《光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)》 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

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1、 《光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)》 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 聞春敖 浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)系 光電信息工程實(shí)驗(yàn)中心 2013年 4月 實(shí)驗(yàn)規(guī)則 注意事項(xiàng) 預(yù)習(xí)要求 1、 實(shí)驗(yàn)前必須認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)及必要的參考資料。明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｊ煜?nèi)容和步驟，達(dá)到規(guī)定要求后才可進(jìn)行。 2、 安裝實(shí)驗(yàn)裝置前，檢查所有儀器電源開(kāi)關(guān)“關(guān)”狀態(tài)，所有微調(diào)旋鈕為最小位置，安裝好后，應(yīng)認(rèn)真檢查，確定無(wú)誤。再經(jīng)指導(dǎo)老師檢查允許后方可接上電源，開(kāi)啟電源時(shí)，必須通知本組同學(xué)，實(shí)驗(yàn)完畢，需將可調(diào)旋鈕至最小，然后再關(guān)閉全部?jī)x器電源。 3、 實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要

2、隨便開(kāi)關(guān)電源，也不要使身體與設(shè)備的帶電部分接觸，實(shí)驗(yàn)中有百伏以上甚至萬(wàn)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(guān)閉所有電源，經(jīng)指導(dǎo)老師查明故障后，方可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，尚未查明原因前，不要改變現(xiàn)狀，以便分析原因，吸取教訓(xùn)。 5、 實(shí)驗(yàn)完畢，實(shí)驗(yàn)結(jié)果必須由指導(dǎo)教師審閱，待全部正確后方可將實(shí)驗(yàn)裝置恢復(fù)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室就得遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度，更應(yīng)注意的是實(shí)驗(yàn)時(shí)必須保持安靜、整潔、不許隨便亂動(dòng)旋鈕及開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，不準(zhǔn)隨便搬動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置。 7、 實(shí)驗(yàn)前簡(jiǎn)單寫(xiě)好實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，原理步驟及預(yù)習(xí)要求所需測(cè)量的內(nèi)容，理論曲線，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)

3、要求進(jìn)行安裝測(cè)試。 實(shí)驗(yàn)報(bào)告寫(xiě)法與要求 一、實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)將實(shí)驗(yàn)題目、目的、班級(jí)、組別、姓名、學(xué)號(hào)及同組者姓名等各項(xiàng)書(shū)寫(xiě)完整。 二、實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體內(nèi)容及要求：（可參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，但不能照抄，希望按自己體會(huì)寫(xiě)）。 （一） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? （二） 實(shí)驗(yàn)儀器 （三） 實(shí)驗(yàn)原理（簡(jiǎn)寫(xiě)） （四） 實(shí)驗(yàn)步驟：（寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)方法和順序，并畫(huà)出裝置示意圖或線路圖） （五） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （1） 記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及條件 （2） 記錄必要數(shù)據(jù)（必要時(shí)列出表格） （3） 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行理論分析  目 錄 實(shí)驗(yàn)一 光伏探測(cè)器件的應(yīng)用電路及其特

4、性測(cè)量 實(shí)驗(yàn)二 光電導(dǎo)探測(cè)器的應(yīng)用電路及其特性測(cè)量 實(shí)驗(yàn)三 光電倍增管的應(yīng)用電路及特性測(cè)試 實(shí)驗(yàn)四 位置靈敏探測(cè)器（PSD） 實(shí)驗(yàn)五 典型光電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)六 光學(xué)傳感三維面形測(cè)量 實(shí)驗(yàn)七 面陣CCD原理及驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)八 光電探測(cè)器光譜響應(yīng)的實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)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(cè)器測(cè)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(zhuǎn)換及放大濾波電路、標(biāo)準(zhǔn)A光源穩(wěn)流電源、PSD位置傳感器實(shí)驗(yàn)裝置、照度計(jì)、計(jì)算機(jī)等組成?？赏瓿蓪?shí)驗(yàn)項(xiàng)目有光伏探測(cè)器件的應(yīng)用電路及其特性測(cè)量、光電導(dǎo)探測(cè)器的應(yīng)用電路及

5、其特性測(cè)量、光電倍增管的應(yīng)用電路及特性測(cè)試、位置靈敏探測(cè)器（PSD）、典型光電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡及信號(hào)頻譜分析。部分實(shí)驗(yàn)儀器介紹如下： 1．測(cè)試暗箱 光電探測(cè)器測(cè)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(guò)中性小孔減光盤(pán)后，由漫透射板出射均勻的漫透射光，光照射到半導(dǎo)體光電傳感器或通過(guò)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(cè)器測(cè)試暗箱 減光盤(pán)共有八檔，減光盤(pán)刻度位置在3時(shí)出光最大，而后各檔的以此衰減，詳見(jiàn)表一。 減光盤(pán)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(cè)量電路工作電源。 2．1 鹵鎢燈電源 在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中，凡涉及輻射量和光度量的測(cè)試工作，如光源的發(fā)光強(qiáng)度、光通量、光探測(cè)器的光譜靈敏度、物體的光度性質(zhì)以及測(cè)光儀器的檢測(cè)和標(biāo)定等，一般都要使用標(biāo)準(zhǔn)光源作為測(cè)試依據(jù)。 標(biāo)準(zhǔn)光源包括兩部分：標(biāo)準(zhǔn)燈和與之配套的專(zhuān)用電源。標(biāo)準(zhǔn)燈是經(jīng)過(guò)精心制作和檢驗(yàn)的優(yōu)質(zhì)燈，經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門(mén)標(biāo)定并發(fā)給相應(yīng)檢定數(shù)據(jù)和測(cè)試證書(shū)的方能作為標(biāo)準(zhǔn)燈使用。而標(biāo)準(zhǔn)燈專(zhuān)用電源應(yīng)確保標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，提供相應(yīng)穩(wěn)定和準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光源的效果。 光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中用到光源，對(duì)于光電器件的光照特性的測(cè)試，穩(wěn)定的光源至關(guān)重要。鹵鎢燈發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性除了與其本身質(zhì)量有關(guān)外，還取決于供電電源的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。電源的參數(shù)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光強(qiáng)度的影響可由下式體現(xiàn)： 1） 工作電壓對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的影響： dI/I= 3.6 dU/U (1) 式中dI/I為發(fā)光強(qiáng)度的變化；dU/U為工作電壓的變化，若要求發(fā)光強(qiáng)度dI/I≤0.005 ，則dU/U≤0.0014。 2） 工作電流對(duì)發(fā)光

