光電綜合測(cè)試實(shí)驗(yàn)儀

實(shí)

驗(yàn)

講

義

目錄

實(shí)驗(yàn)一光散斑的性質(zhì)及測(cè)試實(shí)驗(yàn)..........................................1

實(shí)驗(yàn)二面內(nèi)位移的散斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)..........................................4

實(shí)驗(yàn)三物體形變的散斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)..........................................6

實(shí)驗(yàn)四激光干涉精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)............................................9

實(shí)驗(yàn)五激光衍射計(jì)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)...........................................12

實(shí)驗(yàn)六巴俾特原理及細(xì)絲直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)...................................15

實(shí)驗(yàn)七激光共焦三維測(cè)量實(shí)驗(yàn)...........................................17

實(shí)驗(yàn)八光學(xué)傅里葉變換及圖像處理方法實(shí)驗(yàn)..............................20

實(shí)驗(yàn)一光散斑的性質(zhì)及測(cè)試實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解散斑的性質(zhì)及特點(diǎn)

2.掌握散斑的測(cè)試方法

二、實(shí)驗(yàn)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(gè)透明散射體

（例如毛玻璃）時(shí)，在散射表面或附近的光場(chǎng)中可以觀察到一種無規(guī)分布的亮暗斑

點(diǎn)，稱為激光散斑（LaserSpeckles）或斑紋。如果散射體足夠粗糙，這種分布所

形成的圖樣是非常特殊和美麗的（對(duì)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(jī)過程。要研究

它必須使用概率統(tǒng)計(jì)的方法。通過統(tǒng)計(jì)方法的研究，可以得到對(duì)散斑的強(qiáng)度分布、

對(duì)比度和散斑運(yùn)動(dòng)規(guī)律等特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)。

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(shí)，表面上的每

一點(diǎn)都要散射光。因此在空間各點(diǎn)都要接受到來自物體上各個(gè)點(diǎn)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(gè)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(jì)分布。顆粒的

大小，可用它的平均直徑來表示，而顆粒尺寸的嚴(yán)格定義是兩相鄰亮斑間距離的

1

統(tǒng)計(jì)平均值。此值由產(chǎn)生散斑的激光波長(zhǎng)人及粗糙表面圓形照明區(qū)域?qū)υ撋叩目?/p>

徑角U'所決定，即

散斑平均直徑=%=

sinu

若經(jīng)過一個(gè)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

0.6/1_0,62

°rsinu'NA

在斑干涉技術(shù)中，常常應(yīng)用成像散斑來進(jìn)行測(cè)量.

散斑的基本性質(zhì)：

1.散斑與均勻場(chǎng)的相干結(jié)合，散斑圖與相應(yīng)的單獨(dú)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(chǎng)的不相干疊加，沒有全暗散斑

3.兩個(gè)散斑場(chǎng)的相干相加，散斑的大小沒有明顯變化

4.兩個(gè)散斑場(chǎng)的非相干相加，沒有全喑光斑

二、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌,

g-分光棱鏡，k-衰減片，i,j-反射機(jī)構(gòu)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路,擴(kuò)束激光:

3.在反射機(jī)構(gòu)i,上安裝反射鏡；

2

4.調(diào)節(jié)反射機(jī)構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進(jìn)數(shù)字相機(jī)。；

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)一，點(diǎn)擊“采集”，使得數(shù)字相機(jī)工作，移動(dòng)數(shù)字

相機(jī)。，使散斑圖案清晰;

6.更換反射機(jī)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；

散斑圖

銅片散斑圖

鋁片散斑圖

3

實(shí)驗(yàn)二面內(nèi)位移的散斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.掌握散斑測(cè)量平面位移的基本原理

2.進(jìn)行面內(nèi)位移的散斑測(cè)量，對(duì)散斑測(cè)量形成定性認(rèn)識(shí)

二、實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)物體發(fā)生位移時(shí)，引起前方空間散斑場(chǎng)分布的變化，通過測(cè)量散斑場(chǎng)的變

