光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義

1、 光電檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電氣工程學(xué)院目 錄實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體激光器工作域值及輸出功率特性的測(cè)量2實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體激光器輸出光譜特性曲線的測(cè)量9實(shí)驗(yàn)三 光電探測(cè)原理及特性測(cè)試（綜合性）13實(shí)驗(yàn)四* CCD輸出特性及二值化處理實(shí)驗(yàn)22實(shí)驗(yàn)五 PSD位移傳感器特性實(shí)驗(yàn)28實(shí)驗(yàn)六 反射式光纖位移傳感器原理及定標(biāo)實(shí)驗(yàn)32實(shí)驗(yàn)七 光電報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)性）38實(shí)驗(yàn)一 半導(dǎo)體激光器工作域值及輸出功率特性的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試半導(dǎo)體激光器工作域值，測(cè)量輸出功率電流（P-I）特性曲線和輸出功率的穩(wěn)定性，從而對(duì)半導(dǎo)體激光器工作特性有個(gè)基本了解。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)試YSLD3125型半導(dǎo)體激光器工作域值。2、測(cè)試YSLD

2、3125型半導(dǎo)體激光器輸出功率與電流（P-I）特性曲線。3、測(cè)試YSLD3125型半導(dǎo)體激光器注入電流為30mA時(shí)輸出功率的穩(wěn)定性。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、YSLD3125型半導(dǎo)體激光器（帶尾纖輸出，F(xiàn)C型接口） 1只2、ZY606型LD/ LED電流源 1臺(tái)3、光功率計(jì) 1臺(tái)4、萬(wàn)用表 1只四、實(shí)驗(yàn)原理1、激光器一般知識(shí)激光器是使工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實(shí)現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射的光放大）的縮寫。激光的本質(zhì)是相干輻射

3、與工作物質(zhì)的原子相互作用的結(jié)果。盡管實(shí)際原子的能級(jí)是非常復(fù)雜的，但與產(chǎn)生激光直接相關(guān)的主要是兩個(gè)能級(jí)，設(shè)Eu表示較高能級(jí)，El表示較低能級(jí)。原子能在高低能級(jí)間越遷，在沒有外界影響時(shí)，原子可自發(fā)的從高能級(jí)越遷到低能級(jí)，并伴隨輻射一個(gè)頻率為的光子，這過程稱自發(fā)輻射。若有能量為的光子作用于原子，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)過程，一是原子吸收光子能量從低能級(jí)越遷到高能級(jí)，同時(shí)在低能級(jí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，稱為受激越遷或受激吸收，此激發(fā)光子消失；二是原子在激發(fā)光子的刺激下，從高能級(jí)越遷到低能級(jí)，并伴隨輻射一個(gè)頻率的光子，這過程稱受激輻射。受激輻射激發(fā)光子不消失，而產(chǎn)生新光子，光子增加，而且產(chǎn)生的新光子與激發(fā)光子具有相同的頻率、相

4、位和偏振態(tài)，并沿相同的方向傳播，具有很好的相干性，這正是我們所需要的。受激輻射和受激吸收總是同時(shí)存在的，如果受激吸收超過受激輻射，則光子數(shù)的減少多于增加，總的效果是入射光被衰減；反之，如果受激輻射超過受激吸收，則入射光被放大。實(shí)現(xiàn)受激輻射超過受激吸收的關(guān)鍵是維持工作物質(zhì)的原子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布就是工作物質(zhì)中處于高能級(jí)的原子多于處于低能級(jí)的原子。所以原子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布是產(chǎn)生激光的必要條件。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)可以使受激輻射超過受激吸收，光在工作介質(zhì)中得到放大，產(chǎn)生激光，但工作介質(zhì)的增益都不足夠大，若使光單次通過工作介質(zhì)而要產(chǎn)生較強(qiáng)度的光，就需要很長(zhǎng)的工作物質(zhì)，實(shí)際上這是十分困難，甚至

5、是不可能的。于是就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行光放大。所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際上是在激光器兩端，面對(duì)面地裝兩塊反射鏡，如下圖所示：一塊幾乎全反射，一塊為部分反射，激光可透過部分反射鏡射出。被反射回到工作介質(zhì)的光，可在工作介質(zhì)中多次往返，設(shè)往返次數(shù)為m，則有效長(zhǎng)度為： （m=1，2，3，4）L為工作介質(zhì)的的實(shí)際長(zhǎng)度。由于諧振腔內(nèi)工作介質(zhì)存在吸收，反射鏡存在透射和散射，而且只有沿軸線方向的光才被放大，因此光受到一定損耗，當(dāng)增益和損耗相當(dāng)時(shí)，在諧振腔內(nèi)建立起穩(wěn)定的激光振蕩。即一個(gè)激光器，m有一個(gè)確定的值。諧振腔的另一個(gè)作用是選模，光在諧振腔內(nèi)反射時(shí)，反射波將和入射波發(fā)生干涉，為了能在腔內(nèi)形成穩(wěn)定的振蕩，必須滿

6、足相干相長(zhǎng)的條件，也就是沿腔的縱向（軸線方向）形成駐波的條件，這條件是： 或式中，為波長(zhǎng)，n是工作介質(zhì)的折射率，q=1，2，3，4，為某一整數(shù)，為駐波波幅的個(gè)數(shù)，它表征了腔內(nèi)縱向光場(chǎng)的分布，稱為激光的縱模，q=1稱單縱模激光器，q2稱多縱模激光器。每個(gè)駐波的頻率是不一樣的，第q個(gè)駐波的頻率由：，為光速。以上兩式都說明，雖然由于導(dǎo)帶和價(jià)帶是由許多連續(xù)能級(jí)組成的有一定寬度的能帶，兩個(gè)能帶中不同能級(jí)之間電子的躍遷會(huì)產(chǎn)生許多不同波長(zhǎng)的光波，但只有符合激光振蕩的相位條件的那些波長(zhǎng)存在，不符合激光振蕩的相位條件的那些波長(zhǎng)的光將衰減掉，這些波長(zhǎng)取決于激光器工作物質(zhì)的縱向長(zhǎng)度L。多縱模激光器輸出q個(gè)波長(zhǎng)的光，

7、但幅度不一樣，幅度最大的稱為主模，其余的稱為邊模。2、半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體是由大量原子周期性有序排列構(gòu)成的共價(jià)晶體，由于鄰近原子的作用，電子所處的能態(tài)擴(kuò)展成能級(jí)連續(xù)分布的能帶，如下圖（a）所示，能量低的能帶稱為價(jià)帶，能量高的能帶稱為導(dǎo)帶，導(dǎo)帶底的能量Eu和價(jià)帶頂?shù)哪芰縀l之間的能量差稱為禁帶寬度或帶隙，不同的半導(dǎo)體材料有不同的帶隙。本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶和價(jià)帶被電子和空穴占據(jù)的幾率是相同的，N型半導(dǎo)體導(dǎo)帶被電子占據(jù)的幾率大，P型半導(dǎo)體價(jià)帶被空穴占據(jù)的幾率大。如下圖（b）、（c）所示。半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)多種多樣，基本結(jié)構(gòu)是下圖所示的雙異質(zhì)結(jié)平面條形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由三層不同類型半導(dǎo)體材料構(gòu)成，中間層

