光電信息技術(shù)實驗

1、光電信息實驗（二）學生姓名：代中雄專業(yè)班級：光電1001學生學號：U201013351指導老師：黃鷹&陳晶田實驗一 阿貝原則實驗一、 實驗?zāi)康?. 熟悉阿貝原則在光學測長儀中的應(yīng)用。二、 基本原理1. 阿貝比較原則 萬能工具顯微鏡結(jié)構(gòu)及實物圖所示。萬能工具顯微鏡的標準件軸線與被測件軸線不在一條直線上，而處于平行狀況。產(chǎn)生的阿貝誤差如下： 一階誤差，即阿貝誤差2結(jié)論 1）只有當導軌存在不直度誤差，且標準件與被測件軸線不重合才產(chǎn)生阿貝誤差（一階誤差）。 2）阿貝誤差按垂直面、水平面分別計算。 3）在違反阿貝原則時，測量長度為的工件所引起的阿貝誤差是總阿貝誤差的。 4）為了避免產(chǎn)生阿貝誤差，

2、在測量長度時，標準件軸線應(yīng)安置在被測件軸線的延長線上（阿貝原則）。 5）滿足阿貝原則的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)龐大。3.阿貝測長儀阿貝測長儀中，標準件軸線與被測件軸線為串聯(lián)形式，無阿貝誤差，為二階誤差，計算形式如下：三、 實驗內(nèi)容1. 萬能工具顯微鏡進行測長實驗1）儀器：萬能工具顯微鏡，精度：1微米。用1元、5角、1角的硬幣，分別測它們的直徑，用數(shù)字式計量光柵讀數(shù)及傳統(tǒng)的目視法讀數(shù)法。每個對象測8次，求算數(shù)平均值和均方根值。2）實驗步驟： 瞄準被測物體一端，在讀數(shù)裝置上讀一數(shù)；瞄準被測物體另一端，在讀數(shù)裝置上再度一數(shù)（精度1微米）；兩次讀數(shù)之差即為物體長度。3）實驗結(jié)果：次數(shù)12345678均值結(jié)果/mm1

3、1.45311.45111.45611.45811.46411.43811.44511.450數(shù)據(jù)處理：由8次測量結(jié)果可以算出硬幣的平均直徑，算數(shù)平均值：求均方根值：實驗小結(jié) 通過本次實驗，學習了阿貝原理以及產(chǎn)生阿貝誤差的原因，并且具體運用其測量了光學儀器實際物品，從而熟悉阿貝原則在測長儀器中的應(yīng)用，也明白了串聯(lián)式測量儀的有點。實驗二 激光平面干涉儀實驗一、 基本原理 儀器：PG15-J4型激光平面干涉儀1臺 內(nèi)容：玻璃材料的平面度測量 精度：100nm激光平面儀原理圖儀器結(jié)構(gòu) 平面干涉儀基于雙光束等厚干涉原理進行精密觀測。如圖3.1所示，圖中s是擴展光源，位于準直透鏡L1的前焦面上，發(fā)出的光

4、束經(jīng)透鏡L1準直后射向玻璃片M，再從玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板下表面的反射光透過平板上表面和玻璃片反射向L2.按照確定定域面的作圖法，可知定域面在楔形平板內(nèi)部的BB的位置。如果平板不是太厚，且平板兩表面的楔角不是太大時，定域面非常接近平板下表面，這樣如調(diào)節(jié)顯微鏡L2對準平板下表面，就可在顯微鏡像平面E上觀察到楔形平板產(chǎn)生的等厚條紋。 平面干涉儀結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。由組合星點G1發(fā)出的單色光經(jīng)棱鏡G2后，投向主鏡表面折射為平行光后，射向主鏡下表面（A面）及被測光學表面，A面和被測光學平面反射回來的光重疊相干后，經(jīng)棱鏡G2反射，進入接收件。星點可由激光管G5、棱鏡G6、光

5、源強度調(diào)節(jié)發(fā)散鏡G7組成。接收件可以由人眼G10，成像物鏡G15和測微目鏡G11，或由分光棱鏡G12、可動小孔G13和攝像頭G14組成的攝像。二、 實驗內(nèi)容：1.玻璃材料的平面度測量。1） 測量局部誤差 2） 測量整個面形誤差（用） 光圈數(shù) 不足一個光圈數(shù)平面度測量2.實驗步驟： 參考圖3.1和3.2，1）移開成像物鏡G15和測微目鏡G11，旋轉(zhuǎn)調(diào)整左右螺旋8，使平板繞水平面的橫軸或縱軸微小擺動，出瞳S2繞S1轉(zhuǎn)動直到S2和S1接近重合。2）裝上成像物鏡G15和測微目鏡G11，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)調(diào)整左右螺旋8，直到G11視場中干涉條紋清楚。3）測量e和H，計算平面度和粗糙度。實驗數(shù)據(jù)起始位置（格數(shù)）He

