《光電檢測技術及系統(tǒng)》 實驗指導書

《《光電檢測技術及系統(tǒng)》 實驗指導書》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《《光電檢測技術及系統(tǒng)》 實驗指導書（48頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 《光電檢測技術及系統(tǒng)》 實驗指導書 聞春敖 浙江大學光電信息工程學系 光電信息工程實驗中心 2013年 4月 實驗規(guī)則 注意事項 預習要求 1、 實驗前必須認真閱讀實驗指導書及必要的參考資料。明確實驗目的。熟悉內容和步驟，達到規(guī)定要求后才可進行。 2、 安裝實驗裝置前，檢查所有儀器電源開關“關”狀態(tài)，所有微調旋鈕為最小位置，安裝好后，應認真檢查，確定無誤。再經(jīng)指導老師檢查允許后方可接上電源，開啟電源時，必須通知本組同學，實驗完畢，需將可調旋鈕至最小，然后再關閉全部儀器電源。 3、 實驗時，不要

2、隨便開關電源，也不要使身體與設備的帶電部分接觸，實驗中有百伏以上甚至萬伏以上高壓，必須引起高度重視。 4、 一旦發(fā)生事故或異常情況，立即關閉所有電源，經(jīng)指導老師查明故障后，方可繼續(xù)實驗，尚未查明原因前，不要改變現(xiàn)狀，以便分析原因，吸取教訓。 5、 實驗完畢，實驗結果必須由指導教師審閱，待全部正確后方可將實驗裝置恢復原狀，所有儀器放回原處，排列整齊，經(jīng)老師同意后方可離去。 6、 進實驗室就得遵守實驗室規(guī)章制度，更應注意的是實驗時必須保持安靜、整潔、不許隨便亂動旋鈕及開啟電源開關，不準隨便搬動實驗裝置。 7、 實驗前簡單寫好實驗目的，原理步驟及預習要求所需測量的內容，理論曲線，然后根據(jù)實驗

3、要求進行安裝測試。 實驗報告寫法與要求 一、實驗報告應將實驗題目、目的、班級、組別、姓名、學號及同組者姓名等各項書寫完整。 二、實驗報告具體內容及要求：（可參考實驗指導書，但不能照抄，希望按自己體會寫）。 （一） 實驗目的 （二） 實驗儀器 （三） 實驗原理（簡寫） （四） 實驗步驟：（寫出實驗方法和順序，并畫出裝置示意圖或線路圖） （五） 實驗結果 （1） 記錄實驗現(xiàn)象及條件 （2） 記錄必要數(shù)據(jù)（必要時列出表格） （3） 對實驗結果進行理論分析  目 錄 實驗一 光伏探測器件的應用電路及其特

4、性測量 實驗二 光電導探測器的應用電路及其特性測量 實驗三 光電倍增管的應用電路及特性測試 實驗四 位置靈敏探測器（PSD） 實驗五 典型光電測量系統(tǒng)的設計 實驗六 光學傳感三維面形測量 實驗七 面陣CCD原理及驅動實驗 實驗八 光電探測器光譜響應的實驗 實驗系統(tǒng)的組成 系統(tǒng)由光電器件（光電倍增管、光電池等)、光電探測器測試暗箱、工作電源（鹵鎢燈電源、光電倍增管電源等）、電流電壓轉換及放大濾波電路、標準A光源穩(wěn)流電源、PSD位置傳感器實驗裝置、照度計、計算機等組成?？赏瓿蓪嶒烅椖坑泄夥綔y器件的應用電路及其特性測量、光電導探測器的應用電路及

5、其特性測量、光電倍增管的應用電路及特性測試、位置靈敏探測器（PSD）、典型光電測量系統(tǒng)的設計、數(shù)據(jù)采集卡及信號頻譜分析。部分實驗儀器介紹如下： 1．測試暗箱 光電探測器測試暗箱如圖1所示：暗箱分上下兩層。50W/12V鹵鎢燈發(fā)射出光經(jīng)過中性小孔減光盤后，由漫透射板出射均勻的漫透射光，光照射到半導體光電傳感器或通過反光鏡、漫反射板、小孔最后照射到光電倍增管。 圖1 光電探測器測試暗箱 減光盤共有八檔，減光盤刻度位置在3時出光最大，而后各檔的以此衰減，詳見表一。 減光盤刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 衰減倍率約 ×1 ×1/2 ×1/4 ×1/8

6、×1/16 ×1/32 ×1/64 黑 2 工作電源 電源主要有三部分組成：分別是鹵鎢燈電源、光電倍增管電源、測量電路工作電源。 2．1 鹵鎢燈電源 在科學研究和工業(yè)生產中，凡涉及輻射量和光度量的測試工作，如光源的發(fā)光強度、光通量、光探測器的光譜靈敏度、物體的光度性質以及測光儀器的檢測和標定等，一般都要使用標準光源作為測試依據(jù)。 標準光源包括兩部分：標準燈和與之配套的專用電源。標準燈是經(jīng)過精心制作和檢驗的優(yōu)質燈，經(jīng)國家計量部門標定并發(fā)給相應檢定數(shù)據(jù)和測試證書的方能作為標準燈使用。而標準燈專用電源應確保標準燈的發(fā)光強度的穩(wěn)定性和準確性，提供相應穩(wěn)定和準確的電流和電壓。只有

7、兩者極佳的配合，才能獲得最佳的標準光源的效果。 光電檢測技術及系統(tǒng)實驗中用到光源，對于光電器件的光照特性的測試，穩(wěn)定的光源至關重要。鹵鎢燈發(fā)光強度的穩(wěn)定性和準確性除了與其本身質量有關外，還取決于供電電源的穩(wěn)定性和準確性。電源的參數(shù)對于標準燈發(fā)光強度的影響可由下式體現(xiàn)： 1） 工作電壓對發(fā)光強度的影響： dI/I= 3.6 dU/U (1) 式中dI/I為發(fā)光強度的變化；dU/U為工作電壓的變化，若要求發(fā)光強度dI/I≤0.005 ，則dU/U≤0.0014。 2） 工作電流對發(fā)光

