北航光电测试综合实验实验指导书_图文

1、光电测试综合实验实验指导书北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院2006年5月一、实验系统简介1.1 多功能光学系统本实验系统的光学原理如图1所示,激光(He-Ne,波长6358nm,功率3mv通过 送计算机图1 实验仪光学系统1-激光器2,17-衰减器3,5,11-定向孔4,13-移动反射镜6,7,9,12-反射镜8,29-物镜10 -准直透镜14-分光棱镜15-共焦显微镜16-多功能试件夹及组合工作台18-带压电陶瓷的组合工作台19,27-衍射试件平台20-成像透镜21-目镜22-可调光阑23-光电接收器24-导轨25,28-直角棱镜26-傅氏透镜30-五维调节架31-光纤分束器32-光纤

2、33a-外置式光纤传感器33b-内置式光纤传感器34-光纤夹持器35-备用试件架各种光学元件的切换与配置,组合成一种光学物理系统,实现定性观察与定量测试的多功能,最终由光电接收器23接收,并将信号送入计算机系统,完成实验内容的显示与计算。所谓多功能,主要由下列七部分组成:1.Tyman-Green干涉系统激光1经衰减器2调节光强,小孔3,5定向,扩束镜8,10扩束,分光棱镜14分光后,一路由工作台16上试件返回,形成参考光,一路由工作台18上试件返回形成物光,再返回分光镜14形成干涉场,经透镜20成像(透镜21选装,光阑22滤波(选装后,在CCD23上形成稳定干涉图样,由计算机程序实现参数显示

3、与计量。2.衍射计量系统激光经4,12,13,14转向,射向衍射试件(试件夹19中产生衍射,经20会聚成像,至23接收,送计算机显示器观察,并对部分试样实现定标与计量。3. 光纤传感系统激光经4,12,13及18上平面反射镜至目镜29,实现最大光强耦合,进入干涉调制系统38,形成两相干光束,经34定位,投影于23,光纤调制电源的波形控制与干涉条纹的处理由计算机程序实现。本光路用于实验2223。1.2 光电处理与显示光电与计算机处理部分由图2所示。上述光信息经CCD 图像系统转换成光电信号,再经模/数变换(A/D 形成数字信号,将此数字信号送入图像处理卡,然后进入计算机(主板CPV 586,10

4、0M 以上,内存64M 以上作处理,完成实验显示及相应实验的计算定量,在专用软件的操作下实现所有实验。 图2 CSY -10L 处理与显示系统 实验仪照片二、软件使用与操作激光多功能光电测试实验仪配套软件是基于WINDOWS操作系统的应用软件,为配合各实验的顺利完成,目前该软件包主要有两部分组成:1. 激光多功能光电测试系统实验仪综合软件(Csylaser;2.干涉图的条纹自动分析软件(Wave。现将各部分的使用与操作说明如下:(1激光多功能光电测试系统实验仪综合软件1.从任务栏中的“开始”按钮出发,点中“程序(P”项查找“激光多功能光电测试实验仪配套软件”程序组件,然后用鼠标双击该组件中的“

5、Csylaser”图标进入该软件,可看到如下的对话框: 2.根据当前所做的实验,可从实验类别下面的下拉式选择框中选择相应的实验类型,可供选择的实验类型有:A-位移传感测试B-光纤传感测试C-纳米计量测试D-共焦计量测试E-衍射计量测试F-散斑位移测试3.按【活动图象】按钮可在窗口中看到探测器上的动态显示的图象,如:干涉条纹、共焦光斑、衍射图样等。按【冻结图象】按钮可实现图象的冻结(即将图象静止。4.如果在实验过程中干涉条纹发生移动,可按【条纹计数开始】按钮实现计算机自动计数,当前的计数情况将实时地在屏幕右下方显示出来。当条纹往反方向移动时,所计的条纹数目也相应地减少。5.按【条纹计数结束】按钮

6、可中止计数。6.按【PZT自动扫描】中的【开始】按钮可实现干涉条纹或光纤测试所形成的杨氏干涉条纹的自动移动。计算机产生数字波形,通过D/A输出,经高压放大驱动电路,使压电陶瓷(PZT产生微位移或形变。改变【周期调整量】的值可改变所产生波形的周期。7.用鼠标拉动【PZT手动扫描】中的滑杆条可实现人为控制干涉条纹或光纤测试所形成的杨氏干涉条纹的自动移动。8.当选择实验类型为“E-衍射计量测试”时,可通过鼠标实现衍射图样中任意两点之间距离的精确度量。具体步骤如下:i.选择实验类型为“E-衍射计量测试”ii.按【活动图象】按钮监视衍射图样,调整衍射图样到最佳状态iii.按【冻结图象】按钮使图象静止iv