6、對準位置（格）距離（mm）對準位置（格）距離（mm）80.5116.00.356135.00.5453.540.00.36554.50.51091.5124.00.325141.50.50010.042.00.32058.00.48069.099.00.300114.00.450數(shù)據(jù)處理：局部誤差：面形誤差：實驗小結(jié) 通過本次實驗，熟悉了激光干涉儀的基本原理機器結(jié)構(gòu)，掌握了利用其測量面形誤差的方法。實驗三 原子力顯微鏡一、實驗?zāi)康?了解AFM的基本使用方法二、實驗流程1.樣品清洗2.開機3.水平調(diào)節(jié)和偏差調(diào)節(jié)4.手動下針5.自動下針6.關(guān)機 1.樣品清洗一般情況下，根據(jù)材料的不同進行不同的處理

7、方式。目的都是為了去除表面的污染物，使表面潔凈。對于半導體材料，根據(jù)材料的不同采取以不同的腐蝕液進行洗片。一般步驟為：1. 用去離子水做初步清洗；2. 放入腐蝕液中浸泡并用超聲波清洗一段時間（時間視材料不同自定）；3. 用去離子水洗掉材料表面殘留腐蝕液；4. 用N2進行吹干；5. 吹干后放入干凈樣片袋中暫時保存并準備測試；工作原理如下圖所示： 探針形貌 1. 開機1. 開啟設(shè)備電腦開關(guān)及雙屏顯示器；2. 開啟顯微鏡光源；3. 開啟光學顯微鏡 CRT 顯示器電源；4. 將設(shè)備主部隔塵罩小心地取下，將顯微鏡調(diào)整至設(shè)備主機方向，光斑打到載物臺中心處；5. 打開設(shè)備主機電源，在主機controller

8、 的控制板上，確認AFM 模式；6. 打開pc中的 軟件，激活軟件與設(shè)備主機連接圖標；1.1. 水平調(diào)節(jié) 水平調(diào)節(jié)完后擰松探針固定旋鈕，傾斜著取下 AFM 針夾具，倒置輕放在濾紙上，放于衣袖碰觸不到的地方，以免碰傷懸臂； 放樣品，樣片粘于專用樣品臺片上，用鑷子夾好樣片輕推到樣品臺上（注意：樣品臺片與底座是磁鐵，有一定吸引力，要小心放置）； 放好樣片后，調(diào)節(jié)顯微鏡，觀察CRT使顯微鏡聚焦到樣片表面。 用鑷子直接調(diào)整樣品位置，在CRT上觀察確定樣品測試點位于下針位置附近； 3.2偏差設(shè)定 1.放置 AFM 測試夾具，一定要小心，注意觀察懸臂與樣品表面的距離，若相距太近，則將測試夾具小心取出，放置妥

9、當后， 使用手動抬針方法將三個支柱抬高，同時保證三支柱設(shè)備光路臺面水平； 2.高度調(diào)節(jié)到安全距離以后，小心地放入AFM 針測試夾具，用肉眼結(jié)合CRT 上觀察確定樣品與針的保持一段距離，調(diào)節(jié)顯微鏡使其聚焦到探針； 3.擰緊夾具固定旋鈕來固定夾具，此時主機顯示屏上，標定激光器電壓的SUM 值為（6.77.3)左右則正常。先調(diào)節(jié)垂直偏差旋鈕使垂直偏差（Vert）讀數(shù)接近0.0V，再調(diào)節(jié)水平偏差旋鈕使探測器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保證同時為0，則重復(fù)調(diào)節(jié)保證兩個值在0.0V附近； 4.手動下針 開始手動下針，先輕扒微調(diào)鈕進行DOWN操作，同時順時針（由下往上看）旋轉(zhuǎn)如上圖標

10、注的兩旋鈕，并且調(diào)節(jié)顯微鏡聚焦到探針，如此反復(fù)多次調(diào)節(jié)。注意每操作一次后觀察光學顯微鏡CRT保證探針沒有接觸樣片（觀察方法：使顯微鏡聚焦到探針，若調(diào)節(jié)顯微鏡可迅速得到清晰樣片的像，表明探針和樣片距離很近）； 當樣品表面與懸臂焦距接近時，調(diào)節(jié)使此時的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分別至0V 和（-0.6-0.8） 5.軟件自動下針掃描在軟件中設(shè)置當前樣品需要的掃描范圍（scan size)，臺階高度(date scale)，掃描速度(scan rate)等參數(shù)； 臺階高度不可超多1m，掃描速度設(shè)置在5m/s 以內(nèi)為宜；（即scan size×scan rate <

11、 5） 單擊啟動軟件中自動下針控件，下針過程中注意觀察主機中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趨勢是減小的為正常； 若要移動掃描區(qū)域，下針完成后，將掃描頻率調(diào)低（即降低掃描速度），設(shè)置X 軸與Y軸的offset 值（offset 范圍不得超過70m），確定掃描位置和范圍后，重新開始從上往下或從下往上掃描，并拍取圖象。 測試5*5um的形貌 1.設(shè)置scan size 5um(1:1), 設(shè)置 scan rate 0.1Hz, 設(shè)置Date scale 100nm(觀察樣品表面形貌覺得，粗糙則設(shè)大點） 2.點擊下針 設(shè)置 scan rate 0.3Hz,點擊 再設(shè)置 scan

