北航光電測試綜合實驗實驗指導(dǎo)書_圖文

1、光電測試綜合實驗實驗指導(dǎo)書北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院2006年5月一、實驗系統(tǒng)簡介1.1 多功能光學(xué)系統(tǒng)本實驗系統(tǒng)的光學(xué)原理如圖1所示,激光(He-Ne,波長6358nm,功率3mv通過 送計算機(jī)圖1 實驗儀光學(xué)系統(tǒng)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(zhǔn)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(diào)光闌23-光電接收器24-導(dǎo)軌25,28-直角棱鏡26-傅氏透鏡30-五維調(diào)節(jié)架31-光纖分束器32-光纖

2、33a-外置式光纖傳感器33b-內(nèi)置式光纖傳感器34-光纖夾持器35-備用試件架各種光學(xué)元件的切換與配置,組合成一種光學(xué)物理系統(tǒng),實現(xiàn)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(jī)系統(tǒng),完成實驗內(nèi)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(tǒng)激光1經(jīng)衰減器2調(diào)節(jié)光強(qiáng),小孔3,5定向,擴(kuò)束鏡8,10擴(kuò)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(jīng)透鏡20成像(透鏡21選裝,光闌22濾波(選裝后,在CCD23上形成穩(wěn)定干涉圖樣,由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)顯示

3、與計量。2.衍射計量系統(tǒng)激光經(jīng)4,12,13,14轉(zhuǎn)向,射向衍射試件(試件夾19中產(chǎn)生衍射,經(jīng)20會聚成像,至23接收,送計算機(jī)顯示器觀察,并對部分試樣實現(xiàn)定標(biāo)與計量。3. 光纖傳感系統(tǒng)激光經(jīng)4,12,13及18上平面反射鏡至目鏡29,實現(xiàn)最大光強(qiáng)耦合,進(jìn)入干涉調(diào)制系統(tǒng)38,形成兩相干光束,經(jīng)34定位,投影于23,光纖調(diào)制電源的波形控制與干涉條紋的處理由計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)。本光路用于實驗2223。1.2 光電處理與顯示光電與計算機(jī)處理部分由圖2所示。上述光信息經(jīng)CCD 圖像系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成光電信號,再經(jīng)模/數(shù)變換(A/D 形成數(shù)字信號,將此數(shù)字信號送入圖像處理卡,然后進(jìn)入計算機(jī)(主板CPV 586,10

4、0M 以上,內(nèi)存64M 以上作處理,完成實驗顯示及相應(yīng)實驗的計算定量,在專用軟件的操作下實現(xiàn)所有實驗。 圖2 CSY -10L 處理與顯示系統(tǒng) 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(tǒng)的應(yīng)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(tǒng)實驗儀綜合軟件(Csylaser;2.干涉圖的條紋自動分析軟件(Wave?，F(xiàn)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(tǒng)實驗儀綜合軟件1.從任務(wù)欄中的“開始”按鈕出發(fā),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(biāo)雙擊該組件中的“

5、Csylaser”圖標(biāo)進(jìn)入該軟件,可看到如下的對話框: 2.根據(jù)當(dāng)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(yīng)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(tài)顯示的圖象,如:干涉條紋、共焦光斑、衍射圖樣等。按【凍結(jié)圖象】按鈕可實現(xiàn)圖象的凍結(jié)(即將圖象靜止。4.如果在實驗過程中干涉條紋發(fā)生移動,可按【條紋計數(shù)開始】按鈕實現(xiàn)計算機(jī)自動計數(shù),當(dāng)前的計數(shù)情況將實時地在屏幕右下方顯示出來。當(dāng)條紋往反方向移動時,所計的條紋數(shù)目也相應(yīng)地減少。5.按【條紋計數(shù)結(jié)束】按鈕

6、可中止計數(shù)。6.按【PZT自動掃描】中的【開始】按鈕可實現(xiàn)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(jī)產(chǎn)生數(shù)字波形,通過D/A輸出,經(jīng)高壓放大驅(qū)動電路,使壓電陶瓷(PZT產(chǎn)生微位移或形變。改變【周期調(diào)整量】的值可改變所產(chǎn)生波形的周期。7.用鼠標(biāo)拉動【PZT手動掃描】中的滑桿條可實現(xiàn)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(dāng)選擇實驗類型為“E-衍射計量測試”時,可通過鼠標(biāo)實現(xiàn)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(jiān)視衍射圖樣,調(diào)整衍射圖樣到最佳狀態(tài)iii.按【凍結(jié)圖象】按鈕使圖象靜止iv

