光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)試方法.ppt

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1、1,針孔濾波器調(diào)整 自準(zhǔn)直法和剪切干涉法調(diào)平行光 了解光路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、擴(kuò)束系統(tǒng)、成象系統(tǒng)及各種專用部件等構(gòu)成，原理，學(xué)習(xí)其使用方法。 熟悉針孔濾波器調(diào)整，掌握自準(zhǔn)直法和剪切干涉法調(diào)平行光束,一.光學(xué)實驗儀器、 光路調(diào)整與技巧,2,了解什么是菲涅耳衍射 了解什么是夫瑯和費(fèi)衍射 圓孔和單縫菲涅耳衍射現(xiàn)象 衍射花樣的改變,二.菲涅耳衍射 與夫瑯和費(fèi)衍射,3,（1）搭建泰曼格林干涉儀 （2）搭建馬赫-澤德干涉儀 （3）搭建菲索干涉儀 （4）搭建薩格奈特干涉儀,三.干涉系統(tǒng)的搭建,4,了解和掌握幾種干涉儀的特點， 學(xué)習(xí)搭建泰曼格林干涉儀； 觀察非定域干涉現(xiàn)象； 觀察條紋反襯度隨光程的變化。 學(xué)習(xí)

2、搭建馬赫-增特干涉儀， 學(xué)習(xí)搭建菲索干涉儀， 學(xué)習(xí)搭建薩格奈特干涉儀（Sagnac）,干涉系統(tǒng)的搭建,5,(1)條紋追蹤法 (2)Spatial Carrier法 學(xué)習(xí)并掌握泰曼干涉儀的光路設(shè)計，獲得高對比度的干涉條紋；熟悉數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本組成及應(yīng)用，實現(xiàn)干涉圖像的數(shù)字化；學(xué)習(xí)干涉圖像的基本判讀方法和算法，用INTELLIWAVE是相對靜態(tài)干涉圖像的處理。,四.數(shù)字干涉測量技術(shù),6,了解電尋址和光尋址空間光調(diào)制器的工作原理熟悉空間光調(diào)制器的使用方法深入理解聯(lián)合傅里葉變換相關(guān)器的理論，建立光電混合式圖像處理系統(tǒng)；實時獲取輸入圖像的功率譜，求解模板和輸入圖像的相關(guān)輸出，實現(xiàn)對輸入圖像特征的識

3、別。探討聯(lián)合傅里葉變換相關(guān)圖像識別的穩(wěn)定性和可靠性,五.聯(lián)合傅里葉變換相關(guān)圖像識別,7,（1）阿貝成象原理和空間濾波實驗 （2）調(diào)制 （3）圖像相減 （4）光柵參數(shù)特性,六.光學(xué)信息處理技術(shù),8,1熟悉阿貝成象原理，進(jìn)一步了解透鏡孔徑對成象的影響。2加深對傅里葉光學(xué)中空間頻譜和空間濾波等概念的理解。3初步了解簡單的空間濾波在光信息處理中的實際應(yīng)用加深對傅立葉光學(xué)相移定理和卷積定理的認(rèn)知,光學(xué)信息處理技術(shù),9,學(xué)習(xí)和掌握全息照相的基本原理； 掌握全息照相的實驗技術(shù)； 了解全息圖的基本性質(zhì)、觀察并總結(jié)全息照相的特點,七.光學(xué)全息照相,10,了解全光網(wǎng)絡(luò)的光交叉互聯(lián)原理，學(xué)習(xí)液晶空間光調(diào)制器的功能和