8、通常為厚度為0.10.3m的窄帶隙P型半導(dǎo)體，稱為有源層，作為工作介質(zhì)，兩側(cè)分別為具有較寬帶隙的N型和P型半導(dǎo)體，稱為限制層。具有不同帶隙寬度的兩種半導(dǎo)體單晶之間的結(jié)構(gòu)稱為異質(zhì)結(jié)。有源層與右側(cè)的N層之間形成的是P-N異質(zhì)結(jié)，而與左側(cè)的P層之間形成的是P-P異質(zhì)結(jié)，故這種結(jié)構(gòu)又稱N-P-P雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱DH結(jié)構(gòu)。施加正向偏壓后，就能使左側(cè)的N層向有源層注入電子，右側(cè)的P層向有源層注入空穴，但由于右側(cè)的P層帶隙寬，導(dǎo)帶的能態(tài)比有源層高，對(duì)注入電子形成了勢(shì)壘，注入到有源層的電子不可能擴(kuò)散到P層，同理，注入到有源層的空穴也不可能擴(kuò)散到N層。這樣，注入到有源層的電子和空穴被限制在0.10.3m的有源層

9、內(nèi)，形成了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布。前后兩個(gè)晶體解理面作為反射鏡構(gòu)成諧振腔。給半導(dǎo)體激光器施加正向偏壓，即注入電流是維持有源層介質(zhì)的原子永遠(yuǎn)保持粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子作為激發(fā)光子誘發(fā)受激輻射，受激輻射產(chǎn)生的更多新光子作為新的激發(fā)光子誘發(fā)更強(qiáng)的受激輻射。 3、半導(dǎo)體激光器的主要特性（1）輸出光功率特性激光器光功率特性通常用輸出光功率與激勵(lì)電流I的關(guān)系曲線，既PI曲線表示。給半導(dǎo)體激光器注入電流，就是給激光器有源層半導(dǎo)體工作介質(zhì)注入能量，對(duì)價(jià)帶上的載流子（電子）進(jìn)行激發(fā)，當(dāng)注入電流較小時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶間載流子不能形成反轉(zhuǎn)分布，這時(shí)從導(dǎo)帶上躍遷到價(jià)帶上的載流子主要以自發(fā)輻射為主，產(chǎn)生的是熒光，即

10、非相干光。當(dāng)注入電流達(dá)到一定值時(shí)，導(dǎo)帶和價(jià)帶間載流子才能形成反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，激光器才有激光(即相干光)輸出，這個(gè)一定值稱為閾值電流。閾值電流以后，隨著注入電流的增大，導(dǎo)帶和價(jià)帶間粒子數(shù)差值增大，激光增益系數(shù)增大，輸出功率增加，并與注入電流近似成線性關(guān)系，如下式所示。式中If為注入電流，為普朗克常數(shù)，為入射光頻率，為光速，為入射光波長(zhǎng)，e為電子電量，D為外微分量子效率，Ith為閾值電流，Pth為閾值功率。圖線表示如下：半導(dǎo)體激光器 LD的P-I特性曲線根據(jù)P-I曲線可以求出激光器的閾值電流Ith和外微分量子效率D：將P-I曲線的線性部分作直線與橫坐標(biāo)相交，交點(diǎn)處的電流值即為激光器的閾值電

11、流；曲線線性部分的斜率為，由曲線求得斜率，可計(jì)算D。（2）溫度特性激光器輸出光功率是隨溫度而變化的，有兩個(gè)原因：一是激光器閾值電流Ith隨溫度升高而增大，二是激光器外微分量子效率D隨溫度升高而減小。溫度升高時(shí)，Ith增大，D減小，輸出光功率明顯下降，達(dá)到一定溫度時(shí)，激光器就不激射了。當(dāng)以直流電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，閾值電流Ith隨溫度的變化更加明顯。五、設(shè)備簡(jiǎn)介1、 ZY-YSLD3125型激光器我們所用ZY-YSLD3125型半導(dǎo)體激光器是具有多量子阱F-P腔激光器LD，內(nèi)置背景光探測(cè)器PD，這種激光器使用時(shí)具有下圖所示四種型式：圖中，LD為激光器，PD為背景光探測(cè)器。PD-N side dwon的管是

12、探測(cè)器PD的負(fù)（N）與激光器LD的負(fù)（N）或正（P）相連，PD-P side dwon的管是探測(cè)器PD的正負(fù)（P）與激光器LD的負(fù)（N）或正（P）相連，與激光器LD的負(fù)（N）相連的稱為DVD型管，與激光器LD的正（P）相連的稱為POINT型管。所用ZY-YSLD3125型激光器為PD-N side dwon的POINT型管，單模光纖同軸封裝，帶尾纖FC連接。性能指標(biāo)如下表所示參數(shù)符號(hào)測(cè)試條件最小值典型值最大值單位額定功率PoutIop=Ith+200.21mW中心波長(zhǎng)CW129013101330nm光譜寬度CW25nm閾值電流IthCW1015mA工作電流IopCWIth+20mA探測(cè)器電流I

13、mCW100A探測(cè)器暗電流IdCW0.1nA 表中CW表示連續(xù)。管腳圖如下2、 ZY606型LD/ LED電流源本機(jī)為激光二極管（LD）專用測(cè)試設(shè)備，可廣泛用于650nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等各種中小功率LD的電流測(cè)試及老化測(cè)試。設(shè)備內(nèi)部帶APC(Automatic Power Control)電路及ACC(Automatic Current Control)電路，可以實(shí)現(xiàn)以下三種功能：1） LD電源2） Iop及Im電流測(cè)試3） LD恒功老化及恒流老化性能指標(biāo)供給電流（Iop）max：150mA反饋測(cè)量電流(Im)max：2000uAI

14、op的測(cè)量準(zhǔn)確度： ±0.5mAIop分辨率：0.1mAIm測(cè)量準(zhǔn)確度：±5uAIm分辨率：1uA儀器的結(jié)構(gòu)儀器的前面板如下圖所示POWER 電源開關(guān)IOP 激光器工作電流顯示 Im 激光器探測(cè)電流顯示PD正、PD負(fù)、LD正、LD負(fù) 待測(cè)激光器插入座DVD、POINTER 待測(cè)激光器類型轉(zhuǎn)換鈕，按下測(cè)DVD型恒功、恒流 恒功或恒流測(cè)量轉(zhuǎn)換鈕粗調(diào)、細(xì)調(diào) 激光器工作電流調(diào)節(jié)鈕操作說明1）本機(jī)只能對(duì)PD-N side down的LD進(jìn)行測(cè)量，不能用來測(cè)量PD-P side down安裝的激光器，否則會(huì)損壞激光器。2） 本機(jī)的一大特色是設(shè)備內(nèi)部帶APC（Automatic Powe