7、.用鼠标点中度量的起始点并按下鼠标的左键v.按住左键将鼠标移动到度量的终点,在移动过程中将在图中显示一条红线,并在屏幕的右下方实时地显示出红线所度量的长度。当鼠标到达度量的终点时,放开左键,则完成度量。vi.若需要重新度量,只需要重复步骤e即可。实验1 精密位移量的激光干涉测量方法一、实验目的1. 了解激光干涉测量的原理2. 掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法3. 了解激光干涉测量方法的优点和应用场合,并学会用图像处理的方法处理干涉条纹二、实验原理本实验采用泰曼-格林(Twyman-Green 干涉系统,T -G 干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪的简化。用激光为光源,可获得清晰、明

8、亮的干涉条纹,其原理如图1所示。 图1 T -G 干涉系统激光通过扩束准直系统L 1提供入射的平面波(平行光束。当设光轴方向为Z 轴,则此平面波可用下式表示:ikz Ae Z U =(1式中A 平面波的振幅,2=k 为波数,激光波长此平面波经半反射镜BS 分为二束,一束经参考镜M 1,反射后成为参考光束,其复振幅U R 用下式表示(R R z R R e A U =(2式中A R 参考光束的振幅,R (z R 参考光束的位相,它由参考光程z R 决定。另一束为透射光,经测量镜M 2反射,其复振幅U t ,用下式表示:(t t z i t t e A U =(3式中A t 测量光束的振幅,t (

9、z t 测量光束的位相,它由测量光程Z t 决定。此二束光在BS 上相遇,由于激光的相干性,因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y由下式决定*=U U y x I ,( (4式中*+=+=t R t R U U U U U U ,而U*,U R *,U t *为U ,U R ,U t 的共轭波。当反射镜M 1与M 2彼此间有一交角2,并将式(2,式(3代入式(4,且当较小,即sin 时,经简化可求得干涉条纹的光强为:2cos 1(2,(0kl I y x I += (5式中I 0激光光强,l 光程差,t R z z l -=。式(5说明干涉条纹由光程差l 及来调制。当为一常数时,干涉条纹的

10、光强如图2所示。当测量在空气中进行,且干涉臂光程不大,即略去大气的影响,则2=N l (6式中:N 干涉条纹数。 因此,记录干涉条纹移动数,已知激光波长,由式(6即可测量反射镜的位移量,或反射镜的轴向变动量L 。干涉条纹的计数,从图1中知道,定位在BS 面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L 2将条纹成在探测器上,实现计数。测量灵敏度为:当N =1,则m l 63.0,2=(He-Ne 激光,则m l 3.0=如果细分N ,一般以1/10细分为例,则干涉测量的最高灵敏度为:m l 03.0=三、实验光路 图3 实验光路激光器1发出的激光经衰减器2(用于调节激光强度后由二个定向小孔3,5引导,经反

11、射镜6,7进入扩束准直物镜8,10(即图1中的L1,由分光镜14(即图1中BS分成二束光,分别由反射镜16 (即图1中的M1,18(M2反射形成干涉条纹并经成像物镜20(即图1中L2将条纹成于CCD 23上(即D,这样在计算机屏上就可看到干涉条纹,实现微位移的测量。四、实验步骤公共部分:1.开机,激光器1迅速起辉,待光强稳定。2.检查CCD23上电信号灯亮否。3.调整光路时,若移开反射镜4,13,扩束激光;移入反射镜4,反射镜13,不扩束激光;注:以下所有实验的开始步骤均同公共部分。本实验步骤1.扩束2.在组合工作台16,18上分别装平面反射镜,调节工作台16,18上调平调向测微器,使二路反射

12、光较好重合(在成像物镜20后焦面上,两反射光会聚的焦斑重合3.打开计算机,然后微调工作台上测微器,在显示屏上看见干涉条纹4.调整CCD在轨道上的位置,使干涉条纹清晰,锁定23,再调节可调光阑22孔径位置,滤除分光镜寄生干涉光五、实验记录1.截取实验图样存储成文件2.记录数据:可自行设定几个位移量,记录相关数据(其中nm6328.=表1 实验结果数据记录表 实验2:数字干涉测量方法(选做一、实验目的:1. 了解激光干涉的近代方法数字干涉技术的原理和方法2. 掌握干涉的实时检测技术3. 了解数字干涉方法的特点及应用场合二、实验原理随着电子技术与计算机技术的发展,并与传统的干涉检测方法结合,产生了一

