福建師大2014-12級(jí)光信息綜合實(shí)驗(yàn)講義-最終稿

1、福建師范大學(xué)光電與信息工程學(xué)院光信息綜合實(shí)I2014年9月福建師大光電與信息工程學(xué)院信息技術(shù)基礎(chǔ)課實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心光信息實(shí)驗(yàn)平臺(tái)講義目 錄光信息綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱I實(shí)驗(yàn)一 PSD傳感器實(shí)驗(yàn)5實(shí)驗(yàn)二 光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)10實(shí)驗(yàn)三 光纖壓力傳感系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn)14實(shí)驗(yàn)四 彩色編碼攝影及光學(xué)/數(shù)字彩色圖像解碼實(shí)驗(yàn)17實(shí)驗(yàn)五 菲涅耳全息的記錄與再現(xiàn)24實(shí)驗(yàn)六 像面全息圖的記錄與再現(xiàn)30實(shí)驗(yàn)七 一步彩虹全息33實(shí)驗(yàn)八 晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)37實(shí)驗(yàn)九 晶體聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)41實(shí)驗(yàn)十磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)44實(shí)驗(yàn)十一基于液晶光閥的光學(xué)信息處理48實(shí)驗(yàn)十二光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)63實(shí)驗(yàn)十三 計(jì)算全息光學(xué)實(shí)驗(yàn)71實(shí)驗(yàn)十四 全息圖衍射效率的測(cè)量

2、實(shí)驗(yàn)77實(shí)驗(yàn)十五可調(diào)氦氖多譜線激光器實(shí)驗(yàn)79實(shí)驗(yàn)十六 激光器偏振、縱模和模競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)95實(shí)驗(yàn)十七 激光高斯光束變換與測(cè)量105光信息綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c基本要求光信息綜合實(shí)驗(yàn)是為光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)和信息工程專業(yè)開設(shè)的，是一門與講授課程同樣重要的獨(dú)立課程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以學(xué)習(xí)和掌握基本的實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法，訓(xùn)練綜合運(yùn)用各課知識(shí)，培養(yǎng)獨(dú)立思考、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，同時(shí)培養(yǎng)促進(jìn)知識(shí)創(chuàng)新和拓展的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，并且實(shí)驗(yàn)課程所具有的獨(dú)特的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)目的是不能用理論思維能力來(lái)代替的。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生融會(huì)貫通所學(xué)知識(shí)，深入理解工程光學(xué)

3、的基本原理和基本應(yīng)用；進(jìn)一步拓寬現(xiàn)代光學(xué)的知識(shí)面；掌握基本的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)技術(shù)及工程應(yīng)用；熟悉常用光學(xué)和電子器件的配置、調(diào)整、組合等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并能對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)；提高用實(shí)驗(yàn)方法綜合研究光學(xué)問(wèn)題的能力。光信息綜合實(shí)驗(yàn)課程要求分以下三個(gè)階段。（1）預(yù)習(xí)。這是實(shí)驗(yàn)前的課前準(zhǔn)備階段。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)原理和書本有關(guān)內(nèi)容，參考指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)方法，擬出實(shí)驗(yàn)方案，列出實(shí)驗(yàn)步驟，畫好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄表格。（2）實(shí)驗(yàn)。首先按照實(shí)驗(yàn)方案選取安裝與調(diào)整儀器及部件，這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須認(rèn)真觀察現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。測(cè)試時(shí)還需記錄原始數(shù)據(jù)，若有可疑之處須反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。

4、（3）撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告也是一種實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)總結(jié)能力的培養(yǎng)。二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容與學(xué)時(shí)分配序號(hào)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)類型每組人數(shù)1PSD傳感器實(shí)驗(yàn)1.測(cè)量PSD傳感器位移值與輸出電壓值并分析其關(guān)系；2.學(xué)會(huì)利用PSD傳感器測(cè)量微小位移。3必做驗(yàn)證2人2光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)1.測(cè)量光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)，計(jì)算靈敏度并分析誤差；2.作光纖位移傳感器的位移特性曲線，學(xué)會(huì)利用光纖位移傳感器測(cè)量微小位移。3選做驗(yàn)證2人3光纖壓力傳感系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn)1.了解光纖壓力傳感器的原理和應(yīng)用。3選做驗(yàn)證2人4彩色編碼攝影及光學(xué)/數(shù)字彩色圖像解碼實(shí)驗(yàn)1.通過(guò)彩色編碼照相機(jī)，加深理解將彩

5、色景物實(shí)時(shí)地編碼記錄在黑白編碼片上；2.掌握光學(xué)彩色圖像解碼技術(shù)；3.掌握數(shù)字彩色圖像解碼技術(shù)。3必做驗(yàn)證2人5菲涅耳全息的記錄與再現(xiàn)1.通過(guò)拍攝漫反射物體的透射全息圖，加深對(duì)全息照相基本原理的理解；2.觀察透射全息圖的重現(xiàn)像，領(lǐng)會(huì)并總結(jié)全息照相的特點(diǎn)及其與普通照相的本質(zhì)區(qū)別；3必做驗(yàn)證2人6像面全息圖的記錄與再現(xiàn)1.掌握像全息圖的記錄與重現(xiàn)原理；2.制作一張像面全息圖，在白光下觀察其重現(xiàn)像；3.比較像面全息圖與透射全息圖的不同之處。3必做驗(yàn)證2人7一步彩虹全息1.掌握制作一步彩虹全息圖的原理和方法；2.在像全息圖制作基礎(chǔ)之上，制作一張一步彩虹全息圖，在白光下觀察其重現(xiàn)的準(zhǔn)單色像。3選做驗(yàn)證2

6、人8晶體電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)1.掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法；2.學(xué)會(huì)利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量晶體的半波電壓，計(jì)算晶體的電光系數(shù)；3.觀察晶體電光效應(yīng)引起的晶體會(huì)聚偏振光的干涉現(xiàn)象。3必做驗(yàn)證2人9晶體聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)1.了解聲光相互作用原理；2.觀察布拉格衍射現(xiàn)象；3.研究聲光調(diào)制和聲光偏轉(zhuǎn)的特性。3必做驗(yàn)證2人10磁光調(diào)制實(shí)驗(yàn)1.了解磁光效應(yīng)，掌握光線偏振面旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量方法；2.通過(guò)儀器實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證費(fèi)爾德常數(shù)公式；3.對(duì)各種磁物質(zhì)的費(fèi)爾德常數(shù)進(jìn)行測(cè)試。3必做驗(yàn)證2人11基于液晶光閥的光學(xué)信息處理1加深對(duì)液晶的電光效應(yīng)的理解。2掌握利用LCD 液晶光閥的響應(yīng)曲線進(jìn)行圖像反轉(zhuǎn)的工作原理及方法。3了解液晶光閥的

7、像素結(jié)構(gòu)4理解液晶屏自身結(jié)構(gòu)對(duì)頻譜的影響5了解衍射理論6掌握光學(xué)傅立葉變換的性質(zhì)及全息性質(zhì)7加深對(duì)卷積定理等的理解8加深對(duì)全息成像原理的認(rèn)識(shí)8必做綜合2人12光的干涉和衍射實(shí)驗(yàn)1.加深對(duì)光的干涉和衍射理論的認(rèn)識(shí)。2.掌握干涉條紋和衍射條紋的特點(diǎn)。3必做驗(yàn)證2人13計(jì)算全息光學(xué)實(shí)驗(yàn)1.了解全息原理和計(jì)算全息的特性。2.進(jìn)行全息圖的光學(xué)再現(xiàn)。3必做驗(yàn)證2人14全息圖衍射效率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)1.了解全息圖衍射效率的基本概念；2.掌握全息圖的衍射效率的測(cè)量方法。3必做驗(yàn)證2人16可調(diào)氦氖多譜線激光器實(shí)驗(yàn)1.掌握HeNe多譜線激光器的工作原理及腔型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)；2.測(cè)量各條激光譜線的波長(zhǎng)；3.測(cè)量各條譜線最大輸