4、工作原理，學(xué)會系統(tǒng)調(diào)整及實現(xiàn)交叉互聯(lián)。,八.光交叉（OXC）實驗,11,掌握傳遞函數(shù)的概念和特點，了解光學(xué)鏡頭傳遞函數(shù)測量的基本原理，以及照明條件對傳遞函數(shù)測量結(jié)果的影響。學(xué)習(xí)周期性物體的制作方法，實現(xiàn)對不同頻率周期性物體的成像和數(shù)字化。建模計算被測光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，分析傳遞函數(shù)與其他像質(zhì)評價方法之間的關(guān)系。,九.數(shù)字式光學(xué)傳遞函數(shù)測量和透鏡象質(zhì)評價,12,了解什么是線偏振光，圓偏振光，橢圓偏振光和部分偏振光 如何獲得以上這些光 了解半波片和1/4波片的作用 驗證馬呂斯定律,十.偏振實驗,13,實驗要求,(1)預(yù)習(xí)。這是實驗前的課前準(zhǔn)備階段。根據(jù)實驗?zāi)康?，學(xué)習(xí)實驗指導(dǎo)書中的實驗原理和書本的有

5、關(guān)內(nèi)容，參考指導(dǎo)書中的實驗方法，擬出實驗方案，熟悉實驗步驟想好實驗數(shù)據(jù)的記錄表格形式，最重要等是回答預(yù)習(xí)思考題。 (2)實驗。首先按照實驗方案選取安裝與調(diào)整儀器及部件，這是實驗的關(guān)鍵。實驗過程中必須認(rèn)真觀察現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)問題解決問題。測試時如需記錄原始數(shù)據(jù)，若有可疑之處須反復(fù)測試，發(fā)現(xiàn)其規(guī)律。,14,實驗要求,(3)撰寫實驗報告。撰寫實驗報告也是一種實驗?zāi)芰涂茖W(xué)總結(jié)能力的培養(yǎng)，其內(nèi)容應(yīng)包 實驗題目和實驗?zāi)康摹?實驗原理。包括實驗的理論根據(jù)，必要的公式及必要的原理示意圖。 實驗裝置。包括實驗裝置布置、測試儀器和測試物。 實驗步驟。主要寫出實驗測試方法、調(diào)試過程和發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。特別鼓勵捕捉新的實驗

6、現(xiàn)象 數(shù)據(jù)處理。包括實驗數(shù)據(jù)分析、計算、列表。,15,實驗要求,結(jié)論和討論。總結(jié)實驗己達(dá)到的目的，討論測量誤差，并分析觀察到的實驗現(xiàn)象，得出科學(xué)結(jié)論?！皩嶒瀮?nèi)容和現(xiàn)象”主要寫出你所想和所做的工作，工作中遇到的困難，如何克服的？發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象，如何解釋？還存在什么問題沒有解決？是否想和老師討論？等等。切忌抄一遍講義，毫無收獲；對你的實驗結(jié)果應(yīng)作出恰當(dāng)?shù)脑u價，哪些目標(biāo)達(dá)到了？哪些沒達(dá)到？存在什么問題？有無解決的辦法？等等，都應(yīng)作出交代. 解答思考題。應(yīng)從實驗的觀點來回答，不能單純地從理論上回答。,16,實驗室注意事項,(1)光學(xué)儀器大多是精密貴重儀器，取放儀器時，要思想集中、動作輕慢。在沒有了解清楚

7、儀器的使用方法之前，切勿亂打螺絲、碰動儀器或隨意接通電源。 (2)大部分光學(xué)元件用玻璃制成，光學(xué)面經(jīng)過精細(xì)拋光使用時要輕拿輕放，勿使元件相互碰撞、擠壓，更要避免摔壞。暫時不用的元件，要放回原處鎖緊磁性底座不要隨意亂放，以免損壞。 (3)人的手指帶有汗?jié)n油脂類分泌物，用于觸摸光學(xué)表面會污染該光學(xué)面，影響其進(jìn)光性和其他光學(xué)性質(zhì)。因此，任何時候都不能用于去觸模光學(xué)表面，只能拿元件的磨砂面。正確的姿勢如圖。,17,實驗室注意事項,18,實驗室注意事項,(4)不要對著光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)講話、打噴涕和咳嗽，以免涎液濺落鏡面造成污痕。 (5)光學(xué)面若落有灰塵，應(yīng)先用干凈、柔軟的脫脂毛刷輕輕撣除，或用橡皮球吹