12、 rate 0.5Hz，觀察波形范圍在調(diào)節(jié)最佳的Date scale 3.最大設(shè)置 scan rate 0.7Hz， 點擊 進行切換到掃描界面， 點擊 由上到下進行掃描， 點擊 進行實時保存， 掃完后點擊 抬針。6.關(guān)機 關(guān)閉激光器； 關(guān)閉設(shè)備主控電源； 關(guān)閉光學顯微鏡 CRT 電源、光源； 將光學顯微鏡置于原本所在方向，蓋上物鏡蓋； 將主機隔塵罩小心的罩于主機上； 關(guān)閉計算機電源及雙屏顯示器電源。實驗四 光電直讀光譜儀實驗一、 實驗?zāi)康?. 掌握光柵式光譜儀分光的基本原理。2. 熟悉光電直讀光譜儀光電系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)。3. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實驗。二、 基本原理1. 平面衍射光柵的分

13、光原理光柵方程式如圖5.1所示，當一束平行的復(fù)合光入射到光柵上，光柵能將它按波長在空間分解為光譜，這是由于多縫衍射和干涉的結(jié)果。光柵產(chǎn)生的光譜，其譜線的位置是由多縫衍射圖樣中的主極大條件決定的。相鄰兩刻線對應(yīng)的光線22和光線11的光程差為： （1）相干光束干涉極大值的條件為： （2）入射與出射光在光柵法線同側(cè)取”+”號，在異側(cè)取”-”號。 由式（1）和（2）可得相鄰兩光線干涉極大值的條件-光柵方程為： （3）式中 -入射角 -衍射角 -刻痕間距，通常稱為光柵常數(shù) -光譜級次， （3）式可改寫為： （4）2. 光柵式單色儀光學系統(tǒng)切爾尼-特納系統(tǒng)光學系統(tǒng)原理圖光柵中心位于入射光線與出射光線的對稱

14、軸上，兩個球面反射鏡的焦距均為300mm，入射與出射狹縫位于球面鏡的焦面。平面反光鏡作為折光鏡將出射光線折轉(zhuǎn)90°，以使出縫與入縫90°的垂直分布，可以避免因為光源與光電接收器距離過勁=近而互相干擾。復(fù)色光源經(jīng)入射狹縫照明在球面鏡（一）上，此鏡將平行光投射到光柵上，光柵將復(fù)色光衍射分光，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面鏡（二）上，此鏡將接收的平行光束聚焦在出縫處，從而得到一系列按波長排列的光譜。透過出縫射出的光束只是光譜寬度很窄的一束單色光。掃描機構(gòu)運行時，光柵隨之旋轉(zhuǎn)，這樣就可以得到所選擇的單色光。光路中的光闌和擋光板起限制視場外多余光束的作用，以利于減少儀器

15、的雜散光。3. CCD作探測器的光電直讀光譜儀如圖所示光譜儀結(jié)構(gòu)圖2. 入射狹縫及調(diào)焦筒 2.平面反射鏡3.光柵旋轉(zhuǎn)手輪 4.波長計數(shù)器5.球面反射鏡（一） 6.球面反射鏡（二）7.CCD探測器 8.調(diào)焦螺母9調(diào)焦筒緊固螺釘線 10.濾光片（CB550）主要參數(shù)及技術(shù)指標波段范圍：330-1100nm焦距： 180mm平面光柵：300線/mm；閃耀波長:500nm 600線/mm；閃耀波長:500nm 1200線/mm；閃耀波長:500nm相對孔徑：D/f=1/3.8三、 實驗內(nèi)容1. 分析光柵式光電直讀光譜儀基本光學系統(tǒng)，繪制光路圖和機構(gòu)圖，記錄基本參數(shù)。2. 了解編VC+采集軟件，及計算機

16、界面設(shè)計。3. 用CCD探測器的光電直讀光譜儀進行光源光譜采集。4. 用光電池做探測器的光電直讀光譜儀進行光源采集。四、 實驗步驟 進行汞燈光譜實驗 開啟汞燈高壓電源，調(diào)整聚焦透鏡使光源像聚焦到調(diào)整光譜儀輸入狹縫，調(diào)整狹縫大?。ù蠹s0.5mm）使輸出電壓在合適范圍內(nèi)；用VC+采集汞燈光譜曲線。用數(shù)據(jù)文件記錄光譜曲線，根據(jù)光譜曲線確定汞燈峰值波長。 由上圖可知汞燈光源在可見光段較為平坦，在此段中光功率分布均勻。實驗小結(jié) 本次實驗使用光電直讀光譜儀測量了數(shù)種光源的光譜，掌握了常見光源的光譜特性和光電直讀光譜儀的結(jié)構(gòu)和操作方法，達到了實驗?zāi)康?。實驗?光譜法物質(zhì)成分分析實驗一、 實驗?zāi)康?. 熟悉用

17、光電倍增管作傳感器的光電直讀光譜儀的基本結(jié)構(gòu)和光學系統(tǒng)。2. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實驗。3. 了解光電倍增管傳感器的前置放大電路，單片機A/D轉(zhuǎn)換程序，以及串行通訊電路。4. 熟悉分光光度計基本原理。5. 掌握吸收光譜法檢測物質(zhì)濃度。二、 基本原理1. 平面衍射光柵分光原理2. 光電倍增管式光電直讀光譜儀（1） 原理圖光電直讀光譜儀（2） 主要技術(shù)參數(shù) 波長范圍 （可擴展為） 光柵 平面光柵 ，刻線面積， 閃耀波長 （可按用戶要求選配其他規(guī)格的光柵） 波長準確度 波長重復(fù)性 焦距 相對孔徑 分辨率 （光柵） 線色散倒數(shù) （） 雜散光 （He-Ne激光器，在處測定） 狹縫 寬度 連續(xù)可調(diào)

