工程光学实验

光电位置敏感器件 PSD 的特性及位移测试 实验原理 PSD position sensitive detector 是一 种新型的横向光电效应器件 当入射光 点照在器件光敏面上时 激发光生载流 子而产生电流 I 光生电流的大小与光 点的大小无关 只和光点在器件上的位 置有关系 当光点位于器件中点 原点 时 光生电流 I1 I2 根据这一原理 将 PSD 器件两极电流 I1 I2变换成电压信号 后再进行差分运算即可知道光点的位 置 PSD 器件工作原理见图 27 实验所需器件 PSD 基座 器件已装在基座上 固体激光器 反射体 PSD 处理电路单元 电压表 实验步骤 1 通过基座上端圆形观察孔观察 PSD 器件及在基座上的安装位置 连接好 PSD 器件与处 理电路 开启仪器电源 输出端 Vo 接电压表 此时因无光源照射 PSD 前聚焦透镜也无因 光照射而形成的光点照射在 PSD 器件上 Vo 输出的为环境光的噪声电压 试用一块遮光 片将观察圆孔盖上 观察光噪声对输出电压的变化 2 将激光器插头插入 激光电源 插口 激光器安装在基座圆孔中并固定 开启激光电源 注意激光束照射到反射面上时的情况 光束应与反射面垂直 旋转激光器角度 调节 激光光点 必要时也可调节 PSD 前的透镜 使光点尽可能集中在器件上 记录光点 位移时 Vo 端的最大输出值 3 仔细调节位移平台 螺旋测微头 用电压表观察输出电压 VO的变化 当输出为零时 再分别测两路信号电压输出端 VO1 VO2的电压值 Vo 分别换为 Vo1 Vo2 分别记录 电压 此时两个信号电压应是基本一致的 4 换为 Vo 从原点开始 位移平台分别向前 顺时针 和向后 逆时针 位移 因为 PSD 器件对光点位置的变化非常敏感 故每次螺旋测微仪旋转 5 格 1 10mm 并将位 移值 mm 与输出电压值 V0 记录列表 作出 V X 曲线 求出灵敏度 S S V X 根据曲线分析其线性 位移 电压 5 在记录的同时 可采用计算机进行单次采集 得出曲线并保存 注意事项 实验中所用的固体激光器光点可调节 实验时请注意光束不要直接照射眼睛 否则有 可能对视力造成不可恢复的损伤 每一支激光器的光点和光强都略有差异 所以对同一 PSD 器件 光源不同时光生电流的大小也是不一样的 实验时背景光的影响也不可忽视 尤其是采用日光灯照明时 或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时 都会造成 PSD 光生电流改变 致使单元 V0输出端电压产生跳变 这不是仪器的毛病 如实验时电 压信号输出较小 则可调节一下激光器照射角度 使输出达到最大 红外光传感器的应用红外光传感器的应用 一 实验目的一 实验目的 1 了解热释电红外传感器的结构 原理 工作特性 2 掌握用热释电红外传感器测量的方法 二 实验原理二 实验原理 菲涅尔透镜是一种精密的光学系统 专门是用来与热释电红 外传感器配套使用 其结构如图 25 所示 它由经过特殊设计的 透镜组构成 上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场 相邻 两个单元透镜的视场即不连续也不重叠 都相隔一个盲区 当热 源在透镜前运动时 顺次从某一单元透镜视场进入又退出 透镜 的功能就是将连续的热源信号变成断续的辐射 信号 使热释电传感器能正常工作 热释电红外传感器的具体结构和内部电 路如图 26 所示 主要由滤光片 PZT 热电元 件 结型场效应管 FET 及电阻 二极管组成 其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的 工作范围 本仪器所用的滤光片对 5 m 以下的 光具有高反射率 而对于从人体发出的红外热 源则有高穿透性 传感器接收到红外能量信号 后实现了 热 电 的转变 就有电压信号输出 三 主要仪器及耗材三 主要仪器及耗材 菲涅尔透镜 激光器 或其它经过聚焦的光源 热释电红外传感器 慢速电机 热释 电红外探测电路单元 电加热器 电压表 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 1 仔细观察菲涅尔透镜结构 