光電器件與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)講義

1、實(shí)驗(yàn)一 面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)壳?，CCD已經(jīng)在各個(gè)高科技領(lǐng)域得以迅速應(yīng)用。CCD全稱為電荷藕合器件，CCD本身有自掃描、高分辨率、高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊、便于計(jì)算機(jī)處理、易于和自動(dòng)控制設(shè)備連接等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于CCD具有非接觸性測(cè)量、分辨率高等方面的特點(diǎn)，因此CCD器件在物體外型測(cè)量、表面檢測(cè)、圖像傳真、智能傳感等方面得到了廣泛的應(yīng)用。另外，CCD測(cè)量速度快，所以不僅可用于靜態(tài)測(cè)量，還可用于動(dòng)態(tài)在線檢測(cè)或識(shí)別零件，因此CCD技術(shù)在高精度的在線檢測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用也越來越多。在我國(guó)，從80年代中期便開始逐漸應(yīng)用CCD檢測(cè)技術(shù)，并已部分運(yùn)用到了各種自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域?，F(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展迅速，自動(dòng)化程度、加工精度

2、不斷提高，相應(yīng)的對(duì)檢測(cè)設(shè)備也提出了新的要求，如高精度，自動(dòng)化，在線檢測(cè)等等，新技術(shù)，新工藝，新項(xiàng)目對(duì)大直徑尺寸高精度測(cè)量技術(shù)提出了越來越高的要求。因此，利用CCD進(jìn)行物體幾何尺寸的精密測(cè)量在檢測(cè)技術(shù)中是一個(gè)應(yīng)用十分普遍且有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的問題。本實(shí)驗(yàn)采用面陣CCD攝像頭與圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量實(shí)際物體外形尺寸。在尺寸測(cè)量應(yīng)用中存在著許多實(shí)際問題。如何將這些實(shí)際問題分解成一個(gè)個(gè)的分立問題是學(xué)習(xí)和掌握該方法的關(guān)鍵?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹苛私饷骊嘋CD的基本工作原理； 通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量的基本方法； 通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖形的點(diǎn)、線、面的測(cè)量過程掌握應(yīng)用面陣CCD進(jìn)行尺寸測(cè)量

3、，掌握測(cè)量范圍、精度和測(cè)量時(shí)間等問題?！緦?shí)驗(yàn)儀器】 帶有USB2.0輸入端口的計(jì)算機(jī)（或GDS-光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），推薦使用WIN2000以上操作系統(tǒng)，使用1024´768分辨率，24或32位真彩顯示； YHACCD型彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。 印有矩形、圓、三角形等典型幾何圖形的待測(cè)量圖片紙板?！緦?shí)驗(yàn)原理】測(cè)量時(shí)，被測(cè)物通過光學(xué)系統(tǒng)成像于CCD像敏面上，從而可得到被測(cè)物的圖像。由于被測(cè)物體的成像面上的照度不同，CCD像敏面上的照度分布也就不同，因此CCD中包含有被測(cè)物體的尺寸信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)軟件檢取被測(cè)物體的外徑尺寸，具體方法將在文章后面給出。根據(jù)CCD的輸出波形，可以

4、得到物體在像方的尺寸D，再根據(jù)成像物鏡的物象關(guān)系，在得到物體像的尺寸后，找出成像物鏡的光學(xué)放大倍率，便可以利用下面的公式計(jì)算出物體A的實(shí)際尺寸D (1-1)顯然，只要得到物體在CCD上的像方尺寸大小D，便可以求出物體的實(shí)際尺寸D?！緦?shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容】1. 開機(jī)過程 將被測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)圖片如圖1-1所示，安裝在“被測(cè)物夾持架”上，將USB接口線正確連接到計(jì)算機(jī)上；圖1-1 點(diǎn)、線、面的測(cè)量圖片 打開計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，并確認(rèn)YHACCD型彩色面陣CCD實(shí)驗(yàn)儀的“面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)”軟件是否已經(jīng)安裝。若未安裝，則先將軟件安裝在計(jì)算機(jī)的指定位置上； 將外置面陣CCD攝像機(jī)的鏡頭蓋打開； 打開YHACCD彩

5、色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)； 確認(rèn)視頻切換按鈕（開關(guān)）是否已經(jīng)按下，切換指示燈點(diǎn)亮表明采集外置CCD攝像機(jī)的圖像信號(hào)； 運(yùn)行“面陣CCD尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)”程序； 點(diǎn)擊 “連續(xù)采集”按鈕，計(jì)算機(jī)界面將顯示外置攝像頭所采集到的圖像，調(diào)整CCD攝像頭與測(cè)量圖片的相對(duì)位置使計(jì)算機(jī)顯示的圖像盡量清晰，點(diǎn)擊“停止”按鈕。或者，點(diǎn)擊“單幀”按鈕，采集到一幅數(shù)據(jù)圖像，并將其存入指定內(nèi)存。2. 關(guān)于點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量圖1-2 查看圖像數(shù)據(jù)操作圖圖1-3 水平曲線圖767575 點(diǎn)擊如圖1-2所示操作菜單欄中的“查看”選項(xiàng)，選擇要查看的數(shù)據(jù)項(xiàng)，例如點(diǎn)擊“顯示一行數(shù)據(jù)（R）”，計(jì)算機(jī)軟件將圖像數(shù)據(jù)用文本文件的方式打開

6、。觀測(cè)其中一行的數(shù)據(jù)，從圖1-4 垂直曲線圖一行的數(shù)據(jù)中可以觀測(cè)到圖像在水平方向的邊界灰度變化情況。同理通過坐標(biāo)和數(shù)值能找到圖形的邊界在x，y方向的變化，然后保存并關(guān)閉文本文件； 完成的測(cè)量工作后，就基本掌握了通過數(shù)字圖像的像元值數(shù)據(jù)找出圖像中圖形邊界的方法和原理。通過軟件所提供的標(biāo)定圖像中任意一行（或列）數(shù)據(jù)邊界的測(cè)量功能來確定邊界點(diǎn)。例如，在采集到的圖像上把鼠標(biāo)移至某一行上點(diǎn)擊左鍵，軟件會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，對(duì)話框中的曲線圖表示了水平方向上各像元灰度的變化狀況，如圖1-3所示。圖中的橫坐標(biāo)是水平方向上的像元位置，縱坐標(biāo)是各像元灰度值。在曲線圖上選擇適當(dāng)?shù)幕叶戎担v坐標(biāo)）點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即得到測(cè)量閾

7、值（圖中的“172”），同時(shí)得到在此閾值（即縱坐標(biāo)）下邊界點(diǎn)的位置（灰度曲線與此閾值水平方向交點(diǎn)“149”、“159”，“540”、“550”）。也可以在采集到的圖像上把鼠標(biāo)移至某一列上點(diǎn)擊右鍵，軟件會(huì)彈出垂直方向上灰度變化曲線圖，如圖1-4所示。圖中橫坐標(biāo)是各像元灰度值，縱坐標(biāo)是垂直方向上的像元位置。在曲線圖上選擇適當(dāng)?shù)幕叶戎担M坐標(biāo)）點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵即得到測(cè)量閾值（圖中的“209”），同時(shí)得到在此閾值（即橫坐標(biāo)坐標(biāo)）下邊界點(diǎn)的位置（灰度曲線與此閾值垂直方向交點(diǎn)“85”、“96”，“482”、“493”）。除了通過閾值法確定圖形邊界，還可以通過計(jì)算邊界點(diǎn)附近的灰度變化率來確定邊界，灰度變化最快的