8、除。嚴(yán)禁用嘴去吹。一般不能隨意擦拭光學(xué)表面。必要時可用脫脂棉球蘸上酒精乙醚混合液輕輕擦拭，切忌用布直接擦拭。 (6)光學(xué)面上若沾有油污等斑漬時，不要立即動手擦拭。因為很多光學(xué)表面鍍有特殊的光學(xué)薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情況，然后再在教師的指導(dǎo)下，采取相應(yīng)措施，精心處理。,19,實驗室注意事項,(7)光學(xué)儀器中有很多經(jīng)過精密加工的部件，如狹縫、空間光調(diào)制器等實驗時要小心使用，技規(guī)律操作，切忌拆卸儀器、亂擰旋鈕。 (8)實驗中用到許多精密調(diào)節(jié)件，動作要穩(wěn)、慢，切勿調(diào)整過頭，以影響精度。 (9)實驗中使用大量的電子儀器，應(yīng)遵照使用規(guī)則調(diào)節(jié)使用。 (10)實驗中使用的激光是強(qiáng)光光源，切莫對

9、著激光觀測，以免損傷眼睛。 (11)要講究清潔衛(wèi)生、文明禮貌，不得大聲喧嘩，更不能打鬧嬉笑。 (12)實驗完畢，要向指導(dǎo)教師報告實驗結(jié)果和儀器的使用情況，簽字后方可離開。,20,光學(xué)實驗的裝置,光學(xué)實驗的一般裝置通常由防震臺、光學(xué)部件、機(jī)械部件和光源等組成，而信息光學(xué)儀器一般由激光器（或其他光源）、光路轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、擴(kuò)束系統(tǒng)、成象系統(tǒng)及各種專用部件等構(gòu)成。,21,一光路轉(zhuǎn)向系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括光束升降器及各種反光鏡,22,光束提升器,光束提升器主要用于改變光束離臺面的高度，并兼有折轉(zhuǎn)光路的功能。其作用是通過兩塊鍍有反射膜的反射鏡來實現(xiàn)的。兩塊反射鏡分別安裝在上鏡座1和下鏡座2內(nèi)。下鏡座

10、2可繞z軸旋轉(zhuǎn)。上鏡座l除了可繞Z軸旋轉(zhuǎn)外，還具有兩個角度微調(diào)可對出射光的方向加以控制。移動鏡座支桿3或沿長支桿5移動下彈簧夾頭4，可以實現(xiàn)下反射鏡的高度調(diào)節(jié)。移動上彈簧夾頭7可實現(xiàn)光束高度粗調(diào)，旋轉(zhuǎn)上彈簧夾頭上的螺母可以微調(diào)光束高度。,23,二、分光系統(tǒng),分光系統(tǒng)的功能是將一束光分為兩束或多束光，以適應(yīng)有關(guān)實驗中光路的需要，因而也叫“分光鏡”。 分光鏡按照分光原理可分成幾何分光及物理分光兩類。幾何分光意味著在能量分配的過程中，光束主要發(fā)生幾何狀態(tài)的變化，例如傳播方向等。最常見的是利用折射及反射現(xiàn)象的分光鏡。物理分光表示伴隨著能量的分配，光波的物理狀態(tài)（或結(jié)構(gòu)）發(fā)生變化，例如偏振態(tài)的變化,24

11、,三、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng),用于將激光細(xì)光束擴(kuò)展為平行的寬光束。它包括擴(kuò)束鏡、針孔濾波器和準(zhǔn)直透鏡三部分。擴(kuò)束鏡能將激光細(xì)光束變換為球面波。準(zhǔn)直透鏡則是把這個球面波成變較大直徑的平面波。擴(kuò)束鏡的后焦點和準(zhǔn)直透鏡的前焦點重合，二者構(gòu)成逆望遠(yuǎn)系統(tǒng)。如下圖所示。在擴(kuò)束鏡的焦點上有必要時就放置空間濾波器（針孔濾波器）。,25,擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng),26,擴(kuò)束鏡和針孔濾波器,擴(kuò)束鏡通常是短焦距的凸透鏡或顯微物鏡。它先把激光細(xì)光束全聚于后焦點上，然后再從焦點發(fā)散開來。針孔濾波器的空間濾波就在焦點處進(jìn)行。如果擴(kuò)束鏡沒有像差，也不存在灰塵的衍射，則會聚光點的直徑是很小的。從空間頻譜的概念來看，這相應(yīng)于光斑的零頻成分。而光斑中