化，從而得到物體位移的相關(guān)信息。測(cè)量面內(nèi)位移的原理見圖lo實(shí)際測(cè)量時(shí)，

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(jī)靶面平行

物平面的位置。當(dāng)物體發(fā)生位移時(shí)，空間散斑顆粒也發(fā)生位移，則空間散斑在數(shù)字

相機(jī)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(jìn)行相關(guān)搜索，由

相關(guān)系數(shù)的最大值求出位移值。

P

圖1散斑面內(nèi)位移測(cè)量原理圖

三、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

4

CMOS相機(jī)

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，c-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌,

g-分光棱鏡，止反射機(jī)構(gòu)，。-數(shù)字相機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)束激光；

3.在反射機(jī)構(gòu)i,上安裝反射鏡；

4.調(diào)節(jié)反射機(jī)構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進(jìn)數(shù)字相機(jī)o；

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)二，點(diǎn)擊“采集”，使得數(shù)字相機(jī)工作，移動(dòng)數(shù)字

相機(jī)o,使散斑圖案清晰；

6.將反射機(jī)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(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理”，在軟件數(shù)據(jù)處理界面，分別點(diǎn)擊“讀取原始圖像”、“讀

取位移圖像”，選擇開始保存的位移前后兩幅圖。點(diǎn)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(diǎn)擊“散斑計(jì)算”，記錄計(jì)算出的結(jié)果。

10.重復(fù)6-9,多測(cè)幾組數(shù)據(jù)并記錄。

5

實(shí)驗(yàn)三物體形變的散斑測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解電子散斑干涉原理

2.進(jìn)行形變的散斑測(cè)量

二、實(shí)驗(yàn)原理

測(cè)量形變的原理見圖loMl是被測(cè)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PPi上形成散斑干涉圖。

圖1形變測(cè)量原理圖

物光的光強(qiáng)分布為：

?！?一)=%(廠)。邛中〃(一)(1)

其中〃o(r)是光波的振幅，①。(r)是經(jīng)物體漫射后的物體光波的相位。

參考光的光強(qiáng)分布為：

U/)=〃M)expGR&)⑵

物光與參考光在CCD靶面上匯合形成光強(qiáng)/(「)為：

2

/⑺=u：+UR+21McosQ,-(t)R)(3)

當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生變形后，表面各點(diǎn)的散斑場(chǎng)振幗〃〃⑺基本不變，而位相。〃⑺將

改變?yōu)?⑺-△族⑺，即

U'o=z/o(r)exp[^(r)-A^(r)](4)

其中△①(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(qiáng)，(/?)為：

/'⑺=u：+〃”2犬cos@一制一△。⑺](5)

對(duì)變形前后的兩個(gè)光強(qiáng)進(jìn)行相減處理：

/=|/'(r)-/(r)|

6

=M+彘+cos[^-(t)R-△。⑺R+憂+2UOURcos。一弧)

(6)

由式（6）可見，相減處理后的光強(qiáng)是一個(gè)包含有高頻載波項(xiàng)

sin（裔一如）_歿2］的低頻條紋sinA磬。該低頻條紋取決于物體變形引起的光

波相位改變。

這個(gè)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：

△0=—\dA(1+cos。)+d2sin司⑺

A

其中2是所用激光波長(zhǎng)，。是照明光與物體表面法線的夾角，4是物體變形的

離面位移，由是物體變形的面內(nèi)方向位移。

為了使光路對(duì)離面位移敏感，應(yīng)該使照明角。比較小，即cos6al,sinea｛）,則

由（7）式可以得到：

z41,

△A6=丸4(8)

有⑹式可知，在暗條紋處，

=2k.Tr(9)

由⑻式和（9）式可得到：

a.=——(10)

12

即暗條紋處的離面位移是半波長(zhǎng)的整數(shù)倍。

三、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、也腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

7

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌，g-分光

棱鏡，k-衰減片，i,j-反射機(jī)構(gòu)，o-數(shù)字相機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)束激光；

