大學(xué)學(xué)習(xí)資料：光電綜合測試實驗儀實驗講義

1、光電綜合測試實驗儀實驗講義目錄實驗一 光散斑的性質(zhì)及測試實驗1實驗二 面內(nèi)位移的散斑測量實驗4實驗三 物體形變的散斑測量實驗6實驗四 激光干涉精密測量實驗9實驗五 激光衍射計量技術(shù)實驗12實驗六 巴俾特原理及細絲直徑測量實驗15實驗七 激光共焦三維測量實驗17實驗八 光學(xué)傅里葉變換及圖像處理方法實驗20實驗一 光散斑的性質(zhì)及測試實驗一、 實驗?zāi)康?了解散斑的性質(zhì)及特點2掌握散斑的測試方法二、 實驗原理 激光散斑的基本概念：激光自散射體的表面漫反射或通過一個透明散射體（例如毛玻璃）時，在散射表面或附近的光場中可以觀察到一種無規(guī)分布的亮暗斑點，稱為激光散斑（Laser Speckles）或斑紋。如

2、果散射體足夠粗糙，這種分布所形成的圖樣是非常特殊和美麗的（對比度為1）。激光散斑是由無規(guī)散射體被相干光照射產(chǎn)生的，因此是一種隨機過程。要研究它必須使用概率統(tǒng)計的方法。通過統(tǒng)計方法的研究，可以得到對散斑的強度分布、對比度和散斑運動規(guī)律等特點的認識。圖1光散斑的產(chǎn)生(圖中為透射式，也可以是反射式的情形) 圖1說明激光散斑具體的產(chǎn)生過程。當(dāng)激光照射在粗糙表面上時，表面上的每一點都要散射光。因此在空間各點都要接受到來自物體上各個點散射的光，這些光雖然是相干的，但它們的振幅和位相都不相同，而且是無規(guī)分布的。來自粗糙表面上各個小面積元射來的基元光波的復(fù)振幅互相迭加，形成一定的統(tǒng)計分布。顆粒的大小，可用它的

3、平均直徑來表示，而顆粒尺寸的嚴格定義是兩相鄰亮斑間距離 的統(tǒng)計平均值。此值由產(chǎn)生散斑的激光波長及粗糙表面圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目讖浇莡所決定，即散斑平均直徑=r=0.6sinu'若經(jīng)過一個光學(xué)系統(tǒng)，在它的像平面上形成的散斑，稱為成像散斑，則r=0.6sinu'=0.6NA 在斑干涉技術(shù)中，常常應(yīng)用成像散斑來進行測量。散斑的基本性質(zhì)：1 散斑與均勻場的相干結(jié)合，散斑圖與相應(yīng)的單獨散斑圖分布差別不大，只是全暗光 斑較少一些2 散斑與均勻場的不相干疊加，沒有全暗散斑3 兩個散斑場的相干相加，散斑的大小沒有明顯變化4 兩個散斑場的非相干相加，沒有全暗光斑三、 實驗器材光電實驗平臺、電腦

4、四、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌，g-分光棱鏡，k-衰減片，i,j-反射機構(gòu)五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 在反射機構(gòu)i,上安裝反射鏡；4. 調(diào)節(jié)反射機構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進數(shù)字相機o；5. 運行實驗軟件，選擇實驗一，點擊“采集”，使得數(shù)字相機工作，移動數(shù)字相機o，使散斑圖案清晰；6. 更換反射機構(gòu)i上的反射器件（反射鏡，銅片，鋁片），觀察散斑圖案，并保存記錄；材質(zhì)散斑圖銅片散斑圖鋁片散斑圖實驗二 面內(nèi)位移的散斑測量實驗一、 實驗?zāi)康?. 掌握散斑測量平面位移的基

5、本原理2. 進行面內(nèi)位移的散斑測量, 對散斑測量形成定性認識二、 實驗原理當(dāng)物體發(fā)生位移時，引起前方空間散斑場分布的變化，通過測量散斑場的變化，從而得 到物體位移的相關(guān)信息。測量面內(nèi)位移的原理見圖1。實際測量時，以單束激光 S 照射物體 U 的表面，在物體前方空間將充滿散斑，取相機靶面平行物平面的位置。當(dāng)物體發(fā)生位移時，空間散斑顆粒也發(fā)生位移，則空間散斑在數(shù)字相機靶面上也同樣發(fā)生位移，在電腦中分別記錄下物體位移前后的空間散斑圖。在位移前散斑圖上，取散斑某子區(qū)，將其在位移后的數(shù)字散斑圖上進行相關(guān)搜索，由相關(guān)系數(shù)的最大值求出位移值。圖1 散斑面內(nèi)位移測量原理圖三、 實驗器材 光電實驗平臺、電腦四、

