1、光電測試綜合實驗實驗指導書北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院2006年5月一、實驗系統簡介1.1 多功能光學系統本實驗系統的光學原理如圖1所示,激光(He-Ne,波長6358nm,功率3mv通過 送計算機圖1 實驗儀光學系統1-激光器2,17-衰減器3,5,11-定向孔4,13-移動反射鏡6,7,9,12-反射鏡8,29-物鏡10 -準直透鏡14-分光棱鏡15-共焦顯微鏡16-多功能試件夾及組合工作臺18-帶壓電陶瓷的組合工作臺19,27-衍射試件平臺20-成像透鏡21-目鏡22-可調光闌23-光電接收器24-導軌25,28-直角棱鏡26-傅氏透鏡30-五維調節架31-光纖分束器32-光纖

2、33a-外置式光纖傳感器33b-內置式光纖傳感器34-光纖夾持器35-備用試件架各種光學元件的切換與配置,組合成一種光學物理系統,實現定性觀察與定量測試的多功能,最終由光電接收器23接收,并將信號送入計算機系統,完成實驗內容的顯示與計算。所謂多功能,主要由下列七部分組成:1.Tyman-Green干涉系統激光1經衰減器2調節光強,小孔3,5定向,擴束鏡8,10擴束,分光棱鏡14分光后,一路由工作臺16上試件返回,形成參考光,一路由工作臺18上試件返回形成物光,再返回分光鏡14形成干涉場,經透鏡20成像(透鏡21選裝,光闌22濾波(選裝后,在CCD23上形成穩定干涉圖樣,由計算機程序實現參數顯示

3、與計量。2.衍射計量系統激光經4,12,13,14轉向,射向衍射試件(試件夾19中產生衍射,經20會聚成像,至23接收,送計算機顯示器觀察,并對部分試樣實現定標與計量。3. 光纖傳感系統激光經4,12,13及18上平面反射鏡至目鏡29,實現最大光強耦合,進入干涉調制系統38,形成兩相干光束,經34定位,投影于23,光纖調制電源的波形控制與干涉條紋的處理由計算機程序實現。本光路用于實驗2223。1.2 光電處理與顯示光電與計算機處理部分由圖2所示。上述光信息經CCD 圖像系統轉換成光電信號,再經模/數變換(A/D 形成數字信號,將此數字信號送入圖像處理卡,然后進入計算機(主板CPV 586,10

4、0M 以上,內存64M 以上作處理,完成實驗顯示及相應實驗的計算定量,在專用軟件的操作下實現所有實驗。 圖2 CSY -10L 處理與顯示系統 實驗儀照片二、軟件使用與操作激光多功能光電測試實驗儀配套軟件是基于WINDOWS操作系統的應用軟件,為配合各實驗的順利完成,目前該軟件包主要有兩部分組成:1. 激光多功能光電測試系統實驗儀綜合軟件(Csylaser;2.干涉圖的條紋自動分析軟件(Wave。現將各部分的使用與操作說明如下:(1激光多功能光電測試系統實驗儀綜合軟件1.從任務欄中的“開始”按鈕出發,點中“程序(P”項查找“激光多功能光電測試實驗儀配套軟件”程序組件,然后用鼠標雙擊該組件中的“

5、Csylaser”圖標進入該軟件,可看到如下的對話框: 2.根據當前所做的實驗,可從實驗類別下面的下拉式選擇框中選擇相應的實驗類型,可供選擇的實驗類型有:A-位移傳感測試B-光纖傳感測試C-納米計量測試D-共焦計量測試E-衍射計量測試F-散斑位移測試3.按【活動圖象】按鈕可在窗口中看到探測器上的動態顯示的圖象,如:干涉條紋、共焦光斑、衍射圖樣等。按【凍結圖象】按鈕可實現圖象的凍結(即將圖象靜止。4.如果在實驗過程中干涉條紋發生移動,可按【條紋計數開始】按鈕實現計算機自動計數,當前的計數情況將實時地在屏幕右下方顯示出來。當條紋往反方向移動時,所計的條紋數目也相應地減少。5.按【條紋計數結束】按鈕

