激光光电测试实验指导书(徐1).doc

激光光电测试实验一、 仪器概况CSY10L激光多功能光电测试系统实验仪（Laser Universal Opto-Eletro Testing Systems）是在系列传感器实验系统的基础上发展的新型光电测试实验系统，用于仪器科学，计量测试专业，自动控制专业以及物理专业等课程教学。其特点是实验内容新颖，技术先进，功能多样。通过实验指导书提供的数十种实验，能完成包括激光、散斑、衍射、光电、共焦、光纤、纳米、图像等多种先进测试技术的实验，给学习者了解和掌握现代光学测试技术中的一些主要原理及方法建立基础，达到实验者今后在应用中做到举一反三的目的。随着近代工业和现代科学技术的发展，高精度、非接触、高效率、自动化是测试技术中急需解决的方向，而传统的光学及光电测试技术已不适应上述要求，在精密自动测试技术中必须注入新的活力。80年代以来激光和计算机技术结合为新的光学及光电测试技术开辟了新途径，这就是现代光学测试技术。CSY10L是为演示近代光学测试技术而设计的一套多功能光电实验教学仪器，体现了近代光学测试技术中的非接触性、高灵敏性、三维性及实时性，是近代高新技术的实验体现之一。本实验系统主要适合于计量测试技术专业，光学专业，仪器科学有关专业、自动化专业、物理专业以及大学物理等有关基础课程等教学实验使用。二、 仪器原理21 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 图1 实验仪光学系统1激光器 2,17衰减器 3,5,11定向孔 4A,13移动反射镜 4B移动分光镜 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 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与计量。TG干涉系统用于实验1 5。2 散斑干涉系统激光扩束，经14分光，在16，18上形成两幅相干散斑图，返回经14合光，20会聚，22滤波，成像至23CCD上。本光路用于实验1317。3 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。本光路用于实验69。4 共焦测量系统激光经8，10扩束，经显微透镜组15在16共焦试件上聚焦，聚焦光束返回透射14恢复成平行光，继由会聚透镜组20，21（选装）聚焦于针孔22，并在CCD23上形成弥散斑图像。共焦试件轴向高程变化对应弥散斑圆直径变化，经程序计算，实现定量检测。本光路用于实验1819。5 纳米测量光学系统激光经4，12，13转向，14分光，16，18上试件折成两束近距平行光，经20会聚于焦平面上一点，移动21使该点放大成像于23上，将看到比普通干涉条纹更灵敏的纳米干涉条纹，18上装PZT驱动试片，控制PZT的驱动波形与干涉条纹，计数，均由计算机实现。本光路用于实验2021。6 傅氏变换光学系统FT：激光经定向孔3，5定向，透镜8，10扩束，经14透射19中FT试件。试件可选位于FT透镜21之前后、之后、前焦面等处，在透镜后焦面前后寻找试件频谱，成像显示于计算机上。IFT：激光经定向孔3，5定向，透镜8， 10扩束，经14透射19中FT试件。19位于21前焦面，25进入工位，光路途径IFT透镜26，将物体频谱面图像恢复成19中试片中图案。图像处理：在IFT光路中插入27，将改变IFT后图像的象素与对比度。本光路用于实验1112。7 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。22 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 586，100M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。三、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“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】按钮可中止计数。6 当选择实验类型为“D共焦计量测试”时，可按【光斑确定开始】实现计算机自动确定焦斑大小，从而完成轴向位相位移的精确定位。