《光电技术》课程实验指导书

1、光电技术课程实验说明课程实验计划进行四次第一次：实验一第二次：实验二第三次：实验三、四第四次：实验五、六其中第一次、第二次实验需要同学自己进行实际测量；第三次、第四次实验属于演示实验。实验一 光电探测原理实验一、实验目的1、了解光照度基本知识、光照度测量基本原理，学会光照度的测量方法。2、了解光电二极管和光电池的工作原理和使用方法3、掌握光电二极管和光电池的光照特性及其测试方法4、理解光电二极管和光电池的的伏安特性并掌握其测试方法二、实验仪器1、 光电探测原理实验箱2、 光照度计3、 光电二极管和光电池4、 光源三、实验原理1、光照度基本知识 （1）光照度是光度计量的主要参数之一，而光度计量是

2、光学计量最基本的部分。光度量是限于人眼能够见到的一部分辐射量，是通过人眼的视觉效果去衡量的，人眼的视觉效果对各种波长是不同的，通常用V（）表示，定义为人眼视觉函数或光谱光视效率。因此，光照度不是一个纯粹的物理量，而是一个与人眼视觉有关的生理、心理物理量。光照度是单位面积上接收的光通量，因而可以导出：由一个发光强度I的点光源，在相距L处的平面上产生的光照度与这个光源的发光强度成正比，与距离的平方成反比，即： 式中：E光照度，单位为Lx； I光源发光强度，单位为cd； L距离，单位为m。（2）光照度计的结构光照度计是用来测量照度的仪器，它的结构原理如图1.1。图 1光照度计结构图图中D为光探测器，

3、图1.2为典型的硅光探测器的相对光谱响应曲线；C为余弦校正器，在光照度测量中，被测面上的光不可能都来自垂直方向，因此照度计必须进行余弦修正，使光探测器不同角度上的光度响应满足余弦关系。余弦校正器使用的是一种漫透射材料，当入射光不论以什么角度射在漫透射材料上时，光探测器接收到的始终是漫射光。余弦校正器的透光性要好；F为V（）校正器，在光照度测量中，除了希望光探测器有较高的灵敏度、较低的噪声、较宽的线性范围和较快的响应时间等外，还要求相对光谱响应符合视觉函数V（），而通常光探测器的光谱响应度与之相差甚远，因此需要进行V（）匹配。匹配基本上都是通过给光探测器加适当的滤光片（V（）滤光片）来实现的，满

4、足条件的滤光片往往需要不同型号和厚度的几片颜色玻璃组合来实现匹配。当D接收到通过C和F的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过I/V变换，然后经过运算放大器A放大，最后在显示器上显示出相应的信号定标后就是照度值。（3）照度测量的误差因素1）照度计相对光谱响应度与V（）的偏离引起的误差。2）接收器线性：也就是说接收器的响应度在整个指定输出范围内为常数。3）疲劳特性：疲劳是照度计在恒定的工作条件下，由投射照度引起的响应度可逆的暂时的变化。4）照度计的方向性响应。5）由于量程改变产生的误差：这个误差是照度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的系统误差。6）温度依赖性：温度依赖性是用环境温度对照度头绝对

5、响应度和相对光谱响应度的影响来表征。7）偏振依赖性：照度计的输出信号还依赖于光源的偏振状态。8）照度头接收面受非均匀照明的影响。2、光生伏特应和光伏探测器的原理光生伏特效应是光照使半导体产生光生电子和空穴，这些电子和空穴在某种“力”的作用下向相反的方向移动和积聚而产生电位差的现象。使电子和空穴向相反的方向移的“力”可以是同质半导体由于不同的掺杂形成的pn结、不同质的半导体组成的异质结或金属和同质半导体接触形成的肖特基结的内建电场，也可以是磁场等。下面以pn结为例说明光生伏特效应的原理。其原理如下图图2 光生伏特效应原理图如图a所示，未光照时，P区的多数载流子空穴和n区的多数载流子电子，由于浓度

6、差会向对方扩散，结果在接触面附近形成正负离子组成的空间电荷层及相应的由n区指向P区的内建电场，该电场阻止两边的载流子的扩散，但使电子和空穴产生与扩散运动方向相反的漂移运动，最后达到热平衡，形成一个稳定的内建电场E内。内建电场存在的区域称作耗尽层。从能量的角度看，内建电场E内在耗尽层形成一个势垒，电子在n区具有较低的势能，在P区具有较高的势能，空穴则相反，如图b所示，最终使能带发生倾斜。n区的电子和P区的空穴要想从一区进如另一区都需要提供能量。当有入射光作用时，如果光子的能量大于或等于带隙（），在耗尽层区、n区和P区都会发生受激吸收，即价带的电子吸收光子的能量越迁到导带形成光生电子-空穴对。若电

