光電探測實驗報告

1、光電探測技術(shù)實驗報告光電探測技術(shù)實 驗 報 告班 級：10050341學(xué) 號：05 姓 名：解嫻實驗一 光敏電阻特性實驗一、實驗?zāi)康?.了解一些常見的光敏電阻的器件的類型； 2.了解光敏電阻的基本特性； 3.測量不同偏置電壓下的光敏電阻的電壓與電流，并作出V/A曲線。二、實驗原理 伏安特性顯示出光敏電阻與外光電效應(yīng)光電元件間的基本差別。這種差別是當(dāng)增加電壓時，光敏電阻的光電流沒有飽和現(xiàn)象，因此，它的靈敏度正比于外加電壓。光敏電阻與外光電效應(yīng)光電元件不同，具有非線性的光照特性。各種光敏電阻的非線性程度都是各不相同的。大多數(shù)場合證明，各種光敏電阻均存在著分析關(guān)系。這一關(guān)系為 式中，K為比例系數(shù)；

2、是永遠(yuǎn)小于1的分?jǐn)?shù)。光電流 的增長落后于光通量的增長，即當(dāng)光通量增加時，光敏電阻的積分靈敏度下降。這樣的光照特性，使得解算許多要求光電流與光強間必需保持正比關(guān)系的問題時不能利用光敏電阻。光照的非線性特性并不是一切光敏半導(dǎo)體都必有的。目前已有就像真空光電管樣，它的光電流隨光通量線性增大的光敏電阻的實驗室試樣。光敏電阻的積分靈敏度非常大，最近研究出的硒鎘光敏電阻達(dá)到12Alm，這比普通銻、銫真空光電管的靈敏度高120，000倍。三、實驗步驟1、光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流按照圖1接線，電源可從+2V+8V間選用，分別在暗光和正常環(huán)境光照下測出輸出電壓V暗和V亮。則暗電流L暗=V暗/RL,亮電流

3、L亮=V亮/RL，亮電流與暗電流之差稱為光電流，光電流越大則靈敏度越高。2、伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系即為伏安特性。按照圖1接線，分別測得偏壓為2V、4V、6V、8V、10V時的光電流，并嘗試高照度光源的光強，測得給定偏壓時光強度的提高與光電流增大的情況。將所測得的結(jié)果填入表格并做出V/I曲線。 圖1光敏電阻的測量電路偏壓2V4V6V8V10V12V光電阻I四、實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)記錄如下：光電流：E/V246810U/V0.090.210.320.430.56I/uA1427.54255.270.5暗電流：0.5uA實驗數(shù)據(jù)處理：擬合曲線如下： 五、實驗結(jié)論通過本次實驗了解

4、了一些常用的光敏電阻的類型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其基本特性，也熟練掌握了光敏電阻的特性測試的方法。隨著偏置電壓的增加，光敏電阻的伏安特性曲線呈線性增長。實驗二 光源光功率測試實驗一、實驗?zāi)康?.了解光功率計的原理；2.掌握光功率計的使用方法；3.了解不同光源的功率值。二、實驗原理采用美國相干公司的光功率計測量，其工作原理為：光功率計是測量光纖上傳送的信號強度的設(shè)備，用于測量絕對光功率或通過一段光纖的光功率相對損耗。在光纖系統(tǒng)中，測量光功率是最基本的。光功率計的原理非常像電子學(xué)中的萬用表，只不過萬用表測量的是電子，而光功率計測量的是光。通過測量發(fā)射端機或光網(wǎng)絡(luò)的絕對功率，一臺光功率計就能夠評價光端設(shè)備的性

5、能。用光功率計與穩(wěn)定光源組合使用，組成光損失測試器，則能夠測量連接損耗、檢驗連續(xù)性，并幫助評估光纖鏈路傳輸質(zhì)量。三、實驗步驟分別測量了紅光激光器、綠光激光器和白光光源：1.打開光功率計，預(yù)熱一段時間；2.將波長設(shè)置為紅光激光器的波長；3.打開對應(yīng)激光器，在光功率計上測得其光功率值；4.依次將波長設(shè)置為綠光激光器和白光光源的波長，重復(fù)第3步。5.記錄測得數(shù)據(jù)值。四、實驗數(shù)據(jù)實驗數(shù)據(jù)記錄如下：光源波長光功率紅光532nm8.20uW綠光650nm56.1mW白光700nm93.2uW五、實驗結(jié)論通過此次光源光功率測試實驗，初步了解了光功率計的工作原理及光功率的測量方法，學(xué)會了光功率計的使用。通過實