6、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌，g-分光棱鏡， i-反射機構(gòu)，o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 在反射機構(gòu)i,上安裝反射鏡；4. 調(diào)節(jié)反射機構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進數(shù)字相機o；5. 運行實驗軟件，選擇實驗二，點擊“采集”，使得數(shù)字相機工作，移動數(shù)字相機o，使散斑圖案清晰；6. 將反射機構(gòu)i上的反射器件替換為鋁片，觀察散斑圖案，并保存圖片；7. 向任意方向輕移反射器件，觀察散斑圖案，并保存圖片8. 點擊“數(shù)據(jù)處理”，在軟件數(shù)據(jù)處理界面，分別點擊“讀取原始圖像”

7、、“讀取位移圖像”，選擇開始保存的位移前后兩幅圖。點擊“原始圖像”“位移圖像”按鍵可以分別觀察讀入圖片是否正確。9. 點擊“散斑計算”，記錄計算出的結(jié)果。10. 重復(fù)6-9，多測幾組數(shù)據(jù)并記錄。實驗三 物體形變的散斑測量實驗一、 實驗?zāi)康?. 了解電子散斑干涉原理2. 進行形變的散斑測量二、 實驗原理測量形變的原理見圖1。M1是被測面，反射后的激光為物光， M2是參考面，反射后的激光為參考光。物光和參考光在像面PP1上形成散斑干涉圖。圖1 形變測量原理圖物光的光強分布為： (1)其中是光波的振幅，是經(jīng)物體漫射后的物體光波的相位。參考光的光強分布為： (2)物光與參考光在CCD靶面上匯合形成光強

8、為： (3)當(dāng)被測物體發(fā)生變形后，表面各點的散斑場振幅基本不變，而位相將改變?yōu)?，?(4)其中（r）為由于物體變形產(chǎn)生的相位變化。變形前后的參考光波維持不變。這樣，變形后的合成光強為： (5)對變形前后的兩個光強進行相減處理： = = (6)由式(6)可見，相減處理后的光強是一個包含有高頻載波項的低頻條紋。該低頻條紋取決于物體變形引起的光波相位改變。這個光波相位變化與物體變形關(guān)系從光波傳播的理論可以推導(dǎo)出來，即有： (7)其中是所用激光波長，是照明光與物體表面法線的夾角，是物體變形的離面位移，是物體變形的面內(nèi)方向位移。為了使光路對離面位移敏感，應(yīng)該使照明角比較小，即，則由（7）式可以得到： (

9、8)有(6)式可知，在暗條紋處， (9)由(8)式和（9）式可得到： （10） 即暗條紋處的離面位移是半波長的整數(shù)倍。三、 實驗器材光電實驗平臺、電腦四、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌，g-分光棱鏡，k-衰減片，i,j-反射機構(gòu)，o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 在反射機構(gòu)i,j上安裝反射鏡；4. 調(diào)節(jié)反射機構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進數(shù)字相機o；5. 運行實驗軟件，選擇實驗三，點擊“采集”，使得數(shù)字相機工作，移動數(shù)字相機o，使散斑圖案清晰；6. 更換反射機構(gòu)i

10、上的反射器件（銅片或者鋁片），在參考光光路加入衰減器件k, 適當(dāng)調(diào)節(jié)被測物角度，使得物光和參考光光強大致相等，觀察散斑圖案，采集并保存此時相機上的圖像；7. 微調(diào)被測物角度，采集并保存變化后相機上的圖像；8. 重復(fù)上步驟5次，進入到實驗軟件數(shù)據(jù)處理界面；9. 單機“原始圖樣”，按照路徑選擇原始圖片，再點擊“位移圖樣”，按照路徑選擇微調(diào)后圖片；10. 點擊“散斑計算”，進行計算。所得到的偏轉(zhuǎn)角為被測物旋轉(zhuǎn)角度的絕對值。實驗四 激光干涉精密測量實驗一、 實驗?zāi)康? 了解激光干涉測量的原理2 掌握微米及亞微米量級位移量的激光干涉測量方法3 了解激光干涉測量方法的優(yōu)點和應(yīng)用場合二、 實驗原理 本實驗采