8、強(qiáng)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(qiáng)度變化dI/I≤0.005 ， 則di/i≤0.00083。 上述結(jié)果表明工作電流的變化對(duì)發(fā)光強(qiáng)度更靈敏，因此給鹵鎢燈供電時(shí)，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(duì)鹵鎢燈來(lái)講，除應(yīng)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(guò)損壞程度的較高電壓（電流）。因?yàn)闊艚z在通電時(shí)產(chǎn)生熱膨脹，斷電時(shí)產(chǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)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(shí)應(yīng)逐漸地從零電流或零電壓增加。關(guān)機(jī)時(shí)，也應(yīng)逐漸降低電流或電壓，然后再關(guān)電源。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常規(guī)定開(kāi)機(jī)15秒~25秒鐘，電流（或電壓）從零到達(dá)額定值。關(guān)機(jī)時(shí)也是一樣。這樣可避免過(guò)急的熱脹冷縮給燈絲造成的損壞。這對(duì)延長(zhǎng)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(guò)電纜線連接電源至鹵鎢燈，壓入啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，電流由O 慢慢升高，約25秒到設(shè)定值。設(shè)定值可通過(guò)電流調(diào)節(jié)電位器設(shè)定。穩(wěn)定后電流調(diào)節(jié)至3.5~4.00A。 （2）、關(guān)機(jī)前，彈出啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，電流由設(shè)定值慢慢下降

10、至O , 然后關(guān)電源。 注意：電源輸出端絕對(duì)不能短路，否則電源功率管將燒壞，請(qǐng)千萬(wàn)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(fù)高壓接法，（陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽(yáng)極接電源正高壓，電源負(fù)端接地）。 負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號(hào)，也可以交流輸出信號(hào)，操作安全方便，缺點(diǎn)在于因玻殼的電位與陰極電位接近，屏蔽罩應(yīng)至少離開(kāi)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(huì)增大。 正高壓接法的優(yōu)點(diǎn)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(yáng)極處于正高壓，會(huì)導(dǎo)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(jí)的直流放大器也處于高電壓，這樣會(huì)產(chǎn)生一系列的不便，如果是交流輸出，則需通過(guò)耐高壓、噪聲小的隔直電容。 實(shí)驗(yàn)采用負(fù)高壓電源，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓，調(diào)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(cè)量電路工作電源 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的通用性，設(shè)計(jì)提供+/-5V、+/-12V、+/-15V及+/-1.25～+/-35伏可調(diào)式穩(wěn)壓源以滿足各個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)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(biāo)（額定電流為1.5A，穩(wěn)定度在5%以

12、內(nèi)）完全符合實(shí)際需求，所以采用此7800/7900系列作為固定穩(wěn)壓源。而用可調(diào)穩(wěn)壓器件LM317/LM337作為可調(diào)穩(wěn)壓源的穩(wěn)壓器件?？烧{(diào)穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)電路如圖2。 圖2 可調(diào)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(guò)橋堆整流，由電容進(jìn)行濾波，通過(guò)調(diào)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(diào)。 使用注意事項(xiàng)：電源輸出端絕對(duì)不能短路 3.電流電壓轉(zhuǎn)換及放大濾波電路 電流/電壓轉(zhuǎn)換及放大濾波電路是光電檢測(cè)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(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行放大，所以電流/電壓轉(zhuǎn)換也成了必需。對(duì)于微弱光電流信號(hào)，經(jīng)電流/電壓轉(zhuǎn)換后的信號(hào)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(duì)信號(hào)的影響，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)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(zhuǎn)換及放大濾波電路框圖 電路組成 (1) I/V轉(zhuǎn)換(含調(diào)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(fù)電源:+12V -12V GND 圖4 電流/電壓轉(zhuǎn)換及放大

14、濾波電路原理圖 (2). I/V轉(zhuǎn)換電路輸入端為高頻頭，輸出端為U01，I/V轉(zhuǎn)換電路的電阻Rf可通過(guò)短路線來(lái)選擇，接點(diǎn)OUT分別與接點(diǎn)*1K、 *10K、*100K、 *1000K 相連，對(duì)應(yīng)的Rf 值分別為1K、 10K、100K、 1000K。調(diào)零短路線兩接點(diǎn)在集成電路U3的左邊。調(diào)零電位器為W6。主要是補(bǔ)償光電探測(cè)器的暗電流及I/V轉(zhuǎn)換電路的失調(diào)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(diǎn)A和B來(lái)控制，見(jiàn)表2 接點(diǎn)A連+5V/A Lbite指示燈亮，令A(yù)=1。 接點(diǎn)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(shí)驗(yàn)一 光伏探測(cè)器件的應(yīng)用電路及其特性測(cè)量 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、了解各種半導(dǎo)體光伏探測(cè)器件的工作原理及其基本特性 2、掌握各種半導(dǎo)體光伏探測(cè)器件的基本應(yīng)用電路。 3、熟悉各種半導(dǎo)體光伏探測(cè)器件特性的測(cè)試方法。 二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 1、光電探測(cè)器：測(cè)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(cè)試暗箱（包括：光源、減光盤(pán)）壹套。 3、照度計(jì)、萬(wàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)面上的光照度（lx） IO——PN結(jié)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(kāi)路電壓測(cè)量電路 V0C 1） 開(kāi)路狀態(tài) KT q 基本電路如右圖2，開(kāi)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(yùn)放開(kāi)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(wú)偏置電路 IL 3） 無(wú)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(yīng)用電路 光電三極管是在光電二極管的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，內(nèi)部具有與普通三極管類(lèi)似的電流放大作用。常用于光電控制方面?；緫?yīng)用電路如圖6（a）、（b） 所示。輸出信號(hào)： （a） V0=IP·RL （b） V0=VC- IP·RL 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1、 光電二極管測(cè)試 1） 按照?qǐng)D2電路，測(cè)量硅光電池和硅光電二極管在不同光照下的開(kāi)路電壓VOC，記錄數(shù)據(jù)，并畫(huà)出開(kāi)路電壓與光照的關(guān)系曲線。 減光盤(pán)刻度 3 2 1 0