15、r Control）電路，這種電路是LD在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通常采用的一種恒功控制電路。因此，一只LD在本機(jī)上所表現(xiàn)的直流特性，將與它在實(shí)際應(yīng)用時(shí)的直流特性完全一致。有了這種恒功控制電路，就可以長(zhǎng)期通電對(duì)LD進(jìn)行壽命及穩(wěn)定性考核。從而反映出LD在應(yīng)用產(chǎn)品（如光通信模塊、DVD激光頭等）中工作時(shí)的穩(wěn)定性。沒有APC電路的設(shè)備，則不能實(shí)現(xiàn)上述功能。操作步驟1）通電之前，確?！按终{(diào)”旋鈕在最小值位置。這樣可防止沖擊電流損壞LD。 2）確認(rèn)LD已經(jīng)插接良好后，打開電源開關(guān)。此時(shí)電源輸出為零，LD尚未發(fā)光。 3）恒功測(cè)量：將切換開關(guān)撥到恒功檔，順時(shí)針緩慢調(diào)節(jié)輸出功率“粗調(diào)”旋鈕，LD射出激光。改調(diào)“細(xì)調(diào)”旋鈕，

16、可將LD輸出調(diào)至要求的數(shù)值（用一臺(tái)光功率計(jì)來測(cè)量LD的輸出功率）。通過Iop顯示窗口可以讀出輸出電流值，通過Im顯示窗口可以讀出探測(cè)電流值。 4）恒流測(cè)量：將切換開關(guān)撥到恒流檔，該方式下“細(xì)調(diào)”旋鈕無(wú)效，Im窗口顯示讀數(shù)也無(wú)效。只需要調(diào)節(jié)輸出功率“粗調(diào)”旋鈕即可，通過Iop顯示窗口可以讀出輸出電流值。 5）恒功老化：將被測(cè)LD調(diào)到固定的功率輸出（這個(gè)值由用戶根據(jù)需要確定），并保持不斷電，記錄該LD在通電一定時(shí)間后工作電流的變化量，從而反映出LD產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。6）恒流老化：將被測(cè)LD調(diào)到固定的電流輸出（這個(gè)值由用戶根據(jù)需要確定），并保持不斷電，記錄該LD在通電一定時(shí)間后輸出功率的變化

17、量，從而反映出LD產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。五、實(shí)驗(yàn)裝置及步驟（一）ZY-YSLD3125型激光器測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如下1、按圖連接線路，連接圖如下。關(guān)于ZY606型LD/ LED電流源的詳細(xì)使用方法參見設(shè)備簡(jiǎn)介。2、因YSLD3125型半導(dǎo)體激光器為Pointer型， 將電流源“DVD、Pointer”管切換鈕置于Pointer，恒功恒流切換置于恒功，“粗調(diào)”和“細(xì)調(diào)”置于最小。開啟電流源，緩慢調(diào)節(jié)電流旋紐使電流由0mA逐漸增加到35mA，每隔3mA測(cè)輸出光功率值，繪制P-I曲線。切記電流最大不能超過40mA，否會(huì)損壞激光器！3、通過P-I曲線的線性部分作直線與橫坐標(biāo)相交，交點(diǎn)處的電流值即為激光器

18、的閾值電流，計(jì)算外微分量子效率D。4、穩(wěn)定性測(cè)量，將工作電流調(diào)到25mA，每隔1分鐘測(cè)一次輸出功率，測(cè)2030分鐘。 輸出功率穩(wěn)定性S按下式計(jì)算 注意：插拔激光器之前，務(wù)必先把輸出功率“粗調(diào)”旋鈕調(diào)到最小，然后關(guān)閉電源開關(guān)，這是因?yàn)閹щ姴灏蜭D會(huì)造成LD的劣化。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 在坐標(biāo)紙上作出PI曲線，并確定出閾值電流和外微分量子效率。2、 計(jì)算工作電流為25mA時(shí)輸出功率的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)二 半導(dǎo)體激光器輸出光譜特性曲線的測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試半導(dǎo)體激光器輸出光譜特性曲線與注入電流的關(guān)系，掌握測(cè)量方法,解釋注入電流對(duì)譜線中心波長(zhǎng)影響的原因。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)試中心波長(zhǎng)650nm 的半導(dǎo)體激光器的光

19、譜特性。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、中心波長(zhǎng)650nm 半導(dǎo)體激光器 1只2、ZY606型LD/ LED電流源 1臺(tái)3、WGD3型組合式多功能光柵光譜儀 1臺(tái)4、微機(jī) 1臺(tái) 四、實(shí)驗(yàn)原理半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)取決于工作物質(zhì)導(dǎo)帶的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)所釋放的能量，這個(gè)能量近似等于禁帶寬度Eg（eV），由，可得將光速，普朗克常數(shù)，代入得到 不同的半導(dǎo)體材料有不同的禁帶寬度Eg，因而有不同的發(fā)射波長(zhǎng)。鋁鎵砷鎵砷（AlGaAs）材料適用于630-900nm波段，銦鎵砷磷銦磷（InGaAsPInP）材料適用于1300-1550nm波段。由前面的討論已知，在直流驅(qū)動(dòng)下，多縱模激光器輸出q個(gè)波長(zhǎng)的光，幅度最大的主模和若干邊

20、模。其典型的光譜如下圖所示：隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，由于諧振腔對(duì)光波頻率和方向的選擇，使邊模減少，主模增益增加，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電流增加時(shí)，半導(dǎo)體能帶寬度變大，禁帶寬度Eg變小，從而使縱模模數(shù)逐漸減少，譜線寬度變窄，同時(shí)中心波長(zhǎng)變大。五、設(shè)備簡(jiǎn)介WGD3型組合式多功能光柵光譜儀由入射光源、光柵單色儀、控制箱、軟件及計(jì)算機(jī)、光電探測(cè)器組成。 光柵單色儀：光柵單色儀光學(xué)系統(tǒng)原理如下圖所示：光源發(fā)出的復(fù)色光束入射到入射狹縫S1，經(jīng)反射鏡M1反射到準(zhǔn)光鏡M2上，經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M3后可通過一轉(zhuǎn)換開關(guān)從出射狹縫S2或S3射出。S2處可安裝光電探測(cè)器探測(cè)出射光束，S3處用來

21、觀察出射光束。本儀器安裝的光電探測(cè)器為光電倍增管。通過控制機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)平面光柵G，則出射不同波長(zhǎng)的光束?？刂葡淝懊姘迦缦聢D所示負(fù)高壓調(diào)節(jié)：手動(dòng)調(diào)節(jié)供光電倍增管的直流電壓，調(diào)節(jié)范圍01000V，用電壓表指示；倍增管：與光電倍增管探測(cè)器相連的接口，輸出負(fù)高壓到光電倍增管，輸出通過軟件產(chǎn)生的控制光電倍增管增益的信號(hào)，共有17八檔增益；電機(jī)驅(qū)動(dòng)：與光柵單色儀相連的接口，輸出通過軟件產(chǎn)生的控制光柵G轉(zhuǎn)動(dòng)的信號(hào)；USB：與計(jì)算機(jī)相連的通信接口；PWR：接通電源指示燈；STA：計(jì)算機(jī)與控制箱通信的指示燈；六、實(shí)驗(yàn)裝置及方法實(shí)驗(yàn)裝置如下圖 電流源供給激光器驅(qū)動(dòng)電流，電流值可自身測(cè)量。激光器輸出的光進(jìn)入光柵單色儀進(jìn)