13、种新的位相检测技术数字干涉技术,这是一种位相的实时检测技术。这种方法不仅能实现干涉条纹的实时提取,而且可以利用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差,消除或降低大气扰动及随机噪声,使干涉技术实现/100的精度,这是目前干涉仪精度最高的近代方法。其原理如下图所示。 图中的实验系统仍采用T-G 干涉仪,但参考镜2由压电陶瓷PZT 驱动,产生位移。此位移的频率与移动量由计算机控制。设参考镜的瞬时位移为li ,被测表面的形貌(面形为w(x,y,则参考光路和测试光路可分别用下式表示:(2expli s k i a U R += (1,(2expy x w s k i b U t += (2式中a,b 为光

14、振幅常数。参考光与测试光相干产生干涉条纹,其瞬时光强由式1与式2,可得:,(2cos 1,(li y x w k r li y x I -+= (3式中(222b a abr +=是干涉条纹的对比度。式3说明,干涉场中任意一点的光强都是li 的余弦函数。由于li 随时间变化,因此式3的光强是一个时间周期函数,可用傅里叶级数展开。设r=1,则kli b kli a a li y x I 2sin 2cos ,(110+= (4式中:,(2sin 2,(2cos 2,11220y x lw ab b y x kw ab a b a a =+=由三角函数的正交性,可求出Fourier 级数的各个系数

15、,即=ni n i n i kli li y x I n b kli li y x I n a li y x I n a 1111102sin ,(22cos ,(2,(2 (5从而求得被测波面,由下式给出:=-=ni ni kli li y x I n kli li y x I n tg ka b tg k y x w 1111112cos ,(22sin ,(22121,( (6式中 3,2,1,0,2=i i nli 为进一步降低噪声,提高测量精度,可用P 个周期进行驱动扫描,测量数据作累加平均,即=-=pn i pn i kli li y x I n klili y x I tgk y

16、 x w 1112cos ,(22sin ,(21,( (7 式7说明孔径内任意一点的位相可由该点上的n p 个光强的采样值计算出来,因此,可获得整个孔径上的位相。除实现自动检测外,还可以测定被测件的三维形貌。三、实验光路同实验一(加PZT 四、实验步骤1. 扩束2. 调节工作台18上的测微螺杆并启动压电晶体工作电源,使反射镜产生轴向位移,在计算机上看到条纹平移3. 调整CCD 在轨道上的位置,使干涉条纹清晰,锁定234. 调节可调光阑22孔径位置,滤除寄生干涉光 五、实验记录选做的同学可与实验一进行比较。实验3 缝宽或间隙的衍射测量一、实验目的:a 了解激光衍射计量原理b 利用间隙计量法测量

17、缝宽或间隙,并学习利用图像处理的方法提取衍射条纹二、实验原理激光衍射计量的基本原理是利用激光下的夫朗和费衍射效应。夫朗和费衍射是一种远场衍射。衍射计量是利用被测物与参考物之间的间隙所形成的远场衍射来完成。当激光照射被测物与参考的标准物之间的间隙时,这相当于单缝的远场衍射。当入射平面波的波长为,入射到长度为L ,宽度为w 的单缝上(Lw,并与观测屏距离2w R 时,在观测屏E 的视场上将看到十分清晰的衍射条纹。图1是计量原理图,图2是等效衍射图。在观察屏E 上由单缝形成的衍射条纹,其光强I 的分布由物理光学知: =220sin I I 式中:sin =w ;为衍射角,I 0是0 0=时的光强,即

18、光轴上的光强度。图2 等效衍射上式就是远场衍射光强分布的基本公式,说明衍射光强是随sin的平方而衰减。当n = ,3,2,0处将出现强度为零的条纹(n 为暗条纹级数,即I=0 的暗条纹。测定任一个暗条纹的位置变化就可以知道间隙w 的尺寸和尺寸变化。这就是衍射计量的原理。因为sin =w ,对暗条纹则有 n w =sin 当不大时,从远场条件,有Rx tg n=sin 式中:x n 为第n 级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离,R 为观察屏距单缝平面的距离。 最后写成:nx Rn w =这就是衍射计量的基本公式。为计算方便,设t nx =0,t 为衍射条纹的间隔,则 tR w =已知,R( R

19、= f ,测定两个暗条纹的间隔t ,就可计算出w 的精确尺寸。当被测物尺寸改变时,相当于狭缝尺寸w 改变,衍射条纹中心位置随之改变,则-=-=0011x x R n w w 式中:w 0, w 分别为起始缝宽和最后缝宽;x 0, x 分别为起始时衍射条纹中心位置和变动后衍射条纹中心位置(条纹级数n 不变。由一个狭缝边的位置用上式就可以推算另一边的位置,则被测物尺寸或轮廓完全可由被测物和参考物之间的缝隙所形成的衍射条纹位置来确定。利用激光下形成的清晰衍射条纹就可以进行微米量级的非接触的尺寸测量。三、实验光路 图3 实验光路激光不用扩束,直接照射工作台19上的试件,在探测器上形成远场衍射条纹,即可

