光电信息技术实验报告.docx

1、光电信息技术实验报告华中科技大学实验课程学生实验报告实验课程名称 光电信息技术实验 专业班级 光电07班 学生姓名 李悌泽 学 号 u56 课程负责人 陈晶田、黄鹰 实验一 阿贝原理实验一、实验目的1.熟悉阿贝原理在光学测长仪器中的应用。二、实验原理1.阿贝比较原则：此为万能工具显微镜的结构图，其特点是标准件与被测件轴线不在一条线上，而处于平行状况。产生的阿贝误差如下：只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差。阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。在违反阿贝原则时，测量长度为l的工件引起的阿贝误差是总阿贝误差的l/L。为防止产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被

2、测件轴线的延长线上。2.阿贝测长仪阿贝测长仪中，标准件轴线与被测件轴线为串联型式，无阿贝误差，为二阶误差。三、实验内容1.用万能工具显微镜进行测长实验测量角，5角硬币及圆形薄片的直径，用数字式计量光栅读数，每个对象测量0次，求算术平均值和均方根值。实验步骤： 瞄准被测物体一端，在读数装置上读数，再瞄准物体另一端，在读书装置上再读一个数据，两次读数之差即为物体长度。2.阿贝测长仪进行长度测量实验采用传统目视法读数，实验步骤同上。四、实验数据与分析1.万能工具显微镜数据结果2.阿贝测长仪数据结果比照采用两种仪器测定的结果。得出以下结论：（1）对于同一测量对象，万能工具显微镜和阿贝测长仪对物体尺寸测

3、量的结果较为接近。因而可以初步判定角硬币的直径为（8.9500+8.894）/2=8.922mm。5角硬币的直径为（20.259+20.40）/2=20.335mm。圆形薄片的直径为（37.402+37.3678）/2=37.385mm。（2）比较两种仪器对同一测量对象的测量结果的数据方差，对于角硬币和圆形薄片阿贝测长仪的数据方差较小，对于5角硬币，两者测量结果的方差值差异不大，阿贝测长仪对物体尺寸的测量相对较精确。实验二 激光平面干预仪实验一、实验目的1掌握激光平面干预仪的使用方法。2理解双光束等厚干预的基本原理。3观察干预条纹，并掌握材料平面度的测量方法。二、实验原理1.平面干预仪的基本原

4、理： 平面干预仪基于双光束等厚干预原理进行精密观测。如上图所示，S为扩展光源，位于准直透镜L的前焦面上，发出的光束经透镜L准直后射向玻璃片M,再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板上外表的反射光由原路返回，透过玻璃片M后射向观察显微镜L2；在楔形平板下外表反射的光透过平板上外表和玻璃片反射向L2。按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的BB位置。假设平板不是太厚，且平板两外表的楔角不是太大时，定域面非常接近于平板下外表，这样如调节显微镜L2对准平板下外表，就可以在显微镜像平面上观察到楔形平板的等厚条纹。平面干预仪结构如上图所示。由组合星点G发出的单色光经棱镜G2后，

5、投向主镜外表折射为平行光后，射向主镜下外表及被测光学平面，主镜下外表和被测光学平面发射回来的光叠加相干，镜棱镜G2的反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。接收件可以由人眼G0，成像物镜G5和测微目镜G成像。三、实验内容玻璃材料的平面度测量：（1）测量局部误差 =N*/2=H/2e（2）测量整个面形误差2=N*/2四、实验步骤（1）移开成像物镜G5和测微目镜G，旋转调整左、右螺旋8，使平板绕水平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S转动直到S2和S接近重合。（2）装上成像物镜和测微目镜，继续旋转调整左、右螺旋8，直到测微目镜视场中干预条纹清晰。（3）测量e和H

6、，并计算和2。五、实验结果与分析取四组不同位置记录测微目镜位置读数，获得三组弯曲程度H和条纹间隔e的测量结果：组别H（mm）e（mm）0.4850.75520.4940.72830.4830.79平均0.4870.734则，=N*/2=H/2e=0.487mm*632.8nm/(2*0.734mm)=209.9nm实验三 用原子力显微镜（AFM）进行纳米外表形貌分析一、实验目的1.理解AFM的基本原理，掌握AFM的操作流程。2.掌握使用AFM进行微小尺寸的外表分析的基本实验方法。二、实验原理1.AFM背景简介：986，G.Binning与C.F.Quate等人在STM的基础上创造了原子力显微镜