所完成的轴向位相位移数值将实时地在屏幕右下方显示出来。7 按【光斑确定结束】按钮可中止计算机自动确定光斑大小。8 在进行共焦计量测试时，根据实际光学系统参数，可通过修改【共焦实验参数】中的定标系数实现轴向位相位移的误差校正。（该系数由实验指导人员确定）。9 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。10 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。11 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. 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。（2）干涉图的条纹自动分析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“Wave”图标可进入该软件运行环境。2通过鼠标选择实时采样（M）菜单或按ALT+M可看到该菜单仅包含实时采样（Sample）菜单项，选择该菜单项将跳出如下对话框：该对话框中，采样周期是指采样的次数，每次采样将获得一次波面位相数据，最终波面数据是所有波面数据的平均值。采样周期的输入范围是1-5，若输入数超过5，程序按5步执行。 扫描步数是指在每次采样时干涉图在一个条纹间隔中移动的步数，用鼠标点击右边的下箭头按钮可选择扫描步数，一般选8步较为合适。 波面类型是指程序处理干涉图后获得波面位相的类型。实际的干涉图将包含测量时的安装误差，如测量时的倾斜，测量球面，透镜时的离焦，一般干涉图分析时，用户都希望去除这些安装误差，因此测量平面时，请选择波面类型为平面，程序自动去除倾斜；测量球面及透镜时，请选择球面，程序自动去除倾斜和离焦；如果用户不希望去除安装误差，请选择原始波面，这时处理得到的波面位相与所采集得到的干涉图相对应，用以/2为间隔观察波面位相的彩色等高图（见设置菜单中的彩色等高图设置），将看到彩色等高图的分布与干涉图一致。 按采样按钮程序就开始进行扫描，这时可看到监视器上的干涉条纹按所设定的扫描步数移动，同时可看到左边移动条中的按钮作相应的移动。条纹扫描完成以后程序就进行孔径确定及位相计算。用户可在孔径确定和环境监视方框栏中看到计算的情况。在孔径确定方框栏中反映了孔径确定的情况，若用户把孔径确定方式设定为自动方式（详见设置菜单中的孔径确定方式菜单项），则由程序自动确定孔径；若用户把孔径确定方式设置为手动方式，则仅对用户所设定的孔径中的干涉图进行分析（关于如何由用户设定孔径，见工具菜单中的用户自定孔径菜单项）。在环境监视方框栏中反映了检测环境的好坏，若用户选择采样周期数为3，则在环境监视方框栏中显示3根首尾相连的线段，如果它们位于一条直线上，说明环境较好，否则环境较差。采样计算完成后，用户可根据孔径确定和环境监视方框栏中所看到的情况判断是否重新采样，若由于外界环境的影响，所确定的孔径中间有“孔洞”，可按采样按钮重新采样。若不需要重新采样，按返回按钮即可，这时可看到当前活动窗口中显示出新的测量结果。注意在采样按钮刚按下时，必须要等到计算完成后才能继续按。3通过鼠标选择数据显示（D）菜单项或按ALT+D可看到如下子菜单，其功能为：（1） 三维立体透视图选择该菜单项将创建或激活一个窗口，并在该窗口中显示与当前活动窗口相联系的被测面形的三维立体显示结果。例如，若当前活动窗口中显示干涉图及数据，则选择该菜单项将显示与该干涉图相对应的面形结果的三维显示。如果显示的内容已经作为一个窗口打开过，选择该菜单项仅仅激活该窗口。可通过选择设置菜单中的三维立体显示设置菜单项控制面形立体显示的比例大小，是否反转显示及观察视点（详见设置菜单中的三维立体显示设置菜单项）。另外，按下鼠标左键不松开，可看到屏幕上的光标变为十字叉，这时左右移动鼠标可改变观察视点，可从不同的角度观察面形的三维显示结果。双击鼠标左键将使视点恢复到原来的位置。（2） 干涉图选择该菜单项将创建或激活一个窗口，并在该窗口中显示与当前活动窗口相联系的干涉图显示结果。例如，若当前活动窗口中显示三维立体透视图，则选择该菜单项将显示与该三维立体透视图所表示的面形相对应的干涉图。