6、可中止計數。6.按【PZT自動掃描】中的【開始】按鈕可實現干涉條紋或光纖測試所形成的楊氏干涉條紋的自動移動。計算機產生數字波形,通過D/A輸出,經高壓放大驅動電路,使壓電陶瓷(PZT產生微位移或形變。改變【周期調整量】的值可改變所產生波形的周期。7.用鼠標拉動【PZT手動掃描】中的滑桿條可實現人為控制干涉條紋或光纖測試所形成的楊氏干涉條紋的自動移動。8.當選擇實驗類型為“E-衍射計量測試”時,可通過鼠標實現衍射圖樣中任意兩點之間距離的精確度量。具體步驟如下:i.選擇實驗類型為“E-衍射計量測試”ii.按【活動圖象】按鈕監視衍射圖樣,調整衍射圖樣到最佳狀態iii.按【凍結圖象】按鈕使圖象靜止iv

7、.用鼠標點中度量的起始點并按下鼠標的左鍵v.按住左鍵將鼠標移動到度量的終點,在移動過程中將在圖中顯示一條紅線,并在屏幕的右下方實時地顯示出紅線所度量的長度。當鼠標到達度量的終點時,放開左鍵,則完成度量。vi.若需要重新度量,只需要重復步驟e即可。實驗1 精密位移量的激光干涉測量方法一、實驗目的1. 了解激光干涉測量的原理2. 掌握微米及亞微米量級位移量的激光干涉測量方法3. 了解激光干涉測量方法的優點和應用場合,并學會用圖像處理的方法處理干涉條紋二、實驗原理本實驗采用泰曼-格林(Twyman-Green 干涉系統,T -G 干涉系統是著名的邁克爾遜白光干涉儀的簡化。用激光為光源,可獲得清晰、明

8、亮的干涉條紋,其原理如圖1所示。 圖1 T -G 干涉系統激光通過擴束準直系統L 1提供入射的平面波(平行光束。當設光軸方向為Z 軸,則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 為波數,激光波長此平面波經半反射鏡BS 分為二束,一束經參考鏡M 1,反射后成為參考光束,其復振幅U R 用下式表示(R R z R R e A U =(2式中A R 參考光束的振幅,R (z R 參考光束的位相,它由參考光程z R 決定。另一束為透射光,經測量鏡M 2反射,其復振幅U t ,用下式表示:(t t z i t t e A U =(3式中A t 測量光束的振幅,t (

9、z t 測量光束的位相,它由測量光程Z t 決定。此二束光在BS 上相遇,由于激光的相干性,因而產生干涉條紋。干涉條紋的光強I(x,y由下式決定*=U U y x I ,( (4式中*+=+=t R t R U U U U U U ,而U*,U R *,U t *為U ,U R ,U t 的共軛波。當反射鏡M 1與M 2彼此間有一交角2,并將式(2,式(3代入式(4,且當較小,即sin 時,經簡化可求得干涉條紋的光強為:2cos 1(2,(0kl I y x I += (5式中I 0激光光強,l 光程差,t R z z l -=。式(5說明干涉條紋由光程差l 及來調制。當為一常數時,干涉條紋的

10、光強如圖2所示。當測量在空氣中進行,且干涉臂光程不大,即略去大氣的影響,則2=N l (6式中:N 干涉條紋數。 因此,記錄干涉條紋移動數,已知激光波長,由式(6即可測量反射鏡的位移量,或反射鏡的軸向變動量L 。干涉條紋的計數,從圖1中知道,定位在BS 面上或無窮遠上的干涉條紋由成像物鏡L 2將條紋成在探測器上,實現計數。測量靈敏度為:當N =1,則m l 63.0,2=(He-Ne 激光,則m l 3.0=如果細分N ,一般以1/10細分為例,則干涉測量的最高靈敏度為:m l 03.0=三、實驗光路 圖3 實驗光路激光器1發出的激光經衰減器2(用于調節激光強度后由二個定向小孔3,5引導,經反