11、用泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系統(tǒng)，T-G 干涉系統(tǒng)是著名的邁克爾遜 白光干涉儀的簡化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理如圖 1 所示。圖1 泰曼-格林（Twyman-Green）干涉系統(tǒng)激光通過擴束準直系統(tǒng)L1提供入射的平面波（平行光束）。設(shè)光軸方向為Z軸，則此平 面波可用下式表示： (1)式中，A平面波的振幅，為波數(shù)，是激光波長。23此平面波經(jīng)分光系統(tǒng)BS分為二束，一束經(jīng)參考鏡M1，反射后成為參考光束，其復(fù)振幅UR用下式表示 (2)式中AR參考光束的振幅，參考光束的位相，它由參考光程決定。 另一束為透射光，經(jīng)測量鏡M2反射，其復(fù)振幅Ut，用下式表示： (3)式

12、中測量光束的振幅，測量光束的位相，它由測量光程決定。 此二束光在 BS 上相遇，由于激光的相干性，因而產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋的光強 I(x,y)由下式?jīng)Q定 (4)式中, ，而，為，的共軛波。當(dāng)兩束光彼此間有一交角，并將式(2)，式(3)代入式(4)，且當(dāng)較小，即時，經(jīng)簡化可求得干涉條紋的光強為： (5)式中激光光強， 光程差， 。 式(5)說明干涉條紋由光程差及來調(diào)制。當(dāng)為一常數(shù)時，干涉條紋的光強如圖 2 所示。圖2 干涉條紋光強分布圖 當(dāng)測量在空氣中進行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則 (6)式中N干涉條紋數(shù)。 因此，記錄干涉條紋移動數(shù)，已知激光波長，有式（6）即可測量反射鏡的位移量，

13、或反射鏡的軸向變動量。測量靈敏為：當(dāng) N1，則 ，（He-Ne激光），則如細分N，一般以1/10細分為例，則干涉條紋的最高測量靈敏度為。三、 實驗儀器光電實驗平臺，電腦四、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌，g-分光棱鏡，i-反射機構(gòu)（帶PZT），j-反射機構(gòu)，o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定。按下實驗箱前方右側(cè)PZT電源鍵，工作時開關(guān)亮藍燈，；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 在反射機構(gòu)i,j上安裝反射鏡；4. 調(diào)節(jié)反射機構(gòu)及分光棱鏡，使得兩束激光重合發(fā)生干涉；5. 調(diào)節(jié)光路，使得干涉條紋為豎直干

14、涉條紋；6. 運行實驗軟件，選擇實驗四，用相機采集觀察干涉條紋，根據(jù)電腦性能選擇合適的圖像分辨率，當(dāng)電腦配置較低時，建議窗口分辨率設(shè)為512×512，避免數(shù)據(jù)處理時間過長。7. 調(diào)節(jié)光路，使得視場內(nèi)的豎直條紋數(shù)在620條之間。8. 點擊“打開”按鍵，通過COM孔連接PZT，拖動“滑塊”或者在手動輸入定點電壓值，觀察隨著電壓值增大，條紋向哪個方向移動(“左”或者“右”)。9. 設(shè)定電壓“起始值”、“間距”、“次數(shù)”，如起始值0V，間距5V,次數(shù)10。點擊“執(zhí)行”，則PZT從0V開始，每次電壓增加5V，增加10次，每增加一次電壓采集一幅條紋圖像，加上初始圖像，共采集11幅圖像控制。點擊“

15、執(zhí)行”時，會要求選擇圖像保存位置及圖像文件名。10.圖像采集完畢后，進入數(shù)據(jù)處理模塊，點擊打開圖像，批量導(dǎo)入剛保存的圖像組。根據(jù)步驟8觀察到的條紋移動方向，選擇“向左”或“向右”。11點擊計算條紋，經(jīng)過系統(tǒng)計算，便可得到電壓與PZT移動量之間的對應(yīng)關(guān)系。保存相關(guān)圖標及表格。實驗五 激光衍射計量技術(shù)實驗一、 實驗?zāi)康?. 了解激光衍射計量原理2. 利用間隙計量法測量縫寬二、 實驗原理激光衍射計量的基本原理是利用激光下的夫朗和費衍射效應(yīng)。夫朗和費衍射是一種遠場衍射。衍射計量是利用被測物與參考物之間的間隙所形成的遠場衍射來完成。當(dāng)激光照射 被測物與參考的標準物之間的間隙時，這相當(dāng)于單縫的遠場衍射。當(dāng)