22、行分光，輸出單一波長(zhǎng)的光，用光電倍增管接收，光電倍增管輸出的與接收光強(qiáng)成比例的電壓信號(hào)由計(jì)算機(jī)顯示。光柵單色儀的分光由計(jì)算機(jī)控制。 1、將激光器安裝在S1狹縫，開啟電流源電源，用“恒流”、“POINTER”檔，調(diào)“粗調(diào)”，使驅(qū)動(dòng)電流為35mA；2、光譜儀轉(zhuǎn)換開關(guān)撥至“觀察”縫，調(diào)整S1狹縫寬度，從S3縫觀察使有紅光出現(xiàn)；a) 將光電倍增管探測(cè)器安裝在S2，并按圖接好電路，光電倍增管直流電壓暫調(diào)至400V，初步調(diào)整S2狹縫寬度適當(dāng)；b) 參數(shù)設(shè)置：僅供參考 S1、S2狹縫刻度調(diào)至2mm工作方式欄中的間隔選0.1nm工作范圍欄中的起始波長(zhǎng)選550 nm，終止波長(zhǎng)選750 nm工作狀態(tài)欄中的增益（光

23、電倍增管的增益）選1當(dāng)前寄存器選寄存器1從工作界面上點(diǎn)擊“單程”，則掃描出一條光譜曲線，橫坐標(biāo)是波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)是相對(duì)能量。要求光譜曲線能觀察到68個(gè)副峰，如果曲線能量軸過小或過大，可適當(dāng)調(diào)整S2狹縫寬度或光電倍增管直流電壓，使曲線高度適中。c) 從工作界面上點(diǎn)擊“讀取數(shù)據(jù)”，選擇尋峰自動(dòng)尋峰，則出現(xiàn)尋峰/谷菜單，在此菜單中選擇檢峰、積存器1、適當(dāng)設(shè)置最小峰高，然后點(diǎn)擊“檢峰/谷”鈕，則給出各峰的波長(zhǎng)和能量；此曲線說明了半導(dǎo)體激光器的多縱模特性；d) 將半導(dǎo)體激光器調(diào)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)為15mA，當(dāng)前寄存器選寄存器2，從工作界面上點(diǎn)擊“單程”，則掃描出一條光譜曲線，要求光譜曲線能觀察到高度適中完整主峰。若

24、過大（頂端出現(xiàn)平坦）或過小，可適當(dāng)調(diào)整光電倍增管直流電壓和工作狀態(tài)欄中的增益（光電倍增管的增益），使曲線高度適中；e) 將半導(dǎo)體激光器調(diào)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)為20mA，當(dāng)前寄存器選寄存器3，點(diǎn)擊“單程”，則掃描出一條光譜曲線，要求此光譜曲線高度與驅(qū)動(dòng)電流調(diào)為15mA時(shí)的曲線高度接近；f) 將半導(dǎo)體激光器調(diào)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)為25mA，當(dāng)前寄存器選寄存器4，仿上掃描出調(diào)驅(qū)動(dòng)電流為25mA的光譜曲線；9、比較并分析3條光譜曲線的異同，測(cè)量中心波長(zhǎng)值。 六、實(shí)驗(yàn)要求1、 在坐標(biāo)紙上做出650nm 的半導(dǎo)體激光器在調(diào)驅(qū)動(dòng)電流為15 mA 、20 mA 、25mA的光譜曲線。2、 指出調(diào)驅(qū)動(dòng)電流由小到大光譜曲線的不同，分

25、析其原因。 實(shí)驗(yàn)三 光電探測(cè)原理及特性測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私鈨煞N探測(cè)器的工作原理及特性。（一）內(nèi)增益探測(cè)器1.理解內(nèi)增益探測(cè)器光電倍增管的基本特性。2.學(xué)習(xí)光電倍增管基本參數(shù)的測(cè)量方法。(二) 四象限光電探測(cè)器1了解四象限探測(cè)器的性能及單脈沖定向原理。2通過該系統(tǒng)直接、間接地測(cè)定目標(biāo)的方向，觀測(cè)紅外可見光輻射到四象限探測(cè)器上的位置和強(qiáng)度變化。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）內(nèi)增益探測(cè)器測(cè)量光電倍增管的靜態(tài)特性參數(shù)。(二) 四象限光電探測(cè)器1.測(cè)量激光器脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。2.測(cè)量以四象限探測(cè)器做接收器，脈沖光信號(hào)的放大信號(hào)、展寬信號(hào)。3.通過上位機(jī)顯示每個(gè)象限的光強(qiáng)以及光斑的光心坐標(biāo)，通過觀察光斑在四個(gè)象限的顯示情

26、況驗(yàn)證四象限探測(cè)器原理。三、實(shí)驗(yàn)原理(一) 內(nèi)增益探測(cè)器1.結(jié)構(gòu)光電倍增管是具有內(nèi)增益的探測(cè)器，結(jié)構(gòu)如圖。K是光電陰極，D為聚焦極，它與陰極共同形成電子光學(xué)聚焦系統(tǒng)，將光電陰極發(fā)射的電子會(huì)聚成束并通過膜孔射向第一倍增極D1，D1D10為倍增極，所加電壓逐級(jí)增加。A為收集電子的陽(yáng)極。這些電極封裝在真空管內(nèi)，光電陰極附近制作光入射窗口。在高速初電子的激發(fā)下，第一倍增極被激發(fā)出若干二次電子，這些電子在電場(chǎng)的作用下，又打第二倍增極，又引起更多的二次電子發(fā)射，此過程一直繼續(xù)D10。最后經(jīng)倍增的電子被陽(yáng)極A收集而輸出光電流，在負(fù)載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓。圖8 光電倍增管2.供電分壓器為使光電倍增管能正常工作，

27、需要在陰極K和陽(yáng)極A加近千伏的電壓。同時(shí)，還需要在陰極、聚焦極、倍增極、陽(yáng)極之間分配一定的極間電壓，才能保證光電子能被有效的收集，光電流通過倍增極系統(tǒng)得到放大。通常由上圖所示的電阻鏈分壓來完成。隨著光通量的增加，陽(yáng)極電流Ia也相應(yīng)增加。當(dāng)光通量進(jìn)一步增大并超過某一定值后，陽(yáng)極電流與光通量之間會(huì)偏離線性關(guān)系，甚至使光電倍增管進(jìn)入飽和狀態(tài)，如圖9所示圖9 陽(yáng)極電流與光通量關(guān)系*輸出信號(hào)是直流情況下，當(dāng)陽(yáng)極電流為Ia時(shí)，末級(jí)倍增極Dn的一次電流，為倍增極的二次發(fā)射系數(shù)，從此倍增極經(jīng)過Rn流向陰極的電流為，同理，其它倍增極也有一部分電流流向陰極，而且這些電流隨光電流增大而增大，這些電流會(huì)使各極間電壓重