20、 7 6 5 4 對(duì)應(yīng)照度值 開(kāi)路電壓VOC 2） 按照?qǐng)D3電路，選擇合適的反饋電阻，測(cè)量輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)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(huà)出短路光電流與光照的關(guān)系曲線，并計(jì)算它們的光照靈敏度SP。 減光盤(pán)刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對(duì)應(yīng)照度值 輸出電壓VO （Rf＝ ） 短路光電流IS 3） 按照?qǐng)D4電路，當(dāng)負(fù)載電阻RL為1KΩ，10

21、KΩ，100KΩ，1MΩ時(shí)，分別測(cè)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(huà)出輸出電流與光照的關(guān)系曲線。 4） 按照?qǐng)D5電路，當(dāng)負(fù)載電阻分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ，1MΩ，而偏置電壓分別為5V、10V時(shí)，測(cè)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(huà)出輸出電流與光照的關(guān)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(dāng)負(fù)載電阻分別為1KΩ，10KΩ，100KΩ，1MΩ時(shí)，測(cè)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(huà)出相應(yīng)曲線。 2） 計(jì)算光電三極管的光照靈敏度SP。 五、 預(yù)習(xí)要求 1、復(fù)習(xí)教科書(shū)第四章有關(guān)

23、半導(dǎo)體光電探測(cè)器的相關(guān)內(nèi)容。 2、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容，編制實(shí)驗(yàn)操作步驟。 六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟。 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的曲線，并計(jì)算有關(guān)的參數(shù)。 3、回答下列問(wèn)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(wú)關(guān)？ 實(shí)驗(yàn)二 光電導(dǎo)探測(cè)器的應(yīng)用電路及其特性測(cè)量 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 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(cè)試方法 3、掌握各種光敏電阻的基本應(yīng)用電路 二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 1、光電探測(cè)器：光敏電阻一只。 2、測(cè)試暗箱（包括：光源、減光盤(pán)）壹套。 3、照度計(jì)、萬(wàn)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(shí)驗(yàn)原理 利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料做成的光電探測(cè)器稱(chēng)為光電導(dǎo)器件，通常稱(chēng)為光敏電阻，金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)如圖1所示，其光電特性： IP=SgEｒ·Vb 式中：Sg——光電導(dǎo)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(shí),近似為1, 為線性光電導(dǎo)； 強(qiáng)光照時(shí),r值小于1, 為非線性光電導(dǎo)。 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(hào)（電壓、電流或電阻）與入射光通量（或照度）的關(guān)系。 2） 伏安特性：光照度不變時(shí)，光敏電阻所加電壓與流過(guò)光敏電阻的光電流的關(guān)系 3） 光敏電阻的r值，表示在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，某一照度范圍內(nèi)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(yīng)用電路如圖2所示，輸出信號(hào)：V0=Ip·Rf Vb + — Cf V0

26、Rf 圖2 電流/電壓放大器 四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1） 光照特性的測(cè)試 按照?qǐng)D2電路，加一定的偏壓Vb，選擇合適的反饋電阻，測(cè)量光敏電阻在不同光照下的輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，畫(huà)出流過(guò)光敏電阻的電流與光照的關(guān)系曲線，并計(jì)算它們的光照靈敏度SP。 減光盤(pán)刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對(duì)應(yīng)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(cè)試 按照?qǐng)D2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(shí)的、測(cè)量光敏電阻在不同光照下的輸出電壓VO，記錄數(shù)據(jù)，計(jì)算出光電流，畫(huà)出曲線。 減光盤(pán)刻度 3 2 1 0 7 6 5 4 對(duì)應(yīng)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(jì)算光敏電

28、阻在低光照條件下的光照靈敏度SP。 五、 預(yù)習(xí)要求 1、復(fù)習(xí)教科書(shū)有關(guān)半導(dǎo)體光電導(dǎo)探測(cè)器的相關(guān)內(nèi)容。 2、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的內(nèi)容，編制詳細(xì)實(shí)驗(yàn)操作步驟。 六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟。 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的曲線，并計(jì)算有關(guān)的參數(shù)。 3、對(duì)電阻Rf的取值應(yīng)該考慮什么？ 實(shí)驗(yàn)三 光電倍增管的應(yīng)用電路及特性測(cè)試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 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(cè)量電路 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 1、光電探測(cè)器測(cè)試暗箱 一套 包括：鹵鎢燈、減光盤(pán)、光電倍增管（受光面8*24mm2）等。