20、测量。四、实验步骤1. 激光不扩束,光路中插入反射镜4及132. 将分光镜14转90,18上试件夹上放黑纸屏或取消试件夹,让透射光逸至试验平台3. 切换试件夹19中的衍射试件(可调狭缝,光刻片狭缝系列4. 移动CCD 使计算机图像清晰,锁定235.记录狭缝系不同级衍射条纹间距五、实验表格1.截取实验图样存储成文件2.记录数据:可自行选择实验给定的狭逢测量,记录相关数据表2 实验结果数据记录表 (其中R=180mm, =632.8nm实验4 微孔直径的衍射测量一、实验目的:1. 了解爱里圆(Airy 测定法2. 利用爱里圆测定法测量微孔直径,并学习利用图像处理的方法提取光斑中心和衍射条纹二、实验

21、原理由物理光学知道,平面波照射的开孔不是矩形而是圆孔时,其远场的夫朗和费衍射像是中心为一圆形亮斑,外面绕着明暗相间的环形条纹。这种环形衍射像就称为爱里圆,如图1所示。 圆孔的衍射图1 圆孔的远场衍射图样P 点的光强分布:210(2,(,(=*x x J I f f I p , =sin 2a x上式就是爱里圆的光强分布式,当x=0,即中央亮斑,它集中84%左右的光能量。对第一暗环,即中央亮斑的直径大小,由于af d 222.12sin = 得到爱里圆中心亮斑的直径d 为 af d 22.1=当已知f ,时,测定d 就可以求取圆孔半径a 值,即微孔的尺寸。三、实验光路同实验3。四、实验步骤1.激

22、光不扩束2.将分光镜14转903.切换试件夹19中的衍射试件(微孔系列4.移动CCD使图像清晰,锁定235.观察微孔系列衍射圆环分布五、实验记录1.截取实验图样存储成文件2.记录数据:可自行选择实验提供的微孔进行测量,记录相关数据表3 实验结果数据记录表 (其中f = 180mm,=632.8nm实验5 光纤传感技术的原理与实验(选做一、实验目的:1. 了解光纤传光原理与特性2. 了解光纤系统主要单元器件的原理3. 学习光纤传感系统的原理二、实验原理:1. 光纤传光原理与特性光纤传输光信号的原理是基于光的全反射定律,在光纤中实现全反射主要有二种方法,如图1所示:(1阶跃型光纤 如图1(a所示,

23、采用光纤芯的折射率高于包层折射率的阶跃型分布来实现光的临界角c :121cos nn c -=式中n 1纤芯折射率,n 2包层折射率入射光的入射角大于c 时,传输的光就发生全反射而实现锯齿形传光,这是光通讯中光纤传光的基本形式。(2渐变型光纤如图1(b所示,在拉制光纤芯时,采用离子交换法,使纤芯折射率呈抛物线分布:21121( -=a r n r n式中121(n n n -=r 光纤包层半径 a 光纤纤芯半径 折射率分布指数当=2时,n(r呈抛物线分布,这样光在光纤中传输呈蛇形向前,从而减少光纤中反射次数,降低传输光损耗,并使脉冲展宽变小,提高传光信息容量,但这种光纤成本高。2.光纤系统的关

24、键器件光纤系统主要分光通讯系统与光传感系统二大部分。本实验主要了解光传感系统的关键器件:(1光纤耦合器也称光纤分束器,或3dB器件,其作用是将光纤中的传输光一分为二,这在很多光纤传感器中是必须的,作用相当于光学中的分束器。(2光纤调制器是使光信号从直流信号变为交流信号的器件,最常用的如压电型,集成光学型。图2是压电型光纤调制器的原理,这种光纤调制器是将光纤绕在压电陶瓷(PZT上。当在PZT上加调制信号时,由于PZT的伸缩,造成光纤的变形,从而给光纤传输中光讯号增加光程差,形成光调制。(3光纤探测器是带尾纤的PIN探测器(针孔二极管,这是光纤系统中最常用的探测器3.光纤传感器原理光纤传感器是80年代随光通讯发展迅速崛起的新型传感器,其特点是轻巧、灵敏、抗干扰、遥感,而且可以组网,实现智能化,现在已在各个领域中得到广泛应用。光纤传感器的一般原理如图3所示。光源(LD一般采用半导体激光器,其发出的窄带光波经3dB耦合器进入测试传感区,其中A,B,C,D为光纤传感头,感受外界的物理量变化。此变化再经3dB耦合器进入光纤探测器D,进行光电变换。模数变换后送入计算机处理,分别获得 测试区A,B,C,D的状态变化,从而通过其它手段进行控制,达到工程目的。光纤传感技术是利用光纤为载体,对外界物理的变