7、AFM，AFM克服了扫描隧道显微镜STM对样品导电性的要求，亦到达原子级分辨率。2.AFM工作原理：如以以下图所示，对微弱力敏感的悬臂梁一端固定，另一端有探针，针尖外表与样品轻轻接触。由于探针尖端原子与样品外表原子间存在极其微弱的排斥力（0e8N0e6N），使悬臂梁产生形变，利用光学检测法或隧道电流检测法可以测出形变大小，从而得到排斥力大小。通过反响控制悬臂梁或者样品上下运动使得扫描时针尖与样品外表排斥力恒定，则扫描运动轨迹反映了样品外表形貌和特性。与STM相比，AFM有两个关键技术：一是AFM力传感器的制备，二是力传感器悬臂梁形变的检测。以以下图是利用光学检测法进行形变检测的方案：三、AFM

8、操作流程样品清洗开机水平调节和偏差调节手动下针自动下针关机（1）样品清洗：一般情况下，根据材料的不同进行不同的处理方式。目的都是为了去除外表的污染物，使外表洁净。对于半导体材料，根据材料的不同采取以不同的腐蚀液进行洗片。一般步骤为： a用去离子水做初步清洗； b放入腐蚀液中浸泡并用超声波清洗一段时间（时间视材料不同自定）； c用去离子水洗掉材料外表残留腐蚀液； d用氮气进行吹干； e吹干后放入干净样片袋中暂时保存并准备测试；（2）开机 a开启设备电脑开关及双屏显示器；b开启显微镜光源；c开启光学显微镜 CRT 显示器电源；d将设备主部隔尘罩小心地取下，将显微镜调整至设备主机方向，光斑打到载物台

9、中心处；e翻开设备主机电源，在主机controller 的控制板上，确认AFM 模式；f翻开pc中的 软件，激活软件与设备主机连接图标；（3）水平调节和偏差调节： 水平调节： a水平调节完后拧松探针固定旋钮，倾斜着取下 AFM 针夹具， 倒置轻放在滤纸上，放于衣袖碰触不到的地方，以免碰伤悬臂； b放样品，样片粘于专用样品台片上，用镊子夹好样片轻推到样 品台上（注意：样品台片与底座是磁铁，有一定吸引力，要小心 放置）； c放好样片后，调节显微镜，观察CRT使显微镜聚焦到样片外表。 d用镊子直接调整样品位置，在CRT上观察确定样品测试点位于下 针位置附近；偏差设定a 放置 AFM 测试夹具，一定要

10、小心，注意观察悬臂与样品外表的距离，假设相距太近，则将测试夹具小心取出，放置妥当后， 使用手动抬针方法将三个支柱抬高，同时保证三支柱设备光路台面水平；b高度调节到平安距离以后，小心地放入AFM 针测试夹具，用肉眼结合CRT 上观察确定样品与针的保持一段距离，调节显微镜使其聚焦到探针；c 拧紧夹具固定旋钮来固定夹具，此时主机显示屏上，标定激光器电压的SUM 值为（6.77.3)左右则正常。先调节垂直偏差旋钮使垂直偏差（Vert）读数接近0.0V，再调节水平偏差旋钮使探测器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。假设第一次不能保证同时为0，则重复调节保证两个值在0.0V附近。 （4）手动下针 a开

11、始手动下针，先轻扒微调钮进行DOWN操作，同时顺时针（由下往上看）旋转如上图标注的两旋钮，并且调节显微镜聚焦到探针，如此反复屡次调节。注意每操作一次后观察光学显微镜CRT保证探针没有接触样片（观察方法：使显微镜聚焦到探针，假设调节显微镜可迅速得到清晰样片的像，说明探针和样片距离很近）；b当样品外表与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分别至0V 和（0.60.8）。c放好样品后，利用底座旋钮对底座进行调节是探针处于显示器的一个可标定的位置，而后每次下针使探针保持此位置不变，则三轴基本保持同时移动。d当观察到显示器上探针和样品外表快接近时，先聚焦到样品外表。

12、然后DOWN操作微调，调节另外两轴的旋钮，观察显示器上水平偏差和垂直偏差示数，当示数突然出现较大变化时停止下针并回调一点。（一般垂直偏差会先开始变化，慢慢升至2.4左右再突增到9，因此垂直偏差变化到2.0左右可停止下针，一般针与外表距离会在0.5um以内）。 （5）自动下针 a在软件中设置当前样品需要的扫描范围（scan size)，台阶高度(date scale)，扫描速度(scan rate)等参数；b台阶高度不可超多m，扫描速度设置在5m/s 以内为宜；（即scan sizescan rate 5）c单击启动软件中自动下针控件，下针过程中注意观察主机中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差

13、（Vert），示值趋势是减小的为正常；d假设要移动扫描区域，下针完成后，将扫描频率调低（即降低扫描速度），设置X 轴与Y轴的offset 值（offset 范围不得超过70m），确定扫描位置和范围后，重新开始从上往下或从下往上扫描，并拍取图象。 （6）关机 关闭激光器； 关闭设备主控电源； 关闭光学显微镜 CRT 电源、光源； 将光学显微镜置于原本所在方向，盖上物镜盖； 将主机隔尘罩小心的罩于主机上；关闭计算机电源及双屏显示器电源。实验四 光电直读光谱仪实验一、实验目的1.掌握光栅式光谱仪分光原理。2.熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、实验原理1.