12、那些不均勻的部分，如各種環(huán)狀衍射結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于光束的高頻成分，它們將出現(xiàn)在擴(kuò)束鏡后焦而上遠(yuǎn)離焦點的地方。,27,擴(kuò)束鏡和針孔濾波器,因此，如果把直徑很小(一般為540)的針孔置于焦點上，只讓零頻通過而擋掉高頻成分，則在針孔后的光場將是非常均勻的，那些相應(yīng)于高頻成分的不均勻和衍射環(huán)即會消失。由頻譜分析知道在激光質(zhì)量不太差、擴(kuò)束鏡的灰土又不太嚴(yán)重的情況下，光束的能量絕大部分集中在零級上，而那些相應(yīng)于不均勻的高頻成分所占的能量在總能量中的比例是微不足道的。因此，正確地使用針孔濾波器，不但可以改善光束質(zhì)量，而且不會明顯降低光場的光強(qiáng)，即沒有明顯的能量損失。但是，如果擴(kuò)束鏡質(zhì)量過差，或所用的針孔濾波器孔徑

13、過小，以至零級會聚點直徑大于針孔直徑，那么使用針孔濾波器之后光強(qiáng)格會明顯降低。,28,擴(kuò)束鏡的調(diào)節(jié),29,調(diào)試方法：,將激光束調(diào)到適當(dāng)高度，并使激光束平行于精密光學(xué)平臺臺面，在平臺上放一帶有十字絲的白屏，使激光束射到十字絲中心。 在白屏和激光器之間放入空間濾波器的物鏡，視物鏡的尺寸長短加減接圈。調(diào)空間濾波器的位置（即調(diào)物鏡）使通過物鏡的光對準(zhǔn)白屏十字絲， 放針孔，調(diào)針孔使之大致處于光束中間。 邊調(diào)物鏡（一般是將物鏡向針孔方向推進(jìn)），邊觀察白屏上的亮斑，調(diào)節(jié)針孔的微調(diào)旋鈕，使有光通過針孔射到白屏上。 最后仔細(xì)調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，使白屏上的光斑均勻明亮。若稍動針孔微調(diào)或是移動物鏡均會使光斑發(fā)生變化，此時

14、空間濾波器已經(jīng)調(diào)好。,30,空間濾波器,,,31,注意事項,不可以用手去碰針孔，也不可以對針孔吹氣或做任何的不當(dāng)接觸，更不要去戳它。 不要讓眼睛接觸(直視)到激光。 此組件的螺絲非常精細(xì)，操作時請仔細(xì)轉(zhuǎn)動，以免用力傷害螺紋。,32,平行光束的調(diào)整方法,（1）放置準(zhǔn)直透鏡于擴(kuò)束后的光路中，使準(zhǔn)直透鏡的前面，即較平的一面對擴(kuò)束鏡，另一面為光束的輸出面，不可用反。 （2）粗略移動準(zhǔn)直透鏡，使其前焦點大致位于擴(kuò)束鏡的后焦點（即激光的會聚點）重合。 （3）將光屏放在準(zhǔn)直透鏡后觀察輸出光與準(zhǔn)直透鏡的邊框影子，橫向平移準(zhǔn)直透鏡，使光斑處于框影的中央對稱位置。,33,平行光束的調(diào)整方法,（4）旋轉(zhuǎn)準(zhǔn)直透鏡，使

