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1107班
学生姓名李悌泽
学号u201115116
课程负责人陈晶田、黄鹰
目录
实验一阿贝原理实验 (3)
实验二激光平面干涉仪实验 (7)
实验三用原子力显微镜（AFM）进行纳米表面形貌分析10 实验四光电直读光谱仪实验 (14)
实验五光谱法物质成分分析实验 (20)
实验六光电透过率实验 (24)
实验七摄像机原理与视频图像叠加实验 (29)
实验八、光谱透过率实验 (33)
实验九红外报警器的设计与调试 (42)
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。

为避免产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被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1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10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
对比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量的结果
较为接近。

因而可以初步判定1角硬币的直径为（18.9500+18.894）/2=18.922mm。

5角硬币的直径为（20.259+20.4110）/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1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别不大，阿贝测长仪对物体尺寸的测量相对较精确。

实验二激光平面干涉仪实验
一、实验目的
1．掌握激光平面干涉仪的使用方法。

2．理解双光束等厚干涉的基本原理。

3．观察干涉条纹，并掌握材料平面度的测量方法。

二、实验原理
1.平面干涉仪的基本原理：
平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。

如上图所示，S为扩展光源，位于准直透镜L1的前焦面上，发出的光束经透镜L1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表面的反射光由原路返回，透过玻璃片M后射向观察显微镜L2；在楔形平板下表面反射的光透过平板上表面和玻璃片反射向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。

若平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近于平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可以在显微镜像平面上观察到楔形平板的等厚条纹。

平面干涉仪结构如上图所示。

由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面及被测光学平面，主镜下表面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G10，成像物镜G15和测微目镜G11成像。

三、实验内容
玻璃材料的平面度测量：
（1）测量局部误差δ1=△N*λ/2=Hλ/2e
（2）测量整个面形误差δ2=N*λ/2
四、实验步骤
（1）移开成像物镜G15和测微目镜G11，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S1转动直
到S2和S1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涉条纹清晰。

（3）测量e和H，并计算δ1和δ2。

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：
则，
δ1=△N*λ/2=Hλ/2e=0.487mm*632.8nm/(2*0.734mm)=209.9nm
实验三用原子力显微镜（AFM）进行纳米表面形貌分析
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进行微小尺寸的表面分析的基本实验方法。

二、实验原理
1.AFM背景简介：
1986年，G.Binning与C.F.Quate等人在STM的基础上发明了原子力显微镜AFM，AFM克服了扫描隧道显微镜STM对样品导电性的要求，亦
达到原子级分辨率。

2.AFM工作原理：
如下图所示，对微弱力敏感的悬臂梁一端固定，另一端有探针，针尖表面与样品轻轻接触。

由于探针尖端原子与样品表面原子间存在极其
微弱的排斥力（10e-8N~10e-6N），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。

通过反馈
控制悬臂梁或者样品上下运动使得扫描时针尖与样品表面排斥力恒定，
则扫描运动轨迹反映了样品表面形貌和特性。

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。

下图是利用光学检测法进行形变检测的方案：
三、AFM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。

目的都是为了去除表面的污染物，使表面洁净。

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表面残留腐蚀液；
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，光斑打到载物台中心处；
e打开设备主机电源，在主机controller 的控制板上，确认AFM 模式；
f打开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表面。

•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，一定要小心，注意观察悬臂与样品表面的距
离，若相距太近，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高度调节到安全距离以后，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（6.7～7.3)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。

若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，如此反复多次调节。

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，若调节显微镜可迅速得到清晰样片的像，表明探针和样片距离很近）；
b当样品表面与悬臂焦距接近时，调节使此时的水平偏差值（HORZ）
和垂直偏差值(VERT)分别至0V 和（-0.6~~-0.8）。

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表面快接近时，先聚焦到样品表面。

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，一般针与表面距离会在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；
（即scan b台阶高度不可超多1μm，扫描速度设置在5μm/s 以内为宜；
size×scan 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（Vert），示值趋势是减小的为正常；
d若要移动扫描区域，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70μm），
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.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涉的结果。

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11’的光程差为：
△=d（sin i+（-）sinθ）
入射光与衍射光在光栅法线同侧取+，异测取-。

相干光束干涉极大条件：△=mλ
即，光栅方程：d（sin i+（-）sinθ）= mλ
其中，d为刻线间距，也就是光栅常数；i为入射角；θ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，可以避免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。

D作探测器的光电直读光谱仪
结构图如上图所示
1.入射狭缝及调焦筒
2.平面反射镜
3.光栅旋转手轮
4.波长计数器
5.球面反射镜
6.球面反射镜
D探测器 8.调焦螺母 9.调焦筒紧固螺钉线
10.滤光片
主要参数及指标：
波段范围：330-1100nm
焦距：180nm
平面光栅：300线/mm；闪耀波长：500nm
相对孔径：D/f=1/3.8
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1mm）使输出电压在合适范围内；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）使输出电压在合适范围内；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0.6nm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，546.1nm，577nm，579.1nm处。

观察实验测得的光谱曲线，在接近410nm处有一个特征峰，对应404.7nm以及407.8nm的谱线，此时若将显示窗口放大，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546.1nm的特征谱线。

在590nm左侧，可观察到两个小的峰值，对应577nm 和579.1nm特征谱线。

综上所述，对比理论规律，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： 300nm—850nm
光栅：平面光栅1200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 0.1nm
焦距 300nm
相对孔径 D/f=1/6
分辨率≤0.2
线色散倒数 2.7nm/mm
杂散光≤10e-3
狭缝宽度0.01-3mm连续可调整，高度2，4，6，8，10mm共5档
外形尺寸 390*260*200mm（主机）
320*365*110mm（控制器）
3.分光光度计
如下图所示，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，可得试样在不同波长下的透过率曲线。

透过率=I/Io
I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）=abC
a：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合适范围内；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.理解透过率测量的原理。

3.设计透过率测量系统的各部分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，只有一部分辐射功率透过介质，最后被探测器接收。

1.比尔-朗伯定律：
若传播媒介中同时存在吸收和散射，则辐射能量为Φ的入射辐射在传播距离x之后，透过的辐射能量为：Φ（x）=Φ（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，又称透射率或者透射系数。

其计算公式为：T=（I1/I0）×100%
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+12V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1kHz。

（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=1kHz，增益Av=2，品质因数Q=10。

（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-1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稳压源。

2.接通函数发生器电源开关，设置函数发生器为1kHz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-1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、0.10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1kHz？
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1kHz,所以激光调制频率也应该为1kHz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：采用示波器观察对比函数发生器输出端和I/V转换电路输出端的波形，若两个波形基本相同，则系统的工作具有正确性。

3.若要增大测量的距离，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。