8、像元位置即為邊界點(diǎn)坐標(biāo)。 找出x方向與y方向的最大與最小位置值，可以計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的大小與中心位置 （1-1）點(diǎn)的直徑為 （1-2）點(diǎn)的中心坐標(biāo)為 （1-3）式中x0, y0分別為面陣CCD的像敏單元在水平（x）與垂直（y）方向尺寸；為光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。通常將x0/與y0/一起通過標(biāo)定的方式進(jìn)行校正。3. x0/與y0/的標(biāo)定x0/與y0/標(biāo)定的方法很多，這里我們提供一種簡(jiǎn)單的標(biāo)定方法。在被測(cè)物面處，放置標(biāo)準(zhǔn)尺寸物或標(biāo)尺，讀出標(biāo)尺圖像的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)便可進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸物或標(biāo)尺的實(shí)際尺寸為l0，讀出數(shù)據(jù)為N0，則測(cè)出的N值的長(zhǎng)度當(dāng)量（x0/或y0/）為 （1-4）顯然，若光學(xué)系統(tǒng)存在畸變

9、，就要對(duì)不同視場(chǎng)分別進(jìn)行標(biāo)定或進(jìn)行更高精度的圖像數(shù)據(jù)處理工作。4. 關(guān)于圓數(shù)據(jù)的測(cè)量圓的測(cè)量與點(diǎn)的測(cè)量十分相似，差別在于圓的邊界和點(diǎn)的邊界有所不同，有黑環(huán)，測(cè)量時(shí)要注意測(cè)內(nèi)圓直徑還是外圓直徑。計(jì)算公式完全相同。5. 關(guān)于三角形數(shù)據(jù)的測(cè)量打開文本數(shù)據(jù)圖像，觀測(cè)數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)的坐標(biāo)和數(shù)值上找到測(cè)試點(diǎn)的邊界x, y坐標(biāo)；可以找到三角形三個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)xa,ya， xb,yb， xc,yc坐標(biāo)值，根據(jù)三點(diǎn)坐標(biāo)值和標(biāo)定好的x0/與y0/值便可計(jì)算出三角形的各邊長(zhǎng)、三角形的重心、中心和面積。6. 關(guān)于矩形數(shù)據(jù)的測(cè)量矩形數(shù)據(jù)的測(cè)量需要從數(shù)據(jù)文件中找出四個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，找點(diǎn)方法與上述相同，都可從文本數(shù)據(jù)中找到。7關(guān)

10、機(jī)與結(jié)束 需要保存的數(shù)據(jù)及文件保存到 “軟盤”、“閃存”或“優(yōu)盤”中，以免關(guān)機(jī)時(shí)丟掉； 退出實(shí)驗(yàn)軟件，將計(jì)算機(jī)關(guān)掉； 關(guān)掉實(shí)驗(yàn)儀的電源； 蓋好鏡頭蓋； 將被測(cè)圖片，其他工具放回原處?！緮?shù)據(jù)記錄與處理】1. 測(cè)定x0/、y0/值實(shí)際尺寸l0讀出數(shù)據(jù)N0(x)x0/值讀出數(shù)據(jù)N0(y)y0/值2. 關(guān)于點(diǎn)數(shù)據(jù)的測(cè)量xmaxxdxminyymaxxiyminyi3. 關(guān)于三角形數(shù)據(jù)的測(cè)量a點(diǎn)xmax(a)x(a)d(a)xmin(a)y(a)ymax(a)xaymin(a)yab點(diǎn)xmax(b)x(b)d(b)xmin(b)y(b)ymax(b)xbymin(b)ybc點(diǎn)xmax(c)x(c)d(c

11、)xmin(c)y(c)ymax(c)xcymin(c)xc三角形的邊長(zhǎng)：AB= BC= AC= 三角形的重心G：xG= yG=三角形的中心M：xM= yM=三角形的面積S：S=4. 關(guān)于矩形數(shù)據(jù)的測(cè)量a點(diǎn)xmax(a)x(a)d(a)xmin(a)y(a)ymax(a)xaymin(a)yab點(diǎn)xmax(b)x(b)d(b)xmin(b)y(b)ymax(b)xbymin(b)ybc點(diǎn)xmax(c)x(c)d(c)xmin(c)y(c)ymax(c)xcymin(c)xcd點(diǎn)xmax(d)x(d)d(d)xmin(d)y(d)ymax(d)xdymin(d)xd矩形的邊長(zhǎng)：AB= BC= C

12、D= AD=矩形的面積：S=【思考與練習(xí)】 寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，理解面陣CCD尺寸測(cè)量的原理。 你能設(shè)計(jì)出用外置攝像機(jī)測(cè)量圓柱物體（如鉛筆芯）外徑的方案嗎？實(shí)驗(yàn)二 面陣CCD用于顏色識(shí)別利用彩色面陣CCD可以將復(fù)雜的色彩圖像分解為三原色單色圖像，利用分解的單色圖像進(jìn)行顏色信息的識(shí)別。例如，若想從紅小豆堆里分辨出如綠豆、黑豆、花小豆、砂石等雜質(zhì)，可以將被測(cè)小豆經(jīng)彩色面陣CCD攝取并采集的彩色圖像分解成R、G、B三幅單色圖像，用計(jì)算機(jī)軟件分析這3幅單色圖像的輸出幅度，若G、B圖像的輸出幅度超過某閾值，則表明其為雜質(zhì)?？梢杂秒姶艢忾y將其吹出，實(shí)現(xiàn)除去雜質(zhì)的目的。在彩色印刷過程中常采用順序印刷單色圖像的

13、方法，在印每種顏色時(shí)都要檢測(cè)其質(zhì)量。因此，用彩色面陣CCD進(jìn)行彩色圖像分解出的單色圖像進(jìn)行色品分析是保證彩色印刷質(zhì)量的關(guān)鍵。將三原色單色圖像合成為一幅圖像，該幅圖像為真彩色圖像。若對(duì)一色、二色或三色單色圖像進(jìn)行對(duì)比度、白電平等參數(shù)的調(diào)整，結(jié)果會(huì)使合成的彩色圖像的顏色、飽和度、色度等色品參數(shù)發(fā)生變化，即彩色圖像被處理。通過彩色圖像的處理能提高原圖像的質(zhì)量?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹繉W(xué)習(xí)利用彩色面陣CCD進(jìn)行彩色圖像的分解與合成，用此種方法對(duì)顏色信息進(jìn)行識(shí)別和圖像處理是本節(jié)實(shí)驗(yàn)的主要目的。通過實(shí)驗(yàn)也能對(duì)R、G、B色品坐標(biāo)與三基色色彩方程有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。【實(shí)驗(yàn)儀器】帶有USB2.0輸入端口的計(jì)算機(jī)（或GDS-電綜