15、其光軸與激光傳播方向一致。這可以從擴(kuò)束鏡面順著激光傳播方向觀察準(zhǔn)直透鏡，這時可以看到隨準(zhǔn)直透鏡光軸移動的一系列光點，這些光點是由于激光透過準(zhǔn)直透鏡，由透鏡玻璃的球形表面部分反射的光形成的。當(dāng)這些光點所形成的直線與激光傳播方向重合時（目視）即可認(rèn)為準(zhǔn)直透鏡的光軸方向已經(jīng)調(diào)。 （5）沿光軸方向微微平移準(zhǔn)直透鏡，使從準(zhǔn)直透鏡輸出的光為平行光束。,34,平行光束的調(diào)整方法,上述第(3)、(4)、(5)項調(diào)整步驟要反復(fù)進(jìn)行才能最后調(diào)好。 （6） 檢測準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直度。,35,檢測準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直度 方法,1光斑法 2自準(zhǔn)直法 3剪切干涉法,36,光斑法,在準(zhǔn)直透鏡后面近處和遠(yuǎn)處垂直于光軸的平面上分別放置光

16、屏，并分別量取在這兩個光 屏上的光班直徑和，L為兩屏之間的距離。然后按下式計算光束的準(zhǔn)直度。 軸向調(diào)節(jié)準(zhǔn)直透鏡的位置，使得，此時光束準(zhǔn)直度最好，準(zhǔn)直透鏡處于最佳位置。光斑法需多次測量近處和遠(yuǎn)處光屏上的光斑直徑，調(diào)整工作不大方便，而且由于激光束的高斯性質(zhì)，光斑直徑不易測準(zhǔn)。因而，此法一般只在粗調(diào)時使用。這時，并不對光斑直徑作精確測量，只是用人眼直接估計遠(yuǎn)近兩位置上的光斑大小，當(dāng)認(rèn)為大致相等時再用剪切干涉法精調(diào)。,37,自準(zhǔn)直法,先不放置針孔濾波器，將一帶小孔的紙屏放在擴(kuò)束鏡的后焦點上，讓激光束從紙屏的小孔中無阻擋地通過。在準(zhǔn)直透鏡后放紙一塊平面反射鏡，使準(zhǔn)直透鏡輸出的光束反射折回，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡會

17、聚到紙屏上。調(diào)節(jié)反射鏡使會聚光斑位于小孔的近旁。當(dāng)前后移動準(zhǔn)直透鏡時，屏上的會聚光斑的大小會發(fā)生變化。當(dāng)光斑最小時即認(rèn)為已經(jīng)調(diào)整好。,38,自準(zhǔn)直法,這可以從光路的可逆性來解釋。當(dāng)準(zhǔn)直透鏡的前焦點與擴(kuò)束鏡的后焦點重合時，準(zhǔn)直透鏡輸出的是平行光束，經(jīng)反射鏡反射后仍以平行光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡，因而必然恰好會聚于前焦面上，光斑直徑最小。如果準(zhǔn)直透鏡沒有調(diào)好，準(zhǔn)直透鏡輸出的將是發(fā)散(或會聚)光束，由平面反射鏡返回的也是發(fā)放(或會聚)光束，這時返回的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后將會聚在光屏的后面(或前面)，而在紙屏上的光斑必然較大。 自準(zhǔn)直發(fā)不如剪切干涉法精確，但它可用于白光光束的調(diào)整，而剪切干涉法只能用于相干光束的

18、調(diào)整。,39,剪切干涉法,在準(zhǔn)直透鏡后面的光束中放置一個平面平晶OP，使光束經(jīng)平晶反射的光投射在光屏上如下圖，由平晶前后表面反射的光分別在光屏上形成一個光斑。出于平晶具有一定的厚度，兩個光斑將相錯開。在二者重疊的剪切區(qū)內(nèi)將出現(xiàn)平行的剪切干涉條紋。沿光鈾方向仔細(xì)移動準(zhǔn)直透鏡，使干涉條紋對稱地由密逐漸變粗，直到條紋最寬或成均勻光場，這時準(zhǔn)直透鏡便是處于最佳位置。,40,剪切干涉法,1：擴(kuò)束鏡與空間濾波器SF 2：準(zhǔn)直鏡,3：平面平晶OP 4：原始波面 5： 原始波面 6：剪切波面,41,波面形狀與干涉條紋,42,原始波面和剪切波面的干涉圖,假定此波面接近平面，其相對于平面的波差可表示為 ，其中