11、射鏡6,7進入擴束準直物鏡8,10(即圖1中的L1,由分光鏡14(即圖1中BS分成二束光,分別由反射鏡16 (即圖1中的M1,18(M2反射形成干涉條紋并經成像物鏡20(即圖1中L2將條紋成于CCD 23上(即D,這樣在計算機屏上就可看到干涉條紋,實現微位移的測量。四、實驗步驟公共部分:1.開機,激光器1迅速起輝,待光強穩定。2.檢查CCD23上電信號燈亮否。3.調整光路時,若移開反射鏡4,13,擴束激光;移入反射鏡4,反射鏡13,不擴束激光;注:以下所有實驗的開始步驟均同公共部分。本實驗步驟1.擴束2.在組合工作臺16,18上分別裝平面反射鏡,調節工作臺16,18上調平調向測微器,使二路反射

12、光較好重合(在成像物鏡20后焦面上,兩反射光會聚的焦斑重合3.打開計算機,然后微調工作臺上測微器,在顯示屏上看見干涉條紋4.調整CCD在軌道上的位置,使干涉條紋清晰,鎖定23,再調節可調光闌22孔徑位置,濾除分光鏡寄生干涉光五、實驗記錄1.截取實驗圖樣存儲成文件2.記錄數據:可自行設定幾個位移量,記錄相關數據(其中nm6328.=表1 實驗結果數據記錄表 實驗2:數字干涉測量方法(選做一、實驗目的:1. 了解激光干涉的近代方法數字干涉技術的原理和方法2. 掌握干涉的實時檢測技術3. 了解數字干涉方法的特點及應用場合二、實驗原理隨著電子技術與計算機技術的發展,并與傳統的干涉檢測方法結合,產生了一

13、種新的位相檢測技術數字干涉技術,這是一種位相的實時檢測技術。這種方法不僅能實現干涉條紋的實時提取,而且可以利用波面數據的存儲功能消除干涉儀系統誤差,消除或降低大氣擾動及隨機噪聲,使干涉技術實現/100的精度,這是目前干涉儀精度最高的近代方法。其原理如下圖所示。 圖中的實驗系統仍采用T-G 干涉儀,但參考鏡2由壓電陶瓷PZT 驅動,產生位移。此位移的頻率與移動量由計算機控制。設參考鏡的瞬時位移為li ,被測表面的形貌(面形為w(x,y,則參考光路和測試光路可分別用下式表示:(2expli s k i a U R += (1,(2expy x w s k i b U t += (2式中a,b 為光

14、振幅常數。參考光與測試光相干產生干涉條紋,其瞬時光強由式1與式2,可得:,(2cos 1,(li y x w k r li y x I -+= (3式中(222b a abr +=是干涉條紋的對比度。式3說明,干涉場中任意一點的光強都是li 的余弦函數。由于li 隨時間變化,因此式3的光強是一個時間周期函數,可用傅里葉級數展開。設r=1,則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 =+=由三角函數的正交性,可求出Fourier 級數的各個系數

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從而求得被測波面,由下式給出:=-=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 為進一步降低噪聲,提高測量精度,可用P 個周期進行驅動掃描,測量數據作累加平均,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說明孔徑內任意一點的位相可由該點上的n p 個光強的采樣值計算出來,因此,可獲得整個孔徑上的位相。除實現自動檢測外,還可以測定被測件的三維形貌。三、實驗光路同實驗一(加PZT 四、實驗步驟1. 擴束2. 調節工作臺18上的測微螺桿并啟動壓電晶體工作電源,使反射鏡產生軸向位移,在計算機上看到條紋平移3. 調整CCD 在軌道上的位置,使干涉條紋清晰,鎖定234. 調節可調光闌22孔徑位置,濾除寄生干涉光 五、實驗記錄選做的同學可與實驗一進行比較。實驗3 縫寬或間隙的衍射測量一、實驗目的:a 了解激光衍射計量原理b 利用間隙計量法測量