18、整，高度共分五檔 外形尺寸 長*寬*高 （主機） （控制器）3. 分光光度計如圖所示，分光光度計是in性物質(zhì)熒光光譜光強研究或物質(zhì)分子吸收光譜的研究。主要由光源（氘燈D、鎢燈W），發(fā)射單色器（光柵C、球面發(fā)射鏡、）、調(diào)制盤CH、光電倍增管B、試樣池及組成。分光光度計光學系統(tǒng)分光光度計實物圖 為了實現(xiàn)線性化測量，光柵光譜儀中設(shè)計了正弦機構(gòu)。如圖所示光柵垂直定位于一個轉(zhuǎn)盤上，光柵、轉(zhuǎn)盤以及搖桿（正弦桿）連接成一體形成一個構(gòu)件，搖桿和絲桿組成正弦機構(gòu)。掃描機構(gòu)原理圖分光光度計掃描機構(gòu)（1） 透過率測試原理：讓進行波長掃描（保持同樣的波長接收），可得試樣在不同波長下的透過率曲線其中：為透過試樣的光強（

19、探測器接收），為入射光強（探測器接收），為透過率。（2） 吸收光譜測量原理：吸收光譜反映了物質(zhì)本質(zhì)特性，特定的氣體、液體物質(zhì)有特定的吸收光譜。吸收度的定義為：和的定義同上。用分光光度計測得和，自動計算可得吸收光度曲線，它就反映了物質(zhì)的吸收光譜。（3） 分光光度法檢測溶液濃度-朗伯比爾定律：式中為溶液濃度，、和的定義同上，為常數(shù)，它與入射光波長以及溶液的性質(zhì)、液層厚度和溫度有關(guān)，為溶液厚度。 分光光度計可測得溶液濃度，用相對法 已知標準溶液濃度，再測得、就可算得。三、 實驗內(nèi)容2. 分析光柵式光電直讀光譜儀基本光學系統(tǒng)，繪制光路圖和機構(gòu)圖，記錄基本參數(shù)（焦距、主要尺寸）。3. 了解VC+采集軟件

20、，以及計算機界面設(shè)計，包括：對話框、光譜曲線顯示。4. 用雙光束紫外可見分光光度計進行高錳酸鉀溶液濃度測定。1） 吸收光譜法檢測高錳酸鉀溶液濃度。 首先配置已知濃度的高錳酸鉀溶液，再配置另一濃度的高錳酸鉀溶液，用分光光度計獲得高錳酸鉀溶液的吸收度曲線，以確定最大吸光度的波長值（繪制下圖）。在波長處進行溶液濃度相對測量法 。如圖所示為低濃度高錳酸鉀溶液的吸光度曲線圖如圖所示為高濃度高錳酸鉀溶液的吸光度曲線圖以上兩圖可以看出，高濃度高錳酸鉀溶液的吸光度約為低濃度的2倍。選取400nm波長作為參考點，高濃度高錳酸鉀溶液吸光度約為0.25，而低濃度溶液的吸光度約為0.125，由A1/A2=C1/C2，

21、可以計算出高濃度高錳酸鉀溶液的濃度約為低濃度的2倍，與實際相符合。如圖為塑料片的透過率曲線 實驗小結(jié) 本實驗驗證了通過吸收光譜測量溶液濃度的原理，并成功檢測了兩種高錳酸鉀溶液的濃度因子，測定了塑料片的透過率曲線，基本掌握了吸收光譜法檢測物質(zhì)濃度和光電直讀光譜儀的使用方法。光電信息實驗（一）學生姓名：代中雄專業(yè)班級：光電1001學生學號：U201013351指導老師：陳晶田&黃鷹實驗一 光電透過率測量實驗一、實驗?zāi)康?1. 學習典型光電系統(tǒng)的設(shè)計方法2. 理解激光透過率測量的原理3. 設(shè)計激光透過率測量系統(tǒng)的各部分電路二、實驗原理 透過率的測量是光學測量的一項重要內(nèi)容， 在物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析、

22、 物體的化學性質(zhì)、 生物醫(yī)學等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 一般情況下， 輻射源的輻射要受到中介媒質(zhì) （大氣， 光學系統(tǒng)元件等） 的吸收，輻射等，只有一部分輻射功率透過媒質(zhì)， 最后被探測器接受。 當以平行輻射束在媒質(zhì)中傳播時， 若媒質(zhì)有吸收，則在傳播一段距離之后，在垂直于傳播方向單位面積上的輻射能通量將減少。 實驗證明，對于在均勻吸收媒質(zhì)，如果不考慮散射時，被吸收的輻射能通量的相對值m 距離時， 輻射能通量就衰減為原來值得1/ e 。 除去吸收外， 散射也是輻射衰減原因之一。 設(shè)有一輻射能通量為f 的平行輻射束， 入射到包含許多微粒質(zhì)點的非均勻媒質(zhì)上， 由于媒質(zhì)內(nèi)微粒的散射而衰減的相對值 / dff