8、強度的影響： dI/I= 6 di/i (2) 式中di/i為電流的變化。若要求發(fā)光強度變化dI/I≤0.005 ， 則di/i≤0.00083。 上述結果表明工作電流的變化對發(fā)光強度更靈敏，因此給鹵鎢燈供電時，采用穩(wěn)流電源供電比穩(wěn)壓電源供電更合理和更優(yōu)越。 對鹵鎢燈來講，除應采用穩(wěn)流源供電外，在使用中還切忌電壓（或電流）沖擊。所謂電壓（電流）沖擊，是指突然給燈絲施加不超過損壞程度的較高電壓（電流）。因為燈絲在通電時產生熱膨脹，斷電時產生收縮，如工作電壓或電流突然施加變化，燈絲

9、受到?jīng)_擊其機械結構發(fā)生變化，這是影響燈的穩(wěn)定性及壽命的重要因素之一。所以，鹵鎢燈工作時應逐漸地從零電流或零電壓增加。關機時，也應逐漸降低電流或電壓，然后再關電源。在實際應用時通常規(guī)定開機15秒~25秒鐘，電流（或電壓）從零到達額定值。關機時也是一樣。這樣可避免過急的熱脹冷縮給燈絲造成的損壞。這對延長燈的壽命有著重要的作用。 該電源是為50W鹵鎢燈供電而研制，操作步驟如下 （1）、通過電纜線連接電源至鹵鎢燈，壓入啟動開關，開電源開關，電流由O 慢慢升高，約25秒到設定值。設定值可通過電流調節(jié)電位器設定。穩(wěn)定后電流調節(jié)至3.5~4.00A。 （2）、關機前，彈出啟動開關，電流由設定值慢慢下降

10、至O , 然后關電源。 注意：電源輸出端絕對不能短路，否則電源功率管將燒壞，請千萬注意。 2.2 光電倍增管電源 光電倍增管的供電方式有兩種，即負高壓接法，（陰極接電源負高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽極接電源正高壓，電源負端接地）。 負高壓接法的優(yōu)點是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號，也可以交流輸出信號，操作安全方便，缺點在于因玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應至少離開管子玻殼1~2mm，使系統(tǒng)的外形尺寸增大，否則由于靜電屏蔽的寄生影響，暗電流與噪聲都會增大。 正高壓接法的優(yōu)點是可使屏蔽光、磁、電的屏蔽罩直接與管子外殼相連，因而屏蔽效果好，暗電流小，噪聲水平低，由

11、于陽極處于正高壓，會導致寄生電容大，如果直流輸出，要求傳輸電纜能耐高壓，而且后級的直流放大器也處于高電壓，這樣會產生一系列的不便，如果是交流輸出，則需通過耐高壓、噪聲小的隔直電容。 實驗采用負高壓電源，通過電位器調節(jié)輸出電壓，調節(jié)范圍0～－1000V。 注意：電源輸出端切勿短路，高壓切勿觸摸接線端子。 2.3 測量電路工作電源 在設計時考慮到實驗平臺的通用性，設計提供+/-5V、+/-12V、+/-15V及+/-1.25～+/-35伏可調式穩(wěn)壓源以滿足各個實驗對電源電壓的不同要求。由于集成穩(wěn)壓器件7800/7900系列電路已極其成熟，并且其性能指標（額定電流為1.5A，穩(wěn)定度在5%以

12、內）完全符合實際需求，所以采用此7800/7900系列作為固定穩(wěn)壓源。而用可調穩(wěn)壓器件LM317/LM337作為可調穩(wěn)壓源的穩(wěn)壓器件?？烧{穩(wěn)壓源設計電路如圖2。 圖2 可調穩(wěn)壓源電路 電路工作原理：交流220V先經(jīng)變壓器降壓，降壓后的交流電通過橋堆整流，由電容進行濾波，通過調節(jié)電位器R2，使得LM317 out端與ADJ端的電阻和ADJ端與地間電阻的比值發(fā)生改變，而out端與ADJ端的電位差是固定的(為1.25V)，從而使out端電壓可調。 使用注意事項：電源輸出端絕對不能短路 3.電流電壓轉換及放大濾波電路 電流/電壓轉換及放大濾波電路是光電檢測中很重要的一部分，因光電器

13、件如光電二極管的短路電流和照度成線性，而一般通用的放大器件多是對電壓信號進行放大，所以電流/電壓轉換也成了必需。對于微弱光電流信號，經(jīng)電流/電壓轉換后的信號較小，所以放大是必不可少的，至于濾波，可以大大減少噪聲對信號的影響，對測量的準確性起著非常重要的作用，電路框圖和原理圖如圖3、圖4所示。 圖3 電流/電壓轉換及放大濾波電路框圖 電路組成 (1) I/V轉換(含調零) (2)可控增益放大器電路 (3)增益控制電路 (1).供電電源: 正負電源:+12V -12V GND 圖4 電流/電壓轉換及放大

14、濾波電路原理圖 (2). I/V轉換電路輸入端為高頻頭，輸出端為U01，I/V轉換電路的電阻Rf可通過短路線來選擇，接點OUT分別與接點*1K、 *10K、*100K、 *1000K 相連，對應的Rf 值分別為1K、 10K、100K、 1000K。調零短路線兩接點在集成電路U3的左邊。調零電位器為W6。主要是補償光電探測器的暗電流及I/V轉換電路的失調電流。 (3). 可控增益放大器電路輸入端為Ui2，輸出端為U02。增益由接點A和B來控制，見表2 接點A連+5V/A Lbite指示燈亮，令A=1。 接點B連+5V/A Hbite指示燈亮，令B=1。 表2 增益控制

15、表 B A 放大倍數(shù) 0 0 1 0 1 10 1 0 100 1 1 1000 實驗一 光伏探測器件的應用電路及其特性測量 一、 實驗目的 1、了解各種半導體光伏探測器件的工作原理及其基本特性 2、掌握各種半導體光伏探測器件的基本應用電路。 3、熟悉各種半導體光伏探測器件特性的測試方法。 二、 實驗設備及器材 1、光電探測器：測量光電池、光電三極管、光電二極管、P