28、新分配。當(dāng)Ia遠(yuǎn)小于流過分壓電路的電流Ib時(shí)，極間電壓的重新分配不明顯，陽(yáng)極電流Ia隨光通量線性增加；如曲線A段。當(dāng)陽(yáng)極電流增大到能與分壓器電流相比擬時(shí)，極間電壓的重新分配將很明顯，導(dǎo)致陽(yáng)極與后幾級(jí)倍增極的極間電壓下降，陰極與前幾級(jí)倍增極的極間電壓上升，結(jié)果光電倍增管的電流放大倍數(shù)明顯增加，如曲線B段。當(dāng)陽(yáng)極電流進(jìn)一步增加時(shí)，陽(yáng)極與末級(jí)倍增極的極間電壓趨向零，陽(yáng)極的電子收集率逐漸減小，最后陽(yáng)極輸出電流飽和，如曲線C段。為防止極間電壓的再分配以保證增益穩(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應(yīng)用場(chǎng)合，分壓器電流至少為最大陽(yáng)極平均電流的100倍。*3.輸出電路光電倍增管輸出

29、的是電荷，且其陽(yáng)極可以看成是一個(gè)理想的電流發(fā)生器來考慮。因此，輸出電流與負(fù)載阻抗無(wú)關(guān)。但實(shí)際上，對(duì)負(fù)載的輸入阻抗卻存在著一個(gè)上限。因?yàn)樨?fù)載電阻上的電壓降明顯地降低了末極倍增管與陽(yáng)極之間的電壓，從而降低放大倍數(shù)。對(duì)于直流信號(hào)，光電倍增管的陽(yáng)極能產(chǎn)生達(dá)數(shù)十伏的電壓輸出。因此可以使用大的負(fù)載電阻；對(duì)于交流信號(hào)，光電倍增管的輸出級(jí)可等效成陽(yáng)極電流源、負(fù)載電阻RL、陽(yáng)極對(duì)地的等效電容CL的并聯(lián)電路，時(shí)間常數(shù)RLCL應(yīng)遠(yuǎn)小于脈沖寬度。4.倍增管的主要特性和參數(shù)光電倍增管的特性參數(shù)包括靈敏度、電流增益、伏安特性、暗電流等。1）靈敏度靈敏度是衡量光電倍增管探測(cè)光信號(hào)能力的一個(gè)重要參數(shù)，一般是指積分靈敏度。 陰

30、極靈敏度SK陰極光照靈敏度SK是指光電陰極本身的積分靈敏度。定義為光電陰極的光電流Ik除以入射光通量所得的商側(cè)光電倍增管陰極靈敏度，陰極為一極，其它各極連在一起為另一極。入射到陰極K的光照度為E，光電陰極的面積為A，則光電倍增管接受到的光通量為若已知光照度E，光電陰極的面積A，用G測(cè)得光電流IK，則可計(jì)算出陰極靈敏度。陽(yáng)極靈敏度Sp陽(yáng)極光照靈敏度Sp定義是指光電倍增管在一定工作電壓下陽(yáng)級(jí)輸出電流與照射陰極上光通量的比值2） 放大倍數(shù)(電流增益)G放大倍數(shù)G(電流增益)定義為在一定的入射光通量和陽(yáng)極電壓下，陽(yáng)極電流Ip與陰極電流IK間的比值。放大倍數(shù)G取決于系統(tǒng)的倍增能力，因此它是工作電壓的函數(shù)

31、。3） 暗電流Id當(dāng)光電倍增管在完全黑暗的情況下工作時(shí)，在陽(yáng)極電路里仍然會(huì)出現(xiàn)輸出電流，稱為暗電流，暗電流與陽(yáng)極電壓有關(guān)，通常是在與指定陽(yáng)極光照靈敏度相應(yīng)的陽(yáng)極電壓下測(cè)定的。4）伏安特性有陽(yáng)極伏安特性和陰極伏安特性之分陰極伏安特性：定義為當(dāng)光照度E一定時(shí)，陰極電流IK與陰極和第一倍增極之間的電壓（陰極電壓）VK的關(guān)系。當(dāng)VK大于幾十伏后，陰極電流開始趨向飽和，且與光照度成線性變化。陽(yáng)極伏安特性：定義為當(dāng)光照度E一定時(shí)，陽(yáng)極電流Ip與最后一級(jí)倍增極之間的電壓（陽(yáng)極電壓）VA的關(guān)系。當(dāng)VA大于幾十伏后，陽(yáng)極電流開始趨向飽和，且與光照度成線性變化。如下圖所示：圖10 陰極、陽(yáng)極伏安特性(二) 四象限

32、光電探測(cè)器由四象限探測(cè)器組成的光電定向是指用光學(xué)系統(tǒng)來測(cè)定目標(biāo)的方位，該系統(tǒng)框圖如下圖：圖11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖*系統(tǒng)電路框圖如下1.發(fā)射部分發(fā)射部分主要由650nm激光器、NE555組成的脈沖發(fā)生器組成。 2.接收部分接收部分主要由四象限探測(cè)器承擔(dān)。四象限光電探測(cè)器是是將四個(gè)性能完全相同的探測(cè)器按照直角坐標(biāo)排列成四個(gè)象限做在同一芯片上，通常稱四象限管，如下圖所示：圖13 四象限探測(cè)器四個(gè)象限之間的間隔稱為“死區(qū)”。在可見光和近紅外波段，光電探測(cè)器目前廣泛采用硅光電池和硅光電二極管。光電探測(cè)器有光照射時(shí)產(chǎn)生電信號(hào)。二維方向上目標(biāo)的方位定向原理如下圖所示：由光學(xué)系統(tǒng)和四象限探測(cè)器組成接收系統(tǒng)，目標(biāo)光信

33、號(hào)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后在四象限光電探測(cè)器上成像。四象限探測(cè)器放在光學(xué)系統(tǒng)后焦面附近，光軸通過四象限探測(cè)器的十字溝道中心，因四象限探測(cè)器的位置略有離焦，于是接收目標(biāo)的像為一圓形光斑。當(dāng)目標(biāo)成像在光軸上時(shí)，圓形光斑中心與四象限探測(cè)器中心重合。因四象限探測(cè)器中四個(gè)探測(cè)器件受照的光斑面積相同，輸出相等的脈沖電壓。當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，目標(biāo)像的圓形光斑的位置在四象限探測(cè)器上相應(yīng)的有偏移，四個(gè)探測(cè)器件受照的光斑面積不同，輸出不相等的脈沖電壓。比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上（也就知道了目標(biāo)的方位）。3、信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路包括四象限探測(cè)器的偏置與放大電路、展寬電路和運(yùn)算電路：（1）四

34、象限探測(cè)器的偏置與放大電路單脈沖定向系統(tǒng)中，光脈沖通常由激光產(chǎn)生，其脈沖寬度一般為幾十納秒級(jí)，也可作得更窄。而重復(fù)頻率比較低，一般為幾十赫茲。這種信號(hào)要用來指示與控制需要放大與展寬。另一方面由于探測(cè)器的性能不可能完全一致，放大器可以起補(bǔ)償和均衡作用。偏置與放大電路通常都與探測(cè)器做在一起。（2）展寬電路窄脈沖展寬實(shí)質(zhì)是峰值保持的一個(gè)特例。由于脈沖寬度極窄要求電路響應(yīng)快而又要保持相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間，而且還需要有較高的線性輸出，所以展寬電路實(shí)質(zhì)是用于將目標(biāo)脈沖信號(hào)在顯示時(shí)有一個(gè)持續(xù)時(shí)間，以便觀察。(3)顯示電路模擬顯示：用四個(gè)探測(cè)器輸出并被展寬的信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管D1D4，二極管亮表示光斑在此象限的面積