7、子-空穴对在耗尽层内，由于内部电场的作用，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成漂移电流。若电子-空穴对在耗尽层两侧没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场的作用下，形成与漂移电流相同方向的电流，称为扩散电流。漂移电流和扩散电流的总和即为光生电流。若外电路开路，则光生的电子和空穴分别在N区和P区积累，形成电动势，这就是光生伏特效应。若外电路闭合，N区过剩的电子通过外电路流向P区，同样，P区的空穴流向N区，便形成了光生电流。当入射光变化时，光生电流随之变化，从而将光信号转换成电信号。这种由PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子-空穴对的

8、运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管（PD）。这种简单的光电二极管（PD），由于PN结耗尽层只有几微米，大部分光入射光被中性区吸收，中性区内的电子和空穴是靠扩散运动形成电流的，一方面它形成电流的几率小，即转换效率低，另一方面响应速度也慢。为了改善这种情况，使用PD管时，总是施加适当的反向偏压，即N区加正电压，P区加负电压，外加电压与内部电场方向相同，从而增大了耗尽层宽度，减小了中性区的宽度，从而提高了转换效率和响应速度。利用光伏效应制作的光伏探测器种类繁多，如普通光电二极管（PD）、PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电三极管、异质结光电二极管、金属半导体光电二

9、极管、量子阱光探测器等。本实验只讨论普通光电二极管（PD）和光电池。3、光电二极管的结构和特性参数(一) 光电二极管的结构电二极管的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比有很多共同之处，它们都有一个PN结，因此均属于单向导电性的非线性元件。但光电二极管作为一种光电器件，也有它特殊的地方。例如，光电二极管管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照；光电二极管PN结势垒区很薄，光生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主要来自扩散电流而不是漂移电流；又如，为了获得尽可能大的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，而且通常都以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很小。为了提高光电转换能力，P

10、N结的深度较普通二极管浅。图3为光电二极管外形图（a）、结构简图（b）、符号（c） 和等效电路图（d）。 a b c d 图 3 光电二极管光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小（一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，称为光生载流子。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。因此光电二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 （二）光电二极管的特性参数这里仅就与实验有

11、关的参数简单说明。（1）伏安特性光电二极管（PD）就是一个p-n结，根据固体物理对p-n结的研究，无光照时，p-n结上的电压V和通过它的电流的伏安关系为 （1）式中为p-n结的反向饱和电流，为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷量。有光照时，产生光生电流IS （2）式中为量子效率，为光功率。这两部分电流方向相同，则总电流I为 （3）下图表示光照PN结的伏安特性，图4 P-N结的伏安特性有光照时，相对于无光照曲线向下平移，光照越强，曲线愈往下平移，光电流越大。图中第一象限为PN结加正偏压状态，此时PN结暗电流ID远大于光生电流，做为探测器工作在这个区域是没有意义的。第三象限为PN结加反偏压

12、状态，此时PN结暗电流ID=ISO，数值很小，远小于光生电流IS，光伏探测器输出的总电流，光伏探测器多工作在这个区域。由图可见，在低反压下电流随电压变化比较明显，这是因为反向偏压增加使耗尽层加宽，结电场增强，使结区光的吸收率和光生载流子的收集效率增大。当反向偏压进一步增加，光生载流子的收集已达极限，光电流趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。图中还标注了开路光电压和短路光电流的定义。由式（3）式可以求得光伏探测器的输出电压 （4）在PN结开路时（即外负载电阻），光伏探测器的输出电压称为开路电压，这时经外回路负载上的总电流，在式（4）中，将代入，可得开路电压的表达式

13、 （5） 若将PN短路（即V=O），由式（2）可得短路电流为 （6）和是光伏探测器的两个重要参数，其数值可以从伏安特性曲线上得到；由式（5）、（6）可看出，两者都随光强增大而增大，但随光强增大线性上升，而则按对数规律增加，如下图所示。图5 和随光强变化曲线（2） 光谱特性光伏探测器对不同波长的光的灵敏度是不同的，这是因为光子的能量必须大于或等于带隙，光子才能被吸收产生电子-空穴对，不同半导体材料具有不同的，因此对光的波长具有选择性，除与材料有关外，还与具体结构有关。下图给出了硅、锗材料光电二极管的光谱响应特性，硅光电二极管最佳响应波长在0·81·0；锗材料能响应到1

14、3;7。图b显示了由硅、硒材料制成的光电池的光谱响应特性曲线。 （3）光照特性光电二极管在一定负偏压下，当入射光的强度发生变化时，通过光电二极管的电流随之变化，在较小负载电阻下，光电流和照度成线性关系。如下图所示（4）暗电流 当没有光照射时，光电二极管的反向饱和电流称为暗电流。4、光电池的结构和特性参数 (一) 光电池的结构原理光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P