16、IN光電二極管各一只。 2、測試暗箱（包括：光源、減光盤）壹套。 3、照度計、萬用表 各一只 4、多路穩(wěn)壓電源 一套 5、電流/電壓放大器 壹只 三、 實驗原理 1、光電二極管 光電二極管的全電流方程為： IL=SP?E- IO[exp（qV/kT）-1] 式中： SP——光電二極管的光照靈敏度（μA/lx） E ——探測面上的光照度（lx） IO——PN結的反向飽和電流（μA） q ——電子電荷 V ——光電二極管兩端的壓降（V） K —— 波耳茲曼常數(shù)（k=1.38×10-23J/K=8.61×10-5eV/K） T ——溫度（K） I（μA） RL

17、 RL V（v） Vb Vb RL RL 光電二極管的伏安特性如圖1所示 圖1 光電二極管的伏安特性及典型工作電路 圖2 開路電壓測量電路 V0C 1） 開路狀態(tài) KT q 基本電路如右圖2，開路電壓： VOC= ln（1+SP·E/I0） Rf Amp + — Cf V0 Is 圖3 電流/電壓放大器 2） 短路電流（線性工

18、作狀態(tài)） 基本電路如右圖3，電流/電壓 放大器的等效輸入阻抗為Rf/A （A為運放開環(huán)增益）很小， 則IS= SP·E，電流/電壓放大器的輸 出電壓： V0=Rf·Is=（Rf·Sp）·E RL V 圖4 無偏置電路 IL 3） 無偏置 基本電路如右圖4， IL= SP·E- I0[exp（qV/kT）-1] Vb V V0 RL IL 圖5 反向偏置電路 V=IL·RL 4） 反向偏置 基本電路如右圖5 IL= SP·E+ I0[1-exp（qV/kT）] V=Vb-V0=Vb- RL ·

19、IL 2、光電三極管 V0 VC RL （a） RL VC V0 （b） 圖6 光電三極管基本應用電路 光電三極管是在光電二極管的基礎上發(fā)展起來的，內部具有與普通三極管類似的電流放大作用。常用于光電控制方面?；緫秒娐啡鐖D6（a）、（b） 所示。輸出信號： （a） V0=IP·RL （b） V0=VC- IP·RL 四、 實驗內容及步驟 1、 光電二極管測試 1） 按照圖2電路，測量硅光電池和硅光電二極管在不同光照下的開路電壓VOC，記錄數(shù)據(jù)，并畫出開路電壓與光照的關系曲線。 減光盤刻度 3 2 1 0

20、 7 6 5 4 對應照度值 開路電壓VOC 2） 按照圖3電路，選擇合適的反饋電阻，測量輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，計算出硅光電池和硅光電二極管在不同光照下的短路光電流IS，畫出短路光電流與光照的關系曲線，并計算它們的光照靈敏度SP。 減光盤刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對應照度值 輸出電壓VO （Rf＝ ） 短路光電流IS 3） 按照圖4電路，當負載電阻RL為1KΩ，10

21、KΩ，100KΩ，1MΩ時，分別測量硅光電池和硅光電二極管，在不同光照下的光電特性曲線，記錄數(shù)據(jù)，并畫出輸出電流與光照的關系曲線。 4） 按照圖5電路，當負載電阻分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ，1MΩ，而偏置電壓分別為5V、10V時，測量硅光電池和硅光電二極管的光電特性曲線，記錄數(shù)據(jù)，并畫出輸出電流與光照的關系曲線。 偏置電壓(V) 0V 5V 10V 照度 (LX) RL (1KΩ) 輸出電壓VO 輸出電流IO RL (10KΩ) 輸出電壓VO

22、 輸出電流IO RL (100KΩ) 輸出電壓VO 輸出電流IO RL (1MΩ) 輸出電壓VO 輸出電流IO 2、光電三極管 1） 按圖6（a）的電路，當負載電阻分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ，1MΩ時，測量在不同光照下，光電三極管的光電特性，記錄數(shù)據(jù)，并畫出相應曲線。 2） 計算光電三極管的光照靈敏度SP。 五、 預習要求 1、復習教科書第四章有關

23、半導體光電探測器的相關內容。 2、預習實驗指導書的內容，編制實驗操作步驟。 六、 實驗報告要求 1、編寫實驗原理及操作步驟。 2、根據(jù)實驗中測得的數(shù)據(jù)，畫出相應的曲線，并計算有關的參數(shù)。 3、回答下列問題 1） 比較光電二極管、光電三極管、光敏電阻的光照靈敏度，線性工作范圍。 2） 在線性工作狀態(tài)，光電二極管的反向電壓加大后，為什么光電流與所加電壓無關？ 實驗二 光電導探測器的應用電路及其特性測量 一、 實驗目的 1、了解各種光敏電阻的工作原理及其基本特性

24、 2、掌握各種光敏電阻特性參數(shù)的測試方法 3、掌握各種光敏電阻的基本應用電路 二、 實驗設備及器材 1、光電探測器：光敏電阻一只。 2、測試暗箱（包括：光源、減光盤）壹套。 3、照度計、萬用表 各一只 4、多路穩(wěn)壓電源 一套 5、電流/電壓放大器 壹只 三、 實驗原理 利用具有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光電導器件，通常稱為光敏電阻，金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構如圖1所示，其光電特性： IP=SgEｒ·Vb 式中：Sg——光電導靈敏度 E ——光照度

25、 r —— 照度指數(shù)，在0.5～1 之間. 在弱光照(小于103lx) 時,近似為1, 為線性光電導； 強光照時,r值小于1, 為非線性光電導。 光敏電阻的主要特性參數(shù)有： 1） 光照特性：在一定的偏壓下，光敏電阻輸出的電信號（電壓、電流或電阻）與入射光通量（或照度）的關系。 2） 伏安特性：光照度不變時，光敏電阻所加電壓與流過光敏電阻的光電流的關系 3） 光敏電阻的r值，表示在對數(shù)坐標中，某一照度范圍內光敏電阻阻值曲線的斜率，通常r越大暗電阻越高。 光敏電阻的基本應用電路如圖2所示，輸出信號：V0=Ip·Rf Vb + — Cf V0