6、驗對光的功率有了一個直觀的認(rèn)識，而且提高了我們的動手能力。實驗三 光電位置敏感器件-PSD傳感器一、實驗?zāi)康?.了解光電位置敏感器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；2.了解PSD傳感器的工作原理；3.學(xué)會使用PSD傳感器測量微小位移。二、實驗原理PSD測試系統(tǒng)的基本組成：本測試系統(tǒng)主要有PSD基座、半導(dǎo)體激光器、反射屏、PSD及處理電路單元組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2 PSD測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 半導(dǎo)體激光器能輸出頻率單一，能量集中，功率穩(wěn)定性好的光信號，具有體積小、亮度高、重量輕、方向性好、壽命長、抗沖擊性能好等優(yōu)點。所以采用半導(dǎo)體激光器作為光電測試系統(tǒng)的光源。由于PSD器件對光點位置的變化非常敏感而對光斑的形

7、狀無嚴(yán)格要求，即輸出信號與光的聚焦無關(guān)，只與光的能量中心有關(guān)，所以讓反射屏連接在一個帶有螺旋測微儀的平臺上，通過旋轉(zhuǎn)螺旋測微儀來改變反射體離激光器的距離從而改變光線照在聚光 透鏡上的位置最終達(dá)到改變光點離PSD中心的距離。其光路圖如圖 3。透鏡1透鏡2ABCbcLDPSDa 圖 3 PSD測試系統(tǒng)的光路圖由PSD的工作原理及其探測位置線性度的討論可知，從PSD電極輸出的電信號并不直接是位置信號，必須對這些電信號進(jìn)一步處理才能得到光斑的入射位置。當(dāng)允許將PSD封裝起來使用而且入射光比較強時，可以忽略背景光電流和暗電流，即采用恒定連續(xù)光源，光電流為直流信號，處理電路框圖如圖4所示（即PSD處理電路

8、單元），前置處理部分將從PSD兩電極輸出的微弱電流轉(zhuǎn)換成電壓并放大，運算處理部分按照位置公式將兩路電壓信號相加、相減和相除，最終輸出位置信號。 圖 4 PSD處理電路單元三、實驗步驟1、通過基座上端圓形觀察孔觀察PSD器件及在基座上的安裝位置,連接好PSD器件與處理電路,開啟儀器電源,輸出端Vo接電壓表,此時因無光源照射,PSD前聚焦透鏡也無因光照射而形成的光點照射在PSD器件上,Vo輸出的為環(huán)境光的噪聲電壓,試用一塊遮光片將觀察圓孔蓋上,觀察光噪聲對輸出電壓的變化。2、將激光器插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激光束照射到反射面上時的情況，光束應(yīng)與反射面垂直。旋轉(zhuǎn)激

9、光器角度，調(diào)節(jié)激光光點，（必要時也可調(diào)節(jié)PSD前的透鏡）使光點盡可能集中在器件上。3、仔細(xì)調(diào)節(jié)位移平臺，用電壓表觀察輸出電壓VO的變化，當(dāng)輸出為零時，再分別測兩路信號電壓輸出端VO1、VO2的電壓值，此時兩個信號電壓應(yīng)是基本一致的。4、從原點開始，位移平臺分別向前和向后位移10mm,因為PSD器件對光點位置的變化非常敏感，故每次螺旋測微儀旋轉(zhuǎn)10格（1/10mm）,并將位移值（mm）與輸出電壓值（V0）記錄列表，做出V/X曲線，求出靈敏度S，SV/X。根據(jù)曲線分析其線性。四、實驗數(shù)據(jù)向前移位時的測量數(shù)據(jù)：位移/mm12345678910電壓/V-0.048-0.096-0.137-0.192-

10、0.242-0.290-0.336-0.382-0.433-0.494向后移位時的測量數(shù)據(jù)：位移/mm12345678910電壓/V0.0600.1110.1590.2030.2400.2890.3350.3740.4120.452曲線擬合： 靈敏度： 0.048958 0.043364五、實驗結(jié)論通過本次試驗了解了光電位置敏感器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及PSD傳感器的工作原理。并且實驗中學(xué)會了使用PSD傳感器測量微小位移。通過整理實驗數(shù)據(jù)，得到了PSD傳感器的靈敏度。實驗四 CCD攝像法測徑實驗一、實驗?zāi)康?.通過實驗了解CCD實驗儀器的安裝及操作；2.了解CCD實驗儀的測量原理及相應(yīng)的算法；3.熟練掌