29、 2、 微電流放大器 一套 3、 萬(wàn)用表 壹只 4、 照度計(jì) 壹只 5、 可調(diào)高壓電源 壹套 三、實(shí)驗(yàn)原理 光電倍增管的特性參數(shù)有陰極靈敏度、陽(yáng)極靈敏度、電流增益、光電特性、暗電流。下面介紹本實(shí)驗(yàn)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)能力的一個(gè)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(shuō)明書(shū)中都分別給出了它的陰極靈敏度和陽(yáng)極靈敏度,有的管子還需標(biāo)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(guān)。測(cè)量光電陰極靈敏度時(shí)，光電陰極和前幾級(jí)倍增極的極間電壓應(yīng)大于40~50伏。測(cè)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(cè)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(cè)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(yáng)極電流過(guò)大。回路中的1MΩ為保護(hù)電阻。 ②陽(yáng)極靈敏度 陽(yáng)極靈敏度SP是指光電倍增管在一定工作電壓下陽(yáng)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(gè)整管參數(shù)。在測(cè)量時(shí)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(cè)量陰極靈敏度時(shí)小一些，因?yàn)楸对鰳O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(yáng)極靈敏度與整管工作電壓有關(guān)。 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(yáng)極信號(hào)電流和陰極信號(hào)電流之比稱(chēng)為該管的放大倍數(shù)或電流增益，以符號(hào)M表示，則 M = IP/IK 式中，IP為陽(yáng)極信號(hào)電流；IK 為陰極信號(hào)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(yáng)極靈敏度包含了放大倍數(shù)，也可以在一定工作電壓下測(cè)試出

32、陽(yáng)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(cè)試時(shí)，由于增益數(shù)值很大，一步測(cè)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(cè)定與某一工作電壓相應(yīng)的陽(yáng)極電流IP（注意陽(yáng)極電流應(yīng)在線性范圍內(nèi)），然后，使光通量增強(qiáng)m倍（注意不能改變光譜分布），測(cè)定陰極電流IK，這時(shí)只有光電倍增管的第一級(jí)和前幾級(jí)倍增才施加正常電壓，以免光電倍增管輸出過(guò)載，這時(shí)電流增益可按下式求得： M = SP/SK·m 式中：IP—弱光通量下測(cè)定的陽(yáng)極電流； IK—強(qiáng)光通量下測(cè)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(méi)有一點(diǎn)光照的情況下，在規(guī)定的工作電壓下，測(cè)得的陽(yáng)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(guān)系。暗電流決定光電倍增管能測(cè)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(nèi)殘余氣體的離子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射，管內(nèi)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(fù)高壓接法，（陰極接電源負(fù)高壓，電源正端接地）和正高壓接法（陽(yáng)極接電源正高壓，電源負(fù)端接地）。 負(fù)高壓接法的優(yōu)點(diǎn)是便于與后面的放大器連接，并且可以直流輸出信號(hào)，也可以交流輸出信號(hào)，操作安全方便，缺點(diǎn)在于因玻殼的電位與陰極電位接近，

34、屏蔽罩應(yīng)至少離開(kāi)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(huì)增大。實(shí)驗(yàn)采用負(fù)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(gè)因素：即陽(yáng)極峰值電流、允許的電壓波動(dòng)、允許的非線性偏離。 光電倍增管極間的分配可按前級(jí)區(qū)、中間級(jí)區(qū)和末級(jí)區(qū)加以考慮，前級(jí)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(jí)區(qū)的各級(jí)間通常具有均勻發(fā)布的級(jí)

35、間電壓，以便管子獲得最佳增益，由于末級(jí)區(qū)各級(jí)特別是末級(jí)需支取較大電流，所以末級(jí)區(qū)各級(jí)間電壓不能過(guò)低，以免形成空間電荷效應(yīng)而使管子失去應(yīng)有的直線性。 當(dāng)陽(yáng)級(jí)電流增大到與分壓器電流相比擬時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致末級(jí)區(qū)各級(jí)間電壓的大幅度下降，從而使光電倍增管出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，為防止級(jí)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(yáng)極電流的20倍，對(duì)于直線性要求很高的使用場(chǎng)合，如精密的光幅射測(cè)量中，為了保證測(cè)量信號(hào)的線性度優(yōu)于1%，一般要求分壓器上的電流是陽(yáng)極最大光電流的100倍以上。 當(dāng)確定了分壓器電流后，就可以根據(jù)光電倍增管的最大陽(yáng)極電壓算出分壓器的總電阻，再按照適當(dāng)?shù)募?jí)間分壓分配，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(hào)，輸出阻抗很高，可作為一個(gè)理想的恒流源來(lái)考慮，因此輸出電流與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)。實(shí)際上，對(duì)負(fù)載阻抗也存在一個(gè)上限，因?yàn)樨?fù)載電阻上的電壓降明顯地降低末級(jí)倍增極與陽(yáng)極之間的電壓，因而會(huì)降低放大倍數(shù)，致使光電特性偏離線性。 Rf 當(dāng)光電倍增管用在低頻光信號(hào)測(cè)量中時(shí)，陽(yáng)極輸出的光電流可采用電流/電壓放大器，此時(shí)光電倍增管應(yīng)采用負(fù)高壓供電，如圖2所示，輸出信號(hào)V0=Ip·Rf 此時(shí)運(yùn)算放大器的同、反相端為同電位，陽(yáng)極與末級(jí)倍增極間的電壓不受光電流信號(hào)的影響。 V0=Ip · Rf -HV Ip AMP _ + Cf A