35、最大。數(shù)字顯示：將四個(gè)探測(cè)器輸出并被展寬的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)再送入單片機(jī)，然后通過RS232連接線與計(jì)算機(jī)相連。在計(jì)算機(jī)顯示數(shù)字輸出。顯示方式如下圖所示。要精確顯示光斑在XY坐標(biāo)系中的位置，必須對(duì)四個(gè)探測(cè)器輸出并被展寬的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到代表光斑沿X或Y方向的偏移量所對(duì)應(yīng)的電壓。圖16 和差運(yùn)算電路假設(shè)光斑得到的輻射是均勻的，每個(gè)光電探測(cè)器件收到的光功率，從而輸出信號(hào)一定與每個(gè)探測(cè)器件接收到的光斑面積成比例，可以將探測(cè)器件接收到的光斑面積和光斑半徑r作為已知量計(jì)算出偏離量x1，y1。這里以A、B、C、D表示二極管接收到的光斑面積占總光斑面積的百分比，當(dāng)，時(shí)，通過求扇形面積的公式求

36、得可見，只要能測(cè)出A、B、C、D和r就可以求得目標(biāo)直角坐標(biāo)（x1、，y1），但實(shí)際系統(tǒng)中能測(cè)得的是各象限的光功率信號(hào)。若探測(cè)器件的材料是均勻的，則各象限的光功率信號(hào)與各象限的光斑面積成正比 ，各象限的輸出信號(hào)也與各象限的光斑面積成正比，對(duì)和差運(yùn)算，系統(tǒng)輸出電壓信號(hào)為 以上四式中，K為電路放大系數(shù)，P為探測(cè)器接收的總功率。顯見，只要系統(tǒng)確定，則K、P、r均是常數(shù)，偏離值只與光斑面積的百分比有關(guān)；但在實(shí)際系統(tǒng)中，P和r要隨目標(biāo)距離遠(yuǎn)近而變化，、并不能代表目標(biāo)的實(shí)際坐標(biāo)，若采用和差比幅式就可以解決這個(gè)問題 。四、注意事項(xiàng)1、連線之前要保證電源關(guān)閉。2、若照度計(jì)表頭顯示為“1”時(shí)說明超過量程，應(yīng)改為合

37、適的量程再測(cè)試。3、光電倍增管對(duì)光的響應(yīng)極為靈敏。因此，在沒有完全隔絕外界干擾光的情況下，切勿對(duì)管施加工作電壓，否則會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)倍增極的損壞；4、測(cè)量倍增管陰極電流時(shí)，加在其間的電壓不可超過250V，否則容易燒壞光電倍增管。5、PCB板右邊部分為220V電源模塊，切勿觸摸，防止觸電。6、在插拔RS232接口前，必須切斷電源開關(guān)。7、不要用眼睛直接看激光，以免損傷眼睛。五、實(shí)驗(yàn)步驟 (一) 內(nèi)增益探測(cè)器1.暗電流測(cè)量1）將電壓調(diào)節(jié)逆時(shí)針調(diào)到最小，光源開關(guān)斷開，陰極(陽(yáng)極)開關(guān)撥到陽(yáng)極位置，即正常分壓供電。2）緩慢調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)開關(guān)，測(cè)電壓分別為200V、400V、600V、800V、1000V時(shí)的暗

38、電流值。2.陽(yáng)極伏安特性及靈敏度測(cè)量1）將電壓調(diào)節(jié)逆時(shí)針調(diào)到最小，陰極(陽(yáng)極)開關(guān)撥到陽(yáng)極位置，即正常分壓供電合光強(qiáng)1，此時(shí)光照度E=10lx，所用光電倍增管光電陰極有效面積A=8mm×24mm。2）緩慢調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)開關(guān)，測(cè)電壓分別為100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V、800V、900V、1000V時(shí)的陽(yáng)極電流值。3）斷開光強(qiáng)1，合上光強(qiáng)2，此時(shí)光照度E=50lx，重復(fù)2)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。3.陰極伏安特性及靈敏度測(cè)量1）將電壓調(diào)節(jié)逆時(shí)針調(diào)到最小，陰極(陽(yáng)極)開關(guān)撥到到陰極位置，既各倍增極和陽(yáng)極接在一起作為一個(gè)電極。光照度調(diào)到E=150lx。2）緩慢調(diào)節(jié)電

39、壓旋鈕，從0開始，每隔50V記錄電壓和電流值，直到電壓調(diào)至最大為止。(二) 四象限光電探測(cè)器1.系統(tǒng)的安裝：*安裝好的示意圖如下圖20 安裝圖 *激光器用四芯連接線與電路板右邊的四芯航空插座相連，四象限探測(cè)器用六芯連接線與電路板上的六芯航空插座相連，串口與計(jì)算機(jī)相連。2.將激光器和探測(cè)器在水平方向?qū)?zhǔn)，調(diào)節(jié)激光器前端的旋，使激光器的光斑到滿意程度后，對(duì)準(zhǔn)四象限探測(cè)器的光敏面中心，指示四個(gè)象限光強(qiáng)的指示燈其中一個(gè)或兩個(gè)亮，證明電路正常工作。3.運(yùn)行軟件并點(diǎn)擊“運(yùn)行”，將出現(xiàn)下面窗口屏幕正中四個(gè)窗口分別顯示四個(gè)象限管與接收的光強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的輸出電壓值（單位：V）和變化范圍，右面的屏幕可以直觀的顯示出光

40、輻射到的探測(cè)器上的位置。如圖所示，第三象限電壓值最大，且第三象限最亮，說明第三象限接收的光斑面積最大。與模擬顯示進(jìn)行比較，看是否一致。4.用示波器觀測(cè)激光器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、各象限的脈沖信號(hào)的放大信號(hào)和展寬信號(hào)并記錄，是否與顯示情況一致。驗(yàn)證四象限探測(cè)原理。*對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)如下：縮寫定義GND地FD1探測(cè)器一象限輸出并放大后的信號(hào)FD2探測(cè)器二象限輸出并放大后的信號(hào)FD3探測(cè)器三象限輸出并放大后的信號(hào)FD4探測(cè)器四象限輸出并放大后的信號(hào)ZK1探測(cè)器一象限的信號(hào)被展寬后的信號(hào)ZK2探測(cè)器二象限的信號(hào)被展寬后的信號(hào)ZK3探測(cè)器三象限的信號(hào)被展寬后的信號(hào)ZK4探測(cè)器四象限的信號(hào)被展寬后的信號(hào)MC激光器的脈沖驅(qū)