11、握使用CCD實驗儀器測量圓孔直徑。二、實驗原理測量原理：測量系統(tǒng)在圖像獲取環(huán)節(jié)首先通過CCD攝像機攝取物體圖像，接著經(jīng)圖像采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理后由圖像采集程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為位圖文件存放到硬盤中。隨后在測量程序中打開此文件，用戶根據(jù)測量目的剪取感興趣的圖像區(qū)域，然后再經(jīng)過圖像處理和分析得到測量結(jié)果。整個測量過程依據(jù)幾何成像原理，即根據(jù)透鏡成像原理建立物面與像面上對應(yīng)點之間的幾何對應(yīng)關(guān)系。如圖5所示，待測物休通過物鏡成像在CCD光敏元上，在經(jīng)過攝像機輸出、采樣、量化可得到與物體尺寸成一定比例的數(shù)字圖像。量化后可得確立這種比例關(guān)系即可實現(xiàn)實際尺寸的測量。然而由于實際的鏡頭與理論卜的理想透鏡有較大差別

12、，其物像關(guān)系也不是和理想透鏡成像公式描述的那么簡單，所以在本測量系統(tǒng)中采用了實驗標(biāo)定的方法，即通過對標(biāo)準(zhǔn)件的測量實驗確立物像間的尺寸比例關(guān)系。實際標(biāo)定時，我們使用標(biāo)準(zhǔn)量塊作為試件，首先利用區(qū)域分割從圖像中分離目標(biāo)物體，然后提取并細(xì)化其邊緣，通過測量程序擬和邊緣及計算其長寬所占的像素跨距N。在已知其長寬的實際尺寸W的條件下，系統(tǒng)放大比例系數(shù)可通過公式K=W/N計算獲得，它表示了一個像素對應(yīng)的目標(biāo)空間的實際尺寸。在測量程序輸出像素個數(shù)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的K值即可獲得實際尺寸的測量結(jié)果。為了避免隨機誤差的干擾，我們采取了多次標(biāo)定取平均值的方法。圖5. 幾何成像圖圓形尺寸測量算法：我們知道最能全

13、面描述圖像統(tǒng)計性質(zhì)的就是它的統(tǒng)計分布規(guī)律。根據(jù)理論定義的形狀描述是非常有實際意義的，離散圖像f (x, y)的矩定義為: （1）如果是二值圖像，則矩可按下式計算: (2)用目標(biāo)的距可以求出它的A心坐標(biāo): (3)本系統(tǒng)中對圓的測量就是利用了圓心與重心重合的特點，首先對物體圖像采用統(tǒng)計排序濾波器進(jìn)行濾波，然后選取閥值將圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，利用公式(2) (3)計算其重心即圓心坐標(biāo)。再對濾波后的圖像進(jìn)行邊緣檢測確定其邊緣點，通過這些邊緣點與圓心計算出半徑的平均值和均方差。然后根招 3原則剔除偽邊緣點，再重復(fù)計算圓心和半徑一次從而得到測量結(jié)果。三、實驗步驟（一）在被測物前安裝好攝像頭，連接CCD穩(wěn)壓電

14、源，視頻線正確連接圖像卡與攝像頭。（二）檢查無誤后進(jìn)入測量程序，啟動圖像采集后，屏幕窗口即顯示被測物的圖像，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)CCD的鏡頭前后位置，使目標(biāo)圖像最為清晰。需要注意的是，如果不能正常顯示圖像時，檢查設(shè)置的視頻標(biāo)準(zhǔn)是否正確，設(shè)置如下：（1）打開BtWDMCap （2）選擇工具欄的Option/video Capture Filter（3）在視頻標(biāo)準(zhǔn)中選擇PALN （三）尺寸標(biāo)定：先取一標(biāo)準(zhǔn)直徑圓形目標(biāo)（D0=10mm），根據(jù)測試程序測定其屏幕圖像的直徑D1（單位用象素表示），則測量常數(shù)K=D1/D0。軟件操作具體如下：<1>調(diào)整CCD攝像機與物體之間的距離，使得物體顯示最清晰，記下物距；<2>使用捕捉（capture）采集圖片，即點擊 按鈕，并指定地方保存圖片；<3>進(jìn)行中值濾波，點擊 按鈕；<4>選擇閥值點進(jìn)行對圖像二值化，點擊按鈕 ,然后拖動滑塊。<5>進(jìn)行二值化處理，點擊 按鈕；<6>二值化后進(jìn)行直徑測量,點擊 按鈕，把鼠標(biāo)拖到二值化后的圓形圖上，右邊條形塊中的Distance顯示的數(shù)據(jù)就是圖像像素長度（即像素跨距