川大光学设计实验_折射率测定实验

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1、现代光学设计实验（二）物质折射率测定实验光学作为一门本科光学专业的必修课，主要以理论知识的形式出现，在诸多具体应 用中，也多是仅提出一种方法，具体的应用过程都要进行光电信号的有机结合。本实验 的目的即是结合理论基础与实际应用，实现光电的有机结合。1. 设计要求本课程是一门以实践为主的综合实验技术科，要求学生在已学过的波动光学、数字 电路、模拟电路等相关基础课、专业课和实验课的基础上，提出一套实用的物质折射率 测定方案，设计必要的光学系统和硬件电路，完成光电信号的转换，物理信号与硬件电 路的有机结合，实现对物质折射率的准确测量。2. 物质折射率测定原理2.1 双缝干涉原理如图1所示，由光源S发出

2、的光的波阵面同时到达S和S。通过s和s的光将发生1 2 1 2衍射现象而叠加在一起。由于S和s是由S发出的同一波阵面的两部分，所以这种产生12光的干涉的方法叫做分波阵面法。考虑屏上任意一点P,从s和S到P的距离分别为r和r。由于在图示装置中，从1 2 1 2S到s和s等远，所以s和s是两个同相波源。因此在P处的强度就仅由从s和s到P1 2 1 2 1 2点的波程差决定。有图可知，这一波程差为 二 r r u d sin 021式中0是P点的角位置，即s S的中垂线MO与MP之间的夹角。通常0很小。所 以有：5 = r2产生明纹的条件为：其在屏上的位置为：l2一 r u d sin u dxta

3、n = d D产生暗条纹的条件为：8 = +kXk=0,l,2k=0,l,28 = （2k+】）2k=0,l,2其在屏上的位置为：（2k+1）= （2k+】）2d九 k=0,1,22.2 实用折射率检测系统当我们在双缝干涉中将一折射率n厚度为h的物体放在S1前面时就引入了额外光 程差A5，表现为条纹在屏上发生了位移Ax。只要知道物体的厚度h,以及条纹的移动 距离变可以计算出物体的折射率n。然而实际测量时，当把待测物体至于S1前时，条纹 移动会出现跳变，因此实际上很难得知条纹到底移动了多少距离，而且距离的测量会引 入较大误差，测得的折射率结果误差较大，因此引入如图 2 所示的检测系统：在S1前放

4、置待测物体W1,其折射率为n1未知，厚度hl。S2前放置一互补楔形物 体W2,折射率n2,总体厚度为h2,楔形物W2由机械系统驱动，可以自由滑动，动态改 变厚度h2的值。通过调节W2可以使中央0级亮纹始终位于两孔的中垂线上。由两物体 光程差的互补可知：驱动方向四象限探测器U信号输出所以：图 2 实用折射率检测系统hx1h x n22Hhh21对于物体W2,其移动采用高精度旋转机械臂驱动，厚度h2是机械旋转臂旋转角度a 的函数：f(a)f(a)n-h21所以：hn二严n1 21测量时只需调节机械旋转臂使零级亮纹位置不变，记录旋转角度a便可测得待测物 折射率。同时为了使零级亮条纹精确位于屏幕的原点

5、O处，我们使用四象限探测器来实 现，检测时四象限探测器放置在屏幕H的原点O处。2.3 利用四象限探测器检测零级亮纹原理四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，如图3 所示。一般将四象限光电探测器置于 光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出 的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限 上（也就知道了目标的方位）。通过前置放大电路对四路信号进行预放大便可以得到四 路输出。VOUT1VOUT2分为对成对角线的两路输出做差分放大，输出分别为V和V,当零级亮条纹完

6、全位OUT1OUT2于原点O时，差分电路的两路输出均为零：V二V 二0 （为什么？），据此便可以 OUT1 OUT 2实现对零级亮纹位置的准确检测。3. 系统设计整个检测系统主要由四大功能模块组成：光学检测模块、信号处理模块、供电模块与功能扩展模块。系统组成如图 4 所示。信号处理模块功能扩展模块图 4 系统组成框图3.1 光学检测模块检测系统的光学组成组要是更具双峰干涉原理来构建，这里不再详细介绍，其构成参见图 3 所示。这得注意的是在构建光学系统的时候，要特别注意各个物理参数的设 定，以使干涉条纹达到最好的状态（相干条件），同时传感器在屏幕上位置要做到尽量 的精确，这是决定探测精度的一个重