26、Rf 圖2 電流/電壓放大器 四、 實驗內容及步驟 1） 光照特性的測試 按照圖2電路，加一定的偏壓Vb，選擇合適的反饋電阻，測量光敏電阻在不同光照下的輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，畫出流過光敏電阻的電流與光照的關系曲線，并計算它們的光照靈敏度SP。 減光盤刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對應照度值 Rf (1KΩ) 輸出電壓VO 輸出電流IO Rf (10KΩ) 輸出電壓VO 輸出

27、電流IO 2） 伏安特性的測試 按照圖2電路，取不同的照度，選擇合適的反饋電阻，偏壓Vb從0V、5V、10V、15V…30V時的、測量光敏電阻在不同光照下的輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，計算出光電流，畫出曲線。 減光盤刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對應照度值 E1 = 輸出電壓VO 輸出電流IO E2 = 輸出電壓VO 輸出電流IO 3） 計算光敏電

28、阻在低光照條件下的光照靈敏度SP。 五、 預習要求 1、復習教科書有關半導體光電導探測器的相關內容。 2、預習實驗指導書的內容，編制詳細實驗操作步驟。 六、 實驗報告要求 1、編寫實驗原理及操作步驟。 2、根據(jù)實驗中測得的數(shù)據(jù)，畫出相應的曲線，并計算有關的參數(shù)。 3、對電阻Rf的取值應該考慮什么？ 實驗三 光電倍增管的應用電路及特性測試 一、實驗目的 1、 了解光電倍增管的工作原理及其基本特性 2、 掌握光電倍增管的基本測量電路 二、實驗設備及器材 1、光電探測器測試暗箱 一套 包括：鹵鎢燈、減光盤、光電倍增管（受光面8*24mm2）等。

29、 2、 微電流放大器 一套 3、 萬用表 壹只 4、 照度計 壹只 5、 可調高壓電源 壹套 三、實驗原理 光電倍增管的特性參數(shù)有陰極靈敏度、陽極靈敏度、電流增益、光電特性、暗電流。下面介紹本實驗涉及到的特性和參數(shù)。 1、 靈敏度 靈敏度是衡量光電倍增管將光信號轉換成電信號能力的一個參數(shù)，一般指積分靈敏度, 單位為uA/ｌm，通常，光電倍增管的使用說明書中都分別給出了它的陰極靈敏度和陽極靈敏度,有的管子還需標出陰極的蘭光、紅光或紅外靈敏度。 ① 陰極靈敏度 K A 陰極靈敏度SK是光電陰極本身的積分靈敏度，是指陰極回路中的光電流與照在陰極面上的光通量之比值,

30、它與光電面的材料和工藝有關。測量光電陰極靈敏度時，光電陰極和前幾級倍增極的極間電壓應大于40~50伏。測量電路如圖1所示。光電陰極面上的 光源 (2856K) R10 1MΩ R2 R1 Aa HV Ak 圖1 陰極靈敏度測量電路 光通量一般為10-4ｌm~10-6ｌm ，由于光電陰極的靈敏度一般為數(shù)十（uA/ｌm），測量回路電流很小，因此在允許的情況，光通量選擇大一些。高壓偏低一些，一般為400伏~600伏，以防陽極電流過大?；芈分械?MΩ為保護電阻。 ②陽極靈敏度 陽極靈敏度SP是指光電倍增管在一定工作電壓下陽極輸出電流

31、與照在陰極面上光通量的比值，即SP=IP/Ф（A/lm），它是一個整管參數(shù)。在測量時為保證光電倍增管處于正常的線性工作狀態(tài)，光通量要取得比測量陰極靈敏度時小一些，因為倍增極材料的二次發(fā)射系數(shù)σ值是所加電壓的函數(shù)，所以光電倍增管的陽極靈敏度與整管工作電壓有關。 2、放大倍數(shù)（電流增益） 在一定的工作電壓下，光電倍增管的陽極信號電流和陰極信號電流之比稱為該管的放大倍數(shù)或電流增益，以符號M表示，則 M = IP/IK 式中，IP為陽極信號電流；IK 為陰極信號電流，放大倍數(shù)M主要取決于系統(tǒng)的電子倍增能力，因此它也是工作電壓的函數(shù)，由于陽極靈敏度包含了放大倍數(shù)，也可以在一定工作電壓下測試出

32、陽極靈敏度SP和陰極靈敏度SK的數(shù)值，然后求其比值即可得放大倍數(shù)，即 M = SP/SK 以上是理論定義，真正測試時，由于增益數(shù)值很大，一步測定M值比較困難，通常所采用的方法之一是： 首先在足夠弱的光通量下測定與某一工作電壓相應的陽極電流IP（注意陽極電流應在線性范圍內），然后，使光通量增強m倍（注意不能改變光譜分布），測定陰極電流IK，這時只有光電倍增管的第一級和前幾級倍增才施加正常電壓，以免光電倍增管輸出過載，這時電流增益可按下式求得： M = SP/SK·m 式中：IP—弱光通量下測定的陽極電流； IK—強光通量下測定的陰極電流； m—光通量的增加倍數(shù)。 3

33、、暗電流 光電倍增管在完全沒有一點光照的情況下，在規(guī)定的工作電壓下，測得的陽極輸出電流。光電倍增管的暗電流與工作電壓及環(huán)境溫度有密切關系。暗電流決定光電倍增管能測定的最小光通量（即該管的極限靈敏度）。 暗電流是由熱電子發(fā)射、極間漏電流，管內殘余氣體的離子發(fā)射，場致發(fā)射，管內熒光等引起的。 4、 供電電路 （1）高壓的連接方式 光電倍增管的供電方式有兩種，即負高壓接法，（陰極接電源負高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽極接電源正高壓，電源負端接地）。 負高壓接法的優(yōu)點是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號，也可以交流輸出信號，操作安全方便，缺點在于因玻殼的電位與陰極電位接近，

34、屏蔽罩應至少離開管子玻殼1~2mm，使系統(tǒng)的外形尺寸增大，否則由于靜電屏蔽的寄生影響，暗電流與噪聲都會增大。實驗采用負高壓接法。 （2）分壓器 光電倍增管極間電壓的分配最常用的方案是如圖1所示的電阻鏈分壓器，最佳的極間電壓分配取決于三個因素：即陽極峰值電流、允許的電壓波動、允許的非線性偏離。 光電倍增管極間的分配可按前級區(qū)、中間級區(qū)和末級區(qū)加以考慮，前級區(qū)的收集電壓必須足夠高，以便第一倍增極有高的收集效率和大的二次電子發(fā)射系數(shù)，中間級區(qū)的各級間通常具有均勻發(fā)布的級

