光电信息技术实验报告24857.docx
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1、华中科技大学实验课程学生实实验报告实验课程名称 光电信息技技术实验 专业班级 光电11107班 学生姓名 李悌泽泽 学 号 uu2011115116 课程负责人 陈晶田、黄黄鹰 目录实验一 阿贝贝原理实验3实验二 激光光平面干涉仪仪实验7实验三 用原原子力显微镜镜(AFM)进行行纳米表面形形貌分析10实验四 光电电直读光谱仪仪实验14实验五 光谱谱法物质成分分分析实验20实验六 光电电透过率实验验24实验七 摄像像机原理与视视频图像叠加加实验29实验八、光谱透透过率实验33实验九 红外报报警器的设计计与调试42实验一 阿贝贝原理实验一、 实验目的1. 熟悉阿贝原理在在光学测长仪仪器中的应用用。
2、二、 实验原理1. 阿贝比较原则:此为万能工具显显微镜的结构构图,其特点点是标准件与与被测件轴线线不在一条线线上,而处于于平行状况。产产生的阿贝误误差如下:只有当导轨存在在不直度误差差,且标准件件与被测件轴轴线不重合才才产生阿贝误误差。阿贝误差按垂直直面、水平面面分别计算。在违反阿贝原则则时,测量长长度为l的工工件引起的阿阿贝误差是总总阿贝误差的的l/L。为避免产生阿贝贝误差,在测测量长度时,标标准件轴线应应安置在被测测件轴线的延延长线上。2. 阿贝测长仪阿贝测长仪中,标标准件轴线与与被测件轴线线为串联型式式,无阿贝误误差,为二阶阶误差。三、 实验内容1. 用万能工具显微微镜进行测长长实验测量
3、1角,5角角硬币及圆形形薄片的直径径,用数字式式计量光栅读读数,每个对对象测量100次,求算术平平均值和均方方根值。实验步骤: 瞄准被测物物体一端,在在读数装置上上读数,再瞄瞄准物体另一一端,在读书书装置上再读读一个数据,两两次读数之差差即为物体长长度。2. 阿贝测长仪进行行长度测量实实验采用传统目视法法读数,实验验步骤同上。四、 实验数据与分析析1. 万能工具显微镜镜数据结果2.阿贝测长仪仪数据结果对比采用两种仪仪器测定的结结果。得出以以下结论:(1) 对于同一测量对对象,万能工工具显微镜和和阿贝测长仪仪对物体尺寸寸测量的结果果较为接近。因因而可以初步步判定1角硬硬币的直径为为(18.995
4、00+118.8944)/2=118.9222mm。5角角硬币的直径径为(20.259+220.41110)/2=20.3335mm。圆圆形薄片的直直径为(377.402+37.36678)/22=37.3385mm。(2) 比较两种仪器对对同一测量对对象的测量结结果的数据方方差,对于11角硬币和圆圆形薄片阿贝贝测长仪的数数据方差较小小,对于5角角硬币,两者者测量结果的的方差值差别别不大,阿贝贝测长仪对物物体尺寸的测测量相对较精精确。实验二 激光光平面干涉仪仪实验一、 实验目的1 掌握激光平面干干涉仪的使用用方法。2 理解双光束等厚厚干涉的基本本原理。3 观察干涉条纹,并并掌握材料平平面度的测
5、量量方法。二、 实验原理1. 平面干涉仪的基基本原理: 平面干涉仪基于于双光束等厚厚干涉原理进进行精密观测测。如上图所所示,S为扩扩展光源,位位于准直透镜镜L1的前焦焦面上,发出出的光束经透透镜L1准直直后射向玻璃璃片M,再从从玻璃片反射射垂直投射到到楔形平板GG上。入射光光束在楔形平平板上表面的的反射光由原原路返回,透透过玻璃片MM后射向观察察显微镜L22;在楔形平平板下表面反反射的光透过过平板上表面面和玻璃片反反射向L2。按按照确定定域域面的作图法法,可知定域域面在楔形平平板内部的BBB位置。若平平板不是太厚厚,且平板两两表面的楔角角不是太大时时,定域面非非常接近于平平板下表面,这这样如调