14、合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），推薦使用WIN2000以上操作系統(tǒng)，使用1024´768分辨率，24或32位真彩顯示； YHACCD型彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)。【實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備】 學(xué)習(xí)圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)第七章CCD彩色攝像機(jī)概述，尤其應(yīng)掌握單管面陣CCD彩色攝像機(jī)的原理及各種濾色片的結(jié)構(gòu)； 學(xué)習(xí)基本的色度學(xué)基礎(chǔ)（參考“電視原理及其應(yīng)用技術(shù)”、“光電圖像處理”或“電視攝像機(jī)與視頻處理”等相關(guān)教材）掌握“彩色三要素”、“三基色原理”、“混色原理”、“顏色的度量和表示”、“CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)”等基礎(chǔ)知識(shí)； 學(xué)習(xí)圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)的第九章“視頻信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集”，掌握各種彩色圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（卡）的

15、原理及其應(yīng)用； 學(xué)習(xí)R、G、B色彩系統(tǒng)顯示原理。對(duì)于彩色圖像，它的顯示來源于R、G、B三原色亮度的組合。針對(duì)目標(biāo)的單色亮度、對(duì)比度，可以人為的分為“0255”，共256個(gè)亮度等級(jí)?！?”級(jí)表示不含有此單色，“255”級(jí)表示最高的亮度，或此像元中此色的含量為100%。根據(jù)R、G、B的不同組合，就能表示出256´256´256（約1600萬）種顏色。當(dāng)一幅圖像中的每個(gè)像素單元被賦予不同的R、G、B值，就能顯示出五彩繽紛的顏色，形成彩色圖像?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容】 利用彩色面陣CCD攝像機(jī)進(jìn)行彩色圖像分解； 利用分解出的單色彩色圖像進(jìn)行顏色信息的分辨； 利用彩色面陣CCD攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)圖像

16、數(shù)字采集系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的彩色圖像處理?！緦?shí)驗(yàn)步驟】1）基本彩色圖像的分解 用USB連接線將YHACCD彩色面陣CCD多功能實(shí)驗(yàn)儀與計(jì)算機(jī)的USB2.0連接起來； 打開計(jì)算機(jī)的電源開關(guān)，確定“面陣CCD顏色識(shí)別實(shí)驗(yàn)”程序是否已經(jīng)安裝；若未安裝，請(qǐng)按廠家提供的安裝盤安裝。若已安裝，可進(jìn)行下面的操作； 檢查面陣CCD攝像機(jī)的電源線與視頻線是否與實(shí)驗(yàn)儀連接好。再打開實(shí)驗(yàn)儀的電源開關(guān)；圖2-1 彩色樣圖 確認(rèn)視頻切換按鈕是否已經(jīng)按下，切換指示燈點(diǎn)亮，說明已經(jīng)將外置面陣CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)接入視頻信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 將儀器提供的彩色樣品圖2-1安裝在“被測(cè)物夾持架”上，調(diào)整物像關(guān)系，使圖像盡量清晰； 運(yùn)行

17、“面陣CCD顏色識(shí)別實(shí)驗(yàn)”程序，點(diǎn)擊如圖2-2所示“實(shí)時(shí)采集”按鈕，進(jìn)行圖像采集； 把鼠標(biāo)移到所采集的圖像上，觀測(cè)鼠標(biāo)指示位置像素點(diǎn)的R、G、B等級(jí)數(shù)（見圖2-4所顯示的值）；圖2-2 實(shí)時(shí)采集按鈕圖2-3停止實(shí)時(shí)采集按鈕圖2-5圖像顏色通道選取圖2-4 像元灰度值信息10010014314200 在顏色選取框（圖2-5）中選擇任意單色通道，例如紅色通道，關(guān)閉其余通道。此時(shí)實(shí)時(shí)采集圖像為紅色單色圖像。點(diǎn)擊如圖2-3所示的“停止采集”按鈕，完成一幀圖像的數(shù)據(jù)采集。將采集到的紅色單色圖像數(shù)據(jù)保存成文本文件。然后點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)采集”按鈕，并重新采集其他單色圖像，觀察這些圖像的數(shù)據(jù)變化，并將采集的單色圖像

18、保存起來。2）用單色彩色圖像分離雜質(zhì) 按上面的步驟和方法采集需要挑選的紅豆圖像，再分別采集三種單色圖像，并將其分別存入3個(gè)文本文件中； 打開三種單色圖像文件，分析各單色圖像的特點(diǎn)，從單色圖像中找到需要分離出來的信息處在什么坐標(biāo)位置（綠豆、黑豆、花豆等雜質(zhì)的位置）。3）彩色圖像簡(jiǎn)單處理方法 按上面的步驟和方法采集一幅彩色圖像，再分別采集并存儲(chǔ)三種單色圖像，點(diǎn)擊“查看”菜單的顯示數(shù)據(jù)選項(xiàng)，如圖2-6所示,并將其分別存入3個(gè)文本文件中； 在采集軟件中利用“顏色平衡”功能對(duì)任意三路顏色的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修正如圖2-7所示。將調(diào)整后的圖像數(shù)據(jù)保存在文本文件中；圖 2-7圖像顏色平衡調(diào)整 將原圖與修正后

19、的圖像進(jìn)行比較，看其差別，說明這種處理帶來的好處。圖2-6查看圖像數(shù)據(jù)操作紅 綠 藍(lán) 4）結(jié)束與關(guān)機(jī)需要保存的數(shù)據(jù)及文件保存到 “軟盤”或“閃存”中，以免關(guān)機(jī)時(shí)丟掉； 退出實(shí)驗(yàn)軟件和其他執(zhí)行軟件，將計(jì)算機(jī)關(guān)掉； 關(guān)掉實(shí)驗(yàn)儀的電源； 蓋好鏡頭蓋； 將被測(cè)圖片放回原處，將其他工具放回原處。實(shí)驗(yàn)三 利用線陣CCD進(jìn)行物體外形尺寸的測(cè)量【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹客ㄟ^本實(shí)驗(yàn)掌握利用線陣 CCD 進(jìn)行非接觸測(cè)量物體尺寸的基本原理和方法，用實(shí)例探討影響測(cè)量范圍、測(cè)量精度的主要因素，為今后設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)?！緦?shí)驗(yàn)原理】1. 利用線陣 CCD 進(jìn)行非接觸測(cè)量物體尺寸的基本原理線陣 CCD 的輸出信號(hào)包含了CCD 各個(gè)像元所接

20、收光強(qiáng)度的分布和像元位置的信息，使它在物體尺寸和位置檢測(cè)中顯示出十分重要的應(yīng)用價(jià)值。CCD 輸出信號(hào)的二值化處理常用于物體外形尺寸、物體位置、物體震動(dòng)（振動(dòng)）等的測(cè)量。如圖 3-1 所示為測(cè)量物體外形尺寸（例如棒材的直徑D）的原理圖。將被測(cè)物體A 置于成像物鏡的物方視場(chǎng)中，將線陣CCD 像敏面恰好安裝在成像物鏡的最佳像面位置上。當(dāng)被均勻照明的被測(cè)物體A 通過成像物鏡成像到CCD 的像敏面上時(shí)，被測(cè)物體像黑白分明的光強(qiáng)分布使得相應(yīng)像敏單元上存儲(chǔ)載荷了被測(cè)物尺寸信息的電荷包，通過CCD及其驅(qū)動(dòng)器將載有尺寸信息的電荷包轉(zhuǎn)換為如圖3-1 右側(cè)所示的時(shí)序電壓信號(hào)（輸出波形）。根據(jù)輸出波形，可以測(cè)得物體A