37、 K 圖2 陽(yáng)極電流測(cè)量電路 四、實(shí)驗(yàn)裝置 1、光電倍增管測(cè)試裝置及暗箱前面板接線柱分布如圖3所示。測(cè)試暗箱分上下兩層。50W/12V鹵鎢燈發(fā)射光經(jīng)過(guò)中性小孔減光盤(pán)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(cè)試裝置 鏡將光束從暗箱的上層轉(zhuǎn)折到下層，再經(jīng)過(guò)漫反射板散射后，光信號(hào)再一次衰減，最后相對(duì)微弱的光信號(hào)照到光電倍增管上。 2、實(shí)驗(yàn)用光電倍增管（931A）直徑1－1/8英寸、鼠籠形、九級(jí)倍增、側(cè)窗型、硼硅玻殼、銻銫光陰極、300～650nm、最大響應(yīng)波長(zhǎng)400nm。各光電倍增管陰極靈敏度如下表 編號(hào) 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(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟 1、暗電流測(cè)量（注意：鹵鎢燈不開(kāi)） （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(shí)的V’（Vo2）。 （注意：此步驟時(shí)不連信號(hào)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(fù)端(-HV)，④接正端（地）。 （３）陰極輸出信號(hào)④⑤用信號(hào)線連接到電流/電壓放大器。④接地、⑤接屏蔽線的芯線。 ?。ǎ矗┱{(diào)節(jié)光電倍增管電源上的電位器至最小（逆時(shí)針到底），開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，調(diào)高壓從–400V 到-1000Ｖ，記下相應(yīng)的Vo2值，高壓調(diào)小后關(guān)電源。處理后得暗電流與所加的電壓之間的關(guān)系。 測(cè)試條件： 第一級(jí)反饋電阻Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù)A= ,零點(diǎn)偏差電壓V’= 負(fù)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(fù)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(yáng)極靈敏度測(cè)量 （1）連接線路參照暗電流測(cè)量線路 （2）開(kāi)鹵鎢燈電源（4A），調(diào)節(jié)減光盤(pán)，選擇兩種入射光照（減光盤(pán)刻度3、1處）下，測(cè)量光電倍增管在不同高壓（-400伏至-1000伏）時(shí)的陽(yáng)極光電流。

41、 測(cè)試條件： 第一級(jí)反饋電阻Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù)A= ,零點(diǎn)偏差電壓V’= 負(fù)高壓(V) -400V -450V -500V -550V -600V -650V -700V 輸出電壓Vo2 E1= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) E2= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) 負(fù)高壓(V) -750V -800V -850V -900V -950V -1000V E1= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf)

42、 E2= 陽(yáng)極電流 Io=Vo/(A*Rf) ３、光電陰極面上的入射光通量測(cè)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(fù)（地）、正輸出端。 （2）將高壓電源的輸出調(diào)至-450V~-500V。 （3）打開(kāi)鹵鎢燈電源（4A），測(cè)量入射光最大（減光盤(pán)刻度３）時(shí)相應(yīng)的Vo2值，計(jì)算光電陰極面上的入射光通量。 測(cè)試條件：實(shí)驗(yàn)用光電倍增管陰極靈敏度Sk( uA/ｌm )＝ ，負(fù)高壓(V)＝ ， 第一級(jí)反饋電阻Rf= ，第二級(jí)放大倍數(shù)A= ,零點(diǎn)偏差電壓V’= 記錄 輸出

43、電壓Vo2＝ 計(jì)算得到光通量＝ ４、根據(jù)２、３的結(jié)果及陰極靈敏度表，計(jì)算光電倍增管在不同高壓時(shí)的陽(yáng)極靈敏度和增益，并畫(huà)出相應(yīng)的特性曲線。 《注意事項(xiàng)》 1、在開(kāi)啟高壓開(kāi)關(guān)、鹵鎢燈電源開(kāi)關(guān)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(guān)高壓電源前，首先要把旋鈕旋到最小位置，然后關(guān)斷。 2、光電倍增管對(duì)光的響應(yīng)極為靈敏，因此在沒(méi)有完全隔絕外界光的情況下，切勿對(duì)管子施加工作電壓，絕不允許在強(qiáng)光下開(kāi)啟光電倍增管電源，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)倍增極的損壞。 3、不準(zhǔn)在超過(guò)規(guī)定工作電壓最大值時(shí)使用。 六、預(yù)習(xí)要求 1、復(fù)習(xí)教科書(shū)中的相關(guān)內(nèi)容； 2、預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

44、書(shū)的內(nèi)容，編制實(shí)驗(yàn)操作步驟。 七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1、 畫(huà)出實(shí)驗(yàn)所用管子的接線圖，并注上所用參數(shù)。 2、 做出暗電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系曲線。 3、 計(jì)算減光盤(pán)處于各檔時(shí)，陰極面上入射的光通量。 4、 計(jì)算不同高壓時(shí)，光電倍增管的陽(yáng)極靈敏度及放大倍數(shù)。 5、 對(duì)以上計(jì)算結(jié)果和曲線作相應(yīng)分析，并說(shuō)明原因。 6、 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)對(duì)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，提高實(shí)驗(yàn)質(zhì)量有哪些改進(jìn)措施。 八、思考題 1、光電倍增管是依據(jù)哪兩個(gè)原理工作的？本實(shí)驗(yàn)所采用的光電倍增管光電陰極采用什么材料？響應(yīng)波長(zhǎng)范圍多少？峰值波長(zhǎng)多少？ 2、光電倍增管的倍增級(jí)結(jié)構(gòu)有幾種形式？各有什么特性？本實(shí)驗(yàn)采用的又是哪種結(jié)

45、構(gòu)？進(jìn)光形式在端面還是在側(cè)面？ 3、光電倍增管的供電電路有幾種形式，本實(shí)驗(yàn)采用哪種形式?有什么特點(diǎn)？ 4、本實(shí)驗(yàn)測(cè)試中應(yīng)注意哪些問(wèn)題？為什么？ 實(shí)驗(yàn)四 位置靈敏探測(cè)器（PSD） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、掌握位置靈敏探測(cè)器PSD的工作原理及特點(diǎn)。 2、掌握位置靈敏探測(cè)器PSD的直流工作電路。 3、掌握利用位置靈敏探測(cè)器PSD進(jìn)行光點(diǎn)的位置檢測(cè)。 二、實(shí)驗(yàn)原理 位置靈敏探測(cè)器（Position Sensitive Detectors）是一種對(duì)入射到光敏面上的光點(diǎn)位置敏感的光電探測(cè)器件，其輸出信號(hào)與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。光電位置傳感器被廣泛地應(yīng)用于激光束的監(jiān)控（對(duì)準(zhǔn)