23、 與通過的距離 dx 成正比，即： 將上式從 0 到 x 積分，得到在 x 處的輻射能通量： 該式稱為散射定律，式中 (0) f 為在 x=0 處的輻射功率，m 為散射系數(shù)，與吸收情況相似，媒質(zhì)散射也是輻射能通量按指數(shù)規(guī)律衰減。 如果傳播媒質(zhì)中同時存在吸收和散射，則輻射能通量為f 的入射輻射在傳播 x 距離之后，透過的輻射能通量為： 上式稱為比爾朗伯定律。式中，激光透過媒質(zhì)后的光強與透過前的光強的比值稱為透過率。 又稱透射率或透射系數(shù)。如前所述，其計算公式為： 三、系統(tǒng)組成框圖與說明1.系統(tǒng)框圖 激光透過率測量系統(tǒng)得原理框圖如下：由經(jīng)過調(diào)制的激光器發(fā)出的一定波長的激光經(jīng)過介質(zhì)后衰減，光強減小，

24、分別測量出激光通過介質(zhì)前后的光強， 即可測出激光通過此介質(zhì)的透過率。 光電傳感器將入射的光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)信號處理電路，如 IV 轉(zhuǎn)換電路、濾波電路、積分電路，將交流信號變成直流信號， 該直流信號的大小與入射到光電傳感器上的光信號的強度成正比， 通過測量該直流電流的大小即可測量出激光通過介質(zhì)的透過率。 1. 各部分電路說明 驅(qū)動與調(diào)制電路：為滿足半導體激光器對驅(qū)動信號的頻率要求，可以設(shè)計一個可調(diào)諧的方波發(fā)生器。方波發(fā)生頻率從 32KHZ 到 125HZ.。方波發(fā)生器實際上是由以 NE 555 為核心的組成。 555 時基電路和 R16、R13、C12 等組成一個無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，它的振蕩頻

25、率此多諧振蕩器產(chǎn)生的波形是具有一定占空比的方波，其中 將原理圖中的參數(shù)帶入公式可計算出從 555 產(chǎn)生的方波信號頻率為 32KHZ.。參考電路如下： 本實驗中，半導體激光器的調(diào)制頻率采用 1KHz。 光電傳感 I/V 轉(zhuǎn)換電路： 光電傳感器采用光電池， 由于光電池采用無偏置電路， 輸出信號為電流，所以后續(xù)的電路采用低噪聲、低偏置電流放大器 CA3140 設(shè)計了如圖 3 所示的 I/V 轉(zhuǎn)換電路。由電路的虛短與虛斷特性計算可知： 帶通濾波電路: 本方案設(shè)計一個 2 階壓控電壓源帶通濾波器，要求中心頻率 f=1khz,增益Av =2，品質(zhì)因數(shù) Q=10，原理圖如圖所示。帶通濾波器的性能參數(shù)：積分電

26、路：積分電路的作用是將輸入的交流信號變成直流信號，可以采用 AD536A 芯片。AD536A 能夠計算直流和交流信號的真有效值。在工作時，如果輸入的是幅值緩慢變化的直流信號，則它可以進行精確的轉(zhuǎn)換。當輸入直流信號的幅值變化較快時，由于直流誤差(平均誤差)和紋波誤差的存在，AD536A 的實際輸出值將與理想的輸出值略有差異。 當采用如圖 5 所示的兩極濾波電路時， 在不增加穩(wěn)定時間的情況下， 可更有效地減小紋波。 對于恒定的紋波， 可以通過減小 C6、C4 和 C5 的值來進一步縮短穩(wěn)定時間。 由于直流誤差與濾波器無關(guān)，而僅與 C6 有關(guān)，所以在選擇 C6 時，只要考慮其直流誤差即可。經(jīng)過 AD

27、536 后輸出的是直流信號，與入射到光電傳感器上的光信號的強度成正比。 三、實驗內(nèi)容 理解光電法測量介質(zhì)透過率的原理與方法， 按上述要求熟悉各集成電路的原理與應(yīng)用方法， 實驗內(nèi)容： 1、 實驗背景介紹和整體演示； 2、 學生自己動手調(diào)節(jié)光路，電路不作設(shè)計由已經(jīng)有的模塊來完成，記錄不同波片的透過率。 實驗數(shù)據(jù)標準樣品0.90.790.50.320.1電壓（mV）888.9840527359123透過率0.88890.840.5270.3590.123 載物臺上無樣品時，V0=110mV測出 T1=0.8889 T2=0.84 T3=0.527 T4=0.359 T5=0.123誤差分析相對誤差可