21、 在像方的尺寸D ，再根據(jù)成像物鏡的物像關(guān)系，找出光學(xué)成像系統(tǒng)的放大倍率，便可以用下面公式計(jì)算出物體A 的實(shí)際尺寸DD = D/ （3-1）顯然，只要求出D，就不難測(cè)出物體A 的實(shí)際尺寸D。線陣CCD 的輸出信號(hào)UO 隨光強(qiáng)的變化關(guān)系為線形的，因此，可用UO 模擬光強(qiáng)分布。采用二值化處理方法將物體邊界信息（圖 3-1 中的N1 與N2）檢測(cè)出來是簡(jiǎn)單快捷的方法。有了物體邊界信息便可以進(jìn)行上述測(cè)量工作。2. 二值化處理方法圖3-2 所示為典型CCD 輸出信號(hào)與二值化處理的時(shí)序圖。圖中FC 信號(hào)為行同步脈沖，F(xiàn)C 的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD的第一個(gè)有效像元輸出信號(hào)，其下降沿為整個(gè)輸出周期的結(jié)束。UG 為

22、綠色組分光的輸出信號(hào)，它為經(jīng)過反相放大后的輸出電壓信號(hào)。為了提取圖3-2 所示UG 的信號(hào)所表征的邊緣信息，采用如圖3-3 所示的固定閾值二值化處理電路。該電路中，電壓比較器LM393 的正輸入端接CCD 的輸出信號(hào)UG，而反相輸入端接到由電位器R2 的動(dòng)端，產(chǎn)生的可調(diào)的閾值電平，可以通過調(diào)節(jié)電位器對(duì)閾值電平進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)成固定閾值二值化電路。經(jīng)固定閾值二值化電路輸出的信號(hào)波形被定義為TH，它為方波脈沖。再進(jìn)行邏輯處理，便可以提取出物體邊緣的位置信息N1 和N2。N1 與N2 的差值即為被測(cè)物體在CCD 像面上所成圖像占據(jù)的像元數(shù)目。物體A 在像方的尺寸D 為D = (N2 N1)L0 （3-2

23、）式中，N1 與N2 為邊界位置的像元序號(hào)，L0 為CCD 像敏單元的尺寸。因此，物體的外徑D 應(yīng)為D = (N2 N1) L0/ （3-3）3. 二值化處理電路原理方框圖二值化處理原理圖如圖3-4 所示，若與門的輸入脈沖CRt 為CCD 驅(qū)動(dòng)器輸出的采樣脈沖SP，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)為（N2N1），鎖存器鎖存的數(shù)為（N2N1），將其差值送入（N2N1）LED 數(shù)碼顯示器，則顯示出（N2N1）值。同樣，該系統(tǒng)適用于檢測(cè)物體的位置和它的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)圖3-1 中物體A 在物面沿著光軸做垂直方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)光強(qiáng)分布的變化，同樣可以計(jì)算出物體A 的中心位置和它的運(yùn)動(dòng)速度、震動(dòng)（振動(dòng)）等?！緦?shí)驗(yàn)儀器】1、LC

24、CDAD-型線陣CCD 應(yīng)用開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀一臺(tái)；2、裝有 VC+軟件及相關(guān)實(shí)驗(yàn)軟件的PC 計(jì)算機(jī)或GDS-型光電綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一臺(tái)；【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 建立非接觸測(cè)量物體外形尺寸的基本結(jié)構(gòu)；（2） 觀測(cè)二值化處理過程中CCD 的輸出信號(hào)；（3） 在進(jìn)行二值化閾值電平調(diào)整的過程中，觀察閾值電平的調(diào)整對(duì)測(cè)量值的影響；（4） 進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)放大倍率的標(biāo)定；（5） 進(jìn)行非接觸測(cè)量被物體外形尺寸的測(cè)量；（6） 通過改變有關(guān)參數(shù)，觀察對(duì)測(cè)量值的影響，分析影響物體尺寸測(cè)量的主要因素。2實(shí)驗(yàn)步驟（一）、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備(1) 將示波器地線與實(shí)驗(yàn)儀上的地線連接良好，并確認(rèn)示波器的電源和多功能實(shí)驗(yàn)儀的電源插頭均插

25、入交流220V 插座上；(2) 打開儀器上蓋，旋下旋轉(zhuǎn)滾筒軸上的禁錮螺釘，將旋轉(zhuǎn)滾筒拿下來，使實(shí)驗(yàn)儀的測(cè)試臺(tái)像如圖3-5 所示的尺寸測(cè)量系統(tǒng)，然后將被測(cè)干件插入如圖3-5 所示的安裝位置上；(3) 打開實(shí)驗(yàn)儀電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，并進(jìn)入物體尺寸測(cè)量軟件，將在屏幕上彈出如圖3-6 所示的測(cè)量實(shí)驗(yàn)軟件界面；圖3-6 所示界面中“打開”菜單為打開原來保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行察看而設(shè)，“保存” 菜單為將所測(cè)量的數(shù)據(jù)保存到指定文件夾而設(shè)定。點(diǎn)擊“連續(xù)”菜單，便執(zhí)行連續(xù)采集CCD的輸出信號(hào)；“單次”是只采集一行信號(hào)便顯示在界面上；“數(shù)據(jù)”與“曲線”菜單分別是以數(shù)據(jù)還是以曲線波形方式顯示所采得的數(shù)據(jù)信號(hào)；“0ms”為

26、曲線波形在計(jì)算機(jī)界面上停留顯示的最短時(shí)間，但是它不可能為“零”，它與計(jì)算機(jī)的特性有關(guān)。點(diǎn)擊菜單上的下拉箭頭可以選擇更長(zhǎng)的顯示時(shí)間?！胺e分時(shí)間”和“驅(qū)動(dòng)頻率”等也都可以通過下拉箭頭進(jìn)行選擇。（二）、標(biāo)定光學(xué)成像系統(tǒng)放大倍率（1） 將直徑為5mm 的“試件”插入安裝裝置，執(zhí)行“物體尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)” 軟件，彈出如圖3-6 所示的測(cè)量尺寸軟件界面；同時(shí)遠(yuǎn)心照明光源被點(diǎn)亮；（2） 在尺寸軟件界面上選中“連續(xù)掃描”菜單，計(jì)算機(jī)顯示器出現(xiàn)含有被測(cè)“試件”外徑尺寸信息的波形如圖3-7 所示；（3） 在測(cè)量界面上設(shè)置驅(qū)動(dòng)頻率或積分時(shí)間，使輸出信號(hào)的幅度在適宜觀測(cè)的程度，但是，一定不要使CCD 工作到飽和狀態(tài)；（4