16、入射平面波的波長為，入到到長度為L，寬度為的單縫上（L），并與觀察屏距離時，在觀察屏E的視場上將看到十分清晰的衍射條紋。圖1是計量原理圖，圖2是等效衍射圖。在觀察屏E上的由單縫形成的衍射條紋，其光強I的分布由物理光學(xué)知道有：式中：，為衍射角，是時的光強，即光軸上的光強度。上式就是遠場衍射光強分布的基本公式，說明衍射光強是隨的平方而衰減。當(dāng)處將出現(xiàn)強度為零的條紋，即I=0的暗條紋。測定暗條紋的位置變化就可以知道間隙的尺寸，這就是衍射計量的原理。因為，則對暗條紋有當(dāng)不大時，從遠場條件有式中：為第n級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離，R為觀察屏距單縫平面的距離。最后寫成：這就是衍射計量的基本公司。

17、為計算方便，設(shè)， 為衍射條紋的間隔，則 已知，R（R=f）,測定兩個暗條紋的間隔，就可以計算出的精確尺寸。 利用激光下形成的清晰衍射條紋就可以進行微米量級的非接觸的尺寸測量。三、 實驗器材光電實驗平臺、電腦四、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌（調(diào)到最小產(chǎn)生細光束），g-分光棱鏡，l-干板夾，m-成像透鏡，o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 將分光棱鏡g旋轉(zhuǎn)90°，激光直接反射到干板夾方向。4. 將干板夾中玻璃圖案里的狹縫移至激光照射位置，激光透過狹縫衍射成

18、像5. 運行實驗軟件，選擇實驗五，用相機采集觀察干涉條紋，調(diào)節(jié)數(shù)字相機使得衍射圖像清晰6. 保存圖像，利用軟件獲取圖像的一級，二級，三級衍射條紋間距7. 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計算狹縫尺寸，填入下表衍射級數(shù)（n）XnW123實驗六 巴俾特原理及細絲直徑測量實驗一、 實驗?zāi)康?. 了解巴俾特（Babinet）原理2. 利用互補測定法測量細絲直徑二、 實驗原理激光衍射互補測定法的原理是基于巴俾特原理，圖示如下。設(shè)一個任意形狀的開孔，在 平面波照射下，在接收屏上的復(fù)振幅用U1表示；用同一平面波照射其互補屏?xí)r，在接收屏 上其復(fù)振幅用U2表示。當(dāng)互補屏疊加時，開孔消失，在接收屏上的光強分布也應(yīng)消失，合 成復(fù)振幅

19、應(yīng)為零，即： 即 上式說明，兩個互補屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形狀和光強完全相同，僅位相相差。這就是巴俾特原理。對激光衍射條紋來說，原來是亮條紋的 位置上互補時將出現(xiàn)暗條紋。利用這個互補原理， 就可以測定各種細絲和薄帶的尺寸。為獲得明亮的遠場條紋，一般用透鏡在焦面上形成夫朗和費條紋，如圖所示。設(shè)透鏡的焦距為 f，細絲直徑為 d，則計算公式為：故 三、 實驗器材光電實驗平臺、電腦四、 實驗光路圖a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌（調(diào)到最小產(chǎn)生細光束），g-分光棱鏡，l-干板夾，m-成像透鏡，o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2.

20、 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 將分光棱鏡g旋轉(zhuǎn)90°，激光直接反射到干板夾方向。4. 將干板夾中玻璃圖案里的細絲移至激光照射位置，激光透過細絲衍射成像5. 運行實驗軟件，選擇實驗六，用相機采集觀察干涉條紋，調(diào)節(jié)數(shù)字相機使得衍射圖像清晰6. 保存圖像，利用軟件獲取圖像的一級，二級，三級衍射條紋間距7. 根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計算狹縫尺寸，填入下表衍射級數(shù)（n）Xn細絲123 8.將結(jié)果與激光衍射計量技術(shù)實驗中狹縫產(chǎn)生的衍射實驗做對比實驗七 激光共焦三維測量實驗一、 實驗?zāi)康? 認識共焦成像原理及及其測量特點2 掌握共焦光學(xué)層析方法3 了解激光共焦測量的應(yīng)用場合二、 實驗原理 激光共