3.在反射機(jī)構(gòu)i,j上安裝反射鏡：

4.調(diào)節(jié)反射機(jī)構(gòu)及分光棱鏡，使得激光照射進(jìn)數(shù)字相機(jī)。；

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)三，點(diǎn)擊“采集”，使得數(shù)字相機(jī)工作，移動(dòng)數(shù)

字相機(jī)。，使散斑組案清晰；

6.更換反射機(jī)構(gòu)i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(cè)物角度，使得物光和參考光光強(qiáng)大致相等，觀察散斑圖

案，采集并保存此時(shí)相機(jī)上的圖像；

7.微調(diào)被測(cè)物角度，采集并保存變化后相機(jī)上的圖像；

8.重復(fù)上步驟5次，進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)軟件數(shù)據(jù)處理界面；

9.單機(jī)“原始圖樣”，按照路徑選擇原始圖片，再點(diǎn)擊“位移圖樣”，按照路

徑選擇微調(diào)后圖片；

10.點(diǎn)擊“散斑計(jì)算”，進(jìn)行計(jì)算。所得到的偏轉(zhuǎn)角為被測(cè)物旋轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)

值。

8

實(shí)驗(yàn)四激光干涉精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解激光干涉測(cè)量的原理

2.掌握微米及亞微米量級(jí)位移量的激光干涉測(cè)量方法

3.了解激光干涉測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合

二、實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用泰曼-格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)，「G干涉系統(tǒng)是著名的邁克

爾遜白光干涉儀的簡(jiǎn)化。用激光為光源，可獲得清晰、明亮的干涉條紋，其原理

干涉條紋

圖1泰曼-格林(Twyman-Green)干涉系統(tǒng)

激光通過擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)L1提供入射的平面波(平行光束)。設(shè)光軸方向?yàn)閆軸

,則此平面波可用下式表示：

U(Z)=Aeik=(1)

式中，A一一平面波的振幅，k=生為波數(shù),幾是激光波長(zhǎng)。

A

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用下式表不

UR=AR法…⑵

式中心一一參考光束的振幅，如(ZR)——參考光束的位相，它由參考光程去決定。另

一束為透射光，經(jīng)測(cè)量鏡M2反射，其復(fù)振幅“，用下式表示：

9

4二4定"馬)(3)

式中4一一測(cè)量光束的振幅，MzJ測(cè)量光束的位相，它由測(cè)量光程Z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(qiáng)I(x,y)由下式?jīng)Q定

I(x,y)=U>ir(4)

式中U=U"=U；+U；,而U*,U“R,U：為U,UR,a的共擾波。

當(dāng)兩束光彼此間有一交角2?并將式(2),式(3)代入式(4),且當(dāng)夕較小，即

sin。三。時(shí)，經(jīng)簡(jiǎn)化可求得干涉條紋的光強(qiáng)為：

I(x,y)=2/°(1+cos%/26)(5)

式中一一激光光強(qiáng)，I——光程差，1=ZR-ZJ

式(5)說明干涉條紋由光程差/及夕來調(diào)制。當(dāng)8為一常數(shù)時(shí)，干涉條紋的光

強(qiáng)如圖2所示。

圖2干涉條紋光強(qiáng)分布圖

當(dāng)測(cè)量在空氣中進(jìn)行，且干涉臂光程不大，略去大氣的影響，則

1=N2(6)

2

式中N一—干涉條紋數(shù)。

因此，記錄干涉條紋移動(dòng)數(shù)，已知激光波長(zhǎng)，有式(6)即可測(cè)量反射鏡的

位移量，或反射鏡的軸向變動(dòng)量。

測(cè)量靈敏為：當(dāng)N=l,則△/=：,4=0.633〃加(He-Ne激光)，則A/=0.3//〃？

如細(xì)分N,一般以1/10細(xì)分為例，則干涉條紋的最高測(cè)量靈敏度為A/=0.034〃7。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

10

abc

°相機(jī)光閩

CMOS相機(jī)