17、縫寬或間隙,并學習利用圖像處理的方法提取衍射條紋二、實驗原理激光衍射計量的基本原理是利用激光下的夫朗和費衍射效應。夫朗和費衍射是一種遠場衍射。衍射計量是利用被測物與參考物之間的間隙所形成的遠場衍射來完成。當激光照射被測物與參考的標準物之間的間隙時,這相當于單縫的遠場衍射。當入射平面波的波長為,入射到長度為L ,寬度為w 的單縫上(Lw,并與觀測屏距離2w R 時,在觀測屏E 的視場上將看到十分清晰的衍射條紋。圖1是計量原理圖,圖2是等效衍射圖。在觀察屏E 上由單縫形成的衍射條紋,其光強I 的分布由物理光學知: =220sin I I 式中:sin =w ;為衍射角,I 0是0 0=時的光強,即

18、光軸上的光強度。圖2 等效衍射上式就是遠場衍射光強分布的基本公式,說明衍射光強是隨sin的平方而衰減。當n = ,3,2,0處將出現強度為零的條紋(n 為暗條紋級數,即I=0 的暗條紋。測定任一個暗條紋的位置變化就可以知道間隙w 的尺寸和尺寸變化。這就是衍射計量的原理。因為sin =w ,對暗條紋則有 n w =sin 當不大時,從遠場條件,有Rx tg n=sin 式中:x n 為第n 級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離,R 為觀察屏距單縫平面的距離。 最后寫成:nx Rn w =這就是衍射計量的基本公式。為計算方便,設t nx =0,t 為衍射條紋的間隔,則 tR w =已知,R( R

19、= f ,測定兩個暗條紋的間隔t ,就可計算出w 的精確尺寸。當被測物尺寸改變時,相當于狹縫尺寸w 改變,衍射條紋中心位置隨之改變,則-=-=0011x x R n w w 式中:w 0, w 分別為起始縫寬和最后縫寬;x 0, x 分別為起始時衍射條紋中心位置和變動后衍射條紋中心位置(條紋級數n 不變。由一個狹縫邊的位置用上式就可以推算另一邊的位置,則被測物尺寸或輪廓完全可由被測物和參考物之間的縫隙所形成的衍射條紋位置來確定。利用激光下形成的清晰衍射條紋就可以進行微米量級的非接觸的尺寸測量。三、實驗光路 圖3 實驗光路激光不用擴束,直接照射工作臺19上的試件,在探測器上形成遠場衍射條紋,即可

20、測量。四、實驗步驟1. 激光不擴束,光路中插入反射鏡4及132. 將分光鏡14轉90,18上試件夾上放黑紙屏或取消試件夾,讓透射光逸至試驗平臺3. 切換試件夾19中的衍射試件(可調狹縫,光刻片狹縫系列4. 移動CCD 使計算機圖像清晰,鎖定235.記錄狹縫系不同級衍射條紋間距五、實驗表格1.截取實驗圖樣存儲成文件2.記錄數據:可自行選擇實驗給定的狹逢測量,記錄相關數據表2 實驗結果數據記錄表 (其中R=180mm, =632.8nm實驗4 微孔直徑的衍射測量一、實驗目的:1. 了解愛里圓(Airy 測定法2. 利用愛里圓測定法測量微孔直徑,并學習利用圖像處理的方法提取光斑中心和衍射條紋二、實驗