46、、位移和振動(dòng)）、平面度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)系統(tǒng)等。 1、PSD的工作原理 圖1是一個(gè)PSD的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，在一個(gè)平面硅基片上制作了一個(gè)PIN三層結(jié)構(gòu)，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(dāng)入射光照射到PSD的光敏層上，在入射位置上就產(chǎn)生了與光能成比例的電荷，此電荷通過(guò)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(shè)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(jié)構(gòu)示意圖 若以PSD的中心點(diǎn)位置作為原點(diǎn)時(shí)，光點(diǎn)離中心點(diǎn)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(diǎn)對(duì)于器件中心的位置xA，它只與I1、I2電流的和、差及比值有關(guān). 2、位置傳感器分類(lèi) PSD分為兩類(lèi)：一維PSD和二維PSD。一維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在一維（x坐標(biāo)）方向上的運(yùn)動(dòng)位置。二維PSD主要用來(lái)測(cè)量光點(diǎn)在平面上地二維（x，y）坐標(biāo)，它地受光面是方形的，比一維PSD多一對(duì)電極。按其結(jié)構(gòu)可分雙側(cè)雙電極型和單側(cè)四電極型

48、。 3、PSD信號(hào)處理電路 根據(jù)PSD原理及光點(diǎn)位置的表達(dá)式，轉(zhuǎn)換電路首先應(yīng)對(duì)PSD輸出的光電流進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換并放大，再按轉(zhuǎn)換公式的要求，通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行預(yù)置相加和相減運(yùn)算，最后通過(guò)模擬除法器相除，得到光點(diǎn)的位置信號(hào)。圖2是一種一維PSD轉(zhuǎn)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(yùn)放(U1、U2、U3、U4)為低漂移運(yùn)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(yīng)特性 PSD的光譜響應(yīng)特性曲線，它表示PSD的靈敏度與波長(zhǎng)之間的關(guān)系。這種PSD波長(zhǎng)響應(yīng)范圍較寬，一般都在30

49、0~1100nm范圍內(nèi)，峰值波長(zhǎng)均在900nm 左右。 （2）結(jié)電容與反偏電壓關(guān)系特性 結(jié)電容Cj是確定PSD響應(yīng)速度的一個(gè)主要因素，是在頻率為10KHZ時(shí)所測(cè)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(huì)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(dāng)入射光波長(zhǎng)小于950nm（約）時(shí)，溫度變化對(duì)其靈敏度基本上無(wú)影響，但長(zhǎng)波段大于950nm時(shí)其靈敏度隨著溫度的變化較大。 （4）位置檢測(cè)誤差 一維PSD（S1544）位置檢測(cè)越接近邊緣，其誤差越大。 三、實(shí)驗(yàn)器材

50、 1、PSD位置傳感器試驗(yàn)裝置。 2、電源 3、萬(wàn)用表 四、實(shí)驗(yàn)用PSD位置傳感器特征和參數(shù)： 1.供電電源: 正電源:+15V 負(fù)電源:-15V 2.PSD傳感器參考電壓:1.0V(系統(tǒng)面板自帶)。 3.半導(dǎo)體激光電源:2.6V (系統(tǒng)面板自帶)。 4.分辨率:根據(jù)調(diào)節(jié)輸出增益有不同的分辨,典型輸出幅度為5.0V時(shí),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(shí)間響應(yīng)是即時(shí),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(fù)8.10V 8.中心位置偏差:<0.02mm,且中心位置偏差補(bǔ)償可調(diào)。 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(guān)系:. 圖3 PSD位置傳感器試驗(yàn)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(zhuǎn)換 (2) 加減電路 (3)除法器 (4) 放大器(增益,調(diào)零) 注意:經(jīng)實(shí)際測(cè)試(V1+V2)基本保持固定不變,可省去除法器。 3.半導(dǎo)體激光源及其電源。 4.機(jī)械調(diào)節(jié)支架(調(diào)節(jié)PSD傳感器與激光光斑位置關(guān)系)。

52、 六、 機(jī)械支架各部份名稱(chēng)圖及各活動(dòng)機(jī)械部件功能說(shuō)明： 1、調(diào)整螺套：調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光的高度。 2、調(diào)整螺桿：調(diào)節(jié)調(diào)整螺桿可使燕尾槽左右移動(dòng)，即可以使半導(dǎo)體激光左右移動(dòng)。 3、燕尾槽調(diào)整螺絲：調(diào)整燕尾槽鑲條緊釘螺絲，減小溜板與導(dǎo)軌之間的間隙，然后再調(diào)整固定螺套的位置，直到溜板能平穩(wěn)地左右移動(dòng)為止。 4、百分表：測(cè)量左右移動(dòng)的距離。 七、實(shí)驗(yàn)步驟 PSD位置傳感器測(cè)量的具體步驟是： 1 用萬(wàn)用表測(cè)供電電源:正電源:+15V、地，負(fù)電源:-15V、地。連接電源至實(shí)驗(yàn)板。 注意：連接電源時(shí)正負(fù)極不能接反，以免燒壞元器件。 2 在關(guān)閉電源狀態(tài)下，連接半導(dǎo)體激光電源。