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌，g-

分光棱鏡，i-反射機(jī)構(gòu)（帶PZT）,j-反射機(jī)構(gòu)，o-數(shù)字相機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定。按下實(shí)驗(yàn)箱前方右側(cè)PZT電源鍵，

工作時(shí)開關(guān)亮藍(lán)燈，；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)束激光；

3.在反射機(jī)構(gòu)i,j上安裝反射鏡；

4.調(diào)節(jié)反射機(jī)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涉條紋；

6.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)四，用相機(jī)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(shí)，建議窗口分辨率設(shè)為512X

512,避免數(shù)據(jù)處理時(shí)間過長(zhǎng)。

7.調(diào)節(jié)光路，使得視場(chǎng)內(nèi)的豎直條紋數(shù)在6~20條之間。

8.點(diǎn)擊“打開”按鍵，通過COM孔連接PZT,拖動(dòng)“滑塊”或者在手動(dòng)輸

入定點(diǎn)電壓值，觀察隨著電壓值增大，條紋向哪個(gè)方向移動(dòng)（“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(diǎn)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(diǎn)擊

“執(zhí)行”時(shí)，會(huì)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(jìn)入數(shù)據(jù)處理模塊，點(diǎn)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(dòng)方向，選擇“向左”或“向右二。

11.點(diǎn)擊計(jì)算條紋，經(jīng)過系統(tǒng)計(jì)算，便可得到電壓與PZT移動(dòng)量之間的對(duì)

應(yīng)關(guān)系。保存相關(guān)圖標(biāo)及表格。

11

實(shí)驗(yàn)五激光衍射計(jì)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解激光衍射計(jì)量原理

2.利用間隙計(jì)量法測(cè)量縫寬

二、實(shí)驗(yàn)原理

激光衍射計(jì)量的基本原理是利用激光下的夫朗和費(fèi)衍射效應(yīng)。夫朗和費(fèi)衍

射是一種遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。衍射計(jì)量是利用被測(cè)物與參考物之間的間隙所形成的遠(yuǎn)場(chǎng)衍

射來完成。當(dāng)激光照射被測(cè)物與參考的標(biāo)準(zhǔn)物之間的間隙時(shí)，這相當(dāng)于單縫的遠(yuǎn)場(chǎng)

衍射。當(dāng)入射平面波的波長(zhǎng)為X,入到到長(zhǎng)度為L(zhǎng),寬度為w的單縫上(L>w>X),

并與觀察屏距離火>>手時(shí)，在觀察屏E的視場(chǎng)上將看到十分清晰的衍射條紋。

A

圖1是計(jì)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(qiáng)I的分布由物理光學(xué)知道有：

式中：/=(r)sin6,夕為衍射角,

是9=00時(shí)的光強(qiáng)，即光軸上的光強(qiáng)度。

\A7

S1計(jì)量原理圖2等效衍射

上式就是遠(yuǎn)場(chǎng)衍射光強(qiáng)分布的基本公式，說明衍射光強(qiáng)是隨sin/?的平方而

衰減。當(dāng)4=0,土多±2%±3得……土癡處將出現(xiàn)強(qiáng)度為零的條紋，即1=0的暗條紋。

測(cè)定暗條紋的位置變化就可以知道間隙坡的尺寸，這就是衍射計(jì)量的原理。

因?yàn)槭蟿t對(duì)暗條紋有

(.八

——sing=〃乃

IA)

當(dāng)。不大時(shí)，從遠(yuǎn)場(chǎng)條件有

12

x

sin。三嫡

式中：與為第n級(jí)暗條紋中心距中央零級(jí)條紋中心的距離，R為觀察屏距單縫平

面的距離。最后寫成：

居

這就是衍射計(jì)量的基本公司。為計(jì)算方便，設(shè)包=/，，為衍射條紋的間隔，則

n

RA

w=----

t

已知4,R(R=f),測(cè)定兩個(gè)暗條紋的間隔入就可以計(jì)算出卬的精確尺寸。

利用激光下形成的清晰衍射條紋就可以進(jìn)行微米量級(jí)的非接觸的尺寸測(cè)量。

三、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

相機(jī)光閱

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌(調(diào)到

最小產(chǎn)生細(xì)光束)，g-分光棱鏡，廠干板夾，m-成像透鏡，。-數(shù)字相機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)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