如果显示的内容已经作为一个窗口打开过，选择该菜单项仅仅激活该窗口。（3） 彩色等高图选择该菜单项将创建或激活一个窗口，并在该窗口中显示与当前活动窗口相联系的被测面形的彩色等高图显示结果。例如，若当前活动窗口中显示干涉图及数据，则选择该菜单项将显示与该干涉图相对应的面形结果的彩色等高图显示。如果显示的内容已经作为一个窗口打开过，选择该菜单项仅仅激活该窗口。可通过选择设置菜单中的彩色等高图显示设置菜单项控制显示间隔和选择等高图颜色（详见设置菜单中的彩色等高图显示设置菜单项）。（4） 综合图形显示选择该菜单项将创建或激活一个窗口，并在该窗口中显示与当前活动窗口相联系的干涉图，被测面形的彩色等高图以及三维立体显示结果。例如，若当前活动窗口中显示干涉图及数据，则选择该菜单项将显示与该干涉图相对应的测量结果。如果显示的内容已经作为一个窗口打开过，选择该菜单项仅仅激活该窗口。可通过选择设置菜单中的三维立体显示设置菜单项控制面形立体显示的比例大小，是否反转显示及观察视点，选择设置菜单中的彩色等高图显示设置菜单项控制彩色等高图的显示间隔和选择等高图颜色（详见设置菜单中的三维立体显示设置菜单项和彩色等高图显示设置菜单项）。 选择以上菜单项后，程序除了在窗口中显示相应的图形以外，还显示有效点总数（PTS），面形均方根值（Rms）, 波峰波谷值（PV）和最大面形误差（Em）。这些评价参数的含义如下：有效点总数（PTS）-孔径中的有效位相点的总数。本软件的位相数据以128128的数据阵列表示，因此孔径中的点总数不会超过16384。波峰波谷值（PV）-所测面形中的最高点与最低点之间的距离，以测量波长为单位来计量。最大面形误差（Em）-所测面形中的所有点相对与理想表面的误差绝对值的最大值，以测量波长为单位来计量。均方根值（Rms）-所测面形中的所有点的均方根值，以测量波长为单位来计量。另外选择数据显示（D）菜单中的各项所出现的窗口中还显示测试时间，光圈数以及其他被测工件信息，这些信息可通过选择设置菜单中的工件信息设置菜单项完成输入（详见设置菜单的工件信息设置菜单项）。 4. 通过鼠标选择数据分析（A）菜单项或按ALT+A可看到如下子菜单，其功能为：(1) 点扩散函数选择该菜单项可由程序自动由波差计算所测光学系统的点扩散函数，左边为PSF的三维立体显示，右边为PSF 的具体值，即从光点中心出发沿X和Y轴的强度变化。（2） 调制传递函数选择该菜单项可由程序自动由波差计算所测光学系统的调制传递函数值，并给出MTF的曲线图，横坐标以（线对/mm）为单位，纵坐标为规划坐标。曲线图中的红色曲线为理论MTF值（即衍射受限的MTF值），曲线图中的黑色曲线为实际MTF值。（3） Zernike多项式系数和像差系数选择该菜单项可由程序自动由波差计算所测光学系统轴上点的Zernike多项式系数和像差系数。5通过鼠标选择设置（S）菜单项或按ALT+S可看到如下子菜单，其功能为：（1） 三维立体显示设置选择该菜单项将出现一子菜单，该子菜单中包含显示比例，反转显示和视点旋转三项，只有在当前活动窗口中显示有三维立体透视图时，这些菜单项才有效，否则将无效（菜单项用灰色表示）。选择显示比例将出现显示比例对话框，用户通过修改比例系数，可改变三维立体显示的幅度的大小。选择反转显示，将在该菜单项的左边出现一个标记，并改变三维立体的高低显示方式，使原来最高的区域变为最低，原来最低的区域变为最高，但并不改变面形数据。再一次选择反转显示，将恢复到原来正常的高低显示方式。选择视点旋转将出现视点旋转对话框，用户通过修改视点旋转角度从不同的角度观察面形的三维立体显示，当然也可直接用鼠标完成该操作。（2） 彩色等高图设置选择该菜单项将出现一子菜单，该子菜单中包含显示间隔和颜色设置两项。只有在当前活动窗口中显示有彩色等高图时，这些菜单项才有效，否则将无效（菜单项用灰色表示）。选择显示间隔将出现显示间隔对话框，用户通过修改该间隔，以不同的评判标准来考察被测面形，对于高精度面形，应输入较大的数值来观察彩色等高图。选择该值也可用来判定被测面形是否达到加工要求，例如若要判断被测面形是否达到/20，可在对话框中输入20, 如果彩色等高图仅为一种颜色，则说明该测量表面达到加工要求。选择颜色设置可由用户自行设定彩色等高图所使用的颜色。