8、出激光功率。3必做驗(yàn)證2人17激光器偏振、縱模和模競(jìng)爭(zhēng)實(shí)驗(yàn)1.了解F-P掃描干涉儀的結(jié)構(gòu)和性能，掌握其使用方法；2.了解激光器的偏振特性，掌握激光偏振測(cè)量方法；3.了解激光縱模正交偏振理論與模式競(jìng)爭(zhēng)理論。3必做驗(yàn)證2人18激光高斯光束變換與測(cè)量1.掌握激光傳播特性的主要參數(shù)的測(cè)量方法；2.理解激光光束特性，學(xué)會(huì)對(duì)高斯光束進(jìn)行測(cè)量與變換；3.掌握光斑輪廓儀的使用和應(yīng)用3必做驗(yàn)證2人三、實(shí)驗(yàn)成績(jī)考核辦法本課程總評(píng)成績(jī)由期末考試和平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分構(gòu)成，采用百分制。期末考試成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的50%，平時(shí)成績(jī)占總評(píng)成績(jī)的50%。期末考試形式:筆試和操作。操作是以抽簽的形式現(xiàn)場(chǎng)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作，

9、根據(jù)完成情況給出成績(jī)。平時(shí)成績(jī)包括：1.課前預(yù)習(xí)（占10%）：教師通過(guò)檢查預(yù)習(xí)報(bào)告或提問(wèn)方式，考核學(xué)生預(yù)習(xí)情況，給出成績(jī)。 2.實(shí)驗(yàn)操作（占20%）：教師通過(guò)檢查學(xué)生各個(gè)操作環(huán)節(jié)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)學(xué)生給出綜合實(shí)驗(yàn)操作成績(jī)。3.實(shí)驗(yàn)報(bào)告（占20%）：教師通過(guò)檢查實(shí)驗(yàn)報(bào)告的完整性、正確性及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析給出實(shí)驗(yàn)報(bào)告成績(jī)。四、實(shí)驗(yàn)教材和參考書教材： 光信息綜合實(shí)驗(yàn)講義參考書：談恒英編：光信息綜合實(shí)驗(yàn)，浙江大學(xué)出版社，2003年版。王仕璠編：現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)教程。北京郵電大學(xué)出版社，2004年版。五、主要使用的儀器設(shè)備1. 全息照相系列：天津港東科技發(fā)展有限公司XGZ-3型全息照相系列實(shí)驗(yàn)裝置。主要儀器設(shè)備：

10、He-Ne 激光器、反射鏡、透鏡、全息干版、曝光定時(shí)器、可調(diào)狹縫等。2. 彩色編碼攝影及光學(xué)/數(shù)字彩色圖像解碼實(shí)驗(yàn)：天津市港東科技發(fā)展有限公司XGB-1型彩色編碼攝影及光學(xué)/數(shù)字彩色圖像信息處理。主要儀器設(shè)備：135 彩色編碼照相機(jī)、白光光源、小孔濾波器、反射鏡、透鏡、CCD 彩色攝像機(jī)、彩色監(jiān)視器等。3. 晶體電光/聲光調(diào)制實(shí)驗(yàn)：長(zhǎng)春時(shí)代光學(xué)儀器公司。主要儀器設(shè)備：鈮酸鋰晶體，電光調(diào)制電源，半導(dǎo)體激光器，偏振器，四分之一波片，接收放大器，雙蹤示波器。4. 光信息綜合實(shí)驗(yàn)：杭州三花科特公司。主要儀器設(shè)備：激光器、液晶顯示、光學(xué)再現(xiàn)系統(tǒng)、CCD 圖像采集與顯示、光強(qiáng)探測(cè)器、計(jì)算機(jī)。5. CSY2

11、000G光電傳感器實(shí)驗(yàn)儀。6. 激光原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)：北京杏林睿光科技有線公司。主要儀器：氦氖激光器、激光功率計(jì)、紫外可見(jiàn)光柵單色儀、掃描干涉儀、光斑輪廓儀、顯示器和計(jì)算機(jī)等。IV/113實(shí)驗(yàn)一 PSD傳感器實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私釶SD光電位置敏感器件的原理與應(yīng)用。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 1測(cè)量PSD傳感器位移值與輸出電壓值并分析其關(guān)系。2學(xué)會(huì)利用PSD傳感器測(cè)量微小位移?！緦?shí)驗(yàn)儀器】PSD探測(cè)器、PSD傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、主機(jī)箱?！緦?shí)驗(yàn)原理】半導(dǎo)體光電位置敏感器件(Position-Sensitive Detector)是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的半導(dǎo)體，也即當(dāng)光點(diǎn)在器件感光面的不同位置時(shí)，就對(duì)應(yīng)有一

12、個(gè)不同的輸出電信號(hào)。這種器件也簡(jiǎn)稱為PSD。PSD主要由硅、鍺等半導(dǎo)體材料，利用蒸發(fā)金屬薄膜工藝，離子注入技術(shù)，外延生長(zhǎng)工藝以及熱擴(kuò)散技術(shù)制成。事實(shí)上，它是一種具有均勻電阻薄層表面的平面型PIN光電二極管，但它是建立在橫向光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的。PSD為一具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片。其斷面結(jié)構(gòu)如圖11所示，表面層P為感光面，在其兩邊各有一信號(hào)輸入電極，底層的公共電極是用與加反偏電壓。當(dāng)光點(diǎn)入射到PSD表面時(shí)，由于橫向電勢(shì)的存在，產(chǎn)生光生電流，光生電流就流向兩個(gè)輸出電極，從而在兩個(gè)輸出電極上分別得到光電流和，顯然。而和的分流關(guān)系則取決于入射光點(diǎn)到兩個(gè)輸出電極間的等效電阻。假設(shè)PSD表面分流層的

13、阻擋是均勻的，則PSD可簡(jiǎn)化為圖12所示的電位器模型，其中、為入射光點(diǎn)位置到兩個(gè)輸出電極間的等效電阻，顯然、正比于光點(diǎn)到兩個(gè)輸出電極間的距離。圖1-1圖1-2 因?yàn)?所以可得 當(dāng)入射光恒定時(shí)，恒定，則入射光點(diǎn)與PSD中間零位點(diǎn)距離X與成線性關(guān)系，與入射光點(diǎn)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。通過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚黼娐罚涂梢垣@得光點(diǎn)位置的輸出信號(hào)?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1、按圖13接線：圖中左邊小框中：紅、黑、黃、白、黃插孔在PSD傳感器裝置座底部側(cè)面上。其中紅、黑為激光電源輸入端，黃、白、黃為PSD傳感器輸出端接入PSD傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０咫娐分校鐖D12，并將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械呐c接，與接（注：V03、Vi3、Vi4、V05不用接線）與接，與接。