21、焦測量是基于最新發(fā)展的共焦成像原理實現(xiàn)的。共焦成像其原理示于圖 1。點光源P位于準直物鏡L1的焦點上，發(fā)出的平行光經(jīng)分光鏡分光進入成像物鏡L2，在L2的焦點上成 點光源P的像P。當(dāng)被測件（試樣）表面位于L2的焦面上時（d1=F2），入射光原路返回，過分 光鏡和另一準直物鏡L3后，在L3的焦點上成點光源P的第二次成像P”。只有當(dāng)P，P，P”在各 自光學(xué)元件的焦點位置上，才成立共軛的成像關(guān)系，這就稱為共焦成像。共焦成像在測量上 具有如下特點： (1) 當(dāng)被測表面處于物鏡的焦面位置時光線才能自準直反射，在探測器上成像并獲得最 大能量，因此具有很高的縱向分辨率，可用于精密測量的定位； (2) 在探測器

22、前加小孔，可以大大減小光學(xué)系統(tǒng)成像時的雜散光，使成像信號噪聲最小；(3)當(dāng)被測表面做三維移動（掃描）時存在層析性，即從表面很弱的離焦信息，可以精確測定表面的三維成像。從三維像重構(gòu)物體，因而獲得十分精確的表面形貌。圖1 共焦成像原理圖激光共焦成像與顯微鏡結(jié)合形成共焦顯微術(shù)，已廣泛用于生物，醫(yī)學(xué)與工業(yè)探測上，特別是活體的形貌探測上。激光共焦與熒光技術(shù)結(jié)合形成單光子及雙光子共焦熒光顯微術(shù)，這是當(dāng)前分子光譜中最新的探測技術(shù)。三、 實驗器材光電實驗平臺，電腦四、 實驗光路圖 a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準直透鏡，f-可變光闌，g-分光棱鏡，l-干板夾，h-共焦顯微物鏡，i-反射

23、機構(gòu)，m-成像透鏡， o-數(shù)字相機五、 實驗步驟1. 開機，激光器a通電，待光強穩(wěn)定；2. 按實驗光路圖布置好光路，擴束激光；3. 在反射機構(gòu)i上安裝反射鏡；4. 插入顯微物鏡h，運行實驗軟件，選擇實驗七，用相機采集觀察激光光斑；5. 調(diào)節(jié)光路，使得激光光斑成像在相機中間位置。選擇手動閾值或者自動閾值來設(shè)置光斑測量精度。使得反射鏡i初始位置在共焦透鏡的焦面上；6. 推動反射鏡下方的平移臺，使得相機采集到的光斑尺寸最小。7. Z向移動反射鏡，記錄光斑尺寸的大小變化。序號光斑尺寸/mm縱向位移值/mm10.00520.01030.01540.02050.02560.03070.03580.0408

24、.繪制Z方向移動量與光斑尺寸的坐標圖。實驗八 光學(xué)傅里葉變換及圖像處理方法實驗一、 實驗?zāi)康?. 掌握傅里葉變換和夫瑯禾費衍射之間的關(guān)系，2. 觀察各種典型幾何圖案傅里葉變換的衍射圖，3. 掌握夫瑯禾費衍射的特點。二、 實驗原理 光學(xué)信息處理中最重要的一個理論是傅里葉變換效應(yīng),傅里葉變換形式如下: (1) (2)這兩個積分即傅里葉積分。稱為的傅里葉變換,或頻譜。若表示某空間域的物理量, 則是該物理量在頻率域的表示形式。作用即作為各種頻率成分的權(quán)重因子,描述各復(fù)指數(shù)分量的相對幅值和相移。當(dāng)是復(fù)函數(shù),可以表示為 (3)式中, ,是的振幅頻譜;必功是的相位頻譜,非周期函數(shù)的頻譜不是離散的,而是頻率f的連續(xù)或分段連續(xù)的函數(shù)。所有適當(dāng)加權(quán)的各種頻率的復(fù)指數(shù)分量疊加起來就得到原函數(shù),稱它為的傅里葉逆變換。和構(gòu)成傅里葉變換對。二維傅里葉變換只是一維傅里葉變換的推廣 (4) (5)式中，為空間頻率，對圖像信號而言，空間頻率是指單位長度內(nèi)亮度做周期性變化的次數(shù)。 在這里，以矩孔為例，來說明夫瑯禾費衍射即傅里葉變換的特點。矩