28、能誤差原因：1.電阻阻值與標稱值不相符；2.探測器受外界擾動；3.探測器的靈敏度有限。 實驗小結(jié) 本次實驗通過測量并計算樣品的光譜透過率，了解了光電探測系統(tǒng)的基本組成，掌握了透過率的測量原理及方法，并且基本完成了測量任務(wù)。實驗二 攝像機原理實驗一、實驗?zāi)康?1 理解攝像機的工作原理2 掌握視頻信號的構(gòu)成3 設(shè)計簡單的疊加圖形二、電視攝像原理 一幅圖像，根據(jù)人眼對細節(jié)分辨力有限的視覺特性，總可以看成是由許多小單元組成。在圖像處理系統(tǒng)中， 這些組成畫面的的細小單元稱為象素， 象素越小， 單位面積上的象素數(shù)目就越多，由其構(gòu)成的圖像就越清晰。 電視系統(tǒng)中， 把構(gòu)成一幅圖像的各象素傳送一遍稱為一個幀處理

29、， 圖像的每幀由許多象素轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號， 再分別用各個相應(yīng)信道把這些信號同時傳送出去， 接受端接收后又同時進行轉(zhuǎn)換， 恢復(fù)出原發(fā)射的信號。 1.電視掃描 只有對一幅圖象進行分解和同步掃描之后，才可能對這幅圖象進行傳遞和再現(xiàn)。因此，一個完整的電視信號不但應(yīng)有反映象素亮度的視頻信號還應(yīng)有保證與攝象管內(nèi)電子束進行同步掃描的復(fù)合同步信號，以及在掃描逆程時關(guān)閉電子束的復(fù)合消隱信號！ 根據(jù)人眼的生理特點，在不產(chǎn)生亮度閃爍感和保證有足夠的清晰度的情況下，掃描頻率應(yīng)該在 48Hz 以上， 掃描行數(shù)須在 500 以上，為了使圖象清晰度不下降，又要減小系統(tǒng)的帶寬， 人們又提出了隔行掃描技術(shù)！隔行掃描方式是將一

30、幀（一幅）電視圖象分成兩場進行掃描。第一場掃出光柵的第 1，3，5，7等奇數(shù)行，稱為奇數(shù)場；第二場掃第 2，4，6，8等偶數(shù)行，稱為偶數(shù)場。每一幀圖象經(jīng)過兩場掃描，所有象素即可掃完，電視電子束的掃描軌跡也稱為掃描光柵，如上圖所示。下圖所示為行掃描電流波形及水平(行)掃描示意圖。場掃描鋸齒電流及場偏轉(zhuǎn)軌跡如上圖所示 2.亮度視頻信號 視頻輸出的電壓大小， 反映了一行中對應(yīng)象素的明暗程度， 視頻信號具有正負極性之分，對于正極性視頻信號， 象素越亮信號的幅度越大， 而對于負極性視頻信號則相反， 象素越亮，信號的幅度越?。?3.復(fù)合消隱信號 電視系統(tǒng)中掃描正程期間傳送圖像信號，逆程期間不傳送圖像信號。

31、電子束逆程掃描在熒光屏上出現(xiàn)回掃線， 將對正程的圖像造成干擾， 影響圖像的清晰度。 因此需使電視機在行、場掃描逆程期間電子束截止，以消除行、場逆程回掃線，即實現(xiàn)消隱。行消隱脈沖的寬度一般為 12us,場消隱脈沖寬度一般為 25TH，如下圖： 4.復(fù)合同步信號 在電視系統(tǒng)中 為了使電視機重現(xiàn)的圖像與攝像機拍攝的圖像完全一致， 要求接收端與發(fā)送端的電子束掃描必須同步。如果收、發(fā)端掃描不同步，則重現(xiàn)的圖像變形或不穩(wěn)定，嚴重時圖像混亂不能正常收看。完整的同步信號如下： 視頻同步信號同步脈沖疊加在消隱脈沖之上，亮度視頻信號則是插在相連的消隱脈沖之間。5.開槽脈沖 從上述說明中， 我們可以看到場同步信號的

32、寬度遠比行同步的要寬的多， 同時要比行周期還要寬， 這對于接受方獲取同步信號是很不利的。因此， 為了解決這個問題， 作到準確同步， 我們將場同步信號開槽， 信號形成一系列的鋸齒形狀。 這些鋸齒脈沖中也包含有行同步信號，稱為“開槽脈沖”。6.均衡脈沖 另外， 電視視頻信號中的行場同步信號的提取是不同。 行同步信號是幅度比較法獲得的，通過限幅電路來獲得同步； 我們看到， 場同步信號脈寬比行的要大的多， 因此通過對符合同步信號進行積分后，用比較電路就可以獲得場同步信號。 為了保證奇偶場的場同步積分后波形相同，在場間又引入均衡脈沖！ 三、電視信號圖象疊加原理視頻信號及時間疊加是視頻信號中混入一定形狀的

33、圖形或時間信號， 從而在屏幕的特定位置上與圖象信號同時進行顯示的設(shè)備。 本實驗是要在視頻信號中疊加一個十字線， 其基本原理如下： 首先提取視頻信號中行場同步信號， 然后對行、 場同步信號進行計數(shù)， 產(chǎn)生一個與行場同步信號有穩(wěn)定關(guān)系的控制信號， 用這個控制信號控制模擬開關(guān)， 模擬開關(guān)的輸出就在 2 路輸入信號 （十字線與視頻信號） 間的快速切換， 由于人眼視覺的暫留效應(yīng)， 在顯示器屏幕上看起來就是一幅疊加了十字線的圖像！ 下面是電視信號疊加圖像的原理框圖： 普通攝像頭輸出的是復(fù)合視頻信號，因而首先必須進行分離。 1、視頻信號同步分離電路（1）、LM1881 芯片簡介 為了使用方便， 我們使用集成

