1、 1 激光技术实验讲义 光电子实验教学中心 2005.10 2 目 录 目 录 . 2 实验一 精密位移量的激光干涉测量方法及实验 . 16 实验二：数字干涉测量方法及实验 . 19 实验三：面形的三维干涉测量及评价（ PV 值与 RMS 值） . 22 实验四、光学系统的波差测量 . 23 实验五、光学系统的 PSF及 MTF 评价 . 25 实验六 缝宽或间隙的衍射测量 . 28 实验七 微孔直径的衍射测量 . 31 实验八 巴俾特原理及细丝直径测量 . 33 实验九 变形的全场衍射测量 . 34 实验十 透镜的 FT 性质及常用函数与图形的光学频谱分析 . 37 实验十一 4f 光学系统
2、 FT 及 IFT 系统实验 . 39 实验十二 图像信息处理的光学实现 . 42 实验十三 光散斑的性质及测试方法 . 43 实验十四 面内位移的散斑测量 . 44 实验十五 形变的散斑测量 . 46 实验十六 速度的散斑测量 . 47 实验十七 激光共焦测量的原理及实验 . 48 实验十八 三维形貌层析的共焦测量 . 50 实验十九 位移的纳米测量方法 . 51 实验二十 微弱振动的纳米量级监视实验 . 53 实验二十一 光纤传感技术的原理实验 . 54 实验二十二 光纤传感的温度测量实验 . 57 实验二十三 光纤传感的压力测量实验 . 60 3 一、 仪器概况 CSY 10L 激光多功
3、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、测试计量、自动控制以及物理等课程教学。其特点是实验内容新颖，技术先进，功能多样。实验指导书提供 23 个实验，包括激光干涉、散斑、衍射、光电、共焦、光纤、纳米、图像等多种先进测 试技术，对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，达到实验者今后应用中举一反三的目的。 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、自动化是测试技术发展的方向，而传统的光学及光电测试技术已不适应上述要
4、求，在精密自动测试技术中必须注入新的活力。 20 世纪 80 年代以来激光和计算机技术结合为近代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。 CSY 10L 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，很好的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。 本实验系统主要适合于测试计量技术专业、光学专业、仪器科学相关专业、自动化专业、物理专业以及大学物理等的基础课程教学实验使用。由于复用光学平台的功能多，技术先进，也可以为前期科研，本科生毕业设计，研究生论文的试验服务。 二、 仪器原理 2 1 多功能光学系统 本实验系统的光学原理如图 1 所示，激光（
5、 He-Ne，波长 635.8nm，功率 3mw）通过 3 3a 22 1 2 31 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 21 20 1 9 14 15 16 18 30 35 27 送计算机 17 压电陶瓷 31 3 3b 3 2 28 26 24 25 23 29 34 图 1 实验仪光学系统 4 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衍射试件夹 20成像透镜 21目镜 22可调光阑 23光电接收器
6、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，最终由光电接收器 23 接收，并将信号送入计算机，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 Twyman-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 (参考臂 )，一路由工作台 18 上试件返回形成物光（测量臂
7、），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 CMOS23 上形成稳定干涉图样，由计算机程序实现实验显示 与定量。 T G 干涉系统用于实验 1 5。 2 衍射测量系统 激光 1 经反射镜 4， 12， 13，分光棱镜 14 转向，射向衍射试件（试件夹 19 中）产生衍射，经透镜 20 会聚成像，至 CMOS23 接收，送计算机观察，并对部分试样实现定标与计量。 本光路用于实验 6 9。 3 傅氏变换光学系统 (Fourier Transformation, FT; Inverse Fourier Transformation, I
8、FT) FT：激光 1 经定向孔 3， 5 定向，透镜 8， 10 扩束，经分光棱镜 14 透射试件夹 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，经分光棱镜 14 透射试件夹 19 中FT 试件。试件夹 19 位于透镜 21 前焦面，直角棱镜 25 移入光路，光路途径 IFT 透镜 26，将物体频谱面图像恢复成试件夹 19 中试片中图案。 图像处理：在 IFT 光路中插入试件夹 27，将改变 IFT 后图像的象素与对比度。 本光路用于实验 10
9、 12。 4 散斑干涉系统 激光 1 经定向孔 3， 5 定向，透镜 8， 10 扩束，经分光棱镜 14 分光，在工作台 16， 18上形成两幅 相干散斑图，返回经分光棱镜 14 合光，透镜 20 会聚，光阑 22 滤波，成像至CMOS23 上。 本光路用于实验 13 16。 5 共焦测量系统 激光 1 经定向孔 3， 5 定向，透镜 8， 10 扩束，经显微透镜组 15 在工作台 16 共焦试件上聚焦，聚焦光束返回透射分光棱镜 14 恢复成平行光，继由会聚透镜组 20， 21（选装）聚焦于针孔（光阑） 22，并在 CMOS23 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