53、 注意：連接電源時(shí)正負(fù)極不能接反，以免燒壞元器件。 3 測(cè)半導(dǎo)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(diǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)百分表使其處于刻度表的中間。 5 在關(guān)閉電源狀態(tài)下，連接PSD位置傳感器至實(shí)驗(yàn)板（接點(diǎn)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(diào)節(jié)調(diào)整螺套和螺桿來(lái)調(diào)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(diǎn)上。調(diào)節(jié)偏置調(diào)零點(diǎn)電位器VR4，使輸出為零。 7 旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿使光斑照射到PSD傳感器的左端，使讀數(shù)絕對(duì)值最大。 8 旋轉(zhuǎn)

54、調(diào)整螺桿使光斑照射到PSD傳感器的右端，使讀數(shù)絕對(duì)值最大。 9 調(diào)節(jié)偏置調(diào)零點(diǎn)電位器VR4重復(fù)7到8步驟，使光斑在PSD傳感器左右兩端時(shí)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(diǎn)上），微調(diào)激光頭支架的上下位置，使其讀數(shù)絕對(duì)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(diǎn)中心點(diǎn)上。 11 再移動(dòng)PSD傳感器左右位置，驗(yàn)證兩端讀數(shù)最大值否相等，且極性相反。若沒(méi)有達(dá)到要求，重復(fù)7到10步驟以達(dá)到要求。 12 使光斑在PSD傳感器上零點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)百分表使其處于刻度表的中間。旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿移動(dòng)光斑（間距0.5mm）, 讀百分表刻度及測(cè)量Vo1、Vo2

55、、Vo3、Vo4…Vo7 的值并記錄 位置 測(cè)試點(diǎn) Vo1 Vo2 八、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 （1）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，并畫(huà)成相應(yīng)的曲線。 （2）回答問(wèn)題 1電位器VR3、VR4的作用。 2根據(jù)實(shí)際測(cè)試Vo4 (V

56、1+V2)的數(shù)據(jù),分析是否可省去除法器。 3簡(jiǎn)述位置靈敏探測(cè)器PSD的應(yīng)用及分析實(shí)驗(yàn)中可能引起誤差的原因 實(shí)驗(yàn)五 典型光電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1、掌握光電信息檢測(cè)的基本原理。 2、熟悉光電測(cè)量系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 1、帶程控電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的測(cè)試暗箱 壹只 2、測(cè)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(jì)、萬(wàn)用表 各壹只 7、單片機(jī)測(cè)控板 壹套 8、計(jì)算機(jī) 壹套 三、實(shí)驗(yàn)原理 1、典型光電測(cè)量系統(tǒng) 如下圖所示的

57、是典型光電測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖。 圖1 典型光電測(cè)量系統(tǒng)原理圖 信息源可以是本身發(fā)光，或者通過(guò)光源照明發(fā)光，其出射的光信息經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像或會(huì)聚，由光電探測(cè)器接收。經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)，由前置放大器（I/V、V/V）放大、電信號(hào)處理后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入微處理器采樣、處理，輸出的數(shù)字信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口傳到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。同時(shí)，微處理器接收計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的控制命令，通過(guò)控制接口輸出控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變信息源的狀態(tài)，從而獲取相關(guān)的信號(hào)。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件分析測(cè)量的光電信號(hào)，獲得所需的信息。 2、LED光強(qiáng)分布 LED是一種注入式PN結(jié)電致發(fā)光

58、器件，由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組合而成，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。當(dāng)PN結(jié)加上正向偏電壓后，由于少數(shù)載流子在結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生輻射發(fā)光。 圖2 LED示意圖 由于LED半導(dǎo)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(fù)合產(chǎn)生的光子，只有一部分能離開(kāi)晶體向外發(fā)射。一般用外量子效率來(lái)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(duì)數(shù)。 對(duì)于典型的Ⅲ-V族半導(dǎo)體，折射率，當(dāng)晶體與空氣的界面為平面時(shí)，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(nèi)的光線才能射出器件之外。它與內(nèi)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(nèi)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(dǎo)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(qiáng)會(huì)有較大的區(qū)別。因此LED的空間光強(qiáng)分布參數(shù)的測(cè)量是一項(xiàng)十分重要的工作。 當(dāng)探測(cè)器離開(kāi)測(cè)量光源的距離遠(yuǎn)大于（一般為十倍以上）光源的發(fā)光面直徑或探測(cè)器的光敏面直徑時(shí)，可根據(jù)光度學(xué)距離平方反比定律，通過(guò)測(cè)量照度值來(lái)確定發(fā)光強(qiáng)度。如圖4所示。即 上式中的為光源在測(cè)量方向上的發(fā)光強(qiáng)度，單位為。 為離開(kāi)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(guān)系 3、探測(cè)器角度響應(yīng) 光電探測(cè)器的角度響應(yīng)曲線是衡量探測(cè)器對(duì)空間不同方向的入射光的光電響應(yīng)靈敏度。對(duì)于照度計(jì)和輻射度計(jì)，一般要求光電探測(cè)器的角度響應(yīng)靈敏度符合余弦函數(shù)，即 上式中的為探測(cè)器在法線方向的靈敏度值。對(duì)于照度計(jì)探頭，一般單位為。 為了使測(cè)量硅光電池的角度響應(yīng)符合余弦函數(shù)關(guān)系，一般在探測(cè)器前加上漫射器，也稱(chēng)作余弦校正器，改變探測(cè)器的角度響應(yīng)函數(shù)。 光電探測(cè)器的角度響應(yīng)函數(shù)，通常在變角光電測(cè)試儀上測(cè)量。光源固定，通過(guò)旋轉(zhuǎn)探測(cè)器，測(cè)量不同入射角時(shí)的探測(cè)器的靈敏度。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 根據(jù)所提供的上述實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)