34、視頻信號同步分離電路 LM1881， 下面簡單說明 LM1881 的功能。 LM1881 視頻信號同步分離器能夠從幅度為 0.5V 到 2V 的標準負同步 NTSC、PAL 和 SECA信號中提取定時信號，包括混合和場的同步脈沖定時和奇偶場信息。LM1881 的工作原理如下圖：LM1881 的使用十分方面，只需要直流 5V 到 12V 的單電源提供電壓，在使用的過程中，除了在 8 腳用電容耦合電源和在 6 腳用耦合電容設(shè)置電流外， 只僅僅需要在 2 腳耦合信號輸入耦合一個電容和在 6 腳設(shè)置一個電阻， 他們是用來確定內(nèi)部電流的； 如果輸入信號掃描頻率不是 15.734kHz，那么通過調(diào)節(jié) 6

35、腳可以保證 LM1881 器件能夠使用。從該芯片中我們可以得到四種主要的同步信號： 混合同步信號 （包括場行掃描時間信息）， 場同步脈沖， 沖激或鉗位脈沖和奇偶輸出。 實驗儀器電路板中使用集成芯片 LM1881 分離出行場同步信號的電路如下： LM1881 構(gòu)成的行場分離電路其中：hs 表示復(fù)合同步輸出vs 表示場同步輸出EVEN/ODD 表示奇偶場同步輸出2、控制電路 控制電路的功能是要計算出疊加圖像的場、行位置值。實際上使用計數(shù)器就可以實現(xiàn)。本實驗儀使用大規(guī)?？删幊踢壿嬰娐?EPM7128SLC84 來實現(xiàn)對 hs、vs 信號的計數(shù)。 3、疊加圖形 模擬開關(guān)工作原理示意圖： 假設(shè)模擬開關(guān)有

36、二路輸入信號 VideoIn 1、VideoIn 2， 當選擇信號 VideoSe 為高電平時，模擬開關(guān)輸出為 VideoIn 1，當 VideoSe 為低電平時，模擬開關(guān)輸出為 VideoIn 2。一、 實驗內(nèi)容（1） 用示波器觀察復(fù)合視頻信號的波形。（2） 用示波器觀察場同步、行同步信號的波形并畫出這兩個波形圖。（3） 按動S1S5，觀察實驗現(xiàn)象。（4）在實驗儀的面包板上，用中小規(guī)模集成電路實現(xiàn)在監(jiān)視屏幕上任一位置的疊加一橫線或豎線。具體實現(xiàn)過程：用兩片74HC161通過并行方式組成一個256進制計數(shù)器，用此計數(shù)器對hs信號進行計數(shù)，計數(shù)器的進位輸出與CD4053的第10腳相連，通過控制C

37、D4053的輸出在原圖像和橫線的快速切換，就可以在顯示器上疊加一條橫線的圖像。實驗小結(jié) 通過觀察實驗現(xiàn)象，我充分的理解了攝像機的工作原理和視頻信號的組成。掌握了視頻信號中疊加圖像，文字的原理和方法。并在視頻信號中疊加了時間和日期，十字線等圖像，基本完成實驗?zāi)繕恕嶒炄?光譜透過率測試實驗一、實驗?zāi)康模?）了解單色儀結(jié)構(gòu)、原理和使用方法；進一步了解鎖定放大器的工作原理以及其使用方法。（2）掌握單色儀的定標方法及用單色儀測定濾光片光譜透過濾的方法。深入理解微弱信號檢測的原理。（3）學會設(shè)計檢測試樣的光譜透過率的方法。二、實驗原理1. 單色儀工作原理光柵單色儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，入射到光柵單色儀的

38、自然光或復(fù)色光，經(jīng)入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M1上。S1處于M1的聚焦面上。因此反射光為平行光束。這束平行光束經(jīng)閃耀光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射經(jīng)M2。球面鏡M2起照相物鏡的作用，這些平行光束經(jīng)過M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球面鏡M2的聚焦面上。根據(jù)它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射出狹縫S2。圖1 WDG30型光柵單色儀原理圖當旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪帶動光柵旋轉(zhuǎn)時，可以在狹縫S2處得到光譜純度高的不同波長的單色光束。這樣單色儀就起到了將入射的復(fù)色光分解成一系列獨立的單色光的作用。使用單色儀時首先要用標準光源對

39、單色儀的讀數(shù)進行校準，本實驗光源采用的是高壓汞燈，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm幾條特征譜線，根據(jù)這些譜線可以對單色儀的讀數(shù)進行校準。2. 鎖定放大器工作原理本實驗選用南京大學生產(chǎn)的HB-211型精密雙相鎖定放大器，它是一種新型正交鎖定放大器，能精確地測量被淹沒在嗓聲、干擾背景中的微弱信號。該鎖定放大器采用了多點信號平均和相敏檢波聯(lián)合使用的技術(shù)，完成對被測信號同相分量和正交分量的檢測。并具有動態(tài)范圍大、漂移小等特點。儀器原理框圖如圖2所示，主要包括以下幾大部分：輸入信號部分、參考信號部分、信號處理部分、單片機功能控制及測量值顯示P