14、 圖13 PSD位置傳感器實(shí)驗(yàn)接線2、打開主機(jī)箱電源，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭使激光光點(diǎn)在PSD上的位置從一端移向另一端。此時(shí)電壓變化可在±45V之間，若未達(dá)到此值，可調(diào)輸出增量旋紐。調(diào)節(jié)測(cè)微頭使激光光點(diǎn)在PSD的端點(diǎn)上。3、在PSD裝置中旋上拉伸遮光筒并拉伸頭部貼近激光器端面，反向轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微頭(注意克服回程誤差)使光點(diǎn)向PSD另一端位移，每轉(zhuǎn)動(dòng)0.2mm記錄數(shù)據(jù)填入表11。表11 PSD傳感器位移值與輸出電壓值位移量（mm）輸出電壓（V） 4、根據(jù)表1-1所列的數(shù)據(jù)，作出實(shí)驗(yàn)X-V曲線，計(jì)算量程為±2mm、±3mm、±4mm時(shí)的非線性誤差?！咀⒁馐马?xiàng)】1 保持硅片的清

15、潔，切勿強(qiáng)光直接照射。2 切勿讓激光器直接出射光或鏡式反射光直接對(duì)準(zhǔn)人眼入射。3 電源正負(fù)極接線必須正確后方可打開電源開關(guān)?！舅伎碱}】1入射光點(diǎn)大小對(duì)測(cè)量有什么影響？使用在什么量程范圍最好？66/113實(shí)驗(yàn)二 光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私夤饫w位移傳感器的工作原理和性能?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】1測(cè)量光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)，計(jì)算靈敏度并分析誤差。2作光纖位移傳感器的位移特性曲線，學(xué)會(huì)利用光纖位移傳感器測(cè)量微小位移?！緦?shí)驗(yàn)儀器】光纖傳感器、光纖傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、主機(jī)箱、測(cè)微頭、反射面?！緦?shí)驗(yàn)原理】光纖傳感器是利用光纖的特性研制而成的傳感器。光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能

16、，徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能，絕緣、無(wú)感應(yīng)的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等，它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對(duì)人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的耳目的作用，而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。  光纖傳感器主要分為兩類：功能型光纖傳感器及非功能型光纖傳感器(也稱為物性型和結(jié)構(gòu)型)。功能型光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖，構(gòu)成“傳”和“感”合為一體的傳感器。這里光纖不僅起傳光的作用，而且還起敏感作用。工作時(shí)利用檢測(cè)量去改變描述光束的一些基本參數(shù)，如光的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率等，它們的改變反映了被測(cè)量的變化。由于對(duì)光信號(hào)

17、的檢測(cè)通常使用光電二極管等光電元件，所以光的那些參數(shù)的變化，最終都要被光接收器接收并被轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度及相位的變化。這些變化經(jīng)信號(hào)處理后，就可得到被測(cè)的物理量。非功能型光纖傳感器主要是利用光纖對(duì)光的傳輸作用，由其他敏感元件與光纖信息傳輸回路組成測(cè)試系統(tǒng)，光纖在此僅起傳輸作用。本實(shí)驗(yàn)采用的是傳光型光纖位移傳感器，它由兩束光纖混合后，組成Y形光纖，半園分布即雙D分布，一束光纖端部與光源相接發(fā)射光束，另一束端部與光電轉(zhuǎn)換器相接接收光束。兩光束混合后的端部是工作端亦稱探頭，它與被測(cè)體相距d，由光源發(fā)出的光纖傳到端部出射后再經(jīng)被測(cè)體反射回來(lái)，另一束光纖接收光信號(hào)由光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電量，如圖21所示。發(fā)射光

18、接收光(a)光纖測(cè)位移工作原理 (b)Y形光纖圖21 Y形光纖測(cè)位移工作原理圖    傳光型光纖傳感器位移量測(cè)是根據(jù)傳送光纖之光場(chǎng)與受訊光纖交叉地方視景做決定。當(dāng)光纖探頭與被測(cè)物接觸或零間隙時(shí)(d=0)，則全部傳輸光量直接被反射至傳輸光纖。沒(méi)有提供光給接收端之光纖，輸出訊號(hào)便為“零”。當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離增加時(shí)，接收端之光纖接收之光量也越多，輸出訊號(hào)便增大，當(dāng)探頭與被測(cè)物之距離增加到一定值時(shí)，接收端光纖全部被照明為止，此時(shí)也被稱之為“光峰值”。達(dá)到光峰值之后，探針與被測(cè)物之距離繼續(xù)增加時(shí)，將造成反射光擴(kuò)散或超過(guò)接收端接收視野。使得輸出之訊號(hào)與量測(cè)距離成反比例關(guān)系。

19、如圖22曲線所示，一般都選用線性范圍較好的前坡為測(cè)試區(qū)域。圖22 光纖位移特性曲線 【實(shí)驗(yàn)步驟】1、觀察光纖結(jié)構(gòu)：二根多模光纖組成Y形位移傳感器。將二根光纖尾部端面(包鐵端部)對(duì)住自然光照射，觀察探頭端面現(xiàn)象，當(dāng)其中一根光纖的尾部端面用不透光紙擋住時(shí)，在探頭端觀察面為半圓雙D形結(jié)構(gòu)。2、按圖23示意安裝、接線。安裝光纖：安裝光纖時(shí)，要用手抓捏兩根光纖尾部 的包鐵部分輕輕插入光電座中,絕對(duì)不能用手抓捏光纖的黑色包皮部分進(jìn)行插拔，插入時(shí)不要過(guò)分用力,以免損壞光纖座組件中光電管。測(cè)微頭、被測(cè)體安裝：調(diào)節(jié)測(cè)微頭的微分筒到5mm處(測(cè)微頭微分筒的0刻度與軸套5mm刻度對(duì)準(zhǔn))。將測(cè)微頭的安裝套插入支架座安

20、裝孔內(nèi)并在測(cè)微頭的測(cè)桿上套上被測(cè)體(鐵圓片拋光反射面)，移動(dòng)測(cè)微頭安裝套使被測(cè)體的反射面緊貼住光纖探頭并擰緊安裝孔的緊固螺釘。圖23 光纖傳感器位移實(shí)驗(yàn)接線示意圖3、將主機(jī)箱電壓表的量程切換開關(guān)切換到20V檔，檢查接線無(wú)誤后合上主機(jī)箱電源開關(guān)。調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０迳系腞W、使主機(jī)箱中的電壓表顯示為0V。4、逆時(shí)針調(diào)動(dòng)測(cè)微頭的微分筒，每隔0.1mm(微分筒刻度010、1020)讀取電壓表顯示值填入表2-1。測(cè)量的時(shí)候注意回程差，即不要小范圍來(lái)回調(diào)節(jié)位移，順著單方向調(diào)節(jié)位移。表2-1 光纖位移傳感器輸出電壓與位移數(shù)據(jù)X（mm）V(v)5、根據(jù)表2-1數(shù)據(jù)，畫出如圖22 光纖位移特性曲線的實(shí)驗(yàn)曲線，并找出線

21、性區(qū)域較好的范圍計(jì)算靈敏度和非線性誤差?！咀⒁馐马?xiàng)】1保持Y型光纖端面清潔，不要使彎曲半徑過(guò)小。2電源正負(fù)極接線必須正確后方可打開電源開關(guān)?！舅伎碱}】1光纖位移傳感器測(cè)位移時(shí)對(duì)被測(cè)物體的表面有些什么要求？2. 光纖位移傳感器的位移特性是條曲線，說(shuō)明原因。實(shí)驗(yàn)三 光纖壓力傳感系統(tǒng)特性實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私夤饫w壓力傳感器的原理和應(yīng)用。 【實(shí)驗(yàn)儀器】 CSY2000G主機(jī)箱、光纖溫度壓力實(shí)驗(yàn)?zāi)０?、氣壓表（監(jiān)視氣源壓力）、三通引壓膠管（連接氣源氣壓表與引壓口）、光纖（單根裝）?！緦?shí)驗(yàn)原理】按照光纖在傳感器中所起的作用，光纖傳感器一般分為二大類：1、傳感型光纖傳感器利用光纖本身的特征把光纖直接作為敏感元件

