光电探测实验报告

光电探测技术

实验报告

班级：10050341

学号：05

姓名：解娴

实验一光敏电阻特性实验

一、实验目的

1.了解一些常见的光敏电阻的器件的类型；

2.了解光敏电阻的基本特性；

3.测量不同偏置电压下的光敏电阻的电压与电流，并作出V/A曲线。

二、实验原理

伏安特性显示出光敏电阻与外光电效应光电元件间的基本差别。这种差别是当增加电压时，光敏电阻的光电流没有饱和现象，因此，它的灵敏度正比于外加电压。

光敏电阻与外光电效应光电元件不同，具有非线性的光照特性。各种光敏电阻的非线性程度都是各不相同的。

大多数场合证明，各种光敏电阻均存在着分析关系。这一关系为

=Φ

I kα

Φ

式中，K为比例系数；是永远小于1的分数。

光电流的增长落后于光通量的增长，即当光通量增加时，光敏电阻的积分灵敏度下降。

这样的光照特性，使得解算许多要求光电流与光强间必需保持正比关系的问题时不能利用光敏电阻。

光照的非线性特性并不是一切光敏半导体都必有的。目前已有就像真空光电管—样，它的光电流随光通量线性增大的光敏电阻的实验室试样。光敏电阻的积分灵敏度非常大，最近研究出的硒—鎘光敏电阻达到12A／lm，这比普通锑、铯真空光电管的灵敏度高120，000倍。

三、实验步骤

1、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流

按照图1接线，电源可从+2V～+8V间选用，分别在暗光和正常环境光照下测出输出电压V暗和V亮。则暗电流L暗=V暗/RL,亮电流L亮=V亮/RL，亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。

2、伏安特性

光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系即为伏安特性。按照图1接线，分别测得偏压为2V、4V、6V、8V、10V时的光电流，并尝试高照度光源

的光强，测得给定偏压时光强度的提高与光电流增大的情况。将所测得的结果填入表格并做出V/I曲线。

图1光敏电阻的测量电路

四、实验数据

实验数据记录如下：

光电流：

暗电流：0.5uA

实验数据处理：

拟合曲线如下：

五、实验结论

通过本次实验了解了一些常用的光敏电阻的类型、内部结构及其基本特性，也熟练掌握了光敏电阻的特性测试的方法。随着偏置电压的增加，光敏电阻的伏安特性曲线呈线性增长。

实验二光源光功率测试实验

一、实验目的

1.了解光功率计的原理；

2.掌握光功率计的使用方法；

3.了解不同光源的功率值。

二、实验原理

采用美国相干公司的光功率计测量，其工作原理为：光功率计是测量光纤上传送的信号强度的设备，用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的。光功率计的原理非常像电子学中的万用表，只不过万用表测量的是电子，而光功率计测量的是光。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，组成光损失测试器，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。

三、实验步骤

分别测量了红光激光器、绿光激光器和白光光源：

1.打开光功率计，预热一段时间；

2.将波长设置为红光激光器的波长；

3.打开对应激光器，在光功率计上测得其光功率值；

4.依次将波长设置为绿光激光器和白光光源的波长，重复第3步。

5.记录测得数据值。

四、实验数据

实验数据记录如下：

五、实验结论

通过此次光源光功率测试实验，初步了解了光功率计的工作原理及光功率的测量方法，学会了光功率计的使用。通过实验对光的功率有了一个直观的认识，而且提高了我们的动手能力。

实验三光电位置敏感器件---PSD传感器

一、实验目的

1.了解光电位置敏感器件的内部结构；

2.了解PSD传感器的工作原理；

3.学会使用PSD传感器测量微小位移。

二、实验原理

PSD测试系统的基本组成：本测试系统主要有PSD基座、半导体激光器、反射屏、PSD及处理电路单元组成，其结构框图如图2所示。

图2 PSD测试系统结构框图

半导体激光器能输出频率单一，能量集中，功率稳定性好的光信号，具有体积小、亮度高、重量轻、方向性好、寿命长、抗冲击性能好等优点。所以采用半导体激光器作为光电测试系统的光源。

由于PSD器件对光点位置的变化非常敏感而对光斑的形状无严格要求，即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心有关，所以让反射屏连接在一个

带有螺旋测微仪的平台上，通过旋转螺旋测微仪来改变反射体离激光器的距离从而改变光线照在聚光 透镜上的位置最终达到改变光点离PSD 中心的距离。其光路图如图 3。

图 3 PSD 测试系统的光路图

由PSD 的工作原理及其探测位置线性度的讨论可知，从PSD 电极输出的电信号并不直接是位置信号，必须对这些电信号进一步处理才能得到光斑的入射位置。当允许将PSD 封装起来使用而且入射光比较强时，可以忽略背景光电流和暗电流，即采用恒定连续光源，光电流为直流信号，处理电路框图如图4所示（即PSD 处理电路单元），前置处理部分将从PSD 两电极输出的微弱电流转换成电压并放大，运算处理部分按照位置公式将两路电压信号相加、相减和相除，最终输出位置信号。

图 4PSD 处理电路单元

三、实验步骤

1、通过基座上端圆形观察孔观察PSD 器件及在基座上的安装位置,连接好PSD 器件与处理电路,开启仪器电源,输出端Vo 接电压表,此时因无光源照射,PSD 前聚焦透镜也无因光照射而形成的光点照射在PSD 器件上,Vo