13

像

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)五，用相機(jī)采集觀察干涉條紋，調(diào)節(jié)數(shù)字相機(jī)

使得衍射圖像清晰

6.保存圖像，利用軟件獲取圖像的一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)衍射條紋間距

7.根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算狹縫尺寸，填入下表

衍射級(jí)數(shù)（n）XnWW

1

2

3

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實(shí)驗(yàn)六巴俾特原理及細(xì)絲直徑測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.了解巴俾特（Babinet）原理

2.利用互補(bǔ)測(cè)定法測(cè)量細(xì)絲直徑

二、實(shí)驗(yàn)原理

激光衍射互補(bǔ)測(cè)定法的原理是基于巴俾特原理，圖示如下。設(shè)一個(gè)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(bǔ)屏?xí)r，在接收屏上其復(fù)振幅用U2表示。當(dāng)互補(bǔ)屏疊加時(shí)，開孔消失,

在接收屏上的光強(qiáng)分布也應(yīng)消失，合成復(fù)振幅應(yīng)為零，即:

互補(bǔ)屏

IM「二M「

上式說明，兩個(gè)互補(bǔ)屏所產(chǎn)生的衍射圖形，其形王廬

狀和光強(qiáng)完全相同，僅位相相差至。這就是巴俾

2

特原理。對(duì)激光衍射條紋來說，原來是亮條紋的

位置上互補(bǔ)時(shí)將出現(xiàn)暗條紋。利用這個(gè)互補(bǔ)原理,

就可以測(cè)定各種細(xì)絲和薄帶的尺寸。

為獲得明亮的遠(yuǎn)場(chǎng)條紋，一般用透鏡在焦面

上形成夫朗和費(fèi)條紋，如圖所示。設(shè)透鏡的焦距

為f,細(xì)絲直徑為d,則計(jì)算公式為:巴俾特原理

ds\n6=nZ

sing=/

故八四生乙

X”

互補(bǔ)法測(cè)量的計(jì)算

三、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

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abc

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，f-可變光闌（調(diào)到

最小產(chǎn)生細(xì)光束），g-分光棱鏡，1-干板夾，nr成像透鏡，o-數(shù)字相機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)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(xì)絲移至激光照射位置，激光透過細(xì)絲衍射成

像

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)六，用相機(jī)采集觀察干涉條紋，調(diào)節(jié)數(shù)字相機(jī)

使得衍射圖像清晰

6.保存圖像，利用軟件獲取圖像的一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)衍射條紋間距

7.根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算狹縫尺寸，填入下表

衍射級(jí)數(shù)（n）血dd

1

細(xì)絲2

3

8.將結(jié)果與激光衍射計(jì)量技術(shù)實(shí)驗(yàn)中狹縫產(chǎn)生的衍射實(shí)驗(yàn)做對(duì)比

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實(shí)驗(yàn)七激光共焦三維測(cè)量實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.認(rèn)識(shí)共焦成像原理及及其測(cè)量特點(diǎn)

2.掌握共焦光學(xué)層析方法

3.了解激光共焦測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)合

二、實(shí)驗(yàn)原理

激光共焦測(cè)量是基于最新發(fā)展的共焦成像原理實(shí)現(xiàn)的。共焦成像其原理示于

圖1。點(diǎn)光源P位于準(zhǔn)直物鏡L1的焦點(diǎn)上，發(fā)田的平行光經(jīng)分光鏡分光進(jìn)入成

像物鏡L2,在L2的焦點(diǎn)上成點(diǎn)光源P的像P'。當(dāng)被測(cè)件(試樣)表面位于L2

的焦面上時(shí)(dl=F2),入射光原路返回，過分光鏡和另一準(zhǔn)直物鏡L3后，在

L3的焦點(diǎn)上成點(diǎn)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(diǎn)位置上，才成立共知的成像關(guān)系，這就稱為共焦成像Q共焦成像在測(cè)量上