40、C機接口部分、電源及其它部分。圖2 HB-211型精密雙相鎖定放大器原理框圖（1）輸入信號通道輸入信號通道由低噪聲前置放大器，量程控制放大器，高通、低通濾波器三部分組成。高通、低通濾波器，是由運算放大器和R,C組成的二階高通、低通濾波器，原理圖如圖3所示。由高通、低通濾波器組成帶通濾波器，根據(jù)待測信號的頻率選擇高通、低通濾波器的載止頻率，組成以待測信號頻率為中心的帶通特性，抑制干擾，提高儀器的過載能力和動態(tài)范圍。高通、低通濾波器通截止頻率可調(diào)。組成的濾波器只能放大被測信號及其頻率附近帶寬內(nèi)的噪聲，使遠離信號頻率的噪聲或干擾被抑制，達到減小干擾或解除過載的目的。圖3 高通、低通濾波器原理圖（2）

41、參考信號通道鎖定放大器是利用相關(guān)接收原理，從噪聲或干擾背景中檢測微弱信號，因此，他必須要有一個參考信號通道。參考通道的作用是將外部輸入的參考信號(同步信號)，加工成信號處理部分要求的同頻方波。經(jīng)鎖相環(huán)和分頻器組成的倍頻電路。對輸入信號進行倍頻(2f工作模式)或不倍頻(f工作模式)。f,2f工作模式根據(jù)測量要求，由單片機控制。f,2f電路的輸出去觸發(fā)寬帶相移電路。相移量0°,90°,180°,270°由單片機控制，調(diào)節(jié)面板旋轉(zhuǎn)能產(chǎn)生0100°的相移量，此相移器調(diào)節(jié)的相移量是移動方波的上升沿，用此上升沿去觸發(fā)由鎖相環(huán)構(gòu)成的倍頻和分頻電路。（3）信號

42、處理部分信號處理部分是本儀器的核心，對信號進行多點平均和相關(guān)處理，從而能達到從噪聲或干擾背景中檢測信號，信號處理部分的原理框圖如圖4所示。圖4 信號處理部分原理框圖由信號通道輸出的信號，設(shè)為,為輸入信號的振幅，為相對于參考信號的相位差。此信號經(jīng)由參考信號通道輸出的f,2f方波控制的四點平均器進行信號平均。多點信號平均器相當于一個帶通放大器，帶通的中心頻率由參考方波的頻率決定，當參考信號頻率發(fā)生變化時，此帶通放大器的中心頻率也隨著變化。因此，多點信號平均器相當于一個跟蹤濾波器，能抑制干擾和噪聲。本儀器采用的多點信號平均器是由一個電阻和四個由開關(guān)控制的電容器組成，在一個周期內(nèi)四個開關(guān)輪流接通，即每

43、一個電阻電容組成的積分器在四分之一的周期內(nèi)對信號進行積分。把與參考信號(觸發(fā)開關(guān)的同步信號)同頻率的正弦波在四個電容器上積分，在電容上的穩(wěn)態(tài)電壓分別為:式中為放大倍數(shù)，為輸入信號的幅值，為輸入信號相對于參考信號的相位差。多點信號平均器的輸出信號,通過放大后，與參考信號的調(diào)相方波進行相敏檢波，相敏檢波器是開關(guān)式的相敏檢波器，對于控制開關(guān)的同頻信號相對于的相位差分別為0°、90°、180°、270°的輸出波形對應(yīng)的直流分量分別是: 、。是放大倍數(shù)。相敏檢波器的開關(guān)同步信號是參考信號輸出的調(diào)相方波。與的相位差分別為0°、90°、180

44、76;、270°四個頻率為1024Hz的周期依次改變，每一種相位占四分之一周期，因此，相敏檢波器的同步開關(guān)用控制，輸出信號通過低通濾波和放大后，在多點信號平均器中進行同步積累，由于模擬多點信號平均器的同步開關(guān)信號與調(diào)相同步開關(guān)是同一個1024Hz的信號控制的，能保證嚴格同步。如圖4所示。多點信號平均器的輸出波形，多點信號平均器內(nèi)四個電容上輪流輸出的電壓分別為、。其中K為總放大倍數(shù)。這波形中包含了被測信號的同相分量和正交分量。（4）同相、正交分量測量電路被測信號用直角坐標分量表示，就需測量出同相分量和正交分量信號平均器的輸出信號，通過兩個電位器進行分壓后，分成兩路，分別輸給同相分量通道和正交分量通道的相敏檢波器(PSD)，兩通道的電路完全一樣，由相敏檢波器(PSD)和低通濾波器組成，所不同的正交PSD只響應(yīng)多點信號平均器輸出波形中的電壓，同相PSD只響應(yīng)電壓。通過低通濾波器后，最后的輸出的直流電壓為：同相分量，正交分量，很顯然，這兩個量是相敏的，可以作為矢量電壓表使用，或任何一路都可以作為單通道鎖定放大器使用。上述兩通道的低通濾波器的時間常數(shù)，通過單片機控制。本儀器的測量顯示是由A/D變換及單