22、，既感知信息又傳輸信息，也稱為功能型光纖傳感器。2、傳光型光纖傳感器利用其它敏感元件（如溫度敏感元件、壓力敏感元件等）感知待測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)地的光信號(hào)。也稱非功能型光纖傳感器。本實(shí)驗(yàn)?zāi)０鍨閭鞴庑凸饫w傳感器，原理簡(jiǎn)述為：壓阻式擴(kuò)散硅壓力傳感器將氣壓（P）轉(zhuǎn)變成電量信號(hào)，經(jīng)集成放大電路處理放大再經(jīng)電壓/電流轉(zhuǎn)換電流調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）發(fā)光二極管光纖傳輸光光敏二極管接收光信號(hào)光電流集成運(yùn)放電路處理轉(zhuǎn)換放大輸出電壓。 本類型傳感器特點(diǎn)：不僅發(fā)揮常規(guī)傳感器的特點(diǎn)，而且可在其它傳輸線不適用的環(huán)境下（如防電磁干擾、防爆等）進(jìn)行檢測(cè)。 【實(shí)驗(yàn)步驟】1、按圖3-1接線、將實(shí)

23、驗(yàn)?zāi)０逯械囊龎嚎谟萌z管連接主機(jī)的氣壓源氣壓表。、將光纖插入實(shí)驗(yàn)?zāi)０宓墓饫w口、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械?15v、地15v接機(jī)箱中電壓源的相應(yīng)插孔中。、將實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械膍A處短接（或?qū)⒅鳈C(jī)箱中的電流表顯示選擇撥到20mA檔后接入模板的mA處相應(yīng)插孔中）、將主機(jī)箱的電壓表顯示選擇撥到20v檔并與實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械膲毫鞲衅鬏敵龆讼鄳?yīng)連接。2、按下實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯械臏囟?壓力轉(zhuǎn)換開關(guān)，處于壓力測(cè)量狀態(tài)。3、合上主機(jī)箱總電源和氣源開關(guān)，調(diào)節(jié)主機(jī)箱氣源開關(guān)邊上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)旋扭，觀察氣壓表氣壓顯示跟隨調(diào)節(jié)變化，不調(diào)節(jié)時(shí)能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡顯示某一個(gè)壓力顯示值。4、轉(zhuǎn)動(dòng)主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)旋扭，使氣壓表顯示4kpa，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)?zāi)０逯?/p>

24、的電位器wp1(壓力下限)，使主機(jī)箱的電壓表顯示0.40v。5、轉(zhuǎn)動(dòng)主機(jī)箱中的轉(zhuǎn)子流量計(jì)旋扭，使氣壓表顯示在20Kpa上，再調(diào)節(jié)模板中的電位器Wp2（壓力上限）使主機(jī)箱的電壓表顯示2.00v.6、重復(fù)4和5步驟（循環(huán)3次），反復(fù)調(diào)節(jié)，使壓力下限4kp對(duì)應(yīng)0.40v，壓力上限20kpa對(duì)應(yīng)2.00v。完成了壓力量程上、下限的標(biāo)定注意Wp1（壓力下限）、Wp2（壓力上限），不能再碰動(dòng)）。7、將主機(jī)箱電壓表由壓力傳感器輸出端轉(zhuǎn)接到光纖傳感器輸出端U0的相應(yīng)插孔上，標(biāo)定光纖傳感器輸出轉(zhuǎn)換電路，此時(shí)調(diào)節(jié)W零點(diǎn)（光纖下限）和W量程（光纖上限）調(diào)節(jié)方法與過(guò)程同4、5、6步驟（千萬(wàn)不能誤調(diào)Wp1和Wp2，要小

25、心，否則前功盡棄，要重新標(biāo)定前級(jí)電路）。8、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)旋扭觀察氣壓表和光纖傳感器輸出U0的電壓顯示，讀取記錄以下數(shù)據(jù)P（Kpa）46810.161820U(v)9、根據(jù)以上數(shù)據(jù)，畫出P-V實(shí)驗(yàn)曲線，并分析計(jì)算最大誤差，靈敏度，線性誤差等指標(biāo)?！咀⒁馐马?xiàng)】1注意調(diào)壓閥的使用。2注意壓力傳感電路與光纖傳感電路的定標(biāo)?！舅伎碱}】1壓力傳感電路與光纖傳感電路的定標(biāo)的作用。 實(shí)驗(yàn)四 彩色編碼攝影及光學(xué)/數(shù)字彩色圖像解碼實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?通過(guò)彩色編碼照相機(jī)，加深理解將彩色景物實(shí)時(shí)地編碼記錄在黑白編碼片上；2掌握光學(xué)彩色圖像解碼技術(shù)；3掌握數(shù)字彩色圖像解碼技術(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】白光光源 、聚光鏡 、小孔濾波

26、器 、平面反射鏡 、準(zhǔn)直鏡 、黑白編碼片框架 、傅氏變換透鏡 、頻譜濾波器 、場(chǎng)鏡 、CCD彩色攝像機(jī) 、彩色監(jiān)視器 、白屏等?！緦?shí)驗(yàn)原理】一阿貝成像理論光學(xué)信息處理技術(shù)是近20多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的研究領(lǐng)域，在現(xiàn)代光學(xué)中占有重要的位置。光學(xué)信息處理可完成對(duì)二維圖像的識(shí)別、增強(qiáng)、恢復(fù)、傳輸、變換、頻譜分析等。從物理光學(xué)的角度，光學(xué)信息處理是基于傅里葉變換和光學(xué)頻譜分析的綜合技術(shù)，通過(guò)在空域?qū)D像的調(diào)制或在頻域?qū)Ω道锶~頻譜的調(diào)制，借助空間濾波的技術(shù)對(duì)光學(xué)信息（圖像）進(jìn)行處理。光學(xué)信息處理的理論基礎(chǔ)是阿貝（Abbe）二次衍射成像理論和著名的阿貝波特（AbbePorter）實(shí)驗(yàn)。阿貝成像理論認(rèn)為，物體

27、通過(guò)透鏡成像過(guò)程是物體發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射的光場(chǎng)分布，即得到第一次衍射的像（物的傅里葉頻譜）；然后該衍射像作為新的波源，由它發(fā)出次波在像面上干涉而構(gòu)成物體的像，稱為第二次衍射成像，如圖1 所示。進(jìn)一步解釋，物函數(shù)可以看作由許多不同空間頻率的單頻（基元）信息組成，夫瑯和費(fèi)衍射將不同空間頻率信息按不同方向的衍射平面波輸出，通過(guò)透鏡后的不同方向的衍射平面波分別匯聚到焦平面上不同的位置，即形成物函數(shù)的傅里葉變換的頻譜，頻譜面上的光場(chǎng)分布與物函數(shù)(物的結(jié)構(gòu))密切相關(guān)。不難證明，夫瑯和費(fèi)衍射過(guò)程就是傅里葉變換過(guò)程，而光學(xué)成像透鏡即能完成傅立葉變換運(yùn)算，稱傅里葉變換透鏡。阿貝成像理