具有如下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)被測(cè)表面處于物鏡的焦面位置時(shí)光線才能自準(zhǔn)直反射，在探測(cè)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(cè)量的定位；

(2)在探測(cè)器前加小孔，可以大大減小光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)的雜散光，使成像信

號(hào)噪聲最小；

(3)當(dāng)被測(cè)表面做三維移動(dòng)(掃描)時(shí)存在層析性，即從表面很弱的離焦信

息，可以精確測(cè)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。

P點(diǎn)光源

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(cè)上，特別是活體的形貌探測(cè)上。激光共焦與熒光技術(shù)結(jié)合形成單光子及雙光

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子共焦熒光顯微術(shù)，這是當(dāng)前分子光譜中最新的探測(cè)技術(shù)。

三、實(shí)驗(yàn)器材

光電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，電腦

四、實(shí)驗(yàn)光路圖

a-激光器，b-衰減片，c-反射鏡，d-顯微物鏡，e-準(zhǔn)直透鏡，一可變光闌，g-

分光棱鏡，1-干板夾，h-共焦顯微物鏡，i-反射機(jī)構(gòu)，片成像透鏡，。-數(shù)字相

機(jī)

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1.開機(jī)，激光器a通電，待光強(qiáng)穩(wěn)定；

2.按實(shí)驗(yàn)光路圖布置好光路，擴(kuò)束激光；

3.在反射機(jī)構(gòu)i上安裝反射鏡；

4.插入顯微物鏡h,運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件，選擇實(shí)驗(yàn)七，用相機(jī)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(jī)中間位置。選擇手動(dòng)閾值或者自動(dòng)

閾值來設(shè)置光斑測(cè)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(dòng)反射鏡下方的平移臺(tái)，使得相機(jī)采集到的光斑尺寸最小。

7.Z向移動(dòng)反射鏡，記錄光斑尺寸的大小變化。

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序號(hào)光斑尺寸/mm縱向位移值/mm

10.005

20.010

30.015

40.020

50.025

60.030

70.035

80.040

8.繪制Z方向移動(dòng)量與光斑尺寸的坐標(biāo)圖。

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實(shí)驗(yàn)八光學(xué)傅里葉變換及圖像處理方法實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.掌握傅里葉變換和夫瑯禾費(fèi)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(fèi)衍射的特點(diǎn)。

二、實(shí)驗(yàn)原理

光學(xué)信息處理中最重要的一個(gè)理論是傅里葉變換效應(yīng)，傅里葉變換形式如

下：

G(/)=「g(x)e3叫比(1)

⑵

J-co

這兩個(gè)積分即傅里葉積分。G(/)稱為g(x)的傅里葉變換，或頻譜。若g(x)表示

某空間域的物理量，G(7)則是該物理量在頻率域的表示形式。G(一)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(duì)幅值和相移。當(dāng)G(/)是復(fù)函

數(shù)，可以表示為

G(f)=⑶

式中，A(f)=G(f),是g(x)的振幅頻譜;必功是g(x)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)g(x),稱它為G(7)的傅里葉逆變換。

g(x)和G(f)構(gòu)成傅里葉變換對(duì)。

二維傅里葉變換只是一維傅里葉變換的推廣

u)=JJ：g(x,y)exp[-j2z(ux+?)卜3》(4)

g(R，，)=f[G(M,v)exp[j2^-(ux+vy^udv(5)

式中，JJ+y為空間頻率,對(duì)圖像信號(hào)而言，空間頻率是指單位長(zhǎng)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(fèi)衍射即傅里葉變換的特點(diǎn)。矩孔的

復(fù)振幅透射系數(shù)為：

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1|x,|<a/2^y\\<h/2

f(2，y)==?