6、节显显微镜L2对对准平板下表表面,就可以以在显微镜像像平面上观察察到楔形平板板的等厚条纹纹。平面干涉仪结构构如上图所示示。由组合星星点G1发出出的单色光经经棱镜G2后后,投向主镜镜表面折射为为平行光后,射射向主镜下表表面及被测光光学平面,主主镜下表面和和被测光学平平面发射回来来的光叠加相相干,镜棱镜镜G2的反射射,进入接收收件。星点可可由激光管GG5、棱镜GG6、光源强强度调节发散散镜G7组成成。接收件可可以由人眼GG10,成像像物镜G155和测微目镜镜G11成像像。三、 实验内容玻璃材料的平面面度测量:(1) 测量局部误差 1=N*/2=H/2e(2) 测量整个面形误误差2=N*/2四、 实
7、验步骤(1) 移开成像物镜GG15和测微微目镜G111,旋转调整整左、右螺旋旋8,使平板板绕水平面的的横轴或纵轴轴微小摆动,出出瞳S2绕SS1转动直到到S2和S11接近重合。(2) 装上成像物镜和和测微目镜,继继续旋转调整整左、右螺旋旋8,直到测测微目镜视场场中干涉条纹纹清晰。(3) 测量e和H,并并计算1和2。五、 实验结果与分析析取四组不同位置置记录测微目目镜位置读数数,获得三组组弯曲程度H和条条纹间隔e的的测量结果:组别H(mm)e(mm)10.4850.75520.4940.72830.4830.719平均0.4870.734则,1=N*/2=H/2e=0.487mmm*632.8nm
8、/(2*0.7734mm)=209.9nm实验三 用原原子力显微镜镜(AFM)进进行纳米表面面形貌分析一、 实验目的1. 理解AFM的基基本原理,掌掌握AFM的的操作流程。2. 掌握使用AFMM进行微小尺尺寸的表面分分析的基本实实验方法。二、 实验原理1. AFM背景简介介:1986年,GG.Binnning与CC.F.Quuate等人人在STM的的基础上发明明了原子力显显微镜AFMM,AFM克克服了扫描隧隧道显微镜SSTM对样品品导电性的要要求,亦达到到原子级分辨辨率。2. AFM工作原理理:如下图所示,对对微弱力敏感感的悬臂梁一一端固定,另另一端有探针针,针尖表面面与样品轻轻轻接触。由于于
9、探针尖端原原子与样品表表面原子间存存在极其微弱弱的排斥力(110e-8NN10e-6N),使使悬臂梁产生生形变,利用用光学检测法法或隧道电流流检测法可以以测出形变大大小,从而得得到排斥力大大小。通过反反馈控制悬臂臂梁或者样品品上下运动使使得扫描时针针尖与样品表表面排斥力恒恒定,则扫描描运动轨迹反反映了样品表表面形貌和特特性。与STM相比,AAFM有两个个关键技术:一是AFMM力传感器的的制备,二是是力传感器悬悬臂梁形变的的检测。下图是利用光学学检测法进行行形变检测的的方案:三、AFM操作作流程样品清洗开机机水平调节和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,根根据材料的不不同
10、进行不同同的处理方式式。目的都是是为了去除表表面的污染物物,使表面洁洁净。对于半半导体材料,根根据材料的不不同采取以不不同的腐蚀液液进行洗片。一般步骤为: a用去离子子水做初步清清洗; b放入腐蚀蚀液中浸泡并并用超声波清清洗一段时间间(时间视材料不不同自定); c用去离子子水洗掉材料料表面残留腐腐蚀液; d用氮气进行吹干干; e吹干后放放入干净样片片袋中暂时保保存并准备测测试;(2) 开机 a开启设备备电脑开关及及双屏显示器器;b开启显微镜光光源;c开启光学显微微镜 CRTT 显示器电电源;d将设备主部隔隔尘罩小心地地取下,将显显微镜调整至至设备主机方方向,光斑打到载物台台中心处;e打开设备主
11、机机电源,在主主机conttrolleer 的控制制板上,确认认AFM 模模式;f打开pc中的的 软件,激激活软件与设设备主机连接接图标;(3) 水平调节和偏差差调节: 水平调节: aa水平调节完完后拧松探针针固定旋钮,倾倾斜着取下 AFM 针针夹具, 倒倒置轻放在滤滤纸上,放于于衣袖碰触不不到的地方,以以免碰伤悬臂臂; bb放样品,样样片粘于专用用样品台片上上,用镊子夹夹好样片轻推推到样 品品台上(注意意:样品台片片与底座是磁磁铁,有一定定吸引力,要要小心 放放置); cc放好样片后后,调节显微微镜,观察CCRT使显微微镜聚焦到样样片表面。 d用用镊子直接调调整样品位置置,在CRTT上观察确