28、論由阿貝波特實(shí)驗(yàn)得到證明：物面采用正交光柵（網(wǎng)格狀物），用平行單色光照明，在頻譜面放置不同濾波器改變物的頻譜結(jié)構(gòu)，則在像面上可得到物的不同的像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，像直接依賴頻譜，只要改變頻譜的組份，便能改變像。這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程即為光學(xué)信息處理的過(guò)程，如圖2 所示。如果對(duì)物或頻譜不進(jìn)行任何調(diào)制（改變），物和像是一致的，若對(duì)物函數(shù)或頻譜函數(shù)進(jìn)行調(diào)制處理，由圖2 所示的在頻譜面采用不同的頻譜濾波器，即改變了頻譜則會(huì)使輸出的像發(fā)生改變而得到不同的輸出像，實(shí)現(xiàn)光學(xué)信息處理的目的。典型的光學(xué)信息處理系統(tǒng)為如圖3 所示的4f 傅里葉變換系統(tǒng)：光源S 經(jīng)擴(kuò)束鏡L產(chǎn)生平行光照射物面（輸入面），經(jīng)傅里葉透鏡L1 變換，在

29、其后焦面F 處產(chǎn)生物函數(shù)的傅里葉頻譜，再通過(guò)透鏡L2 的傅里葉逆變換，在輸出面上將得到所成的像(像函數(shù))。二彩色編碼彩色編碼是利用光柵對(duì)物函數(shù)作空間調(diào)制，即對(duì)圖像的不同顏色進(jìn)行空間彩色編碼。讓景物的不同顏色部分在黑白底片上呈有不同方向的光柵條紋。這一編碼過(guò)程是由三色光柵編碼器實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)稱為TOCM（全光彩色調(diào)制器）, 圖4 為三色光柵示意圖,它是由三個(gè)不同取向的紅黑、綠黑和藍(lán)黑光柵迭加在一起構(gòu)成的彩色網(wǎng)屏，將它安裝在照相機(jī)的片門處。當(dāng)對(duì)彩色景物編碼拍攝時(shí)，三色光柵與黑白底片緊密接觸，通過(guò)三色光柵的彩色信息在黑白底片上被光柵編碼，即景物的紅色部分在底片上有水平方向條紋，綠色部分有垂直方向條紋，藍(lán)

30、色部分有斜方向條紋，其它顏色為某兩個(gè)取向或三個(gè)取向的條紋迭加編碼，如圖5 為彩色編碼示意圖。拍攝采用該三色光柵編碼器，一次拍攝即可完成全彩色編碼。這一步稱為彩色編碼照相, 即用光柵調(diào)制的物理方法記錄彩色信息，而不是用彩色膠片的化學(xué)方法記錄彩色信息。三色光柵的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 其中P0 為三色光柵的空間抽樣頻率，x，x和x"為紅、綠、藍(lán)三種光柵的取向。一幅在相機(jī)焦平面上的彩色圖像可以寫成： 于是，當(dāng)照相機(jī)使三色光柵TT(x,y)和景象T(x,y)均成在全色黑白膠片上，經(jīng)過(guò)曝光和沖洗處理后，得到： 如果能控制=2，則得到黑白編碼片的振幅透過(guò)率為：三光學(xué)法彩色解碼光學(xué)法解碼就是將黑白編碼片置

31、于如圖6 所示的4f 光學(xué)解碼系統(tǒng)的輸入平面P1處，則可通過(guò)該光學(xué)系統(tǒng)還原出原景物的彩色圖像。其解碼過(guò)程是：自白光點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生平行光，照射在置于輸入平面上的黑白編碼片上，經(jīng)白光傅里葉變換透鏡在其焦平面上產(chǎn)生其頻譜，對(duì)三個(gè)衍射方向一級(jí)頻譜分別進(jìn)行紅、綠、藍(lán)濾波后，便在輸出像面再現(xiàn)出原景物的彩色圖像。將黑白編碼片置于如圖6 所示的4f光學(xué)解碼系統(tǒng)的輸入平面P1，設(shè)其振幅透過(guò)率tp，則在P2平面上得到它的頻譜： 在P2平面取R、G、B的1 級(jí)譜，n=1,而遮蔽其余各項(xiàng)譜稱彩色濾波。并通過(guò)L2的傅立葉變換，于系統(tǒng)的輸出平面P3得： 此即還原的彩色圖像。光學(xué)的解碼方法具有快速、直觀和并行

32、的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中采用一個(gè)傅里葉變換透鏡，在頻譜面進(jìn)行濾波后，直接在像面還原出彩色圖像。由于該彩色圖像的光強(qiáng)較弱，為了看得更清楚，則采用一個(gè)場(chǎng)鏡將其成像在CCD 表面并用彩色監(jiān)視器顯示解碼后的彩色圖像。四數(shù)字解碼實(shí)際的白光解碼系統(tǒng)是一個(gè)須經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的相當(dāng)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，它對(duì)像差等各種指標(biāo)要求都很高。采用數(shù)字計(jì)算機(jī)解碼代替光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行解碼，它有處理手段靈活、方便，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，硬件系統(tǒng)只需普通掃描儀和微機(jī)組成，便于推廣應(yīng)用，它也可與現(xiàn)代媒體接口在數(shù)字網(wǎng)絡(luò)上傳輸。圖7 給出數(shù)字計(jì)算機(jī)解碼實(shí)驗(yàn)的流程圖：把黑白編碼片記錄的信息用掃描儀輸入到計(jì)算機(jī)內(nèi)，根據(jù)光學(xué)信息處理的解碼原理，在計(jì)算機(jī)內(nèi)對(duì)黑白編碼圖像進(jìn)行

33、傅里葉變換、彩色濾波、逆傅里葉變換及圖像的合成，最后由彩色監(jiān)視器或彩色打印輸出彩色圖像?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1、按照?qǐng)D7 所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)好光路.2、調(diào)節(jié)聚光鏡、光源濾波器、準(zhǔn)直透鏡，產(chǎn)生平行光照射黑白膠片。3、黑白膠片靠近準(zhǔn)直透鏡放置，在間距為F處依次放置傅里葉透鏡L1、頻譜濾波器、傅里葉透鏡L2。4、將黑白編碼片置于系統(tǒng)的輸入面內(nèi)，調(diào)節(jié)場(chǎng)鏡和CCD，在彩色監(jiān)視器上看到清晰的黑白圖像。5、將紅、綠、藍(lán)三基色頻譜濾波器置于頻譜面處，使對(duì)應(yīng)景物的紅、綠、藍(lán)一級(jí)頻譜通過(guò)濾波器相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)部分。在彩色監(jiān)視器上可看到解碼后的彩色圖像。6、在頻譜面處放一白紙屏，觀察頻譜的分布狀態(tài)。在對(duì)應(yīng)景物的紅、綠、藍(lán)一級(jí)

34、頻譜處依次扎一小孔，觀察像面上彩色圖像的合成過(guò)程。圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光路及裝置【注意事項(xiàng)】實(shí)驗(yàn)光路要調(diào)節(jié)等高。要微調(diào)濾波器，使對(duì)應(yīng)景物的紅、綠、藍(lán)一級(jí)頻譜通過(guò)濾波器相應(yīng)的紅、綠、藍(lán)部分?！舅伎碱}】1如何實(shí)現(xiàn)黑白膠片記錄彩色信息？2光學(xué)解碼時(shí)彩色頻譜濾波器應(yīng)如何放置？實(shí)驗(yàn)五 菲涅耳全息的記錄與再現(xiàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?通過(guò)拍攝漫反射物體的透射全息圖，加深對(duì)全息照相基本原理的理解；2通過(guò)觀察透射全息圖的重現(xiàn)像，領(lǐng)會(huì)并總結(jié)全息照相的特點(diǎn)及其與普通照相的本質(zhì)區(qū)別；3了解攝影暗室技術(shù)?！緦?shí)驗(yàn)儀器】He-Ne激光器，曝光定時(shí)器，分束鏡一個(gè)，擴(kuò)束鏡兩個(gè)，全反射鏡兩個(gè)，被攝物體（如：小雞，小鴨等）及放置物體的底座，全息干