27、） 調(diào)整物鏡的焦距使如圖3-7 所示輸出信號(hào)曲線的斜率盡量陡；（5） 停止采集后，進(jìn)入到如圖3-8 所示的光學(xué)放大倍率的測(cè)量與設(shè)定軟件界面，并按界面底部用文字提示的步驟進(jìn)行操作；（6） 先選定閾值方式設(shè)定，如圖3-8 所示選定閾值數(shù)為“128”，再設(shè)置積分時(shí)間為合適值，如圖3-8 中設(shè)定了積分時(shí)間為“6”檔，驅(qū)動(dòng)頻率選為“0”檔；觀察曲線達(dá)到滿意程度后，再執(zhí)行“下一步”，按界面下方的提示進(jìn)行操作，觀察測(cè)出的數(shù)據(jù)；（7） 在軟件界面的提示下進(jìn)行操作，將用卡尺或千分尺測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)被測(cè)物尺寸值輸入到如圖3-9 所示的 “已知值”中，再執(zhí)行“下一步”，便計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率并顯示在界面上；再點(diǎn)擊“下

28、一步”，出現(xiàn)如圖3-10 所示的界面，點(diǎn)擊“完成”，便將測(cè)得的放大倍率存入計(jì)算機(jī)內(nèi)存，為本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量工作使用；（8） 也可以用最原始的數(shù)據(jù)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)放大倍率，當(dāng)調(diào)整好光學(xué)成像系統(tǒng)的焦距后，停止采集，選擇“數(shù)據(jù)結(jié)果”菜單，察看線陣CCD 所有單元的數(shù)據(jù)，觀察相鄰兩個(gè)像元數(shù)據(jù)的變化率，將發(fā)生由大變小變化率最大處的像元序列值（位置值）記為“N1”，將由小變大過程中變化率最大處的像元序列值記為“N2”，將所觀察到的N1 與N2 值填入表3-1，重復(fù)上述過程，進(jìn)行多次測(cè)量后，再將測(cè)量值代入公式（3-1），便可以獲得光學(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。式中D 為校正所用物體的直徑，測(cè)量次數(shù)根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論應(yīng)該是奇數(shù)次，

29、這里取7次。（三）、非接觸測(cè)量物體的外形尺寸（1）保持上述設(shè)置不變，取下測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)放大倍率標(biāo)準(zhǔn)件，裝上其他尺寸的被測(cè)件，蓋上蓋。連續(xù)記下10 組數(shù)據(jù)，填入表3-2，計(jì)算出被測(cè)件的實(shí)際尺寸。改變積分實(shí)間和二值化閾值電平繼續(xù)測(cè)量物體尺寸，觀察、分析測(cè)量條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，為此先調(diào)出二值化實(shí)驗(yàn)軟件。（2） 將閾值電平的二進(jìn)制數(shù)值設(shè)為98，測(cè)量出物體直徑的一組相關(guān)數(shù)據(jù)，填入表3-2，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑D。（3） 再調(diào)整閾值至127，測(cè)量一組數(shù)據(jù)，填入表3-2，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑，觀察閾值電平改變前、后被測(cè)桿件直徑值的變化。（4） 若調(diào)整閾值調(diào)至150，再測(cè)量一組數(shù)據(jù)，計(jì)算出被測(cè)桿件的直徑，觀察

30、閾值電平改變前、后被測(cè)桿件直徑值的變化。（5） 改變積分時(shí)間后，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察CCD 輸出信號(hào)波形的變化，同時(shí)紀(jì)錄測(cè)量值的變化。（6） 當(dāng)線陣CCD 開始出現(xiàn)飽和狀態(tài)后，再觀測(cè)被測(cè)物尺寸的變化情況，進(jìn)入深度飽和后測(cè)量結(jié)果有何變化？3結(jié)束與關(guān)機(jī)上述實(shí)驗(yàn)完成，并達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，便可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。（1） 將軟件程序退出，再關(guān)閉計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；（2） 關(guān)閉實(shí)驗(yàn)儀的電源；（3） 將總電源關(guān)閉；（4） 將實(shí)驗(yàn)儀器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（5） 將所做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交于實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)老師審查，合格后方可離開實(shí)驗(yàn)室。【實(shí)驗(yàn)總結(jié)】1、寫出實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，解釋為何兩種閾值下測(cè)量結(jié)果有差異，造成這種差異的原因有幾點(diǎn)。2、固

31、定閾值二值化測(cè)量方法有什么優(yōu)點(diǎn)？其缺點(diǎn)又是什么？為什么在野外測(cè)量時(shí)一定要采用浮動(dòng)閾值二值化測(cè)量方法？3、積分時(shí)間的變化是否對(duì)測(cè)量值有影響？在什么時(shí)候會(huì)有影響？為什么進(jìn)行尺寸測(cè)量時(shí)必須使CCD 脫離飽和區(qū)？4、如果線陣 CCD 的工作已經(jīng)進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，試問上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果會(huì)如何變化？實(shí)驗(yàn)四 光電倍增管工作原理與微弱光信號(hào)探測(cè)【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、熟悉光電倍增管的基本構(gòu)成和工作原理，掌握光電倍增管參數(shù)的測(cè)量方法；2、學(xué)習(xí)光電倍增管輸出信號(hào)的檢測(cè)和變換處理方法?！緦?shí)驗(yàn)原理】1光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理圖1光電倍增管是一種真空管，它由光窗、光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極五個(gè)主要部分組成。如圖

32、1所示。（1）光窗光窗分端窗型（Head-on）和側(cè)窗型（Side-on）兩種。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的側(cè)窗型光電倍增管，在分光光度計(jì)和光度測(cè)定方面有廣泛的使用。（2）光電陰極光電倍增管的陰極一般是具有低逸出功的堿金屬材料形成的光電發(fā)射面。一般分為半透明光電面（入射光和光電子運(yùn)動(dòng)同一方向）和不透明光電面（入射光的方向與光電子運(yùn)動(dòng)方向相反）。光電陰極的材料多用低溢出功的堿金屬為主的半導(dǎo)體化合物。這種特定的材料溢出功很低，當(dāng)透過光窗的入射光光波長(zhǎng)小于該材料的長(zhǎng)波限0，并且光子能量大于該材料的溢出功時(shí)，入射光子就和陰極材料當(dāng)中的電子相互作用，使電子從陰極飛出，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。由此可知，入射光越強(qiáng)激發(fā)

33、出的光電子數(shù)量就越多。（3）電子倍增系統(tǒng)為使光電倍增管正常工作，光電倍增管中陰極（K）和陽(yáng)極（A）之間分布有多個(gè)電子倍增極Dn。如圖2所示，在管外的陰極（K）和各個(gè)倍增極及陽(yáng)極（A）引腳之間串聯(lián)多個(gè)電阻Rn,由Rn形成的分壓電阻使各個(gè)倍增極相對(duì)陰極而言加上了逐步升高的正電壓，要在陰極（K）和陽(yáng)極（A）之間加上0至負(fù)1200V左右的高電壓，目的是吸引并加速?gòu)年帢O飛出的光電子，并使他們飛向陽(yáng)極。圖2圖2中回路電流Ib是流過分壓器回路的電流，被叫做分壓器電流，它和后面敘述的輸出線性有很大的關(guān)系。Ib可近似用工作電壓V除以分壓電阻之和的值來表示。光電倍增管的輸出電流主要是來自于最后幾級(jí)，為了在探測(cè)脈沖