61、一種光電信息檢測(cè)系統(tǒng)。下面建議兩種實(shí)驗(yàn)方案，供參考。 電流/電壓 放大器 單片機(jī) 測(cè)控板 計(jì)算機(jī) 驅(qū)動(dòng) RS-232C LED 圖5 探測(cè)器 轉(zhuǎn)臺(tái) 1、LED光強(qiáng)分布測(cè)試 測(cè)試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖5所示，測(cè)試的LED裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，探測(cè)器固定在支架上。硅光電度探測(cè)器的輸出信號(hào)連接到電流/電壓放大器上，放大后的信號(hào)再送到單片機(jī)測(cè)控板上，通過(guò)RS-232C串行口與計(jì)算機(jī)連接。同時(shí)單片機(jī)輸出控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，從而測(cè)量該LED各方向上的光強(qiáng)值。 2、探測(cè)器角度響應(yīng)測(cè)試 電流/電壓 放大器 單片機(jī) 測(cè)控板 計(jì)算機(jī) RS-232C 探測(cè)器 轉(zhuǎn)臺(tái)

62、 燈 圖6 探測(cè)器角度響應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng) 測(cè)試系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖6所示。測(cè)試的探測(cè)器裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，鹵鎢燈固定 在支架上。電信號(hào)的放大、采樣及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集方法同1。 五、實(shí)驗(yàn)要求 1、設(shè)計(jì)LED光強(qiáng)分布、中心光強(qiáng)及光束角的測(cè)量系統(tǒng) 介紹系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程及量值校準(zhǔn)方法。 寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟。 記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，畫(huà)出相應(yīng)的曲線，計(jì)算結(jié)果參數(shù)。 分析所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)的誤差，提出改進(jìn)方案。 2、設(shè)計(jì)光電探測(cè)器的角度響應(yīng)函數(shù)、法向靈敏度的測(cè)量系統(tǒng)，分析加漫射器后的結(jié)果。 具體要求與1相同。 實(shí)驗(yàn)六 光學(xué)傳感三維面形測(cè)量

63、 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 非接觸三維自動(dòng)測(cè)量是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而開(kāi)展起來(lái)的新技術(shù)研究，它包括三維形體測(cè)量﹑應(yīng)力形變分析和折射率梯度測(cè)量等方面。應(yīng)用到的技術(shù)有莫爾條紋、散斑干涉、全息干涉和光闌投影等光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)條紋圖像處理技術(shù)。條紋投影以及各種光闌投影自動(dòng)測(cè)量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)控制與檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷和機(jī)器人視覺(jué)等領(lǐng)域正占有越來(lái)越重要的地位。本實(shí)驗(yàn)是利用投影式相移技術(shù)，對(duì)形成的被測(cè)物面條紋進(jìn)行計(jì)算機(jī)相移法自動(dòng)處理的綜合性實(shí)驗(yàn)。 通過(guò)本實(shí)驗(yàn)了解投影光柵相位法的基本原理;了解一種充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)特長(zhǎng)的條紋投影相位移處理技術(shù)。對(duì)于非接觸測(cè)量有一定的感性認(rèn)識(shí)。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及器材 1、光學(xué)傳感三維面形測(cè)量

64、實(shí)驗(yàn)箱 壹套 2、計(jì)算機(jī) 壹套 三、基本原理 投影光柵相位法是三維輪廓測(cè)量中的熱點(diǎn)之一，其測(cè)量原理是光柵圖樣投射到被測(cè)物體表面，相位和振幅受到物面高度的調(diào)制使光柵像發(fā)生變形，通過(guò)解調(diào)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(zhuǎn)換。根據(jù)相位檢測(cè)方法的不同，主要有Moire輪廓術(shù)、Fourier變換輪廓術(shù)，相位測(cè)量輪廓術(shù)，本實(shí)驗(yàn)就是采用了相位測(cè)量輪廓術(shù)。 相位測(cè)量輪廓術(shù)采用正弦光柵投影相移技術(shù)?；驹硎抢脳l紋投影相移技術(shù)將投影到物體上的正弦光柵依次移動(dòng)一定的相位，由采集到的移相變形條紋圖計(jì)算得到包含物體高度信息的相位。 基于相位測(cè)量的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)

65、本質(zhì)上仍然是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三角法的輪廓術(shù)有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動(dòng)后的像點(diǎn)，而是通過(guò)相位測(cè)量間接地實(shí)現(xiàn)，由于相位信息的參與，使得這類(lèi)方法與單純基于光學(xué)三角法有很大區(qū)別。 3.1相位測(cè)量輪廓術(shù)的基本原理 將規(guī)則光柵圖像投射到被測(cè)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(diào)制的空間載波信號(hào)。采集變形條紋并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，從中恢復(fù)出與被測(cè)物表面高度變化有關(guān)的相位信息，然后由相位與高度的關(guān)系確定出高度，這就是相位測(cè)量輪廓術(shù)的基本原理。 投影系統(tǒng)將一正弦分布的光場(chǎng)投影到被測(cè)物體表面,由于受到物面高度分布的調(diào)制, 條紋發(fā)生

66、形變。由CCD 攝像機(jī)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(jī)接收到的光強(qiáng)值、物面背景光強(qiáng)和條紋對(duì)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(cè)物面上的相位分布可表示為: (2) 用相位展開(kāi)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(jié)構(gòu)參數(shù)可推導(dǎo)出高度h和相位差的關(guān)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(guān)系： 圖1系統(tǒng)中高度和相位的關(guān)系 實(shí)際照明系統(tǒng)中，采用遠(yuǎn)心光路和發(fā)散照明兩種情況下，都可以通過(guò)對(duì)相位的測(cè)量而計(jì)算出被測(cè)物體的高度。只是前者的相位差與高度之間存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而在后一種情況下相位差與高度差之間的映射關(guān)系是非線性的。本實(shí)驗(yàn)的照明系統(tǒng)為遠(yuǎn)心光路。如圖1所示，在參考平面上的投影正弦條紋