7、要因素。同时如何选择合适的传感器也是决定检 测精度至关重要的因素。问题： 干涉的条件是什么？ 传感器选型时需要注意什么？ 光路搭建过程中需要注意什么？3.2 传感器前置放大电路设计 四象限探测器探测到光强并转化成相应的电流信号，而我们需要的是电压信号，因此在进行差分之前必须将电流信号转化成电压信号(i/v Convert)。I/V转换原理如图5 所示。R1IAA/V图 5 Current to Voltage Converter电流电压关系为：V i ROUTiN 1问题： 选择放大器的时候对放大器特性有什么要求，为什么？(提示：放大器偏执电流i B (Basic Current)。 如何确定

8、电路中各电阻的阻值？ 如果经过I/V转换后输出电压还是过低，达不到差分电路的输入要求，应该采取 什么措施？3.3 差分放大电路图 6 Difference Amplifier(R +R12IR3 + R4丿最普遍的差分放大电路如图 6 所示。电路的输入输出关系为：V OUT问题： 差分放大器选型依据是什么？ 怎样实现电压 V1 和 V2 真正意义上的差分？ 本实验中对光强的测量时绝对测量吗？为什么？3.4 电源模块电路正常工作需要提供稳定的直流电源（DC Power Supply）。可以选用稳压源作为 电路的工作电源（一般选择三端稳压芯片）。同时由于电路中所用的IC芯片各异，电源 电压也可能不

9、同，而且电源极性也不一样（如一些放大器需工作在双电源状态，需要正 负工作电压），这时还需要进行电压（极性）的转换。稳定的电源直接影响着电路工作 的稳定性与可靠性。问题： 选择稳压芯片和电压转换芯片（如果需要）的时候需要注意什么？ 电源部分在设计 PCB 电路板的时候需要注意什么？3.5 扩展功能设计此检测系统电路设计方面的扩展功能主要有：ADC和LED数码管（LCD）显示，对两 路差分输出值实时显示。加入这些功能后需要加一块 MCU 和一些译码芯片来控制 AD 转 换和数码管的显示功能，并进行简单的汇编语言编程设计。有兴趣和余力的同学可以考 虑加入这些扩展功能，在这里不做统一要求。3.6 小结

10、不管是I/V转换电路、差分放大电路，还是供电电路，其电路设计有多种形式，因 此在电路设计过程中可根据需要适当的改变电路设计的方式，不一定局限于提供的参考 电路。在电路设计的过程中，不一定是器件性能越好越好，要学会选择合适的IC器件, 既要满足应用要求，同时也要考虑设计成本。同时学会查看器件的数据手册（ Data Sheet）,这些都是硬件设计中最基础的技能。器件的选择与采购可参见以下网站：器件数据手册/购买：器件数据手册：器件主要生产厂商：亚德诺半导体（Analog Devices）, 德州仪器（Texas Instruments）。4. 电路板设计与制作电路板设计与制作软件有很多种，基于电路

11、设计的复杂程度有不同的选择。对于简 单的电路设计与制作最常见的设计有Protel 99SE和Protel DXP。两者的软件界面与使用 方法大同小异。下面以 Protel 99SE 为例来简单描述电路板设计制作的流程。Protel 99SE主要有5个功能模块组成：电路原理图设计模块； PCB设计模块；自动布线模块；可编程逻辑器件（PLD ）模块；电路仿真模块。在本光学实验中我们需要用到前面2（3）个模块。设计一块完整的电路板的流程主 要如下：（1）新建设计任务。启动Protel 99SE，执行菜单命令【File】/【New Design】系统将弹出如图 7 所示的新建设计数据库文件对话框。图

12、7修改文件存储路径如图修改可以之定义工程名与存储路径。（2）电路原理图设计。在新建的设计中执行菜单命令【File】/【New】系统将弹 出如图 8 所示的对话框。原理图 库文件图 8选择原理图文件“Schematic Document”系统默认原理图文件名“Sheetl.Sch,可自定义命名。打开原理图文件出现如图 9 所示界面：图 9 原理图绘制界面原理图绘制时可以调用系统自带库文件中的器件符号，也可以自行绘制。自制原理图符 号在这不再详细介绍。原理图绘制完成后要对原理图进行错误检查。在原理图文件中执 行菜单命令【Tools】/【ERC】，在生成的(*.ERC)文件中可以查看相应的错误或警