14、平面衍射光栅的分光原理如上图所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能够将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干预的结果。光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22和的光程差为： =d（sin i+（）sin）入射光与衍射光在光栅法线同侧取+，异测取。相干光束干预极大条件：=m即，光栅方程：d（sin i+（）sin）= m其中，d为刻线间距，也就是光栅常数；i为入射角；为衍射角；m为光谱级次。2.光栅式单色仪光学系统切尔尼特纳系统光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射镜的焦距均为300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦

15、面。平面反光镜作为折射光镜将出射光线折转90度，以使出缝与入缝垂直分布，可以防止因为光源与光电接收器距离过近而相互干扰。复色光源经入射狭缝照明在球面镜上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。光路中的光阑和挡光板起到限制视场外多余光束的作用，以利于减小仪器的杂散光。 3.CCD作探测器的光电直读光谱仪结构图如上图所示.入射狭缝及调焦筒 2.平面反射镜 3.光栅旋转

16、手轮4.波长计数器 5.球面反射镜 6.球面反射镜7.CCD探测器 8.调焦螺母 9.调焦筒紧固螺钉线0.滤光片 主要参数及指标： 波段范围：33000nm 焦距：80nm 平面光栅：300线/mm；闪耀波长：500nm 相对孔径：D/f=/3.8三、实验内容1分析光栅式光电直读光谱仪的基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2了解VC+采集软件，及计算机界面设计，包括：对话框、光谱曲线显示。3用CCD探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。4用光电池作探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。四、实验步骤1.钠光灯光谱实验开启钠光灯高压电源；调整光谱仪输入狭缝大小（大约mm）使输出电压

17、在适宜范围内；用VC+采集软件采集钠光灯光谱曲线。用数据文件记录光谱曲线，根据光谱曲线记录钠光灯峰值波长。2.汞灯光谱实验开启汞灯高压电源，调整聚焦透镜使光源像聚焦到调整光谱仪输入狭缝，调整狭缝大小（约0.5mm）使输出电压在适宜范围内；用VC+采集软件采集汞灯光谱曲线。根据光谱曲线确定汞灯峰值波长。五、实验结果与分析 采用光电池作为探测器的光电直读光谱仪对钠光灯和汞灯进行光谱测量。VC+采集软件采集的光谱曲线如下：钠光灯：结论：观察光谱曲线，我们可以明显地发现在590nm左右处有一个特征峰值，与钠灯发光的理论特征谱线589.0、589.6nm相符合。可能由于光谱仪分辨率有限，无法分辨0.6n

18、m的波长间隔，因此软件采集绘制的光谱曲线仅观察到一个特征谱线。汞灯：汞灯有六条特征谱线分别位于404.7nm，407.8nm，435.8nm，546.nm，577nm，579.nm处。观察实验测得的光谱曲线，在接近40nm处有一个特征峰，对应404.7nm以及407.8nm的谱线，此时假设将显示窗口放大，理应看到两条谱线分开。在440nm左侧有一个峰值对应435.8nm特征谱线。在550nm左右有一个峰值，对应546.nm的特征谱线。在590nm左侧，可观察到两个小的峰值，对应577nm和579.nm特征谱线。综上所述，比照理论规律，实验测量结果较为准确。采用光电池作为探测器的光电直读光谱仪对

19、钠光灯和汞灯进行光谱测量。VC+采集软件采集的光谱曲线如下：汞灯的光谱曲线：实验五 光谱法物质成分分析实验一、实验目的1.熟悉用光电倍增管作为传感器的光电直读光谱仪的基本结构和光学系统。2.掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。3.了解光电倍增管传感器的前置放大电路，单片机A/D转换程序，以及串行通讯电路。4.熟悉分光光度计基本原理。5.掌握吸收光谱法检测物质浓度。二、实验原理光电倍增管式光电直读光谱仪（1）原理图（2）主要技术参数波长范围： 300nm850nm光栅： 平面光栅200线/mm，刻线面积40mm*50mm闪耀波长： 500nm波长准确度 0.2nm波长重复性 0.nm焦距 300n