35、間電壓，以便管子獲得最佳增益，由于末級區(qū)各級特別是末級需支取較大電流，所以末級區(qū)各級間電壓不能過低，以免形成空間電荷效應而使管子失去應有的直線性。 當陽級電流增大到與分壓器電流相比擬時，將會導致末級區(qū)各級間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴重的非線性，為防止級間電壓的再分配以保證增益的穩(wěn)定，分壓器電流至少為最大陽極電流的20倍，對于直線性要求很高的使用場合，如精密的光幅射測量中，為了保證測量信號的線性度優(yōu)于1%，一般要求分壓器上的電流是陽極最大光電流的100倍以上。 當確定了分壓器電流后，就可以根據(jù)光電倍增管的最大陽極電壓算出分壓器的總電阻，再按照適當?shù)募夐g分壓分配，由總電阻求出各分

36、壓電阻的阻值。 （3）輸出電路 光電倍增管輸出的是電流信號，輸出阻抗很高，可作為一個理想的恒流源來考慮，因此輸出電流與負載電阻無關。實際上，對負載阻抗也存在一個上限，因為負載電阻上的電壓降明顯地降低末級倍增極與陽極之間的電壓，因而會降低放大倍數(shù)，致使光電特性偏離線性。 Rf 當光電倍增管用在低頻光信號測量中時，陽極輸出的光電流可采用電流/電壓放大器，此時光電倍增管應采用負高壓供電，如圖2所示，輸出信號V0=Ip·Rf 此時運算放大器的同、反相端為同電位，陽極與末級倍增極間的電壓不受光電流信號的影響。 V0=Ip · Rf -HV Ip AMP _ + Cf A

37、 K 圖2 陽極電流測量電路 四、實驗裝置 1、光電倍增管測試裝置及暗箱前面板接線柱分布如圖3所示。測試暗箱分上下兩層。50W/12V鹵鎢燈發(fā)射光經(jīng)過中性小孔減光盤后，由漫透射板出射均勻的漫透射光。反光 圖3 光電倍增管測試裝置 鏡將光束從暗箱的上層轉折到下層，再經(jīng)過漫反射板散射后，光信號再一次衰減，最后相對微弱的光信號照到光電倍增管上。 2、實驗用光電倍增管（931A）直徑1－1/8英寸、鼠籠形、九級倍增、側窗型、硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm、最大響應波長400nm。各光電倍增管陰極靈敏度如下表 編號 7996 8121

38、 8699 8756 9064 9232 9277 9284 9653 9669 Sk( uA/ｌm ) 27.1 35.2 42.1 51.7 44.7 41.0 50.3 56.8 35.0 43.2 五、實驗內容及步驟 1、暗電流測量（注意：鹵鎢燈不開） （１）電流/電壓放大器連電源（+12v/-12v 、GND，+5v、地） 連out至1000k、連Vo1至Vi2、連 +5V/Ｂ至Ｂ（放大10０倍）。記下此時的V’（Vo2）。 （注意：此步驟時不連信號線） （２）將暗箱前面板接線柱接線柱①②短接，③連接到高壓

39、輸出負端(-HV)，④接正端（地）。 （３）陰極輸出信號④⑤用信號線連接到電流/電壓放大器。④接地、⑤接屏蔽線的芯線。 ?。ǎ矗┱{節(jié)光電倍增管電源上的電位器至最小（逆時針到底），開電源開關，調高壓從–400V 到-1000Ｖ，記下相應的Vo2值，高壓調小后關電源。處理后得暗電流與所加的電壓之間的關系。 測試條件： 第一級反饋電阻Rf= ，第二級放大倍數(shù)A= ,零點偏差電壓V’= 負高壓(V) -400V -450V -500V -550V -600V -650V -700V 輸出電壓Vo2 Vo =Vo2-V’

40、 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負高壓(V) -750V -800V -850V -900V -950V -1000V 輸出電壓Vo2 Vo =Vo2-V’ 陰極電流 Io=Vo/(A*Rf) 2、光電倍增管增益和陽極靈敏度測量 （1）連接線路參照暗電流測量線路 （2）開鹵鎢燈電源（4A），調節(jié)減光盤，選擇兩種入射光照（減光盤刻度3、1處）下，測量光電倍增管在不同高壓（-400伏至-1000伏）時的陽極光電流。

41、 測試條件： 第一級反饋電阻Rf= ，第二級放大倍數(shù)A= ,零點偏差電壓V’= 負高壓(V) -400V -450V -500V -550V -600V -650V -700V 輸出電壓Vo2 E1= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負高壓(V) -750V -800V -850V -900V -950V -1000V E1= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf)

42、 E2= 陽極電流 Io=Vo/(A*Rf) ３、光電陰極面上的入射光通量測量 （1）將接線柱①②連接到電流/電壓放大器，③④分別接到高壓電源的負（地）、正輸出端。 （2）將高壓電源的輸出調至-450V~-500V。 （3）打開鹵鎢燈電源（4A），測量入射光最大（減光盤刻度３）時相應的Vo2值，計算光電陰極面上的入射光通量。 測試條件：實驗用光電倍增管陰極靈敏度Sk( uA/ｌm )＝ ，負高壓(V)＝ ， 第一級反饋電阻Rf= ，第二級放大倍數(shù)A= ,零點偏差電壓V’= 記錄 輸出

43、電壓Vo2＝ 計算得到光通量＝ ４、根據(jù)２、３的結果及陰極靈敏度表，計算光電倍增管在不同高壓時的陽極靈敏度和增益，并畫出相應的特性曲線。 《注意事項》 1、在開啟高壓開關、鹵鎢燈電源開關前，首先要檢查連接線是否正確，檢查各輸出旋鈕是否處于最小位置。關高壓電源前，首先要把旋鈕旋到最小位置，然后關斷。 2、光電倍增管對光的響應極為靈敏，因此在沒有完全隔絕外界光的情況下，切勿對管子施加工作電壓，絕不允許在強光下開啟光電倍增管電源，否則會導致管內倍增極的損壞。 3、不準在超過規(guī)定工作電壓最大值時使用。 六、預習要求 1、復習教科書中的相關內容； 2、預習實驗指導