19、 為波面上任意一點 的坐標(biāo)。當(dāng)波面在 方向上的剪切量為 時，在同一點上，剪切波面的誤差為 。因此，原始波面與剪切波面在 點處的光程差以干涉條紋的形式表現(xiàn)出來為： 以干涉條紋的形式表現(xiàn)出來為： 其中 為干涉條紋的級次， 為波長。在剪切量比較小，方向與軸一致的情況下，則可以近似寫為， 此式就為求解波面形狀與干涉條紋形狀的關(guān)系式。,,,,,,,,,,,,,,,43,初級像差,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)只有初級像差時，其波像差函數(shù)可寫為： 其中，A,B,C,D,分別為球差，慧差，像散，離焦系數(shù)，E為繞X軸的傾斜系數(shù)，F(xiàn)為繞Y軸的傾斜系數(shù)。此式出發(fā)來討論各種波差的剪切干涉圖。,,44,離焦

20、,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)存在離焦時，波面相對于參考波面的波差為，其剪切干涉光程差與干涉圖樣表示為一組等間距的平行直條紋，條紋方向與方向（即剪切方向）垂直，條紋密度正比于離焦量D的大小。當(dāng)沒有傾斜時，表示波面重疊區(qū)內(nèi)的干涉條紋消失，呈現(xiàn)一片均勻的干涉場。,45,離焦干涉圖,,,,,焦前,焦點（無離焦）,焦后,46,傾斜,研究波面橫向剪切干涉時，若假設(shè)剪切波面相對原始波面只有錯位而無傾斜。但是在實際剪切干涉中，常常還存在一定量的波面傾斜，而且傾斜方向通常與剪切方向垂直。這時，由傾斜引起的光程差顯然是y的線性函數(shù)(繞x軸傾斜)，因此當(dāng)只有波面傾斜時的光程差： 由此可見波面傾斜引起的剪切干涉條紋也是一組等間距的平

21、行直條紋，條紋方向于x軸方向平行，如圖(b)所示,,47,傾斜干涉圖,,,,,48,離焦與傾斜共存,當(dāng)離焦與傾斜同時存在時，則干涉區(qū)域的光程差 此式表示一組既不與x軸平行也不與y軸平行的等間距平行直條紋，如圖a，c所示。有圖可見，當(dāng)存在一定量的波面傾斜時，有可能更準(zhǔn)確地檢測出波面是否離焦因為這時要判斷的是條紋的方向有無傾而不是有無條紋。,,49,初級球差,根據(jù)初級球差的波差方程表示為：,,因此單一初級球差的剪切干涉條紋圖可表示為,50,初級球差與離焦共存,表示一組x的三次曲線形狀的干涉條紋。除球差外還同時存有離焦時，其干涉圖樣公式為,,51,(a)焦前（b）焦點（c）焦后（d）焦后,,,,,,

22、52,初級球差離焦與傾斜共存,如果波面除存在初級球差與離焦外，同時還存在傾斜，則條紋干涉方程為 當(dāng)初級球差比較小，而又沒有離焦項，則方程近似表示 這時位于x軸附近的條紋將具有橫向積分符號“”的特征，如圖所示,,,53,初級球差,離焦,傾斜共存干涉圖樣,,54,初級慧差,初級慧差的波差表達(dá)式為 由于慧差是不對稱的，所以其剪切干涉條紋的形狀隨剪切方向的不同而不同，當(dāng)在x方向剪切時，則有 表示的是一組以x軸和y軸為漸近線的等軸雙曲線型條紋，如下圖a所示 在y方向則有 表示的是一組橢圓形條紋，其長短軸之比為 。,,,,,55,初級慧差干涉圖,,,,,,56,初級像散,干涉圖樣公式為： 分別表示不同密度的直干涉條紋，如圖所示,,,,57,初級像散干涉圖,,,,,