用激光器从正面照射菲涅尔透镜 用一白纸放在透镜下做投射 光背景面 当激光光点照射到透镜正面并相对移动时 白纸上的投射光会出现一个接一个的 断续光斑 而光斑始终都是集中在透镜中部的 2 将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上 探头方向对准慢速电机支座下透孔前的热 源方向 按图标符号将传感器接入处理电路 接好发光二极管 显示实验单元工作状态 开启电源 待电路输出稳定后开启热源 同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热源透射孔 3 随着热源温度缓慢上升 观察热释电红外传感器的 Vo 端输出电压变化情况 可以看出 传 感器并不因为热源温度上升而有所反应 4 开启慢速电机 调节转速旋钮 使电机叶片转速尽量慢 不断地将透热孔开启 遮挡 此 时用电压表或示波器观察输出电压端 Vo 就会发现输出电压也随之变化 当达到告警电压 时 则发光管闪亮 5 逐步提高电机转速 当电机转速加快 叶片断续热源的频率增高到一定程度时 传感器又会 6 出现无反应的情况 请分析这是什么原因造成的 可结合热释电红外传感器工作电路 原 理分析 7 传感器的安装方向调整 180 面对仪器前实验者 连接传感器探头与处理电路 输出 端 Vo 接电压表 8 开启电源 待电路稳定后 实验者从探头前经过 移动速度从慢到快 距离从近到远 观察传 感器的反应 记录下传感器最大探测距离 9 在探头前装上菲涅尔透镜 重复步骤 2 并尝试在探头的不同视场范围进入 记录下装 透 镜后最大的探测距离和探测角度 加深对菲涅尔透镜作用的了解 实际应用中 菲涅尔透 镜是必需的 五 注意事项五 注意事项 慢速电机的叶片因为是不平衡形式 加之电机功率较小 所以开始转动时可能需要用 手拨动协助转动 8 8CCDCCD 摄像法的应用摄像法的应用 一 实验目的一 实验目的 1 了解 CCD 传感器的结构 原理 工作特性 2 掌握用 CCD 传感器测量外形尺寸的原理和方法 3 掌握用 CCD 传感器的莫尔条纹计数方法 二 实验原理二 实验原理 电荷耦合器件 CCD 的重要应用是作为摄像器件 它将二维光学图像信号通过驱动 电路转变成一维的视频信号输出 当光学镜头将被摄物体成像在 CCD 的光敏面上 每一个 光敏单元 MOS 电容 的电子势阱就会收集根据光照强度而产生的光生电子 每个势阱中 收集的电子数与光照强度成正比 在 CCD 电路时钟脉冲的作用下 势阱中的电荷信号会依 次向相邻的单元转移 从而有序地完成载流子的运输 输出 成为视频信号 用图像采集 卡将模拟的视频信号转换成数字信号 在计算机上实时显示 用实验软件对图像进行计算 处理 就可获得被测物体的轮廓信息 传统的光栅位移传感器由光栅组 光源 光电器件组成 用光电器件记录莫尔条纹移 动数目 对信号进行判向 内插 细分 得出检测结果 本实验用 CCD 摄象法实验软件记 录光栅位移 简单 方便 直观 三 三 主要仪器及耗材主要仪器及耗材 CCD 摄像头 被测目标 圆形测标 光栅组 位移平台 视频线 图像采集卡 实验软件 四 四 实验内容和步骤实验内容和步骤 1 根据图像采集卡光盘安装说明在计算机中安装好图像卡 并按要求正确设置 照图象 采 集卡安装说明正确安装图象卡的驱动程序和应用程序 并将视频源 CCD 设置为 PAL B 制式 安装好测径实验软件 Measure 注意 CCD 测径及莫尔条纹测试软件在 Windows 98 上可以直接设置视频源的制式 而在 Windows2000 或 WindowsXP 下视频源的设置就要在安装了实验软件和图象卡的驱动和应 用程序后再运行 开始 程序 btcap BtWDMCap exe 后打开应用程序窗口 选 options Video Capt Filter Video DecoderX 下后选 PAL B 获得稳定图象 请注意这 一点 为使 CCD 摄取的莫尔条纹图象清晰 光栅组一定要平行 且间距要尽量小 即目测时莫 尔条纹的暗带要足够黑 确定后光栅组一定要安装紧固 以防平台位移时因两片光栅相碰 擦造成光栅角度的变化 使莫尔条纹的宽度发生变化 如果光栅片相隔较远 则暗带条纹 发红发黄 