35、版及底架，暗室技術(shù)使用的設(shè)備?！緦?shí)驗(yàn)原理】全息照相的基本原理早在1948年就由伽伯（D. Gabor）發(fā)現(xiàn)，但是由于受光源的限制（全息照相要求光源有很好的時(shí)間相干性和空間相干性），在激光出現(xiàn)以前，對(duì)全息技術(shù)的研究進(jìn)展緩慢，在60年代激光出現(xiàn)以后，全息技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。目前，全息技術(shù)在干涉計(jì)量、信息存儲(chǔ)、光學(xué)濾波以及光學(xué)模擬計(jì)算等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。伽伯也因此而獲得了1971年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。一、全息照相與全息照相術(shù)在介紹全息照相的基本原理之前，我們首先來(lái)看一下全息照相和普通照相有什么區(qū)別?？偟膩?lái)說(shuō)，全息照相和普通照相的原理完全不同。普通照相通常是通過(guò)照相機(jī)物鏡成像，在感光底片平

36、面上將物體發(fā)出的或它散射的光波（通常稱為物光）的強(qiáng)度分布（即振幅分布）記錄下來(lái)，由于底片上的感光物質(zhì)只對(duì)光的強(qiáng)度有響應(yīng)，對(duì)相位分布不起作用，所以在照相過(guò)程中把光波的位相分布這個(gè)重要的信息丟失了。因而，在所得到的照片中，物體的三維特征消失了，不再存在視差，改變觀察角度時(shí)，并不能看到像的不同側(cè)面。全息技術(shù)則完全不同，由全息術(shù)所產(chǎn)生的像是完全逼真的立體像（因?yàn)橥瑫r(shí)記錄下了物光的強(qiáng)度分布和位相分布，即全部信息），當(dāng)以不同的角度觀察時(shí)，就象觀察一個(gè)真實(shí)的物體一樣，能夠看到像的不同側(cè)面，也能在不同的距離聚焦。全息照相在記錄物光的相位和強(qiáng)度分布時(shí)，利用了光的干涉。從光的干涉原理可知：當(dāng)兩束相干光波相遇，發(fā)生

37、干涉疊加時(shí)，其合強(qiáng)度不僅依賴于每一束光各自的強(qiáng)度，同時(shí)也依賴于這兩束光波之間的相位差。在全息照相中就是引進(jìn)了一束與物光相干的參考光，使這兩束光在感光底片處發(fā)生干涉疊加，感光底片將與物光有關(guān)的振幅和位相分別以干涉條紋的反差和條紋的間隔形式記錄下來(lái)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚?，便得到一張全息照片。二、全息照相的基本過(guò)程具體來(lái)說(shuō)，全息照相包括以下兩個(gè)過(guò)程：（一）波前的全息記錄利用干涉的方法記錄物體散射的光波在某一個(gè)波前平面上的復(fù)振幅分布，這就是波前的全息記錄。通過(guò)干涉方法能夠把物體光波在某波前的位相分布轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)分布，從而被照相底片記錄下來(lái)，因?yàn)槲覀冎?，兩個(gè)干涉光波的振幅比和位相差決定著干涉條紋的強(qiáng)度分布，所

38、以在干涉條紋中就包含了物光波的振幅和位相信息。典型的全息記錄裝置如圖1所示：從激光器發(fā)出的相干光波被分束鏡分成兩束，一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后照在被攝物體上，經(jīng)物體的反射或透射的光再射到感光底片上，這束光稱為物光波；另一束經(jīng)反射、擴(kuò)束后直接照射在感光底片上，這束光稱為參考光波。由于這兩束光是相干的，所以在感光底片上就形成并記錄了明暗相間的干涉條紋。干涉條紋的形狀和疏密反映了物光的位相分布的情況，而條紋明暗的反差反映了物光的振幅，感光底片上將物光的信息都記錄下來(lái)了，經(jīng)過(guò)顯影、定影處理后，便形成與光柵相似結(jié)構(gòu)的全息圖 全息照片。所以全息圖不是別的，正是參考光波和物光波干涉圖樣的記錄。顯然，全息照片本身和原

39、是物體沒(méi)有任何相似之處。設(shè)來(lái)自物體的單色光波在全息干板平面（平面）上的復(fù)振幅分布為： (1)稱為物光波。同一波長(zhǎng)的參考光波在于平板平面上的復(fù)振幅分布為： (2) 稱為參考光波。平板上總的復(fù)振幅分布為： (3)干板上的光強(qiáng)分布為： (4)將(1)，(2)，(3)式代入(4)式中，得出： (5)適當(dāng)控制曝光量和沖洗條件，可以使全息圖的振幅透過(guò)率t(x,y)與曝光量E（與光強(qiáng)I成正比）成線性關(guān)系，即 設(shè) (6)其中，為常數(shù)。這就是全息圖的記錄過(guò)程。由上面的描述可知，底片上干涉條紋的反襯度為：,其中 。干涉條紋的間距則決定于 隨位置變化的快慢。對(duì)一定的 、 來(lái)說(shuō)，干涉條紋的明暗對(duì)比反映了物光波的振幅大

40、小，即強(qiáng)度因子，干涉條紋的形狀間隔反映了物光波的位相分布。因此底片記錄了干涉條紋，也就記錄了物光波前的全部信息振幅和位相。（二）物光波前的再現(xiàn)物光波前的再現(xiàn)利用了光波的衍射，如圖2所示。用一束參考光（在大多數(shù)情況下是與記錄全息圖時(shí)用的參考光波完全相同）照射在全息圖上，就好像在一塊復(fù)雜光柵上發(fā)生衍射，在衍射光波中將包含有原來(lái)的物光波，因此當(dāng)觀察者迎著物光波方向觀察時(shí)，便可看到物體的再現(xiàn)像。這是一個(gè)虛像，它具有原始物體的一切特征。此外還有一個(gè)實(shí)像，稱為共軛像。應(yīng)該指出，共軛波所形成的實(shí)像的三維結(jié)構(gòu)與原物并不完全相似。用與參考光完全相同的光束照射全息圖，透過(guò)光的復(fù)振幅分布是： (7)將(2)，（6）

41、式代入上式，整理得出：（8）(8)式中的第一項(xiàng)，具有再現(xiàn)光的特性，是衰減了的再現(xiàn)光，這是0級(jí)衍射。(8)式的第二項(xiàng)，是原來(lái)的物光波乘一系數(shù)，它具有原來(lái)物光波的特性，如果用眼睛接收到這個(gè)光波，就會(huì)看到原來(lái)的“物”。這個(gè)再現(xiàn)象是虛像，稱為原始像。(8)中的第三項(xiàng)，具有與原物光波共軛的位相：，說(shuō)明它代表一束會(huì)聚光，應(yīng)形成一個(gè)實(shí)像。因?yàn)橛幸晃幌嘁蜃哟嬖?，這個(gè)實(shí)像不在原來(lái)的方向上。這個(gè)像叫共軛像。通常把形成原始像的衍射光稱為+1級(jí)衍射，把形成共軛像的衍射光稱為級(jí)衍射。圖1 漫反射全息光路圖三、全息照相的主要特點(diǎn)1片上的花紋與被攝物體無(wú)任何相似之處，在相干光束的照射下，物體圖像卻能如實(shí)重現(xiàn)。2立體感很明顯