41、動(dòng)信號(hào) *5.轉(zhuǎn)動(dòng)四象限探測(cè)器或左右方向的移動(dòng)激光器，觀察模擬顯示和數(shù)字顯示的變化。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求（一）內(nèi)增益探測(cè)器1.畫出IdV關(guān)系曲線。2.分別畫出兩個(gè)光照下光電倍增管陽(yáng)極電流Ip與光電倍增管電壓關(guān)系曲線，即陽(yáng)極伏安特性曲線。3.分別計(jì)算上述電壓下陽(yáng)極靈敏度。4.畫出光電倍增管陰極電流IK與所加電壓關(guān)系曲線，即陰極伏安特性曲線。5.計(jì)算相應(yīng)電壓下的陰極靈敏度。(二) 四象限光電探測(cè)器根據(jù)實(shí)驗(yàn)中的體會(huì)試分析影響定向精度的因素有哪些？ 實(shí)驗(yàn)四 CCD輸出特性及二值化處理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^對(duì)典型線陣CCD在不同驅(qū)動(dòng)頻率和不同積分時(shí)間下的輸出信號(hào)的測(cè)量，進(jìn)一步掌握CCD的有關(guān)特性，掌握積分時(shí)間

42、的意義，以及驅(qū)動(dòng)頻率與積分時(shí)間對(duì)CCD輸出信號(hào)的影響；了解運(yùn)用線陣CCD進(jìn)行物體尺寸測(cè)量的基本方法。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容1、學(xué)習(xí)掌握線陣CCD的基本工作原理（參考相關(guān)教科書）。2、學(xué)習(xí)掌握TCD1200D線陣CCD的基本工作原理。3、掌握雙綜示波器的基本操作。三、實(shí)驗(yàn)儀器1、雙蹤同步示波器（20MHz以上） 1臺(tái)2、CCD原理應(yīng)用實(shí)驗(yàn)箱 1臺(tái)3、計(jì)算機(jī) 1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理（一）CCD輸出特性兩相線陣CCD電荷傳輸原理示意圖如下：每一相有兩個(gè)電極（即原理中的一個(gè)CCD轉(zhuǎn)移寄存器的MOS電容實(shí)際中用兩個(gè)），這兩個(gè)電極與半導(dǎo)體襯底間的絕緣體厚度不同，在同一外加電壓下產(chǎn)生兩個(gè)不同深度的勢(shì)井，絕緣體薄的那個(gè)M

43、OS電容比絕緣體厚的那個(gè)MOS電容勢(shì)井深，只要不是過多的電荷引入，電荷總是存于右邊那個(gè)勢(shì)井。圖b顯示了相位相差180O的驅(qū)動(dòng)脈沖1為高電位，2為低電位時(shí)MOS電容的勢(shì)井深度及電荷存儲(chǔ)情況。圖c表示1和2電位相等時(shí)的情況，這時(shí)電荷還不能移動(dòng)；圖d顯示了1為低電位，2為高電位時(shí)的情況，這時(shí)電荷流入2相的勢(shì)井。當(dāng)1和2電位再相等時(shí)停止流動(dòng)。電荷傳輸機(jī)理證明，電荷從一個(gè)勢(shì)井傳輸?shù)较乱粋€(gè)勢(shì)井需要一定的時(shí)間，且電荷傳輸隨時(shí)間的變化遵循指數(shù)衰減規(guī)律，只有由1和2的頻率所確定的電荷傳輸時(shí)間大于或等于電荷傳輸所需要的時(shí)間，電荷才能全部傳輸。但在實(shí)際應(yīng)用中，從工作速率考慮，由頻率所確定的電荷傳輸時(shí)間往往小于電荷本

44、身傳輸所需要的時(shí)間。這就是說，電荷的轉(zhuǎn)移效率與驅(qū)動(dòng)頻率有關(guān)。驅(qū)動(dòng)頻率越低，輸出信號(hào)越強(qiáng)。我們知道，積分時(shí)間為光電轉(zhuǎn)換的時(shí)間，顯然，積分時(shí)間越長(zhǎng)，光敏區(qū)的MOS電容存儲(chǔ)的電荷越多，相應(yīng)輸出信號(hào)越強(qiáng)。（二）、輸出信號(hào)的二值化處理線陣CCD的輸出信號(hào)包含了CCD各個(gè)像元的光強(qiáng)分布信息和像元位置信息，這就使我們能夠測(cè)量物體的尺寸和位置。可采用成像法和透射法。成像法如下圖所示：將尺寸為L(zhǎng)的被測(cè)物體ab置于成像鏡頭的物面，線陣CCD的感光面置于成像鏡頭的像面，調(diào)節(jié)成像鏡頭，則在CCD的感光面上形成物體倒立的像ba，CCD感光面上光強(qiáng)分布發(fā)生變化，從而輸出電信號(hào)強(qiáng)度發(fā)生變化，理想的反映光強(qiáng)分布的電信號(hào)曲線應(yīng)

45、如實(shí)線所示。根據(jù)這個(gè)曲線，可以測(cè)得物體ab經(jīng)成像鏡頭在像面的尺寸，若已知光學(xué)放大倍數(shù)f，就可以計(jì)算物體的尺寸L。透射法如下圖所示，（本實(shí)驗(yàn)采用這種方法）：均勻的平行光垂直入射CCD感光面，將寬為L(zhǎng)的物體放入光路，則CCD感光面接收到的光強(qiáng)，從而CCD輸出信號(hào)將發(fā)生變化，理想情況如實(shí)線所示，但由于入射光非平行性和直邊衍射等因素的影響，實(shí)際輸出信號(hào)的強(qiáng)度變化如虛線所示，不能唯一確定，要實(shí)際進(jìn)行定量測(cè)量，必須對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行處理。其處理方法就是對(duì)虛線所示CCD輸出信號(hào)進(jìn)行所謂“二值化處理”。下圖是硬件固定閾值二值化處理電路及處理結(jié)果：比較放大器的正相輸入端接CCD的輸出信號(hào)U0，反相輸入端接一電

46、位器，通過此電位器調(diào)節(jié)反相輸入端的電平，此電平稱為閾值電平。只有U0大于閾值電平時(shí)，放大器才有輸出信號(hào)U1，U1稱為二值化輸出信號(hào)，可用示波器觀察。硬件二值化過程只能定性觀察，要定量測(cè)量，需通過軟件來實(shí)現(xiàn)，由USB數(shù)據(jù)采集電路采集U0信號(hào)，再給出閾值電平，則可提取表示物體邊緣的像元S1和S2， S1和S2的差值即為被測(cè)物體在CCD像面上所占據(jù)的像元數(shù)目。若已知像元間距，進(jìn)而可求得物體ab的尺寸。顯然，不論是硬件二值化還是軟件二值化，這樣求得物體ab的尺寸與閾值電平有關(guān)，這是固定閾值二值化處理的缺點(diǎn)。（三）數(shù)據(jù)采集及軟件二值化數(shù)據(jù)采集的種類和方法很多，這里介紹實(shí)驗(yàn)儀所采用的8位并行接口方式的數(shù)據(jù)