10、序计算，实现定量检测。 5 本光路用于实验 17 18。 6 纳米测量光学系统 激光 1 经反射镜 4， 12， 13 转向，分光棱镜 14 分光，工作台 16， 18 上试件折成两束近距平行光，经透镜 20 会聚于焦平面上一点，移动透镜 21 使该点放大成像于 CMOS23 上，将看到比普通干涉条纹更灵敏的纳米干涉条纹，工作台 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 19 20。 7 光纤传感系统 激光 1 经反射镜 4， 12， 13 及工作台 18 上平面反射镜至物镜 29，实现最大光强耦合，进入干涉调制系统 33，形成两相
11、干光束，经光纤夹持器 34 定位，投影于 CMOS23。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 21 23。 2 2 光电处理与显示 光电与计算机处理部分由图 2 所示。上述光信息经图像采集转换成电信号，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，然后进入计算机进行处理，完成实验显示及相应实验的计算定量，在配套软件的操作下完成所有实验。 A / D C CD 或 CMOS 图像系统 光信息 系统 图像 处理卡 专用软件 显示 计算机 图 2 CSY 10L 处理与显示系统 实验仪照片6 三、软件使用与操作 激光多功能光电测试实验仪
12、配套软件是基于 WINDOWS 2000 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“激光多功能实验仪”程序组件，然后用鼠标单击该组件中的“ 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干涉位移测试
13、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 条纹计数功能 1) 当调整好光路使得干涉条纹清晰显示时（最好为竖条纹），点击【冻结图像】。 2) 在最下面的组合框【条纹间隔确定】中指定条纹数目（缺省为 3），点击该组合框中的【开始】，这时需要用鼠标在已冻结的干涉条纹图像上拖动 3 个（由前面 的指定条纹数目而定）亮（或暗）条纹，拖动过程中条纹间隔编辑框中会有相应显示；完毕后点击该组合框中的【终止】，条纹间隔
14、确定结束。 7 3) 接着点击【活动图像】，【条纹计数】两个按钮，条纹移动数会在窗口最下方显示出来。 4) 当条纹移动比较稳定时，在【条纹数记录】这个组合框中记录，每点击一次【开始记录】按钮，显示在最下方的条纹移动数会被实时记录在右侧的列表中（记录数最好不超过 25 个，否则绘制出的图形有可能重叠）；当点击【清除】时，所有已记录数据将都被清除。 5) 计数完毕时点击【条纹计数结束】，然后可对已记录的数据进行简单处理，点 击【保存】按钮，将弹出【条纹数据绘制】对话框，如图所示。设置好【起始温度】和【读数间隔】（缺省分别为 20和 1），点击【绘制】按钮，即可做出一张【温度条纹数】统计图作为参考。
15、 6) 【保存】和【读取】两个按钮用来对记录列表中的数据进行操作，保存文件扩展名为 .frr (fringe record)。注意：读取时已记录在数据表中的数据会被清空，请及时保存。 5 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。 6 按【光斑确定结束】按钮可中止计算机自动确定光斑大小。 7 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）。 8 按【 PZT 自动扫描】中
16、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。 9 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。 10 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” 8 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
17、. 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 iv 即可 。 12. 当选择类型为“ F面内位移散斑测量”时，有如下操作步骤： i. 选择实验类型为“ F散斑位移测试” ii. 按【活动图象】按钮观察散斑图样 iii. 按【位移测量开始】按钮开始位移测试，在左下方显示位移并显示两次采样之间的时间间隔 iv. 按【位移测量结束】按钮结束位移测量 v. 按【冻结图象】按钮使图象静止 vi. 如需重
18、复测量，只需重复 iii， iv 即可 13. 点击查看菜单下的“模板二”， 弹出一个新界面，界面的右侧出现如下形式的一些按钮。 点击【 DisplayData】后出现的对话框中，上下 两个坐标系显示的就是左右两个 100 100象素区域与点击时刻左侧区域的相关度和时间的关系。每个坐标系中有个可移动坐标尺可以用于测量峰谷坐标值。然后在右侧的拟合坐标值中输入上下两坐标的拟合差值。然后在下面的编辑框内会显示拟合的时间差。 点击【 AnalyseData】后出现对话框中，横截面灰度值曲线，其显示的就是某个纵向坐标值环境下的一条灰度曲线。也有一个可移动坐标尺用于测量图像的条纹间距。 （ 2）干涉图的条
19、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。 9 2通过鼠标选择 实时采样（ M） 菜单或按 ALT+M 可看到该菜单包含 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。（在新的软件中多了一个干涉图样，由于设置并没有改变只是多了个视图这里就不加说明）。 扫描步数是指在
20、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
21、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
22、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 10 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
23、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。