20、m相对孔径 D/f=/6分辨率 0.2线色散倒数 2.7nm/mm杂散光 0e3狭缝 宽度0.03mm连续可调整，高度2，4，6，8，0mm共5档外形尺寸 390*260*200mm（主机） 320*365*0mm（控制器）3.分光光度计如以以下图所示，分光光度计是进行物质荧光光谱光强研究和物质分子吸收光谱研究的重要仪器。主要由光源、发射单色器（光栅、两个球面反射镜）、调制盘、光电倍增管、试样池组成。为了实现线性化测量，光栅光谱仪中设计了正弦机构。如以以下图所示光栅垂直定位于一个转盘上，光栅、转盘以及摇杆联接成一体形成一个构件，摇杆和丝杆组成正弦机构。透过率测量原理：发射单色器进行波长扫描，可

21、得试样在不同波长下的透过率曲线。透过率=I/IoI为透过试样后的光强，Io为入射光强。吸收光谱测量原理：吸收光谱反映了物质本质特性，特定的气体、液体物质有特定的吸收光谱。定义：A=lg（Io/I）分光光度法检测溶液浓度朗伯比尔定律A=lg（Io/I）=abCa：常数，与入射光波长以及溶液性质、液层厚度和温度有关b：溶液厚度 C：溶液浓度。三、实验内容1.分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2.了解VC+采集软件，及计算机界面设计。3.用光电倍增管式光电直读光谱仪进行人民币防伪标志光谱实验。用紫光灯照射人民币荧光防伪标志以激发出荧光，用光导纤维获取防伪标志激发

22、出的荧光进入光电倍增管作传感器的光电直读光谱仪。调整光谱仪输入狭缝大小使输出电压在适宜范围内；用VC+采集软件采集人民币荧光光谱曲线数据。根据光谱曲线确定荧光光谱的峰值薄产。对真假人民币分别做一条光谱曲线。比较它们的峰值以区别人民币的真假。4.用双光束紫外可见分光光度计进行高锰酸钾溶液的浓度测定。首先配置已知浓度的高锰酸钾标准溶液，再配置另一浓度的高锰酸钾溶液，用分光光度计获得高锰酸钾溶液的吸光度曲线，以确定最大吸光度处的波长值。并采用溶液浓度相对法测量。四、实验结果与分析 由于设备损坏，该实验无法进行实验六 光电透过率实验一、实验目的1.学习单通道直接光电探测系统的设计方法。2.理解透过率测

23、量的原理。3.设计透过率测量系统的各局部电路并掌握调试技术。二、实验原理单通道直接光电探测系统是光电系统中比较简单的一种系统，是其他复杂光电系统的基础。透过率的测量是光学测量的一项重要内容，在光学元件检测、物质结构分析、物体的化学性质、生物医学领域得到了广泛的应用。一般情况下，辐射源的辐射要受到中间介质的吸收和散射，只有一局部辐射功率透过介质，最后被探测器接收。1.比尔朗伯定律：假设传播媒介中同时存在吸收和散射，则辐射能量为的入射辐射在传播距离x之后，透过的辐射能量为： （x）=（0）exp（ux）其中u为衰减系数。2.透过率的定义：激光透过媒质后的光强与透过前的光强的比值称为透过率，又称透射

24、率或者透射系数。其计算公式为：T=（I/I0）00%3.单通道直接测量系统：系统框图：由经过调制的激光器发出的一定波长的激光经介质后衰减，光强减小，分别测量出激光通过介质前后的光强，即可以测出激光通过此介质的透过率。光电传感器将入射的光信号转变成电信号，经信号处理电路，将交流信号变成直流信号，该直流信号的大小与入射到光电传感器上的光信号光强成正比，通过测量该直流电压的大小即可测量出激光通过介质的透过率。（1）驱动与调制电路：半导体激光器外接一个+2V的直流电源，调制信号可以用函数发生器中的方波，方波的信号频率采用kHz。（2）光电传感I/V转换电路光电传感器采用光电池，光电池输出为电流信号，后

25、续电路采用集成运算放大器构成I/V转换电路。（3）带通滤波电路本方案设计一个二阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率f=kHz，增益Av=2，品质因数Q=0。（4）积分电路积分电路的作用是将输入的交流信号变成直流信号，本实验采用专用真有效值转换芯片AD536，它能够计算直流和交流信号的真有效值。三、实验仪器半导体激光器、GDT型透射率检测实验装置、直流稳压电源、函数发生器、示波器、数字万用表。四、实验内容与步骤实验装置图： 电源给半导体激光器提供直流电源，函数发生器提供调制信号。载物台上放置被测物体。数字万用表用来测量积分电路输出的电压。实验步骤：1.按照上图连接好实验系统。接通半导体激光器直流

