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1、光电测试综合实验实验指导书北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院2006 年 5 月一、实验系统简介1.1 多功能光学系统1激光器 2,17衰减器3,5,11定向孔 4,13移动反射镜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
2、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。2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
3、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。3. 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。1.2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
4、的操作下实现所有实验。显示计算机专用软件图像处理卡CCD图像系统=光信息系统图2 CSY 10L处理与显示系统实验仪照片二、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 ”
5、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 F散斑位移测试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、6. 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。7. 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。8. 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
7、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。实验 1 精密位移量的激光干涉测量方法一、实验目的1 了解激光干涉测量的原理 2掌握微米及亚微米量级位移量的激光干涉测量方法 3了解激光干涉测量方法的优点和应用场合，并学会用图像处理的方法处理干涉条纹二、实验原理本实验采用泰曼一格林(Twyman-Green)干涉系统，TG干涉系统是著名的迈克尔逊白光干涉仪 的简化。用激光为光源，可获得
8、清晰、明亮的干涉条纹，其原理如图1 所示。激光通过扩束准直系统-提供入射的平面波(平行光束)。当设光轴方向为Z轴，则此平面波可用 下式表示：(1)U (Z) = Ae ikz一 72兀式中A平面波的振幅，k = 为波数，九 光波长此平面波经半反射镜BS分为二束，一束经参考镜反射后成为参考光束，其复振幅Ur用下式表示U 二 A - e 血(Zr)RR式中Ar 考光束的振幅，Or(ZR) 考光束的位相，它由参考光程Zr决定。(3)另一束为透射光，经测量镜m2反射，其复振幅ut,用下式表示：U = A - eit( zt) tt式中At测量光束的振幅，0 (zt)测量光束的位相，它由测量光程Zt决定
9、。此二束光在BS上相遇，由于激光的相干性，因而产生干涉条纹。干涉条纹的光强I(x,y)由下式决定(4)式中 U 二 Ur + J , U，UR+ U;，而 U*, %*, * 为 u，%, 口 的共轭波。当反射镜M与M2彼此间有一交角29,并将式(2),式(3)代入式(4),且当0较小，即sin9=9时，经简化可求得干涉条纹的光强为：I (x, y) = 21 (1 + cos kl 20 )0式中I0光光强，l光程差，l二z - z。0 R t式(5)说明干涉条纹由光程差l及0来调制。当0为一常数时，干涉条纹的光强如图2所示。当测量在 空气中进行，且干涉臂光程不大，即略去大气的影响，则,九l
10、 = N -(6)2式中：N干涉条纹数。动量 L。干涉条纹的计数，从图1中知道，定位在BS面上或无穷远上的干涉条纹由成像物镜L2将条纹 成在探测器上，实现计数。测量灵敏度为：当N=1,则九=0.63卩m （He-Ne 激光），则 Al = 0.3卩m如果细分N, 般以1/10细分为例，则干涉测量的最高灵敏度为：Al = 0.03卩m三、实验光路激光器1 发出的激光经衰减器2（用于调节激光强度）后由二个定向小孔3，5引导，经反射镜6，7 进入扩束准直物镜8, 10 （即图1中的L）,由分光镜14 （即图1中BS）分成二束光，分别由反射镜16 （即图1中的MJ, 18 （M2）反射形成干涉条纹并经
11、成像物镜20 （即图1中L2）将条纹成于CCD 23 上（即D）,这样在计算机屏上就可看到干涉条纹，实现微位移的测量。四、实验步骤公共部分：1开机，激光器 1 迅速起辉，待光强稳定。2.检查CCD23上电信号灯亮否。3调整光路时，若移开反射镜4， 13，扩束激光；移入反射镜4，反射镜13，不扩束激光；注：以下所有实验的开始步骤均同公共部分。本实验步骤1 . 扩束2. 在组合工作台 16， 18 上分别装平面反射镜，调节工作台 16， 18 上调平调向测微器，使二路反射光 较好重合（在成像物镜 20 后焦面上，两反射光会聚的焦斑重合）3. 打开计算机，然后微调工作台上测微器，在显示屏上看见干涉条
12、纹4. 调整CCD在轨道上的位置，使干涉条纹清晰，锁定23,再调节可调光阑22孔径位置，滤除分光镜 寄生干涉光五、实验记录1. 截取实验图样存储成文件2. 记录数据：可自行设定几个位移量，记录相关数据（其中九二632.8nm）表 1 实验结果数据记录表实验 2：数字干涉测量方法(选做)一、实验目的：1. 了解激光干涉的近代方法一数字干涉技术的原理和方法2掌握干涉的实时检测技术3.了解数字干涉方法的特点及应用场合二、实验原理随着电子技术与计算机技术的发展，并与传统的干涉检测方法结合，产生了一种新的位相检测技 术一字干涉技术，这是一种位相的实时检测技术。这种方法不仅能实现干涉条纹的实时提取，而且
13、可以利用波面数据的存储功能消除干涉仪系统误差，消除或降低大气扰动及随机噪声，使干涉技术实现 X/100的精度，这是目前干涉仪精度最高的近代方法。其原理如下图所示。数字干涉系统L1 直物镜，L2成像物镜，1 测件，2 考镜,3压电器件(PZT), 4成像光电器件(CMOS)图中的实验系统仍采用T-G干涉仪，但参考镜2由压电陶瓷PZT驱动，产生位移。此位移的频率 与移动量由计算机控制。设参考镜的瞬时位移为li,被测表面的形貌(面形)为w(x,y),贝惨考光路和 测试光路可分别用下式表示：UR=a - exp i 2k (s + li)(1)U = b - exp i2ks + w(x, y)(2)
14、t式中a,b为光振幅常数。参考光与测试光相干产生干涉条纹，其瞬时光强由式1与式2，可得：I (x, y, li) = 1 + r cos 2k w( x, y) - li (3)式中r = 2貨a2 + b2)是干涉条纹的对比度。式3说明，干涉场中任意一点的光强都是li的余弦函数。由于li随时间变化，因此式3的光强 是一个时间周期函数，可用傅里叶级数展开。设r=1,则I(x, y,li) = a + a cos 2kli + b sin 2kli(4)0 1 1式中：a = a2 + b2, a = 2abcos2kw(x,y), b = 2absin2lw(x,y) 0 1 1由三角函数的正
15、交性，可求出Fourier级数的各个系数，即 、2na =I (x, y, li)0n2寸=I (x, y, li) cos 2klin1= I (x, y, li) sin 2kli ni=1(5)1bw( x, y) =tg -1 =2ka112ktg-1工 I (x, y, li) sin 2klinii工 I (x, y, li) cos 2kli ni=1(6)从而求得被测波面，由下式给出： 九 式中 li =- i, i = 0,1,2,32n为进一步降低噪声，提高测量精度，可用P个周期进行驱动扫描，测量数据作累加平均，即w( x, y) =2ktg -1I(x, y,li)sin 2klii=