34、光時(shí)，不使陽(yáng)極脈動(dòng)電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容。圖中和電阻并聯(lián)的電容Cn-3、Cn-2、Cn-1、Cn就是因此而設(shè)計(jì)的。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的電子倍增系統(tǒng)為環(huán)形聚焦型（如圖1）。由光陰極發(fā)射出來的光電子被第一倍增極電壓加速撞擊到第一倍增極，以致發(fā)生二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于入射光電子數(shù)目的電子流。這些二次電子發(fā)射的電子流又被下一個(gè)倍增極電壓加速撞擊到下一個(gè)倍增極，結(jié)果產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽(yáng)極收集，光電子經(jīng)過從第1極到最多19極的倍增電極系統(tǒng)，可獲得10倍到108倍的電流倍增之后到達(dá)陽(yáng)極。這時(shí)可以觀測(cè)到，光電倍增管的

35、陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽(yáng)極輸出電流。通常在陽(yáng)極回路要接入測(cè)量陽(yáng)極電流的儀表，為了安全起見，一般使陽(yáng)極通過RL接地，陰極接負(fù)高壓。總之，當(dāng)入射光經(jīng)過下述過程后，光電倍增管才能輸出電流。（1）入射光透過玻璃光窗；（2）激勵(lì)光電陰極的電子向真空中放出光電子（外光電效應(yīng)）；（3）光電子經(jīng)聚焦極匯集到第一倍增極上，進(jìn)行二次電子倍增后，相繼經(jīng)各倍增極發(fā)射二次電子；（4）由末級(jí)倍增極發(fā)射的二次電子經(jīng)陽(yáng)極輸出。2光電倍增管的主要參量與特性（1）光譜響應(yīng)光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長(zhǎng)而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫做光譜響

36、應(yīng)特性。圖3給出了雙堿光電倍增管的典型光譜響應(yīng)曲線。光譜響應(yīng)特性的長(zhǎng)波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。對(duì)應(yīng)于該光譜響應(yīng)曲線，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用LED發(fā)光二極管做光源。根據(jù)不同型號(hào)的光電倍增管的光譜響應(yīng)特性，其中長(zhǎng)波端的截止波長(zhǎng)，對(duì)于雙堿陰極和Ag-O-Cs陰極的光電倍增管定義為其靈敏度降至峰值靈敏度的1%點(diǎn)，多堿陰極則定義為峰值靈敏度的0.1%。對(duì)于每一支光電倍增管來講，真實(shí)的數(shù)據(jù)可能會(huì)略有差異。（2）靈敏度圖3由于測(cè)量光電倍增管的光譜響應(yīng)特性需要精密測(cè)試系統(tǒng)和很長(zhǎng)的時(shí)間，且提供每一支光電倍增管的光譜響應(yīng)特性不現(xiàn)實(shí)，所以一般用光照靈敏度來評(píng)價(jià)光電倍增管的靈敏度。陽(yáng)極光照靈敏度表示的是

37、對(duì)光電面上入射一定光束時(shí)，陽(yáng)極輸出電流的大小。即對(duì)應(yīng)于1流明光的輸出電流稱之為光照靈敏度，用SA表示；單位為A/LM（安培/流明）。光照靈敏度有表示陰極特性的陰極靈敏度和表示光電倍增管整體特性陽(yáng)極靈敏度兩種。本測(cè)試儀系統(tǒng)如圖4所示那樣，光源用標(biāo)定的藍(lán)色發(fā)光LED管，并且加上減光片裝置（有時(shí)在光源和光電倍增管之間使用視覺靈敏度補(bǔ)正濾光片，但是通常不用），電流計(jì)接在陽(yáng)極回路，給各電極加上典型的電壓分配，以使光通量保持在10-1010-5流明。如果測(cè)量SA越大，表明光電倍增管探測(cè)微弱光信號(hào)本領(lǐng)越強(qiáng)。圖4（3）光電特性光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與入射于光電陰極的光通量之間的函數(shù)關(guān)系，稱為倍增管的光電特性

38、。一般光電倍增管的光電特性曲線線性（直線性）是很好的。也就是說具有寬的動(dòng)態(tài)范圍。但是在接收較強(qiáng)的光入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏離理想線性的情況。其主要原因是陽(yáng)極的線性特性影響。具有透過型的光電陰極的光電倍增管，工作在低電壓、大電流場(chǎng)合，也可能出現(xiàn)陰極線性特性的影響。陰極、陽(yáng)極兩者的線性特性在工作電壓一定時(shí)，與入射光波長(zhǎng)無關(guān)，而取決于電流值大小。因此對(duì)于模擬量測(cè)量，必須選取能保證陽(yáng)極電流與光照在大范圍內(nèi)保持線性關(guān)系的那些型號(hào)的光電倍增管（工程上一般取特性偏離于直線3%作為線性區(qū)的界限）。（4）伏安特性光電倍增管的伏安特性是指在改變陽(yáng)極陰極間的工作電壓時(shí)，從而引起陽(yáng)極輸出電流的變化。光電倍增管的輸出電流對(duì)工作

39、電壓非常敏感，因此必須使用高穩(wěn)定性的高壓電源。本測(cè)試儀采用的高壓電源的漂移、紋波、溫度變化、輸出變化、負(fù)載變化等的綜合穩(wěn)定度優(yōu)于該光電倍增管穩(wěn)定度1個(gè)數(shù)量級(jí)，并連續(xù)可調(diào)。（5）陽(yáng)極暗電流光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會(huì)有微小的電流輸出，這個(gè)微小的電流叫做陽(yáng)極暗電流。作為微小電流、微弱光使用的光電倍增管，希望暗電流盡可能小。陽(yáng)極暗電流是決定光電倍增管對(duì)微弱光信號(hào)的檢出能力的重要因素，其產(chǎn)生的主要原因有以下幾種： 由光電表面及倍增極表面的熱電子發(fā)射引起的電流； 管內(nèi)陽(yáng)極和其它電極之間，以及芯柱陽(yáng)極管腳和其它管腳之間的漏電電流； 因玻璃及電極支持材料發(fā)光產(chǎn)生的光電流； 場(chǎng)致發(fā)射電流； 因殘留氣體電離

40、產(chǎn)生的電流（離子反射）； 因宇宙射線、玻璃中的放射性同位素發(fā)出放射線、環(huán)境射線等導(dǎo)致玻璃發(fā)光引起的噪聲電流。陽(yáng)極暗電流也受陽(yáng)極電壓的影響，隨著工作電壓增加而增加，但增加率并非一樣。（6）電流放大（增益）由一個(gè)具有初速能量EP的一次電子，從倍增極發(fā)射出個(gè)二次電子（稱為二次發(fā)射系數(shù)），在低噪聲的條件下得到倍增，從而達(dá)到了電流放大的作用。電流增益就是光電倍增管的陽(yáng)極輸出電流與陰極光電子電流的比值。在理想情況下，具有n個(gè)倍增極，每個(gè)倍增極的平均二次電子發(fā)射率為的光電倍增管的電流增益為n。二次電子發(fā)射率由下式給出：=A·E這里的A為一常數(shù)，E為極間電壓，為一由倍增極材料及其幾何結(jié)構(gòu)決定的系數(shù)，