7、.用鼠標(biāo)點中度量的起始點并按下鼠標(biāo)的左鍵v.按住左鍵將鼠標(biāo)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(dāng)鼠標(biāo)到達(dá)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(fù)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?zāi)康?. 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(yōu)點和應(yīng)用場合,并學(xué)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(tǒng),T -G 干涉系統(tǒng)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(tǒng)激光通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)L 1提供入射的平面波(平行光束。當(dāng)設(shè)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(shù),激光波長此平面波經(jīng)半反射鏡BS 分為二束,一束經(jīng)參考鏡M 1,反射后成為參考光束,其復(fù)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(jīng)測量鏡M 2反射,其復(fù)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(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的光強(qiáng)I(x,y由下式?jīng)Q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(dāng)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(dāng)較小,即sin 時,經(jīng)簡化可求得干涉條紋的光強(qiáng)為:2cos 1(2,(0kl I y x I += (5式中I 0激光光強(qiáng),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(diào)制。當(dāng)為一常數(shù)時,干涉條紋的

10、光強(qiáng)如圖2所示。當(dāng)測量在空氣中進(jìn)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(shù)。 因此,記錄干涉條紋移動數(shù),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(shù),從圖1中知道,定位在BS 面上或無窮遠(yuǎn)上的干涉條紋由成像物鏡L 2將條紋成在探測器上,實現(xiàn)計數(shù)。測量靈敏度為:當(dāng)N =1,則m l 63.0,2=(He-Ne 激光,則m l 3.0=如果細(xì)分N ,一般以1/10細(xì)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(fā)出的激光經(jīng)衰減器2(用于調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度后由二個定向小孔3,5引導(dǎo),經(jīng)反

11、射鏡6,7進(jìn)入擴(kuò)束準(zhǔn)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(jīng)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(jī)屏上就可看到干涉條紋,實現(xiàn)微位移的測量。四、實驗步驟公共部分:1.開機(jī),激光器1迅速起輝,待光強(qiáng)穩(wěn)定。2.檢查CCD23上電信號燈亮否。3.調(diào)整光路時,若移開反射鏡4,13,擴(kuò)束激光;移入反射鏡4,反射鏡13,不擴(kuò)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(kuò)束2.在組合工作臺16,18上分別裝平面反射鏡,調(diào)節(jié)工作臺16,18上調(diào)平調(diào)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(jī),然后微調(diào)工作臺上測微器,在顯示屏上看見干涉條紋4.調(diào)整CCD在軌道上的位置,使干涉條紋清晰,鎖定23,再調(diào)節(jié)可調(diào)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(shù)據(jù):可自行設(shè)定幾個位移量,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)(其中nm6328.=表1 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)記錄表 實驗2:數(shù)字干涉測量方法(選做一、實驗?zāi)康?1. 了解激光干涉的近代方法數(shù)字干涉技術(shù)的原理和方法2. 掌握干涉的實時檢測技術(shù)3. 了解數(shù)字干涉方法的特點及應(yīng)用場合二、實驗原理隨著電子技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,并與傳統(tǒng)的干涉檢測方法結(jié)合,產(chǎn)生了一

13、種新的位相檢測技術(shù)數(shù)字干涉技術(shù),這是一種位相的實時檢測技術(shù)。這種方法不僅能實現(xiàn)干涉條紋的實時提取,而且可以利用波面數(shù)據(jù)的存儲功能消除干涉儀系統(tǒng)誤差,消除或降低大氣擾動及隨機(jī)噪聲,使干涉技術(shù)實現(xiàn)/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(tǒng)仍采用T-G 干涉儀,但參考鏡2由壓電陶瓷PZT 驅(qū)動,產(chǎn)生位移。此位移的頻率與移動量由計算機(jī)控制。設(shè)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(shù)。參考光與測試光相干產(chǎn)生干涉條紋,其瞬時光強(qiáng)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(qiáng)都是li 的余弦函數(shù)。由于li 隨時間變化,因此式3的光強(qiáng)是一個時間周期函數(shù),可用傅里葉級數(shù)展開。設(shè)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(shù)的正交性,可求出Fourier 級數(shù)的各個系數(shù)