输出的为环境光的

噪声电压,试用一块遮光片将观察圆孔盖上,观察光噪声对输出电压的变化。

2、将激光器插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在器件上。

3、仔细调节位移平台，用电压表观察输出电压VO的变化，当输出为零时，再分别测两路信号电压输出端VO1、VO2的电压值，此时两个信号电压应是基本一致的。

4、从原点开始，位移平台分别向前和向后位移10mm,因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感，故每次螺旋测微仪旋转10格（1/10mm）,并将位移值（mm）与输出电压值（V0）记录列表，做出V/X曲线，求出灵敏度S，S＝△V/△X。根据曲线分析其线性。

四、实验数据

向前移位时的测量数据：

向后移位时的测量数据：

曲线拟合：

灵敏度： =??=

X

V

S 10.048958 =??=

X

V

S 20.043364 五、实验结论

通过本次试验了解了光电位置敏感器件的内部结构及PSD 传感器的工作原理。并且实验中学会了使用PSD 传感器测量微小位移。通过整理实验数据，得到了PSD 传感器的灵敏度。

实验四 CCD 摄像法测径实验

一、实验目的

1. 通过实验了解CCD 实验仪器的安装及操作；

2. 了解CCD 实验仪的测量原理及相应的算法；

3. 熟练掌握使用CCD 实验仪器测量圆孔直径。 二、实验原理

测量原理：测量系统在图像获取环节首先通过CCD 摄像机摄取物体图像，接着经图像采集卡进行数据采集和处理后由图像采集程序将其转化为位图文件存放到硬盘中。随后在测量程序中打开此文件，用户根据测量目的剪取感兴趣的图像区域，然后再经过图像处理和分析得到测量结果。

整个测量过程依据几何成像原理，即根据透镜成像原理建立物面与像面上对应点之间的几何对应关系。如图5所示，待测物休通过物镜成像在CCD 光敏元上，在经过摄像机输出、采样、量化可得到与物体尺寸成一定比例的数字图像。量化后可得确立这种比例关系即可实现实际尺寸的测量。然而由于实际的镜头与理论卜的理想透镜有较大差别，其物像关系也不是和理想透镜成像公式描述的那么简单，所以在本测量系统中采用了实验标定的方法，即通过对标准件的测量实验确立物像间的尺寸比例关系。

实际标定时，我们使用标准量块作为试件，首先利用区域分割从图像中分离目标物体，然后提取并细化其边缘，通过测量程序拟和边缘及计算其长宽所占的像素跨距N 。在已知其长宽的实际尺寸W 的条件下，系统放大比例系数可通过公式K=W/N 计算获得，它表示了一个像素对应的目标空间的实际尺

寸。在测量程序输出像素个数计算结果的基础上乘以相应的K 值即可获得实际尺寸的测量结果。为了避免随机误差的干扰，我们采取了多次标定取平均值的方法。

图5. 几何成像图

圆形尺寸测量算法：我们知道最能全面描述图像统计性质的就是它的统计分布规律。根据理论定义的形状描述是非常有实际意义的，离散图像f (x, y)的矩定义为:

（1）

如果是二值图像，则矩可按下式计算:

p q

pq j

i m i j =∑∑(2)

用目标的距可以求出它的A 心坐标:

(3)

本系统中对圆的测量就是利用了圆心与重心重合的特点，首先对物体图像采用统计排序滤波器进行滤波，然后选取阀值将图像转化为二值图像，利用公式(2) (3)计算其重心即圆心坐标。再对滤波后的图像进行边缘检测确定其边缘点，通过这些边缘点与圆心计算出半径的平均值和均方差。然后根招 3σ

原则剔除伪边缘点，再重复计算圆心和半径一次从而得到测量结果。

三、实验步骤

（一）在被测物前安装好摄像头，连接CCD稳压电源，视频线正确连接图像卡与摄像头。

（二）检查无误后进入测量程序，启动图像采集后，屏幕窗口即显示被测物的图像，适当地调节CCD的镜头前后位置，使目标图像最为清晰。需要注意的是，如果不能正常显示图像时，检查设置的视频标准是否正确，设置如下：（1）打开BtWDMCap

（2）选择工具栏的Option/video Capture Filter

（3）在视频标准中选择PAL—N

（三）尺寸标定：先取一标准直径圆形目标（D0=10mm），根据测试程序测定其屏幕图像的直径D1（单位用象素表示），则测量常数K=D1/D0。软件操作具体如下：

<1>调整CCD摄像机与物体之间的距离，使得物体显示最清晰，记下物距；

<2>使用捕捉（capture）采集图片，即点击按钮，并指定地方保存图片；

<3>进行中值滤波，点击按钮；

<4>选择阀值点进行对图像二值化，点击按钮,然后拖动滑块。

<5>进行二值化处理，点击按钮；

<6>二值化后进行直径测量,点击按钮，把鼠标拖到二值化后的圆形图上，右边条形块中的Distance显示的数据就是图像像素长度（即像素跨距），然后进行计算物体实际长度。

（四）保持CCD镜头与位移平台距离不变，更换另一未知直径的圆形目标，利用测试程序测得其在屏幕上的直径，除以系数K，即得该目标的直径。

四、实验数据

可求得大圆直径R=(380.76585/298.71387)*10=12.75mm

五、实验结论

通过本次实验了解了CCD实验仪器的内部结构及其简单的安装与操作方法，同时也了解了CCD实验仪器的测量原理及相应的算法。