41、的數(shù)值一般介于0.7和0.8之間。在具有n個(gè)倍增極的光電倍增管，其電流增益即可表示為： = Ia / Ik = Sa / Sk 或 = n3光電倍增管的使用及連接回路（1）光電倍增管輸出的電流、電壓轉(zhuǎn)換負(fù)載電阻進(jìn)行電流、電壓轉(zhuǎn)換光電倍增管輸出是一個(gè)電流信號(hào)，而與其相連的后續(xù)電路，一般是基于電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，因此，常用一個(gè)負(fù)載電阻來完成電流-電壓的轉(zhuǎn)換。由于光電倍增管小電流輸出時(shí)可看成一個(gè)具有很高特性阻抗的理想恒流源，為此，理論上負(fù)載電阻可以選取任意大的阻值，實(shí)現(xiàn)從一個(gè)很小的電流信號(hào)得到一個(gè)很大的電壓信號(hào)。但實(shí)際上，較大的負(fù)載電阻會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)和輸出線性的惡化。圖5 光電倍增管的輸出回路如圖5中

42、，考慮到上述因素，本測(cè)試儀采用溫度系數(shù)小的金屬膜無電感負(fù)載電阻，并選取適當(dāng)阻值的電阻來完成光電倍增管特性的測(cè)試。運(yùn)算放大器電流-電壓轉(zhuǎn)換使用運(yùn)算放大器進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的電路，在和數(shù)字電壓表組合起來用時(shí)，就不需要使用昂貴的微小電流計(jì)，也可精確測(cè)試光電倍增管的輸出電流。圖6 用運(yùn)算放大器的電流、電壓變換回路用運(yùn)算放大器進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換的基本電路如圖6所示，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入阻抗非常高，光電倍增管的輸出電流不能在圖6中的A點(diǎn)流入運(yùn)算放大器的反相端子（-）。因此，絕大部分的電流流經(jīng)反饋電阻Rf ，然后流出前置放大器的輸出端。一般運(yùn)算放大器有非常高的放大倍數(shù)為105，通常保持在反相輸入端子（A點(diǎn)）

43、的電位與同相輸入端子（B點(diǎn)）的電位（接地電位）相同下工作（把這稱作并接地或假接地）。所以運(yùn)算放大器輸出電壓和Rf兩端發(fā)生的電壓V0相同，理論上，可以得到開路放大倍數(shù)倒數(shù)大小的高精度，實(shí)現(xiàn)電流-電壓變換。這種情況下，輸出電壓V0可用下面的公式來計(jì)算：V0= -IP×Rf限制輸出電壓V0的因素主要有：光電倍增管的陽(yáng)極電流IP、反饋電阻Rf的大小以及運(yùn)算放大器的工作電壓等。光電倍增管的快速輸出回路在檢測(cè)具有快速上升、下降時(shí)間的脈沖光時(shí)，通常使用具有50歐姆阻抗的同軸電纜連接光電倍增管和后接回路。為了傳送信號(hào)輸出波形不失真，如圖7那樣，輸出端子用和同軸電纜特性阻抗相同的純電阻作為終端。由此，

44、從光電倍增管看的特性阻抗與電纜長(zhǎng)度無關(guān)，觀測(cè)波形的失真可減輕。但是，特別在使用MCP內(nèi)藏型光電倍增管等觀測(cè)超高速現(xiàn)象的場(chǎng)合，電纜如果過長(zhǎng)，由于同軸電纜自身的信號(hào)損失，需要注意信號(hào)波形的失真。如在輸出端阻抗特性不匹配時(shí)，從光電倍增管看的阻抗特性因頻率數(shù)而異的，并且，該值還受同軸電纜長(zhǎng)度的影響，因而可能產(chǎn)生輸出失真。這種不匹配，不僅因同軸電纜和終端電阻，而且由于使用的接線端子本身或因同軸電纜的末端處理而引起的可能性也存在。所以必須特別注意選擇接線端子和同軸電纜與光電倍增管的連接。同軸電纜與接線端子的連接都不要有阻抗特性的不連續(xù)點(diǎn)。圖7 輸出的阻抗匹配【儀器簡(jiǎn)介】本實(shí)驗(yàn)用PAT型光電倍增管特性及微弱

45、光信號(hào)測(cè)試儀系統(tǒng)（如圖8），它包括下列3部分：圖8 實(shí)驗(yàn)儀器系統(tǒng)主機(jī)控制箱：高壓調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊、各種負(fù)載電阻、電流/電壓變化模塊、光源光強(qiáng)調(diào)節(jié)裝置、信號(hào)頻率調(diào)節(jié)裝置等；屏蔽暗室：側(cè)窗式光電倍增管、功率可調(diào)光源部件等；附件：示波器（選購(gòu)件）；選購(gòu)件：檢流計(jì)、示波器；【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】1、作出光電倍增管工作的光電特性曲線；2、作出光電倍增管工作的伏安特性曲線；3、作出光電倍增管在不同直接負(fù)載和I/V變換下的關(guān)系曲線；4、了解光電倍增管在脈沖光時(shí)，經(jīng)過運(yùn)算放大器輸出的電壓波形變化。5、了解光電倍增管在無光照射情況下的暗電流的測(cè)量；【實(shí)驗(yàn)步驟】測(cè)量前，先了解一下光電倍增管主控箱面板上各鍵的功能。1、主控箱面板

46、（1）電流表（uA）：顯示光電倍增管輸出的陽(yáng)極電流；（2）電壓表（V）：第一個(gè)電壓表負(fù)載電阻上的電壓，第二個(gè)電壓表顯示高壓模塊的輸出高壓。（3）檢流計(jì)：外接pA級(jí)檢流計(jì)，測(cè)量暗電流；（4）輸出（Q9）：外接示波器，觀察輸出電壓波形；（5）按鈕開關(guān)K1：“儀器總電源開關(guān)”；（6）按鈕開關(guān)K2：“高壓電源開關(guān)”（7）2波段開關(guān)K3：“連續(xù)/調(diào)制”轉(zhuǎn)換開關(guān)，改變光源在連續(xù)或脈沖光下的工作方式；（8）2波段開關(guān)K4：“微電流/暗電流”轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換光電倍增管陽(yáng)極電流輸出方式；（9）2波段開關(guān)K5：“特性測(cè)試/輸出測(cè)試”轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換陽(yáng)極微弱電流在后接電路的工作方式；（10）3波段開關(guān)K6：“負(fù)載/IV

47、變換”轉(zhuǎn)換開關(guān)，切換陽(yáng)極微弱電流在輸出測(cè)試中選擇的電流-電壓轉(zhuǎn)換方式；（11）多波段開關(guān)K7：“負(fù)載調(diào)節(jié)”選擇開關(guān)，在陽(yáng)極微弱電流輸出電流-電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，選擇不同負(fù)載阻值；（12）多波段開關(guān)K8：“I/V調(diào)節(jié)”選擇開關(guān)，在陽(yáng)極微弱電流輸出電流-電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，選擇不同反饋電阻阻值；（13）旋鈕S1：“頻率調(diào)節(jié)”，在光源工作于調(diào)制狀態(tài)時(shí)，連續(xù)調(diào)節(jié)脈沖的頻率；（14）旋鈕S2：“光強(qiáng)調(diào)節(jié)”，連續(xù)調(diào)節(jié)光源的發(fā)光強(qiáng)度；順時(shí)針調(diào)節(jié)LED光強(qiáng)增強(qiáng)。（15）旋鈕S3：“高壓調(diào)節(jié)”，連續(xù)調(diào)節(jié)光電倍增管高壓電源的輸出電壓。2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量（1）光電特性測(cè)量連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER）接通電