12、定定样品测试点点位于下 针位位置附近;偏差设定a 放置 AFFM 测试夹夹具,一定要要小心,注意意观察悬臂与与样品表面的的距离,若相相距太近,则则将测试夹具具小心取出,放放置妥当后, 使用手动抬抬针方法将三三个支柱抬高高,同时保证证三支柱设备备光路台面水水平;b高度调节到安安全距离以后后,小心地放放入AFM 针测试夹具具,用肉眼结结合CRT 上观察确定定样品与针的的保持一段距距离,调节显显微镜使其聚聚焦到探针;c 拧紧夹具固固定旋钮来固固定夹具,此此时主机显示示屏上,标定定激光器电压压的SUM 值为(6.77.33)左右则正正常。先调节节垂直偏差旋旋钮使垂直偏偏差(Verrt)读数接接近0.0
13、VV,再调节水水平偏差旋钮钮使探测器的的水平偏差值值(Horiiz)接近00.0V。若若第一次不能能保证同时为为0,则重复复调节保证两两个值在0.0V附近。 (44)手动下针针 aa开始手动下下针,先轻扒扒微调钮进行行DOWN操操作,同时顺顺时针(由下下往上看)旋旋转如上图标标注的两旋钮钮,并且调节节显微镜聚焦焦到探针,如如此反复多次次调节。注意意每操作一次次后观察光学学显微镜CRRT保证探针针没有接触样样片(观察方方法:使显微微镜聚焦到探探针,若调节节显微镜可迅迅速得到清晰晰样片的像,表表明探针和样样片距离很近近);b当样品表面与与悬臂焦距接接近时,调节节使此时的水水平偏差值(HHORZ)和
14、和垂直偏差值值(VERTT)分别至00V 和(-0.6-0.8)。c放好样品后,利利用底座旋钮钮对底座进行行调节是探针针处于显示器器的一个可标标定的位置,而而后每次下针针使探针保持持此位置不变变,则三轴基基本保持同时时移动。d当观察到显示示器上探针和和样品表面快快接近时,先先聚焦到样品品表面。然后后DOWN操操作微调,调调节另外两轴轴的旋钮,观观察显示器上上水平偏差和和垂直偏差示示数,当示数数突然出现较较大变化时停停止下针并回回调一点。(一一般垂直偏差差会先开始变变化,慢慢升升至2.4左左右再突增到到9,因此垂垂直偏差变化化到2.0左左右可停止下下针,一般针针与表面距离离会在0.55um以内)
15、。 (55)自动下针针 a在软软件中设置当当前样品需要要的扫描范围围(scann sizee),台阶高高度(datte scaale),扫扫描速度(sscan rrate)等等参数;b台阶高度不可可超多1m,扫描速速度设置在55m/s 以以内为宜;(即即scan sizescan rate 5)c单击启动软件件中自动下针针控件,下针针过程中注意意观察主机中中的水平偏差差值(Horriz)和垂垂直偏差(VVert),示示值趋势是减减小的为正常常;d若要移动扫描描区域,下针针完成后,将将扫描频率调调低(即降低低扫描速度),设设置X 轴与与Y轴的offfset 值(offfset 范范围不得超过过7
16、0m),确定定扫描位置和和范围后,重重新开始从上上往下或从下下往上扫描,并并拍取图象。 (66)关机 关闭激激光器; 关闭设设备主控电源源; 关闭光光学显微镜 CRT 电源源、光源; 将光学学显微镜置于于原本所在方方向,盖上物物镜盖; 将主机机隔尘罩小心心的罩于主机机上;关闭计算机电源源及双屏显示示器电源。实验四 光电电直读光谱仪仪实验一、 实验目的1. 掌握光栅式光谱谱仪分光原理理。2. 熟悉光电直读光光谱仪光电系系统和机械结结构。3. 掌握光电直读光光谱仪的基本本光谱实验。二、 实验原理1. 平面衍射光栅的的分光原理如上图所示,当当一束平行的的复合光入射射到光栅上,光光栅能够将它它按波长在
17、空空间分解为光光谱,这是由由于多缝衍射射和干涉的结结果。光栅产产生的光谱,其其谱线的位置置是由多缝衍衍射图样中的的主极大条件件决定的。相邻两刻线对应应的光线222和11的光程差为为: =d(siin i+(-)sin)入射光与衍射光光在光栅法线线同侧取+,异异测取-。相干光束干涉极极大条件:=m即,光栅方程:d(sinn i+(-)sin)= m其中,d为刻线线间距,也就就是光栅常数数;i为入射射角;为衍射角;m为光谱级级次。2. 光栅式单色仪光光学系统切尔尼-特纳系系统光栅中心位于入入射光线与出出射光线的对对称轴上,两两个球面反射射镜的焦距均均为300mmm,入射与与出射狭缝位位于球面镜的的