软件就可能会错误地读取信号 错误地计数 实验时要注意背景光的影响 如 果光照太强 有可能造成自动记数软件误读数 2 在被测物前安装好摄像头 连接 CCD 电源 视频线正确连接图像卡与摄像头 3 检查无误后进入测量程序 启动图像采集后 屏幕窗口即显示被测物的图像 如视频源 制式正确 则可以得到稳定的图象 适当地调节 CCD 的镜头前后位置 使目标图像最为 清晰 4 安装好光栅组 调节位移平台 使两片光栅完全重合 调节主光栅角度 选择合适的条 纹宽度 莫尔条纹要清晰可见 5 在光栅组前安装好 CCD 摄像头 接通电源与图像卡 安装好实验软件 Count 启动 CCD 莫尔条纹记数 软件 进入程序 按 活动图像 键 屏幕上即出现条纹图象 调节 CCD 光圈及镜头与光栅距离 使条纹图像尽量清晰 6 按 冻结图像 键 用鼠标在屏幕上确定莫尔条纹间隔 然后开始记数 条纹间隔数越 多则测量精度越高 为什么 7 缓慢地转动螺旋测微仪 在屏幕上定一标记 读取条纹移动数 并将目测数与软件自 动 记数结果对照 得出定性的结论 8 根据测得的光栅组的光栅距 求出指示光栅 位移平台 的位移量 9 尺寸标定 先取一标准直径圆形目标 D0 10mm 根据测试程序测定其屏幕图像的直 径 D1 单位用象素表示 则测量常数 K D1 D0 10 保持 CCD 镜头与位移平台距离不变 即表示单位尺寸的象素值不能改变 更换另一 未知直径的圆形目标 利用测试程序测得其在屏幕上的直径 除以系数 K 即得该目标的 直径 五 思考题五 思考题 如何利用此方法测试方形物体的尺寸 光栅衍射实验光栅衍射实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解光栅的结构及光栅距的测量方法 2 了解光栅莫尔条纹的结构及光栅距的测量方法 二 实验原理二 实验原理 如果把两块光栅距相等的光栅平行安 装 并且使光栅刻痕相对保持一个较小的 夹角 时 透过光栅组可以看到一组明暗 相间的条纹 即为莫尔条纹 莫尔条纹的 宽度 B 为 B P sin 其中 P 为光栅距 光栅刻痕重合部分形成条纹暗带 非 重合部分光线透过则形成条纹亮带 光栅 莫尔条纹的两个主要特征是 判向作用 判向作用 当指示光栅相对于固定不动的 主光栅左右移动时 莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动 由此可以确定光栅移动的 方向 位移放大作用 位移放大作用 当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距 D 时 莫尔条纹移动 一个条纹间距 B 当两个等距光栅之间的夹角 较小时 指示光栅移动一个光栅距 D 莫 尔条纹就移动 KD 的距离 K B D 1 B D 2sin 2 d 这样就可以把肉眼看不见 的栅距位移变成清晰可见的条纹位移 实现高灵敏的位移测量 三 主要仪器及耗材三 主要仪器及耗材 光栅 激光器 直尺与投射屏 自备 光栅组 移动平台 四 实验内容和步骤四 实验内容和步骤 1 激光器放入光栅正对面的激光器支座中 接通激光电源后调节使光点对准光栅中点后用 紧定螺丝固定 2 在光栅后方安放好投射屏 观察到一组有序排列的衍射光斑 与激光器正对的光斑为 中 央光斑 依次向两侧为一级 二级 三级 衍射光斑 如图 28 所示 请观察光斑的大 小及光强的变化规律 3 根据光栅衍射规律 光栅距 D 与激光波长 衍射距离 L 中央光斑与一级光斑的间距 S 存在下列的关系 式中单位 L S 为 mm 为 nm D 为 m 根据此关系式 已知固体激光器的激光波长为 650nm 用直尺量得衍射距离 L 光斑 距 S 即可求得实验所用的光栅的光栅距 4 尝试用激光器照射用做莫尔条纹的光栅 测定光栅距 了解光斑间距与光栅距的关系 5 将激光器换成激光教鞭 测定其波长 6 按照光栅衍射公式 已知光栅距 激光波长 光斑间距 就可以求出衍射距离 L 将激光对准衍射光栅中部 在投射屏上得到一组衍射光斑 根据公式求出 L 调整投射屏与光栅的距离 并尽可能试用不同的激光器 将测得的各参数 L S D 填入表格 以验证公式 实验数据表实验数据表 7 安装好主光栅与指示光栅 使两光栅保持平行 光栅间