21、原理由物理光學知道,平面波照射的開孔不是矩形而是圓孔時,其遠場的夫朗和費衍射像是中心為一圓形亮斑,外面繞著明暗相間的環形條紋。這種環形衍射像就稱為愛里圓,如圖1所示。 圓孔的衍射圖1 圓孔的遠場衍射圖樣P 點的光強分布:210(2,(,(=*x x J I f f I p , =sin 2a x上式就是愛里圓的光強分布式,當x=0,即中央亮斑,它集中84%左右的光能量。對第一暗環,即中央亮斑的直徑大小,由于af d 222.12sin = 得到愛里圓中心亮斑的直徑d 為 af d 22.1=當已知f ,時,測定d 就可以求取圓孔半徑a 值,即微孔的尺寸。三、實驗光路同實驗3。四、實驗步驟1.激

22、光不擴束2.將分光鏡14轉903.切換試件夾19中的衍射試件(微孔系列4.移動CCD使圖像清晰,鎖定235.觀察微孔系列衍射圓環分布五、實驗記錄1.截取實驗圖樣存儲成文件2.記錄數據:可自行選擇實驗提供的微孔進行測量,記錄相關數據表3 實驗結果數據記錄表 (其中f = 180mm,=632.8nm實驗5 光纖傳感技術的原理與實驗(選做一、實驗目的:1. 了解光纖傳光原理與特性2. 了解光纖系統主要單元器件的原理3. 學習光纖傳感系統的原理二、實驗原理:1. 光纖傳光原理與特性光纖傳輸光信號的原理是基于光的全反射定律,在光纖中實現全反射主要有二種方法,如圖1所示:(1階躍型光纖 如圖1(a所示,

23、采用光纖芯的折射率高于包層折射率的階躍型分布來實現光的臨界角c :121cos nn c -=式中n 1纖芯折射率,n 2包層折射率入射光的入射角大于c 時,傳輸的光就發生全反射而實現鋸齒形傳光,這是光通訊中光纖傳光的基本形式。(2漸變型光纖如圖1(b所示,在拉制光纖芯時,采用離子交換法,使纖芯折射率呈拋物線分布:21121( -=a r n r n式中121(n n n -=r 光纖包層半徑 a 光纖纖芯半徑 折射率分布指數當=2時,n(r呈拋物線分布,這樣光在光纖中傳輸呈蛇形向前,從而減少光纖中反射次數,降低傳輸光損耗,并使脈沖展寬變小,提高傳光信息容量,但這種光纖成本高。2.光纖系統的關

24、鍵器件光纖系統主要分光通訊系統與光傳感系統二大部分。本實驗主要了解光傳感系統的關鍵器件:(1光纖耦合器也稱光纖分束器,或3dB器件,其作用是將光纖中的傳輸光一分為二,這在很多光纖傳感器中是必須的,作用相當于光學中的分束器。(2光纖調制器是使光信號從直流信號變為交流信號的器件,最常用的如壓電型,集成光學型。圖2是壓電型光纖調制器的原理,這種光纖調制器是將光纖繞在壓電陶瓷(PZT上。當在PZT上加調制信號時,由于PZT的伸縮,造成光纖的變形,從而給光纖傳輸中光訊號增加光程差,形成光調制。(3光纖探測器是帶尾纖的PIN探測器(針孔二極管,這是光纖系統中最常用的探測器3.光纖傳感器原理光纖傳感器是80年代隨光通訊發展迅速崛起的新型傳感器,其特點是輕巧、靈敏、抗干擾、遙感,而且可以組網,實現智能化,現在已在各個領域中得到廣泛應用。光纖傳感器的一般原理如圖3所示。光源(LD一般采用半導體激光器,其發出的窄帶光波經3dB耦合器進入測試傳感區,其中A,B,C,D為光纖傳感頭,感受外界的物理量變化。此變化再經3dB耦合器進入光纖探測器D,進行光電變換。模數變換后送入計算機處理,分別獲得 測試區A,B,C,D的狀態變化,從而通過其它手段進行控制,達到工程目的。光纖傳感技術是利用光纖為載體,對外界物理的變