18、焦面。平面面反光镜作为为折射光镜将将出射光线折折转90度,以以使出缝与入入缝垂直分布布,可以避免免因为光源与与光电接收器器距离过近而而相互干扰。复复色光源经入入射狭缝照明明在球面镜上上,此镜将平平行光投射到到光栅上,光光栅将复色光光衍射分光,分分成不同波长长的平行光束束以不同的衍衍射角投向球球面镜上,此此镜将接收的的平行光束聚聚焦在出缝处处,从而得到到一系列按波波长排列的光光谱。透过出出缝射出的光光束只是光谱谱宽度很窄的的一束单色光光。扫描机构构运行时,光光栅随之旋转转,这样就可可以得到所选选择的单色光光。光路中的的光阑和挡光光板起到限制制视场外多余余光束的作用用,以利于减减小仪器的杂杂散光。
19、 3.CCD作探探测器的光电电直读光谱仪仪结构图如上图所所示1.入射狭缝及及调焦筒 2.平面面反射镜 3.光光栅旋转手轮轮4.波长计数器器 55.球面反射射镜 6.球面反反射镜7.CCD探测测器 8.调焦焦螺母 9.调焦筒紧固固螺钉线10.滤光片 主主要参数及指指标: 波波段范围:3330-11100nm 焦焦距:1800nm 平平面光栅:3300线/mmm;闪耀波波长:5000nm 相相对孔径:DD/f=1/3.8三、 实验内容1 分析光栅式光电电直读光谱仪仪的基本光学学系统,绘制制光路图和机机构图,记录录基本参数。2 了解VC+采采集软件,及及计算机界面面设计,包括括:对话框、光光谱曲线显
20、示示。3 用CCD探测器器的光电直读读光谱仪进行行光源光谱采采集。4 用光电池作探测测器的光电直直读光谱仪进进行光源光谱谱采集。四、 实验步骤1. 钠光灯光谱实验验开启钠光灯高压压电源;调整整光谱仪输入入狭缝大小(大大约1mm)使使输出电压在在合适范围内内;用VC+采集软件件采集钠光灯灯光谱曲线。用用数据文件记记录光谱曲线线,根据光谱谱曲线记录钠钠光灯峰值波波长。2. 汞灯光谱实验开启汞灯高压电电源,调整聚聚焦透镜使光光源像聚焦到到调整光谱仪仪输入狭缝,调调整狭缝大小小(约0.55mm)使输输出电压在合合适范围内;用VC+采集软件采采集汞灯光谱谱曲线。根据据光谱曲线确确定汞灯峰值值波长。五、
21、实验结果与分析析 采用光电电池作为探测测器的光电直直读光谱仪对对钠光灯和汞汞灯进行光谱谱测量。VCC+采集软软件采集的光光谱曲线如下下:钠光灯:结论:观察光谱谱曲线,我们们可以明显地地发现在5990nm左右右处有一个特特征峰值,与与钠灯发光的的理论特征谱谱线589.0、5899.6nm相相符合。可能能由于光谱仪仪分辨率有限限,无法分辨辨0.6nmm的波长间隔隔,因此软件件采集绘制的的光谱曲线仅仅观察到一个个特征谱线。汞灯:汞灯有六条特征征谱线分别位位于404.7nm,4407.8nnm,4355.8nm,5546.1nnm,5777nm,5779.1nmm处。观察实实验测得的光光谱曲线,在在接
22、近4100nm处有一一个特征峰,对对应404.7nm以及及407.88nm的谱线线,此时若将将显示窗口放放大,理应看看到两条谱线线分开。在440nm左左侧有一个峰峰值对应4335.8nmm特征谱线。在在550nmm左右有一个个峰值,对应应546.11nm的特征征谱线。在5590nm左左侧,可观察察到两个小的的峰值,对应应577nmm和579.1nm特征征谱线。综上上所述,对比比理论规律,实实验测量结果果较为准确。采用光电池作为为探测器的光光电直读光谱谱仪对钠光灯灯和汞灯进行行光谱测量。VVC+采集集软件采集的的光谱曲线如如下:汞灯的光谱曲线线:实验五 光谱谱法物质成分分分析实验一、 实验目的1
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- 光电 信息技术 实验 报告 24857
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