44、書的內容，編制實驗操作步驟。 七、實驗報告要求 1、 畫出實驗所用管子的接線圖，并注上所用參數(shù)。 2、 做出暗電流與陽極電壓之間的關系曲線。 3、 計算減光盤處于各檔時，陰極面上入射的光通量。 4、 計算不同高壓時，光電倍增管的陽極靈敏度及放大倍數(shù)。 5、 對以上計算結果和曲線作相應分析，并說明原因。 6、 通過本實驗對加強實驗動手能力，提高實驗質量有哪些改進措施。 八、思考題 1、光電倍增管是依據(jù)哪兩個原理工作的？本實驗所采用的光電倍增管光電陰極采用什么材料？響應波長范圍多少？峰值波長多少？ 2、光電倍增管的倍增級結構有幾種形式？各有什么特性？本實驗采用的又是哪種結

45、構？進光形式在端面還是在側面？ 3、光電倍增管的供電電路有幾種形式，本實驗采用哪種形式?有什么特點？ 4、本實驗測試中應注意哪些問題？為什么？ 實驗四 位置靈敏探測器（PSD） 一、實驗目的 1、掌握位置靈敏探測器PSD的工作原理及特點。 2、掌握位置靈敏探測器PSD的直流工作電路。 3、掌握利用位置靈敏探測器PSD進行光點的位置檢測。 二、實驗原理 位置靈敏探測器（Position Sensitive Detectors）是一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的光電探測器件，其輸出信號與光點在光敏面上的位置有關。光電位置傳感器被廣泛地應用于激光束的監(jiān)控（對準

46、、位移和振動）、平面度檢測、二維位置檢測系統(tǒng)等。 1、PSD的工作原理 圖1是一個PSD的斷面結構示意圖，在一個平面硅基片上制作了一個PIN三層結構，上面為p層，下面為n層，中間為I層，p層是有均勻電阻率的光敏層。 當入射光照射到PSD的光敏層上，在入射位置上就產生了與光能成比例的電荷，此電荷通過電阻層為電極所吸收而形成光電流.由于p層的電阻是均勻的，所以電極①和電極②輸出的電流分別與入射位置和電極之間的距離成反比。設電極①和電極②間的距離為2L，電極①和電極②輸出的光電流分別為I1和I2，兩者之和為I0，則I0=I1+I2 I1 ③I0 I2 L L P層 i 層 n層

47、 ① ② xA 圖1 PSD結構示意圖 若以PSD的中心點位置作為原點時，光點離中心點的距離為xA，如圖1所示，于是 （1） 利用式1即可確定光入射點對于器件中心的位置xA，它只與I1、I2電流的和、差及比值有關. 2、位置傳感器分類 PSD分為兩類：一維PSD和二維PSD。一維PSD主要用來測量光點在一維（x坐標）方向上的運動位置。二維PSD主要用來測量光點在平面上地二維（x，y）坐標，它地受光面是方形的，比一維PSD多一對電極。按其結構可分雙側雙電極型和單側四電極型

48、。 3、PSD信號處理電路 根據(jù)PSD原理及光點位置的表達式，轉換電路首先應對PSD輸出的光電流進行電流-電壓轉換并放大，再按轉換公式的要求，通過運算放大器進行預置相加和相減運算，最后通過模擬除法器相除，得到光點的位置信號。圖2是一種一維PSD轉換電路原理圖，圖中：Rf值取決于輸入電流的大??；Divide為模擬除法器；所有的運放(U1、U2、U3、U4)為低漂移運算放大器。 圖2一維PSD直流工作電路原理圖 4、PSD的主要特性 （1）光譜響應特性 PSD的光譜響應特性曲線，它表示PSD的靈敏度與波長之間的關系。這種PSD波長響應范圍較寬，一般都在30

49、0~1100nm范圍內，峰值波長均在900nm 左右。 （2）結電容與反偏電壓關系特性 結電容Cj是確定PSD響應速度的一個主要因素，是在頻率為10KHZ時所測得的。一般反向電壓愈高，極電容愈小。反偏電壓的選取一定要小于器件所允許的最大反偏電壓，否則器件將遭到擊穿。 （3）溫度特性 環(huán)境溫度的改變會影響器件的靈敏度和暗電流。PSD的暗電流隨著溫度的上升而按指數(shù)規(guī)律增加，當入射光波長小于950nm（約）時，溫度變化對其靈敏度基本上無影響，但長波段大于950nm時其靈敏度隨著溫度的變化較大。 （4）位置檢測誤差 一維PSD（S1544）位置檢測越接近邊緣，其誤差越大。 三、實驗器材

50、 1、PSD位置傳感器試驗裝置。 2、電源 3、萬用表 四、實驗用PSD位置傳感器特征和參數(shù)： 1.供電電源: 正電源:+15V 負電源:-15V 2.PSD傳感器參考電壓:1.0V(系統(tǒng)面板自帶)。 3.半導體激光電源:2.6V (系統(tǒng)面板自帶)。 4.分辨率:根據(jù)調節(jié)輸出增益有不同的分辨,典型輸出幅度為5.0V時,分辨率為140mv/0.1mm。 5.線性度:0.7%.（PSD傳感器兩端線性度比較差） 6.時間響應是即時,因電路是模擬的。 7.輸出電壓穩(wěn)定度:0.03V/60sec；.輸出電壓最大幅度

51、：正負8.10V 8.中心位置偏差:<0.02mm,且中心位置偏差補償可調。 9.線性度小于0.6%的有效距離為:4mm~5mm。 10.光斑能量中心位置與光電關系:. 圖3 PSD位置傳感器試驗裝置 五、PSD位置傳感器系統(tǒng)組成： 1.PSD傳感器. 2.電子處理模塊: (1) I/V轉換 (2) 加減電路 (3)除法器 (4) 放大器(增益,調零) 注意:經(jīng)實際測試(V1+V2)基本保持固定不變,可省去除法器。 3.半導體激光源及其電源。 4.機械調節(jié)支架(調節(jié)PSD傳感器與激光光斑位置關系)。