48、源；按下高壓電源開關(guān)K2接通高壓電源；調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3,使高壓輸出1000V左右（參考電壓）;將波段開關(guān)K3置于連續(xù)檔；將波段開關(guān)K4置于微電流檔；將波段開關(guān)K5置于特性測(cè)試檔；調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光源光強(qiáng)發(fā)生連續(xù)變化；記錄電流表的實(shí)時(shí)讀數(shù)；作出光源光強(qiáng)變化與光電倍增管陽(yáng)極電流的關(guān)系曲線（光電特性曲線）。光強(qiáng)(lm)電流（mA）表1 光電特性（2）伏安特性曲線測(cè)量連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER），接通電源；將旋鈕S3逆時(shí)針旋到底，再按下高壓開關(guān)K1；將波段開關(guān)K3置于連續(xù)檔；將波段開關(guān)K4置于微電流檔；將波段開關(guān)K5置于特性測(cè)試檔；調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光源光強(qiáng)為一定值不變（處于

49、光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)）；調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3，使高壓電源電壓（從500V始）連續(xù)變化；記錄電流表的實(shí)時(shí)讀數(shù)和高壓的實(shí)時(shí)讀數(shù)；再調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光強(qiáng)為另一定值不變（處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)），重復(fù)第步共測(cè)3組曲線；作出改變高壓電源的控制電壓與光電倍增管陽(yáng)極電流的關(guān)系曲線（伏安特性曲線）。電壓（V）電流（mA）表2 伏安特性（3）線性測(cè)量a.直接負(fù)載變換連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER），接通電源；按下高壓電源開關(guān)K2，并調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3至高壓670V左右(參考電壓)。將波段開關(guān)K3置于連續(xù)檔；調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光源光強(qiáng)為一定值不變（處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)）；將波段開關(guān)K4置于微電流檔

50、；將波段開關(guān)K5置于輸出測(cè)試檔；將波段開關(guān)K6置于負(fù)載檔；調(diào)節(jié)多波段開關(guān)K7，記錄此時(shí)電流表和電壓表的讀數(shù)；作出光電倍增管在某一定光照時(shí)，不同負(fù)載條件下的關(guān)系曲線。表3 直接負(fù)載輸出負(fù)載電阻R(W)電流（mA）電壓(v)b.運(yùn)算放大器I/V變換連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER），接通電源；按下高壓電源開關(guān)K2，并調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3至高壓1000V左右(參考電壓)；將波段開關(guān)K3置于連續(xù)檔；調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光源光強(qiáng)為一定值不變（處于光強(qiáng)線性變化區(qū)間內(nèi)）；將波段開關(guān)K4置于微電流檔；將波段開關(guān)K5置于輸出測(cè)試檔；將波段開關(guān)K6置于I/V變換檔；調(diào)節(jié)多波段開關(guān)K8，記錄此時(shí)電流表

51、和電壓表的讀數(shù)；作出光電倍增管在某一定光照時(shí)，運(yùn)用前置放大器不同反饋電阻條件下的關(guān)系曲線。反饋電阻Rf(W)電流（mA）電壓(V)表4 運(yùn)算放大器輸出（4）了解脈沖光作用下的輸出電流連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER），接通電源；按下高壓電源開關(guān)K2，并調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3至高壓1000V左右（參考電壓）；將波段開關(guān)K3置于調(diào)制檔；將波段開關(guān)K4置于微電流檔； 將波段開關(guān)K5置于輸出測(cè)試檔；將波段開關(guān)K6置于I/V變換檔；將示波器探頭連接到前面板上的輸出（Q9）端子；保持多波段開關(guān)K8不變，調(diào)節(jié)旋鈕S2，使光源光強(qiáng)發(fā)生連續(xù)變化；保持旋鈕S2不變，調(diào)節(jié)多波段開關(guān)K8，觀察兩種情況

52、下示波器顯示曲線的變化；（5）暗電流測(cè)量連接電源線和信號(hào)電纜線，并按下電源開關(guān)K1（POWER）接通電源；按下高壓電源開關(guān)K2接通高壓電源；調(diào)節(jié)高壓旋鈕S3，使輸出高壓1000V左右（參考電壓）；將光強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕S2逆時(shí)針旋到底，關(guān)閉光源，保證此時(shí)光電倍增管工作于無光照條件下；將K3置于連續(xù)檔或調(diào)制檔位置；將K4置于暗電流檔位置；接入檢流計(jì)，測(cè)量此時(shí)輸出的暗電流值；在光電倍增管工作電壓規(guī)定的前提下，可適當(dāng)調(diào)節(jié)S3，即改變高壓的輸出來觀測(cè)暗電流隨高壓變化的曲線關(guān)系（選做）?！緦?shí)驗(yàn)報(bào)告與要求】1、作出陽(yáng)極電壓一定條件下輸出陽(yáng)極電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線（光電特性）；2、作出光強(qiáng)一定條件下輸出陽(yáng)極電流與

53、陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系曲線（伏安特性）；3、作出負(fù)載電阻大小和輸出電壓的關(guān)系曲線，并分析負(fù)載電阻的大小對(duì)信號(hào)探測(cè)的影響；4、分析相同條件下直接負(fù)載輸出和運(yùn)用運(yùn)算放大器輸出的曲線關(guān)系；5、測(cè)量光電倍增管的暗電流（了解）。【注意事項(xiàng)】1、光電倍增管的工作電壓為負(fù)高壓，一般選擇在-600V左右，對(duì)光的響應(yīng)極為敏感，因此無論其是否處于工作狀態(tài)均應(yīng)避免強(qiáng)光照射。接通電源之前應(yīng)認(rèn)真檢查管子的避光情況，電源電壓由低到高緩慢調(diào)整，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)則應(yīng)首先切斷電源，關(guān)閉通光閥門。2、光電陰極的端面是一塊很光亮的玻璃片，要妥善保護(hù)；3、使用時(shí)必須預(yù)先在暗處避光一段時(shí)間，要保持清潔干燥，同時(shí)要滿足規(guī)定的環(huán)境條件，切勿超過規(guī)定的電壓最大值；4、在有磁場(chǎng)影響的環(huán)境，應(yīng)該用高導(dǎo)磁金屬進(jìn)行磁屏蔽。實(shí)驗(yàn)五 光電探測(cè)器光譜響應(yīng)度的測(cè)量 光電探測(cè)器可將一定的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過信號(hào)處理，去實(shí)現(xiàn)某種目的。它是光電系統(tǒng)的核心組成部分，其性能直接影響著光電系統(tǒng)的性能。因此，無論是設(shè)計(jì)還是使用光電系統(tǒng)，深入了解光電