13、告。同时在电路原理图中出错的地方会被标记出来，仔细检查错误并纠错，知道没有错 误为止。(3) 生成网络表。在设计好的原理图界面上执行【Design】/【Create Netlist】 命令，在弹出的建立网络表对话框中单击OK按钮，Protle系统自动生成与原理图 同文件名的网络文件(* .ne t)。(4) 设计印刷电路板。完成电路原理图设计和生成网络表之后，就可以开始设计印刷电路板了。在进行设计之前首先新建一个PCB设计文档（见第2步），修改PCB 文件名，打开PCB文件后按一下步骤设计。规划电路板：在进行PCB布局之前要确定电路板板框。方法是在印刷电路板 设计界面中的【KeepOu tLa

14、yer】层确定一个矩形区域，即电路板板框。载入网络表：在PCB文件中执行菜单命令【Design】/【Load Nets】，选择 上面生成的网络表，点击Execute执行。元件布局和调整：引入网络表后元件在PCB上的放置是杂乱的，移动元件， 按一定的规律放置好。设置布线规则：在【Design】/【Rules】/【Routing】设置布线规则。主要设置参数为：IfFile Edit View Place Design Tools Auto Route Reports Window HelpExplorer Browse PCB陥耳19厨Design Desktop 田驕 Active Design

15、 Stations 白d guandian.ddbDesign TeamRecycle Bin-Q documents Q Sheetl.ERC ；“裁 Sheet 1.5ch 国 PCB 1. PCBJ Design Explorer - D: A My WorksA A 90nm 扫描光刻机理明系统参数分析及计算.doPro tel 99 se 文件存储 gumndimn.ddb|京|咖iftK_not期DOI一占K3Smft園囚越线宽(Wid th Cons train t)与元器件间距(Clearance Cons train t)。图 10 PCB 制板界面其余可选择默认值。布线：布

16、线可以手工布线也可以自动布线。对于简单的电路可以选择自动布 线功能，自动布线命令为【Auto Route】/【All】。自动布线完成后有提示框显 示布线的信息：时间、完成度等。（5）保存与打印输出文件。电路原理图和电路板设计完成后要保存文件，每次修 改后也要注意保持文件。如果需要，可以将设计好的电路原理图与PCB图打印输出。注意： 电路原理图与PCB的设计过程大致如上，但也不仅局限于以上所述（如：PCB生 成的方法）。设计过程中设计的原理图绘制、原理图符号制作、元器件封装制作、 PCB 布线、设计规则等可具体参考其他参考书。参考书推荐：Protel 99SE基础教程，老虎工作室：张伟，王力编，

17、人民邮电出 版社。 Protel 99SE:软件可以从网上自行下载也可到经管楼907光学专业实验室拷贝。5. 设计报告5.1 设计报告主体内容要求设计报告中应包含如下内容（设计思想）： 折射率检测的原理分析； 检测系统组成，及系统功能框图，各功能模块的作用； 检测系统的光学结构组成图，光路搭建过程中的注意事项； 选择合适的四象限探测器，给出选型的依据及注意事项； I/V 转换电路设计思路，放大器的选型依据，各电阻阻值的确定，要求用Protel 99SE 画出电路原理图； 差分放大电路设计思路，放大器选型依据，各电阻阻值的确定，要求用Protel 99SE 画出电路原理图； 电源部分的设计，稳压

18、芯片的选择，电路中各电阻电容元件参数的确定， 要 求用 Protel 99SE 画出电路原理图； 用Protel 99SE画出由I/V、差分电路、电源三部分组成的电路板（PCB）；注意：实验只需要完成对传感器、电路中元器件的选型，不需要购买实物，电路板 （PCB ）不需要实际的加工制板，只需要用Pro tel 99SE完成PCB板的绘制任务即 可。虽然不需要购买传感器但是电路板上应保留有传感器的接口。5.2 提交文件要求 实验方案设计报告； 电路设计的数据库文件（内含：原理图文件、 PCB 文件），要求提交数据库 文件的电子版，原理图、 PCB 文件的打印版，附在实验总结报告末页； 实验总结报告（不少于4000字），具体格式参见四川大学学报（自然 科学版），除不要求写作英文摘要外，其余内容一律按照模板要求写作。总 结报告的写作内容参见 5.1 结中所提出的要求； 所选器件（放大器、稳压源、传感器）数据手册的第一页（器件概述），并 附在实验总结报告末页；方案设计报告格式参见光学设计实验（方案设计）报告模板设计报告格式参见四川大学学报（自然科学版）：2011.04.19四川大学电子信息学院光电系