CSY10L激光多功能光电测试系统试验仪东南大学设备处.docx

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CSY10L激光多功能光电测试系统试验仪东南大学设备处

激光多功能光电测试实验系统

实验指导书

东南大学仪器科学与工程学院

2007-5

目录

一、仪器概况1

二、仪器原理1

三、软件使用与操作4

四、使用要点15

五、仪器配置15

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20

实验三面形的三维干涉测量及评价（PV值与RMS值）23

实验四光学系统的波差测量25

实验五光学系统的PSF及MTF评价27

实验六缝宽或间隙的衍射测量30

实验七微孔直径的衍射测量33

实验八巴俾特原理及细丝直径测量35

实验九变形的全场衍射测量37

实验十光散斑的性质及测试方法39

实验十一面内位移的散斑测量41

实验十二光纤传感技术的原理实验43

实验十三光纤传感的温度测量实验46

一、仪器概况

CSY－10L激光多功能光电测试系统实验仪（LaserUniversalOpto-EletroTesting

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。

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

图1实验仪光学系统

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－衍射试件夹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

本实验系统的光学原理如图1所示，激光（He-Ne，波长632.8nm，功率>3mw）通过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），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（FourierTransformation,FT;InverseFourierTransformation,IFT）

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10～12。

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，经程序计算，实现定量检测。

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。

图2CSY－10L处理与显示系统

实验仪照片

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WINDOWS2000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

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】，条纹间隔确定结束。

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。

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（fringerecord）。

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”

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iv即可。

11.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λ/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）。

若在设置菜单中选择灰度颜色显示，则可获得连续彩色等高图。

（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512×512的数据阵列表示，因此孔径中的点总数不会超过262144。

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。

光圈数-----------偏离理想平面的偏差（一个光圈对应λ/2偏差），为平面元件测量时的面形评价参数。

局部光圈数-----偏离理想球面的面形评价参数，为球面元件测量的主要评价参数。

对平面元件，反映表面局部误差。

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λ/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。

当选择灰度显示时，则按软件自定义的颜色显示彩色灰度的等高图，即红色表示区域高的部分，蓝色表示区域低的部分。

（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）噪声滤波设置

选择该菜单项将出现一子菜单，该子菜单中包含[无噪声滤波]，[高]、[中]和[低]四项。

为提高测量精度，便于用户与进口仪器比对，本软件提供不同程度的滤波选择。

用户可通过比对的结果，选择合适的滤波。

（5）选择【工件信息设置】菜单项将出现[工件设置对话框]，可利用该对话框设置被测工件的口径，工件类型，测量波长和工件来源等信息。

因本软件所配套的干涉仪采用波长为632.8nm的He-Ne激光器作为光源，因此测量波长均设定在632.8nm。

（6）选择[系统设置]菜单项将出现[系统设置对话框]，可设置如下信息：

A.扫描电压设置。

本设置数据为干涉条纹动态采集时驱动压电陶瓷PZT扫描所需的电压值。

由于每台仪器的压电陶瓷材料特性略有差异，使用前通过设置扫描电压的起始值和终止值，使条纹在一个周期的扫描中刚好移动一个条纹间隔。

本软件在安装完成后，将扫描电压的起始值设置在50V,扫描电压的终止值设置在200V，可适用于大部分的PZT材料，但使用前需根据条纹移动情况进行调整。

B.噪声滤波设置。

根据干涉原理，在条纹扫描时，每个采样点的光强变化应该遵循正弦函数的变化规律。

在条纹处理的计算过程中，若发现某些点的光强变化规律不符合正弦函数的变化，则不计算该点的位相值，并将该点置为无效点。

当噪声滤波选择高时，则稍不符合正弦函数变化的点就被视为无效点，但所有有效点中的条纹分析处理结果的精度较高；当噪声滤波选择低时，则偏离正弦变化较大的采样点才被视为无效点，条纹计算的结果可能包含较大的误差。

C.条纹扫描速度设置。

在条纹扫描时可利用该设置控制扫描的速度。

当测量环境较好时，可选择较慢扫描速度，当测量环境较差时，可选择较快扫描速度。

D.串行口设置。

本仪器是通过串行口建立计算机与压电陶瓷PZT驱动电源的数据通讯。

本设置必须与实际所连接的串行口一致。

[6].通过鼠标选择[工具（T）]菜单项或按ALT+T可看到如下子菜单，其功能为：

（1）干涉图质量检查

为便于用户判断当前的干涉图是否能有效地进行数据处理，本软件提供干涉图质量检查工具。

选择该菜单项将出现[干涉图质量检查对话框]，用鼠标点击[开始]按钮，亮度滚动条和对比度滚动条中的小方块分别显示了光强和对比度的情况。

当光强位于适中，对比度位于好的一端，将最有利于条纹的数字处理。

（2）用户自定口径

为便于用户对干涉图中希望