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(jìn)一步降低噪聲,提高測量精度,可用P 個周期進(jìn)行驅(qū)動掃描,測量數(shù)據(jù)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(nèi)任意一點的位相可由該點上的n p 個光強(qiáng)的采樣值計算出來,因此,可獲得整個孔徑上的位相。除實現(xiàn)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(kuò)束2. 調(diào)節(jié)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(chǎn)生軸向位移,在計算機(jī)上看到條紋平移3. 調(diào)整CCD 在軌道上的位置,使干涉條紋清晰,鎖定234. 調(diào)節(jié)可調(diào)光闌22孔徑位置,濾除寄生干涉光 五、實驗記錄選做的同學(xué)可與實驗一進(jìn)行比較。實驗3 縫寬或間隙的衍射測量一、實驗?zāi)康?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(xué)習(xí)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(yīng)。夫朗和費衍射是一種遠(yuǎn)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(yuǎn)場衍射來完成。當(dāng)激光照射被測物與參考的標(biāo)準(zhǔn)物之間的間隙時,這相當(dāng)于單縫的遠(yuǎn)場衍射。當(dāng)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(qiáng)I 的分布由物理光學(xué)知: =220sin I I 式中:sin =w ;為衍射角,I 0是0 0=時的光強(qiáng),即

18、光軸上的光強(qiáng)度。圖2 等效衍射上式就是遠(yuǎn)場衍射光強(qiáng)分布的基本公式,說明衍射光強(qiáng)是隨sin的平方而衰減。當(dāng)n = ,3,2,0處將出現(xiàn)強(qiáng)度為零的條紋(n 為暗條紋級數(shù),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(dāng)不大時,從遠(yuǎn)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(shè)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(dāng)被測物尺寸改變時,相當(dāng)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(shù)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(jìn)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(kuò)束,直接照射工作臺19上的試件,在探測器上形成遠(yuǎn)場衍射條紋,即可

20、測量。四、實驗步驟1. 激光不擴(kuò)束,光路中插入反射鏡4及132. 將分光鏡14轉(zhuǎn)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(diào)狹縫,光刻片狹縫系列4. 移動CCD 使計算機(jī)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(shù)據(jù):可自行選擇實驗給定的狹逢測量,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)表2 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)記錄表 (其中R=180mm, =632.8nm實驗4 微孔直徑的衍射測量一、實驗?zāi)康?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(xué)習(xí)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(xué)知道,平面波照射的開孔不是矩形而是圓孔時,其遠(yuǎn)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(huán)形條紋。這種環(huán)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(yuǎn)場衍射圖樣P 點的光強(qiáng)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(qiáng)分布式,當(dāng)x=0,即中央亮斑,它集中84%左右的光能量。對第一暗環(huán),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(dāng)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(kuò)束2.將分光鏡14轉(zhuǎn)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(huán)分布五、實驗記錄1.截取實驗圖樣存儲成文件2.記錄數(shù)據(jù):可自行選擇實驗提供的微孔進(jìn)行測量,記錄相關(guān)數(shù)據(jù)表3 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)記錄表 (其中f = 180mm,=632.8nm實驗5 光纖傳感技術(shù)的原理與實驗(選做一、實驗?zāi)康?1. 了解光纖傳光原理與特性2. 了解光纖系統(tǒng)主要單元器件的原理3. 學(xué)習(xí)光纖傳感系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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?shù)墓饩桶l(fā)生全反射而實現(xiàn)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(shù)當(dāng)=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(shù),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(tǒng)的關(guān)

24、鍵器件光纖系統(tǒng)主要分光通訊系統(tǒng)與光傳感系統(tǒng)二大部分。本實驗主要了解光傳感系統(tǒng)的關(guān)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(dāng)于光學(xué)中的分束器。(2光纖調(diào)制器是使光信號從直流信號變?yōu)榻涣餍盘柕钠骷?最常用的如壓電型,集成光學(xué)型。圖2是壓電型光纖調(diào)制器的原理,這種光纖調(diào)制器是將光纖繞在壓電陶瓷(PZT上。當(dāng)在PZT上加調(diào)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(diào)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(tǒng)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(fā)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(wǎng),實現(xiàn)智能化,現(xiàn)在已在各個領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)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(dǎo)體激光器,其發(fā)出的窄帶光波經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入測試傳感區(qū),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(jīng)3dB耦合器進(jìn)入光纖探測器D,進(jìn)行光電變換。模數(shù)變換后送入計算機(jī)處理,分別獲得 測試區(qū)A,B,C,D的狀態(tài)變化,從而通過其它手段進(jìn)行控制,達(dá)到工程目的。光纖傳感技術(shù)是利用光纖為載體,對外界物理的變