42、（三維再現(xiàn)性），如某些隱藏在物體背后的東西，只要把頭偏移一下，也可以看到。視差效應(yīng)很明顯。3全息圖打碎后，只要任取一小片，照樣可以用來(lái)重現(xiàn)物光波。猶如通過(guò)小窗口觀察物體那樣，仍能看到物體的全貌。這是因?yàn)槿D上的每一個(gè)小的局部都完整地記錄了整個(gè)物體的信息（每個(gè)物點(diǎn)發(fā)出的球面光波都照亮整個(gè)感光底片，并與參考光波在整個(gè)底片上發(fā)生干涉，因而整個(gè)底片上都留下了這個(gè)物點(diǎn)的信息）。當(dāng)然，由于受光面積減少，成像光束的強(qiáng)度要相應(yīng)地減弱；而且由于全息圖變小，邊緣的衍射效應(yīng)增強(qiáng)而必然會(huì)導(dǎo)致像質(zhì)的下降。圖2 物光波的再現(xiàn)4在同一張照片上，可以重疊數(shù)個(gè)不同的全息圖。在記錄時(shí)或改變物光與參考光之間的夾角，或改變物體的位

43、置，或改變被攝的物體等等，一一曝光之后再進(jìn)行顯影與定影，再現(xiàn)時(shí)能一一重現(xiàn)各個(gè)不同的圖像?！緦?shí)驗(yàn)步驟】一、全息記錄1打開激光器，參照?qǐng)D1擺好光路，使光路系統(tǒng)滿足下列要求：（1）物光和參考光的光程大致相等；（2）經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)展后的參考光應(yīng)均勻照在整個(gè)底片上，被攝物體各部分也應(yīng)得到較均勻照明。（3）使兩光束在底片處重疊時(shí)之間的夾角約為450。（4）在底片處物光和參考光的光強(qiáng)比約為1:2 1:6。2關(guān)上照明燈（可開暗綠燈），確定曝光時(shí)間，調(diào)好定時(shí)曝光器?？梢韵染毩?xí)一下快門的使用。3關(guān)閉快門擋住激光，將干版從黑袋子中取出裝在干版架上，應(yīng)注意使乳膠面對(duì)著光的入射方向。靜置2分鐘后進(jìn)行曝光。曝光過(guò)程中不能觸及

44、防震臺(tái)，關(guān)閉空調(diào)以減小空氣流動(dòng)，并保持室內(nèi)安靜。4顯影及定影。顯影液采用D19，定影液采用F5。它們由實(shí)驗(yàn)室提供。顯影時(shí)間1分鐘左右，顯影后在清水中輕涮一遍，如室溫較高，顯影后干版應(yīng)放在5%冰醋酸溶液中停顯后再定影。定影時(shí)間510分鐘。顯影液、定影液溫度以20攝氏度最為適宜。定影后的干版應(yīng)放在清水中沖洗510分鐘（長(zhǎng)期保存的干版定影后要沖洗20分鐘以上），最后將干版晾干或吹干。二、物像再現(xiàn)將全息照片放回原處，遮住物光，用參考光束照亮全息片，可觀察到：（1）物的虛像1級(jí)衍射光，在全息片后，用眼睛直接地觀察，在原物處有物的虛像。改變觀察角度，看到虛像有何不同？通過(guò)有小孔的紙片觀察，在不同的部位看到

45、的虛像有無(wú)不同？改變參考光束的強(qiáng)弱與遠(yuǎn)近，看到的情況有何不同？（2）物的共軛像-1級(jí)衍射光（在0級(jí)光的另一側(cè)），用毛玻璃屏接收物體的共軛實(shí)像?！咀⒁馐马?xiàng)】1調(diào)整光學(xué)元件支架，光束要等高共軸。2物光和參考光束間的夾角常常要小于（在30°60°之間）60°，因?yàn)閵A角越大，干涉條紋間距越??；條紋越密，對(duì)感光材料分辨率的要求也越高。同時(shí)被攝物體離全息干版的距離不能太遠(yuǎn)(約10cm)。【思考題】1與普通照相相比較，全息照相具有那些特點(diǎn)？將全息圖片擋去一部分后，為什么重現(xiàn)像仍然是完整的？2為什么在同一張全息底片上可重疊記錄多個(gè)全息圖？3為什么全息照相對(duì)光源的相干性有很高的要求

46、？為什么要求物光與參考光的光程相等？又為什么要求在全息照相過(guò)程中保持全息臺(tái)面的穩(wěn)定？實(shí)驗(yàn)六 像面全息圖的記錄與再現(xiàn)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?掌握像全息圖的記錄與重現(xiàn)原理。2制作一張像面全息圖，在白光下觀察其重現(xiàn)像。3比較像面全息圖與透射全息圖的不同之處；【實(shí)驗(yàn)儀器】He-Ne激光器，曝光定時(shí)器，反射鏡（若干），分束鏡，擴(kuò)束鏡（若干），透鏡（若干），載物臺(tái)，干板架，毛玻璃，全息干板?！緦?shí)驗(yàn)原理】像面全息圖是一種可用白光再現(xiàn)的全息圖，它記錄的是物體的幾何像，換言之，是把成像光束作為物光波，相當(dāng)于“物”與全息干板重合。白光再現(xiàn)時(shí)，各波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的再現(xiàn)象在空間幾乎重疊，把像模糊抑制在最低水平。像面全息圖再現(xiàn)時(shí)可得到

47、立體感很強(qiáng)的像。被記錄物體的幾何像可以通過(guò)透鏡成像法直接得到的，因而只需一步即可完成。其記錄與再現(xiàn)原理如圖1、圖2所示。圖1中物O經(jīng)透鏡L成像在全息干板上，R為參考光。當(dāng)O和R在干板同側(cè)時(shí)記錄透射像全息圖，在異側(cè)時(shí)記錄反射像全息圖。此外，干板的位置可以稍有離焦。圖1 像面全息的記錄 圖2 像面全息的再現(xiàn)【實(shí)驗(yàn)步驟】一、光路的設(shè)計(jì)與排布1、設(shè)計(jì)：根據(jù)像面全息圖的制作原理，請(qǐng)自行設(shè)計(jì)記錄透射像面全息圖的實(shí)驗(yàn)光路。請(qǐng)將光路圖畫在預(yù)習(xí)報(bào)告上，并說(shuō)明設(shè)計(jì)思路。光路設(shè)計(jì)的原則是：1）所有光束必須出自同一臺(tái)激光器；2）充分利用全息光學(xué)平臺(tái)的面積，光路的排布應(yīng)以方便操作為宜；3）盡可能少用光學(xué)元件，以免引入能

48、量損失和波面畸變；4）為獲得較大視場(chǎng)角，宜用大孔徑透鏡成像；5）選取合適的物光和參考光夾角，一般取300-450為宜；6）選取合適的路徑，使所有相干光等光程。 2、光路的排布：根據(jù)所設(shè)計(jì)的光路圖，在光學(xué)平臺(tái)上排布光路。請(qǐng)把光路排布中遇到的問(wèn)題、解決的思路和辦法寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。光路排布的原則是：1）各光學(xué)元件必須調(diào)到共軸，光束走向應(yīng)相對(duì)于臺(tái)面保持平行，以獲得一致的偏振態(tài)，避免相干不完全；2）所有元件的支架必須保持穩(wěn)定，不得有絲毫震動(dòng)；3）選擇反射率較高、且表面不是鏡面的東西做為被記錄物體；4）物體的幾何像可根據(jù)需要選取不同的放大率； 5）選取合適的分束鏡分束比，以及合適的擴(kuò)束鏡倍數(shù)，以獲得合適的