具体做法是先用鼠表点中所要改变的颜色，然后按颜色选择按钮从颜色选择对话框中选择所要的颜色。（3） 孔径确定方式设置选择该菜单项将出现一子菜单，该子菜单中包含自动方式和手动方式两项。用鼠标选择自动方式菜单项，则程序在下次采样中将自动确定口径。用鼠标选择手动方式菜单项，则程序在下次采样中仅对用户所设定的孔径中的干涉图进行分析（关于如何由用户设定孔径，详见工具菜单中的用户自定孔径菜单项）。（4） 测定范围设置选择该菜单项将出现一子菜单，该子菜单中包含波长/2三项。为提高测量精度，本软件对不同精度的被测工件将采用不同的数据处理方式，若在测量前经过条纹目测得知加工表面由于/10，请选择波长/2菜单项。注意：若对精度并不太高的表面进行测量时，把测定范围设置在w），并与观测屏距离时，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道有： 式中：；为衍射角，I0是时的光强，即光轴上的光强度。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。当处将出现强度为零的条纹，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，对暗条纹则有当不大时，从远场条件，有式中：xn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：这就是衍射计量的基本公式。为计算方便，设，t为衍射条纹的间隔，则已知，R(R=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，则式中：w0, w分别为起始缝宽和最后缝宽；x0, 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，即可测量。四、实验步骤1 激光不扩束，光路中插入反射镜4A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，玻璃基狭缝系列)4 移动CCD使计算机图像清晰，锁定235 记录狭缝系列对应一级、二级、三级衍射条纹间距6 更换不同狭缝，实现定标和计量五、实验表格衍射级数（n）XnW123（其中R=180mm，l=632.8nm）实验七 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二、 实验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，如图所示。P点的光强分布：，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，由于得到爱里圆中心亮斑的直径d为当已知f，时，测定d就可以求取a值，即微孔的尺寸。三、实验光路同实验八四、实验步骤1 激光不扩束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 记录微孔系列衍射圆环分布6 更换不同微孔，利用计算机程序实现定标和计量五、实验记录序号a（爱里光斑直径）a（小孔直径）1234（其中f=180mm，l=632.8nm）实验八 巴俾特原理及细丝直径测量一、 实验目的：1. 了解巴俾特（Babinet）原理1. 利用互补测定法测量细丝直径二、 实验原理激光衍射互补测定法的原理是基于巴俾特原理，图示如下。设一个任意形状的开孔，在平面波照射下，在接收屏上的复振幅用U1表示；用同一平面波照射其互补屏时，在接收屏上其复振幅用U2表示。当互补屏叠加时，开孔消失，在接收屏上的光强分布也应消失，合成复振幅应为零，即即 上式说明，两个互补屏所产生的衍射图形，其形状和光强完全相同，仅位相相差。这就是巴俾特原理。对激光衍射条纹来说，原来是亮条纹的位置上互补时将出现暗条纹。利用这个互补原理，就可以测定各种细丝和薄带的尺寸。为获得明亮的远场条纹，一般用透镜在焦面上形成夫朗和费条纹，如图所示。设透镜的焦距为f，细丝直径为d，则计算公式为：故三、 实验光路同实验六四、实验步骤1 激光不扩束2 将分光镜14转903 试件夹19中装入衍射试件(微屏系列，细丝系列)4 移动CCD23使图像清晰，锁定235 利用计算机程序实现定标和计量6 记