52、 六、 機械支架各部份名稱圖及各活動機械部件功能說明： 1、調整螺套：調節(jié)半導體激光的高度。 2、調整螺桿：調節(jié)調整螺桿可使燕尾槽左右移動，即可以使半導體激光左右移動。 3、燕尾槽調整螺絲：調整燕尾槽鑲條緊釘螺絲，減小溜板與導軌之間的間隙，然后再調整固定螺套的位置，直到溜板能平穩(wěn)地左右移動為止。 4、百分表：測量左右移動的距離。 七、實驗步驟 PSD位置傳感器測量的具體步驟是： 1 用萬用表測供電電源:正電源:+15V、地，負電源:-15V、地。連接電源至實驗板。 注意：連接電源時正負極不能接反，以免燒壞元器件。 2 在關閉電源狀態(tài)下，連接半導體激光電源。

53、 注意：連接電源時正負極不能接反，以免燒壞元器件。 3 測半導體激光電源:2.6V左右 (系統(tǒng)面板自帶)。 4 安裝百分表，光斑大約在傳感器的中心點時，調節(jié)百分表使其處于刻度表的中間。 5 在關閉電源狀態(tài)下，連接PSD位置傳感器至實驗板（接點PSDI1，PSDI2，Vref） 6 連接Vo1至Vi1, 連接Vo2至Vi2, 連接Vo4至Vi5, 連接Vo6至Vi6, 調節(jié)調整螺套和螺桿來調節(jié)激光光源的上下位置和左右水平位置。使光斑大約在傳感器的中心點上。調節(jié)偏置調零點電位器VR4，使輸出為零。 7 旋轉調整螺桿使光斑照射到PSD傳感器的左端，使讀數(shù)絕對值最大。 8 旋轉

54、調整螺桿使光斑照射到PSD傳感器的右端，使讀數(shù)絕對值最大。 9 調節(jié)偏置調零點電位器VR4重復7到8步驟，使光斑在PSD傳感器左右兩端時最大讀數(shù)相等，極性相反。 10 使光斑在PSD傳感器上位置（非零點上），微調激光頭支架的上下位置，使其讀數(shù)絕對最大，這樣PSD傳感器一維感光區(qū)處于水平位置上，光斑正好打在感光點中心點上。 11 再移動PSD傳感器左右位置，驗證兩端讀數(shù)最大值否相等，且極性相反。若沒有達到要求，重復7到10步驟以達到要求。 12 使光斑在PSD傳感器上零點位置，調節(jié)百分表使其處于刻度表的中間。旋轉調整螺桿移動光斑（間距0.5mm）, 讀百分表刻度及測量Vo1、Vo2

55、、Vo3、Vo4…Vo7 的值并記錄 位置 測試點 Vo1 Vo2 八、實驗報告要求 （1）實驗數(shù)據(jù)處理，并畫成相應的曲線。 （2）回答問題 1電位器VR3、VR4的作用。 2根據(jù)實際測試Vo4 (V

56、1+V2)的數(shù)據(jù),分析是否可省去除法器。 3簡述位置靈敏探測器PSD的應用及分析實驗中可能引起誤差的原因 實驗五 典型光電測量系統(tǒng)的設計 一、實驗目的 1、掌握光電信息檢測的基本原理。 2、熟悉光電測量系統(tǒng)的基本設計方法。 二、實驗設備及器材 1、帶程控電動轉臺的測試暗箱 壹只 2、測試光源：LED、鹵鎢燈各壹只 3、硅光度探頭 壹只 4、電流/電壓放大器 壹只 5、多路穩(wěn)壓電源 壹套 6、照度計、萬用表 各壹只 7、單片機測控板 壹套 8、計算機 壹套 三、實驗原理 1、典型光電測量系統(tǒng) 如下圖所示的

57、是典型光電測量系統(tǒng)的原理框圖。 圖1 典型光電測量系統(tǒng)原理圖 信息源可以是本身發(fā)光，或者通過光源照明發(fā)光，其出射的光信息經(jīng)過光學系統(tǒng)成像或會聚，由光電探測器接收。經(jīng)光電探測器轉換后的電信號，由前置放大器（I/V、V/V）放大、電信號處理后，經(jīng)A/D轉換成數(shù)字信號，再送入微處理器采樣、處理，輸出的數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸接口傳到計算機系統(tǒng)中。同時，微處理器接收計算機系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，通過控制接口輸出控制信號，該信號經(jīng)驅動電路驅動，控制執(zhí)行機構，改變信息源的狀態(tài)，從而獲取相關的信號。通過計算機軟件分析測量的光電信號，獲得所需的信息。 2、LED光強分布 LED是一種注入式PN結電致發(fā)光

58、器件，由P型半導體和N型半導體組合而成，其結構示意如圖2所示。當PN結加上正向偏電壓后，由于少數(shù)載流子在結區(qū)的注入與復合而產生輻射發(fā)光。 圖2 LED示意圖 由于LED半導體材料的折射率高，反射和吸收的損失很大。所以在晶體中輻射復合產生的光子，只有一部分能離開晶體向外發(fā)射。一般用外量子效率來表示LED的發(fā)光效率。即 上式的為出射的光子數(shù)，為注入的電子－空穴對數(shù)。 對于典型的Ⅲ-V族半導體，折射率，當晶體與空氣的界面為平面時，由折射定律可求出全反射的臨界角為16.2°，則只有在立體角內的光線才能射出器件之外。它與內部所發(fā)出光的比例為 將代入得，即從LED表面發(fā)射的光

59、只占內部所發(fā)出光的4％。 為了提高LED的外量子效率，一般在LED的半導體材料表面封裝光輸出窗，如圖3所示。不同的封裝形式（平面、半圓、弧面等），LED的外量子效率、出射光的空間分布、光束角及中心光強會有較大的區(qū)別。因此LED的空間光強分布參數(shù)的測量是一項十分重要的工作。 當探測器離開測量光源的距離遠大于（一般為十倍以上）光源的發(fā)光面直徑或探測器的光敏面直徑時，可根據(jù)光度學距離平方反比定律，通過測量照度值來確定發(fā)光強度。如圖4所示。即 上式中的為光源在測量方向上的發(fā)光強度，單位為。 為離開光源的距離為上的垂直面上的照度，單位為。 圖3 帶封裝窗口的LED