49、光強(qiáng)比： 物參光強(qiáng)比通常取1：2到1：10之間，以獲得較高的衍射效率；二、記錄透射像面全息圖1、將銀鹽干板安裝在干板架上，感光膠面應(yīng)背向物光方向，干板在干板架上被夾持應(yīng)穩(wěn)固不搖晃；2、每次曝光前須靜臺(tái)兩分鐘，曝光過(guò)程中應(yīng)保證全息防震臺(tái)穩(wěn)定，室內(nèi)空氣平穩(wěn)，無(wú)大的氣流運(yùn)動(dòng)；5、銀鹽干板應(yīng)嚴(yán)格避光操作，待定影結(jié)束后才可見(jiàn)白光。三、銀鹽干板的后處理對(duì)曝光后的干板進(jìn)行化學(xué)處理，應(yīng)嚴(yán)格按常規(guī)的暗室操作規(guī)則進(jìn)行，具體處理步驟如下：1、在D-19 顯影液中顯影，溫度200C，時(shí)間1分鐘左右；2、清水中輕涮一遍；3、用 F-5 定影液定影，時(shí)間5-10分鐘；4、流水沖洗5分鐘以上；5、自然晾干或吹干；6、為了提

50、高全息圖的衍射效率，后處理過(guò)程可增加“漂白”過(guò)程，使全息圖由振幅型轉(zhuǎn)化為位相型，此過(guò)程可在4、5兩步之間進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)室提供的漂白液為鐵氰化鉀溶液。四、像面全息的白光再現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析1、用白光按設(shè)計(jì)的原參考光方向照射全息圖，觀察再現(xiàn)像，記錄所觀察到的結(jié)果；2、對(duì)再現(xiàn)效果進(jìn)行分析?！咀⒁馐马?xiàng)】1選取合適的記錄介質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)使用天津型銀鹽干板；2選取合適的曝光時(shí)間。【思考題】1為什么像面全息圖可以用白光擴(kuò)展光源重現(xiàn)？2物參夾角選取300- 450，主要出于哪幾方面的考慮？據(jù)你所知，至少回答兩條。實(shí)驗(yàn)七 一步彩虹全息【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?掌握制作一步彩虹全息圖的原理和方法；2制作一張一步彩虹全息圖，在白光下觀察

51、其重現(xiàn)的準(zhǔn)單色像?！緦?shí)驗(yàn)儀器】He-Ne激光器，曝光定時(shí)器，反射鏡（若干），分束鏡，擴(kuò)束鏡（若干），透鏡（若干），可調(diào)節(jié)狹縫，載物臺(tái)，干板架，毛玻璃，全息干板?！緦?shí)驗(yàn)原理】彩虹全息是像全息與狹縫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，彩虹全息圖也可用白光照明重現(xiàn)出物體的像，它又分為一步彩虹全息圖與二步彩虹全息圖，本實(shí)驗(yàn)研究一步彩虹全息圖。 一步彩虹全息圖與像全息圖在記錄時(shí)的主要差別在于：一步彩虹全息在記錄光路中插入了一個(gè)狹縫，使物體和狹縫的像同時(shí)被記錄于全息底片中，當(dāng)重現(xiàn)物體的像時(shí)，狹縫的像也將被重現(xiàn)出來(lái)。根據(jù)狹縫放置的位置不同，一步彩虹全息圖的記錄光路有兩種：一種是贗像記錄光路，另一種是真像記錄光路。 （1）真像

52、記錄：其原理光路如圖（1）所示。物體和狹縫均置于透鏡焦點(diǎn)之外，它們都在透鏡的另一側(cè)成實(shí)像O'和S'，將全息干板H放在兩個(gè)實(shí)像之間。對(duì)于干版而言，O'是實(shí)物，S'將成為虛物。經(jīng)曝光、顯影、定影、漂白處理后，用原參考光重現(xiàn)時(shí)，得到物的原始像是虛像，狹縫的像是實(shí)像。當(dāng)用白光重現(xiàn)時(shí)，由于白光波長(zhǎng)連續(xù)變化，每一波長(zhǎng)都在不同的位置形成自己的重現(xiàn)像及狹縫像，從而會(huì)出現(xiàn)按彩虹顏色排列的狹縫實(shí)像。在這些狹縫像的位置上，人眼便可看到不同色彩的準(zhǔn)單色像。當(dāng)眼睛沿垂直于狹縫實(shí)像方向移動(dòng)時(shí)，因人眼的瞳孔大小有限，在一個(gè)固定方向只能看到一個(gè)準(zhǔn)單色的彩色像，因此隨著眼睛的移動(dòng)可依次看到像的顏

53、色的變化，猶如天空的彩虹。彩虹全息圖由此得名。圖（1）一步彩虹全息真像記錄原理光路（2）贗像記錄：其原理光路如圖（2）所示。用會(huì)聚光作參考光，狹縫S置于透鏡焦點(diǎn)以內(nèi)，在透鏡的同側(cè)得到其放大的虛像S'；物體仍置于透鏡焦點(diǎn)以外，則其像成于透鏡另一側(cè)。當(dāng)用參考光的共軛光R*照明重現(xiàn)時(shí)，形成狹縫的實(shí)像和物體的虛像，眼睛位于狹縫實(shí)像處可以觀察到重現(xiàn)的物體虛像O'，它是一個(gè)贗像（即重現(xiàn)像的凹凸與物體正好相反）。當(dāng)用白光照明重現(xiàn)此全息圖時(shí)，每一種波長(zhǎng)的光都將形成一個(gè)狹縫實(shí)像和物體的虛像，它們的位置隨波長(zhǎng)而變化，最終形成彩虹全息圖。圖（2） 一步彩虹全息贗像記錄原理光路一步彩虹全息的優(yōu)點(diǎn)是制作

54、過(guò)程簡(jiǎn)單，噪聲??；缺點(diǎn)是視場(chǎng)受透鏡孔徑限制較大，且由于物體經(jīng)透鏡成像時(shí)景深壓縮，因此物像相對(duì)原物體而言景深較小。 【實(shí)驗(yàn)步驟】1.先按圖（3）搭起像面全息光路。注意使物光和參考光盡量等光程。物光和參考光的平均夾角在30°60°之間。夾角過(guò)大過(guò)小均不利于記錄和重現(xiàn)。 2. 在像面全息光路的基礎(chǔ)上，再在圖中加入一狹縫S，制作一步彩虹全息圖。布置光路時(shí)，因保留物體的橫向視差，需要狹縫豎直放置，故要將被拍攝物體水平臥放。觀察重現(xiàn)像時(shí)，全息圖片要在面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°角。如果拍攝時(shí)物體豎放而狹縫橫放，則參考光必須從斜上方自上而下入射，光路布置不便。 3.用毛玻璃確定物體實(shí)像的位置，調(diào)整物距以獲得適當(dāng)?shù)奈锵翊笮?，并調(diào)整物的方向，獲得良好的物像。在像后約1cm處放置干板架。再在干板架后面用毛玻璃找狹縫的像，調(diào)整狹縫，使狹縫的像到干板架的距離約2530cm，然后通過(guò)狹縫的像觀察物體的像是否完整。若物的像左右不全，可以加大狹縫寬度，但不要超過(guò)1cm。若物的像仍不全，則只有更換小一點(diǎn)的物體（或更換成像透鏡，或改變物距和像距，或者改變狹縫的位置）。4.調(diào)節(jié)分束鏡，使參考光與物光的強(qiáng)度之比在干板平面處約為3:1；注意參考光相對(duì)物像的入射方向，最好從底部向頂部，因?yàn)樵谟霉曹椆庥^察時(shí)（贗像記錄方式），人們習(xí)慣于燈光從頂部向下方照明，否則最終觀察到的物像是倒放的。