47、采集基本工作原理。下圖所示為以8位A/D轉(zhuǎn)換器件TLC5510A為核心器件構(gòu)成的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以單片機(jī)完成地址譯碼器、接口控制、同步控制、存儲(chǔ)器地址譯碼等邏輯功能。計(jì)算機(jī)軟件通過向端口發(fā)送控制指令對(duì)單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)等待SH上升沿（對(duì)應(yīng)于CCD第一個(gè)有效輸出信號(hào)）觸發(fā)AD開始工作，AD器件則通過RS信號(hào)完成對(duì)每個(gè)像元的同步采樣，A/D轉(zhuǎn)換輸出的8位數(shù)字信號(hào)則存儲(chǔ)在靜態(tài)緩存器件（IDT72241）中。當(dāng)一幀像元的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)（U29）會(huì)生成一個(gè)標(biāo)志轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)，同時(shí)停止A/D轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器的工作。單片機(jī)（U30）將此幀像元的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過USB接口芯片將采集信號(hào)送給計(jì)

48、算機(jī)軟件進(jìn)行相關(guān)顯示處理。當(dāng)軟件讀取并處理完一行數(shù)據(jù)后，再次發(fā)送復(fù)位指令循環(huán)上述過程。CCD輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后，軟件測(cè)量方法很多，這里介紹最基本的二值化測(cè)量方法。軟件二值化原理同硬件二值化相同，給出適當(dāng)?shù)拈撝担袛喑鲚敵龅陀陂撝档南裨獢?shù)，然后進(jìn)行計(jì)算。與硬件二值化不同的是軟件二值化除可用固定閾值外，可以使用“浮動(dòng)閾值”， 浮動(dòng)閾值的取值范圍是0%100%，其實(shí)際閾值按下式計(jì)算：實(shí)際閾值=（信號(hào)的最大值信號(hào)的最小值）×浮動(dòng)閾值信號(hào)的最小閾值可見，閾值的實(shí)際值是隨測(cè)量值而變的，這在一定程度上消除了由于背景光不穩(wěn)定造成的測(cè)量誤差。另外，軟件二值化可以方便地采用多次平均疊加

49、算法提高精度。本實(shí)驗(yàn)軟件使用“固定閾值”法。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1、CCD輸出信號(hào)的測(cè)量（1） CCD輸出信號(hào)與光強(qiáng)的關(guān)系 將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為0檔，積分時(shí)間設(shè)置為0檔。用示波器CH1探頭測(cè)試轉(zhuǎn)移脈沖SH，并調(diào)節(jié)掃描速度和同步使之同步，使SH脈沖至少出現(xiàn)2周期。用示波器CH2探頭測(cè)試CCD輸出信號(hào)U0，改變光源強(qiáng)度，觀察U0的波形變化，并解釋波形變化的原因，最后調(diào)至接近飽和狀態(tài)。（2）CCD輸出與積分時(shí)間的關(guān)系在上述基礎(chǔ)上，改變積分時(shí)間，仔細(xì)觀察U0信號(hào)的變化。記錄U0的變化的規(guī)律，并解釋其原因。（3）CCD輸出與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系 將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為0檔，積分時(shí)間設(shè)置為0檔。 改變驅(qū)動(dòng)頻率，觀察U0信號(hào)

50、的變化的規(guī)律，并解釋其原因。2、CCD輸出信號(hào)的硬件二值化（1）驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為0檔，積分時(shí)間設(shè)置為0檔，將一定寬度的待測(cè)物體插入光路。（2）用示波器CH1探頭觀察并測(cè)試U0，用CH2探頭觀察二值化輸出信號(hào)U1，調(diào)節(jié)W1改變閾值電平，并用萬(wàn)用表測(cè)量，觀察U1信號(hào)的變化。比較不同情況下閾值電平相對(duì)U0的大小。3、CCD輸出信號(hào)的軟件二值化及線徑測(cè)量（1）驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為0檔，積分時(shí)間設(shè)置為0檔，將實(shí)驗(yàn)箱通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接。（2）運(yùn)行CCD應(yīng)用軟件， 如正常連接，計(jì)算機(jī)任務(wù)欄右下角會(huì)有圖標(biāo)顯示，并有如下界面，點(diǎn)擊“開始繪圖”，則開始數(shù)據(jù)采集。主窗口下面為CCD輸出信號(hào)波形，上面為經(jīng)軟件二值化處

51、理的信號(hào)波形；右上角顯示測(cè)得的線徑寬度和此寬度所占據(jù)的像素點(diǎn)數(shù)。（3）選擇“閾值設(shè)定”，在對(duì)話框中將當(dāng)前無(wú)效像元數(shù)設(shè)定為0。（4）調(diào)節(jié)光強(qiáng)度，使CCD輸出接近飽和狀態(tài)，這時(shí)CCD輸出信號(hào)波形如下圖（a）所示， CCD線徑測(cè)量欄中的點(diǎn)數(shù)為某一值X，以后的測(cè)量中要保持光強(qiáng)不變。（5）選擇“閾值設(shè)定”，在對(duì)話框中將當(dāng)前無(wú)效像元數(shù)設(shè)定為X，則CCD線徑測(cè)量欄中的點(diǎn)數(shù)為零。（6）將一已知寬度H的標(biāo)準(zhǔn)物體插入光路，這時(shí)CCD輸出信號(hào)波形如圖（b）所示，中間部分為物體遮光使輸出電壓下降。（7）選擇“閾值設(shè)定” 設(shè)定閾值，設(shè)定數(shù)值范圍為0256，對(duì)應(yīng)閾值電壓為：04V（界面右上角顯示對(duì)應(yīng)閾值電壓）。使CCD線

52、徑測(cè)量欄中的線徑值為H。 （8）將待測(cè)物體代替標(biāo)準(zhǔn)物體插入光路，CCD線徑測(cè)量欄中的線徑值則為待測(cè)物體的寬度。（8）改變閾值電壓，觀察對(duì)二值化結(jié)果的影響，分析其原因。本軟件還可以用鼠標(biāo)雙擊波形指定位置，將放大顯示雙擊位置的象素幅值大小，每個(gè)頁(yè)面顯示50個(gè)象素，可以通過點(diǎn)擊右上角分別指示左右的小三角符號(hào)顯示相鄰頁(yè)面的象素。通過點(diǎn)擊還原顯示回到波形顯示界面，點(diǎn)擊保存可以保存波形圖像到指定位置。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求綜合測(cè)量結(jié)果，寫出總結(jié)性報(bào)告，說明積分時(shí)間的含意，解釋驅(qū)動(dòng)頻率和積分時(shí)間對(duì)CCD輸出信號(hào)的影響。說明固定閾值電平法二值化的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)五 PSD位移傳感器特性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解一維PSD光電位移傳感器的原理及應(yīng)用二、實(shí)驗(yàn)儀器 1、ZY130Fsens12SB主工作臺(tái) 2、 PSD傳感器及位移裝置3、 PSD傳感器實(shí)驗(yàn)?zāi)０迦?、?shí)驗(yàn)原理PSD為一具有PIN三層結(jié)構(gòu)的平板半導(dǎo)體硅片，其斷面結(jié)構(gòu)如下圖所示。在長(zhǎng)條形P-N結(jié)之