60、 圖4 距離平方反比關系 3、探測器角度響應 光電探測器的角度響應曲線是衡量探測器對空間不同方向的入射光的光電響應靈敏度。對于照度計和輻射度計，一般要求光電探測器的角度響應靈敏度符合余弦函數(shù)，即 上式中的為探測器在法線方向的靈敏度值。對于照度計探頭，一般單位為。 為了使測量硅光電池的角度響應符合余弦函數(shù)關系，一般在探測器前加上漫射器，也稱作余弦校正器，改變探測器的角度響應函數(shù)。 光電探測器的角度響應函數(shù)，通常在變角光電測試儀上測量。光源固定，通過旋轉探測器，測量不同入射角時的探測器的靈敏度。 四、實驗內容 根據(jù)所提供的上述實驗設備，設計

61、一種光電信息檢測系統(tǒng)。下面建議兩種實驗方案，供參考。 電流/電壓 放大器 單片機 測控板 計算機 驅動 RS-232C LED 圖5 探測器 轉臺 1、LED光強分布測試 測試系統(tǒng)原理結構如圖5所示，測試的LED裝在轉臺上，探測器固定在支架上。硅光電度探測器的輸出信號連接到電流/電壓放大器上，放大后的信號再送到單片機測控板上，通過RS-232C串行口與計算機連接。同時單片機輸出控制信號，經(jīng)過驅動放大后驅動轉臺，從而測量該LED各方向上的光強值。 2、探測器角度響應測試 電流/電壓 放大器 單片機 測控板 計算機 RS-232C 探測器 轉臺

62、 燈 圖6 探測器角度響應測試系統(tǒng)原理結構 驅動 測試系統(tǒng)的原理結構如圖6所示。測試的探測器裝在轉臺上，鹵鎢燈固定 在支架上。電信號的放大、采樣及計算機數(shù)據(jù)采集方法同1。 五、實驗要求 1、設計LED光強分布、中心光強及光束角的測量系統(tǒng) 介紹系統(tǒng)的原理結構、工作過程及量值校準方法。 寫出實驗步驟。 記錄測試數(shù)據(jù)，畫出相應的曲線，計算結果參數(shù)。 分析所設計的測量系統(tǒng)的誤差，提出改進方案。 2、設計光電探測器的角度響應函數(shù)、法向靈敏度的測量系統(tǒng)，分析加漫射器后的結果。 具體要求與1相同。 實驗六 光學傳感三維面形測量

63、 一、實驗目的 非接觸三維自動測量是隨著計算機技術的發(fā)展而開展起來的新技術研究，它包括三維形體測量﹑應力形變分析和折射率梯度測量等方面。應用到的技術有莫爾條紋、散斑干涉、全息干涉和光闌投影等光學技術和計算機條紋圖像處理技術。條紋投影以及各種光闌投影自動測量技術在工業(yè)生產控制與檢測、醫(yī)學診斷和機器人視覺等領域正占有越來越重要的地位。本實驗是利用投影式相移技術，對形成的被測物面條紋進行計算機相移法自動處理的綜合性實驗。 通過本實驗了解投影光柵相位法的基本原理;了解一種充分發(fā)揮計算機特長的條紋投影相位移處理技術。對于非接觸測量有一定的感性認識。 二、實驗設備及器材 1、光學傳感三維面形測量

64、實驗箱 壹套 2、計算機 壹套 三、基本原理 投影光柵相位法是三維輪廓測量中的熱點之一，其測量原理是光柵圖樣投射到被測物體表面，相位和振幅受到物面高度的調制使光柵像發(fā)生變形，通過解調可以得到包含高度信息的相位變化，最后根據(jù)三角法原理完成相位---高度的轉換。根據(jù)相位檢測方法的不同，主要有Moire輪廓術、Fourier變換輪廓術，相位測量輪廓術，本實驗就是采用了相位測量輪廓術。 相位測量輪廓術采用正弦光柵投影相移技術?；驹硎抢脳l紋投影相移技術將投影到物體上的正弦光柵依次移動一定的相位，由采集到的移相變形條紋圖計算得到包含物體高度信息的相位。 基于相位測量的光學三維測量技術

65、本質上仍然是光學三角法，但與光學三角法的輪廓術有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點，而是通過相位測量間接地實現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純基于光學三角法有很大區(qū)別。 3.1相位測量輪廓術的基本原理 將規(guī)則光柵圖像投射到被測物表面，從另一角度可以觀察到由于受物體高度的影響而引起的條紋變形。這種變形可解釋為相位和振幅均被調制的空間載波信號。采集變形條紋并對其進行解調，從中恢復出與被測物表面高度變化有關的相位信息，然后由相位與高度的關系確定出高度，這就是相位測量輪廓術的基本原理。 投影系統(tǒng)將一正弦分布的光場投影到被測物體表面,由于受到物面高度分布的調制, 條紋發(fā)生

66、形變。由CCD 攝像機獲取的變形條紋可表示為: (n=0, 1, … , N-1) (1) 其中n 表示第n 幀條紋圖。、A(x,y)和B(x , y ) 分別為攝像機接收到的光強值、物面背景光強和條紋對比度。dn 附加的相移值, 如采用多步相移法采集變形條紋圖,則每次相移量dn 。所求被測物面上的相位分布可表示為: (2) 用相位展開算法可得物面上的連續(xù)相位分布。已知為參考平面上的連續(xù)相位分布，由于物體引起的相位變化為 (3) 根據(jù)所選的系統(tǒng)模型和系統(tǒng)結構參數(shù)可推導出高度h和相位差的關系，最終得到物體的高度值。下面具體分析高度和相位差之間的關系： 圖1系統(tǒng)中高度和相位的關系 實際照明系統(tǒng)中，采用遠心光路和發(fā)散照明兩種情況下，都可以通過對相位的測量而計算出被測物體的高度。只是前者的相位差與高度之間存在簡單的線性關系，而在后一種情況下相位差與高度差之間的映射關系是非線性的。本實驗的照明系統(tǒng)為遠心光路。如圖1所示，在參考平面上的投影正弦條紋