26、稳压源。2.接通函数发生器电源开关，设置函数发生器为kHz的方波，半导体激光器应输出一束被调制的激光。3.调整光路，使入射光可以入射到光电传感器上。4.接通GDT型透过率检测实验箱的电源，同时用示波器观察调制电路、I/V转换电路的波形。调整电路使连个波形基本相同。5.接通台式数字万用表的电源，用直流电压档测量积分电路输出的直流电压V。6.将标称透过率为0.90、0.79、0.50、0.32、0.0的五个标准样品依次置于载物台上，调整好光路，分别记录五种情况下积分电路输出直流电压。五、实验数据与结果分析相对误差计算结果结论：各样品测量值与标称值之间的相对误差均小于5%，在一定误差允许范围内测量结

27、果准确。六、思考题1.在本实验中，半导体激光器的调制频率为什么采用kHz？答：由于本实验接收端的信号处理电路主要采用模拟芯片实现，信号处理电路的带宽不高，只有几千赫兹左右。因而，在发射端对激光的调制频率不能太快，否则信号处理电路难以发挥性能。由于滤波电路的通带中心频率为kHz,所以激光调制频率也应该为kHz以保证信号能够通过带通滤波器。2.在实验中如何验证整个系统的正确性？答：采用示波器观察比照函数发生器输出端和I/V转换电路输出端的波形，假设两个波形基本相同，则系统的工作具有正确性。3.假设要增大测量的距离，本测量装置应如何改进？答：增大测量的距离，激光在空气中受到的散射和吸收越大，光电传感

28、器接收到的光强越小，信号光强较小，它受到环境中杂散光的影响就较大，转换为电信号后，信噪比不高，误差较大。 较为可行的改进方案是从信号处理电路着手，采用锁定放大器提取叠加着噪声的有效电信号。实验七 摄像机原理与视频图像叠加实验一、实验目的1.理解摄像机的工作原理及视频信号的构成。2.设计能在显示器上叠加简单图形的电路。二、实验原理1.视频信号基础一幅图像，根据人眼对细节的分辨能力有限的视觉特性，总可以看成是由许多小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素，像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。在电视系统中，把构成一幅图像的所有像素传送一遍称为帧处理，图像

29、的每帧由许多像素转变成相应的电信号，再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去，接收端接收后又同时进行转换，恢复出原发射信号。采用这一种传送方法，根据现代电视技术水平，一帧图像约由44万个像素点组成，则需要44万个通道才能传送一帧图像，这是不现实的。考虑到人的生理特性，可以把组成一帧图像的各个像素点的亮度按一定的顺序一个个地转化为相应地电信号依次发送出去，接收端再按照同样的顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的像素，只要这种转换传送进行的足够快，人眼就会感到重现图像是同时出现的，而没有闪烁感。（1）电视扫描只有对一幅图像进行分解和同步扫描后，才可能对这幅图像进行传递和再现。因此，一个

30、完整的电视信号不但应有反映像素亮度的视频信号，还应有保证与摄像管内电子束进行同步扫面的复合同步信号，以及在扫描逆过程时关闭电子束的复合消隐信号。根据人眼的生理特点，在不产生亮度闪烁感和保证有足够清晰度的情况下，帧扫描频率应该大于24Hz，每帧扫面行数必须大于625。隔行扫描：为了使图像清晰度不下降，又要减小系统的带宽，人们又提出了隔行扫描技术。隔行扫描方式是将一帧电视图像分成两场进行扫描。第一场扫出的第、3、5。等奇数行，称为奇数场；第二场扫第2、4、6。等偶数场。每一帧图像经过两场扫描，所有像素即可扫完，电视电子束的扫描轨迹也称为扫描光栅。摄像管与显像管：摄像管与显像管都套有行、场偏转磁场，电子束受磁场力的作用在屏幕上做周期性的往复运动。（2）亮度视频信号：视频输出电压的大小反映了一行中对应像素的明暗程度，视频信号具有正负极之分，对于正极性视频信号，像素越亮，信号的幅度越大；而对于负极性视频信号则相反，像素越亮信号的幅度越小。（3）复合消隐信号：在电视系统中，扫描正程期间传送图像信号，逆程期间不传送图像信号。电子束逆程扫面在荧光屛上出现回归线，将对正程的图像造成干扰，影响图像的清晰度。因此需使电视机在行、场逆程扫描期间进行电子束截止，以消除行、场逆程回归线，即实现消隐。方