Внешний вид оптико-механического блока.

ЮСТИРОВКА

Юстировка интерферометра осуществляется перемещением отражателя 3 (рис. 1) в двух направлениях, перпендикулярных оптической оси отражателя. Для перемещения используются два микрометрических винта 20. После завершения юстировки положение отражателя фиксируется четырьмя прижимными винтами.

Настройка фотоприемника 7 осуществляется аналогичным способом. Кроме того, предусмотрено его перемещение вдоль оси объектива 6. Это связано с тем, что объектив имеет значительную хроматическую аберрацию и при калибровке этого узла по Солнцу следует найти такое положение приемника, которое обеспечит равномерное облучение его без снижения его чувствительности.

Качество юстировки опорного канала определяется точностью настройки коллиматора. В данном образце элементы микрометрических перемещений отсутствуют. Коллиматор настраивался перед установкой на корпус интерферометра, а нужное угловое положение коллиматора обеспечивалось доработкой его посадочной поверхности. Аналогичные операции проводились с узлом приемника опорного канала.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА

Прибор содержит три функциональных узла (рис. 4): УРИ – узел регистрации интерферограммы; УОК – узел опорного канала; УУД – узел управления движением.

Рис. 4.

Функциональная схема опытного образца. ОМБ – оптико-механический блок, ПД – пиродетектор, ФП – кремниевый фотоприемник, К – катушка механизма подстройки скорости, М – электромотор, ДПУ – дифференциальный предварительный усилитель, Др – драйвер электромотора, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, ЦАП₁–ЦАП₃ – цифроаналоговые преобразователи, Сум – сумматор, Комп – компаратор, МКП – микропроцессоры на отладочных платах, ПИД – пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор, И – интегрирующая ветвь регулятора, УРИ – узел регистрации интерферограммы, УОК – узел опорного канала, УУД – узел управления движением, ПК – персональный компьютер, SPI и USB – последовательные интерфейсы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Задача испытаний данного образца состояла в определении стабильности скорости изменения оптической разности хода и получении аппаратной функции, совпадающей с теоретической. Заданная скорость изменения оптической разности хода равна 0.05 см/с.

Выбор оптимальных коэффициентов для ПИД₁ показал, что, дифференциальный канал не позволяет убрать влияние высокочастотных вибровоздействий. Поэтому коэффициент этого канала был принят равным нулю, но в конструкцию опытного образца были введены виброизоляторы 19 (рис. 1). Коэффициент дифференциального канала ПИД₂ был также принят равным нулю. Величина нестабильности скорости определялась при сравнении длительности каждого периода меандра опорного канала с заданной. Оптимальный подбор коэффициентов в каналах обоих регуляторов обеспечил отклонение скорости не выше ±3.5%.

Аппаратная функция – это отклик прибора на излучение лазера, поступающее в прибор вдоль оптической оси. Использовались поочередно два He-Ne-лазера с длиной волны 0.6328 и 3.39 мкм соответственно. Максимальная оптическая разность хода в одну сторону от нулевой оптической разности хода была выбрана равной 15 см, а в другую – 0.5 см. Полное перемещение каретки равно 8 см. Теоретически в этом случае аппаратная функция должна иметь вид функции sinc (sinus cordinalis) с шириной 0.04 см^–1, что вполне соответствует оговоренному выше требованию к спектральному разрешению.

Особенность построения спектров лазерного излучения состоит в том, что интерферограмма не имеет четкого положения, соответствующего нулевой оптической разности хода. Поэтому при фурье-преобразовании такой интерферограммы следует подбирать положение начальной точки, т.е. фазовую поправку, обеспечивающую симметричность получаемой аппаратной функции.

Ширина спектральных линий лазерного излучения на всех спектрах, полученных с использованием быстрого фурье-преобразования, составляла 0.06–0.08 см^–1. Для поиска причин увеличения ширины относительно ожидаемой были построены спектры отдельных фрагментов каждой интерферограммы, взятых при различных оптических разностях хода, и найдены волновые числа центров спектральных линий в каждом спектре. Кроме того, был проведен анализ длительности периодов сигнала в интерферограммах в предположении абсолютной стабильности меандра опорного канала. Оказалось, что период монотонно увеличивается за весь путь в разных экспериментах на 0.005–0.01%. Этот эффект кажется незначительным, однако, учитывая высокое разрешение, этого оказывается достаточно, чтобы увеличить ширину аппаратной функции вплоть до двух раз. После того, как это было учтено при использовании классического косинусного фурье-преобразования, все полученные спектры хорошо совпали с расчетной аппаратной функцией. Ширина центрального пика составляла 0.035–0.04 см^–1 в зависимости от реальной величины максимальной оптической разности хода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты испытаний опытного образца подтвердили работоспособность предложенных компоновки и программного обеспечения и возможность приступить к разработке штатного образца. Измеренная масса опытного образца, равная 1090 г, и его габариты (330 × 140 × 80 мм) будут уменьшены при использовании более компактного варианта направляющей HIWIN KK30. Будут введены элементы, облегчающие юстировку референтного канала.

Авторы благодарят Д.Е. Мерзлякова за монтаж электронных плат и В.Н. Шашкина, изготовившего все детали опытного образца, а Б.Е. Мошкин также выражает благодарность Российскому научному фонду за финансовую поддержку данной работы (грант РНФ16-12-10453).