15、型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。 图4.1为硅光电池原理图。其中（a) 结构示意图； (b) 等效电路。 图 7 硅光电池原理图(一) 光电池的特性参数这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律，如下图所示。 图8 光电池的光照特性曲线VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作，它与与

16、入射光强不在成线性关系，相对光电池内阻越大，线性范围越小，如下图所示：入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：当RLRd时，可近似看做短路，输出电流为ISC，与入射光强成正比，RL越小，线性度越好，线性范围越大。当RL为时，可近似看做开路，输出电压为VOC。随着RL的变化，输出功率也变化，当时，输出功率最大，RM称最佳负载。四、实验内容1、 光电二极管和光电池的输出光电流与入射光的照度的关系测量。2、 光电二极管和光电池的伏安特性测试。3、 光电二极管和光电池的暗电流测试。五、仪器简介所用主要仪器为光电探测原理实验箱，实验箱配备有012

17、V可调的直流电压源，可为光电二极管提供可以调节的偏置电压、20LX-2000 LX照度计用来测量照度、200mV-20V电压表和20A-200mA电流表、亮度可调12V/5W的卤素灯作为光源、探测器为通光口径5的硅光电二极管和光敏直径为6的光电池。各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，而光源、照度计探头、硅光电池和硅光电二极管均在箱外，可用引线连接到面板上，面板上还配有电阻RL1、RL2、RL3、R1和R2，阻值分别为2.4 K、5.6 K、10 K、51K和100 K，可供光电池和光电二极管作为负载。实验箱还配备10K粗调电位器RP1和47K多圈精密细调电位器RP2，可供学生配合其它元件

18、自己动手搭建实验之用。面板操作示意图：六、实验步骤1、光电二极管反向伏安特性的测量 实验原理框图如下：(1)、负载RL选择RL1=2.4K。将“光电二极管偏置电压输入”端与电流表“”端用导线连接，电流表“”端与RL1任一端连接，RL1另一端与“光电二极管偏置电压输入”端相连，此时光电二极管偏压为零。(2)、电流表档位调节至20A档，“光照度调节“旋钮逆时针调节至最小值位置。打开电源开关，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为50Lx，记录此时电流表读数。关闭电源，拆掉电流表“”端与RL1之间的连线。(3)、电压表调到20V档，“幅度调节”旋钮逆时针调至最小值位置。将“直流电源0-12V”端与RL1

19、连接，将“直流电源另一端（接地端）与电流表“”端连接。再将电压表“”端与“直流电源0-12V”端相连，“直流电源”接地端与电压表“”端相连。(4)、打开电源开关，调节“幅度调节”旋钮，直至电压表显示为2.00V为止，记下光电二极管所加反向偏压为2V时电流表的读数。(5)、重复步骤4，分别记下反向偏压为4V、6V、8V和10V时的电流表读数。(6)、重复上述步骤。分别测量光电二极管在100Lx、200Lx和300Lx照度下，不同偏压下的光生电流值，并分别作出伏安特性曲线。比较四条伏安特性特性曲线有什么不同。(7)、实验完毕，拆除所有连线。将“幅度调节”和“光照度调节”旋钮都逆时针旋到底。2、光电

20、二极管在-6V偏压下光照特性测量（1）照上图连接线路，载RL选择RL1=2.4K，电流表档位调节至20A档。（2）调节“幅度调节”旋钮，使电压表指示为6伏。（3）将光源、照度计、光电二极管插入实验箱相应孔中。（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值，测-6V偏压下的电流，即为暗电流值。（5）分别测出光照度为25LX、50LX、100 LX、150 LX、200 LX、250LX、300 LX时的电流值。（6）绘出光电二极管的光照特性曲线。3、光电池照度电流特性测试实验原理框图如下图分别测出下表所示光照度和负载下的光生电流。作出光照度电流特性曲线，并对曲线进行分析。光照度（Lx）020406

21、080100120140160R=0光生电流（A）R=2.4K光生电流（A）4、光电池照度电压特性测试实验原理框图如下图分别测出下表所示光照度下的光生电压，作出光照度开路电压特性曲线。光照度（Lx）0103050100200300光生电压（mV）5、入射光强-负载特性测试 实验原理框图如下图。 （1）按图连接线路，光照度取50Lx，将电压表选择2V档，电流表选择200A档。（2）分别测出负载电阻为下表所示值的电流和电压。负载（）02.4（RL1）5.6（RL2）10（RL3）51（R1）100（R2）电流（A）电压（mV）（3） 作出50Lx光照度下光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线。

22、（4） 光照度取100Lx、200Lx、300Lx，重复上述步骤。（5） 作出100Lx、200Lx、300Lx 50Lx光照度下光生电流、光生电压负载变化的曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析。 七、实验报告要求1、分析光电二极管的光照特性，根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电二极管-6V偏压下的照度电流曲线图。2、分析光电二极管的伏安特性，根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电二极管反向伏安特性曲线。3、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光照度电流特性曲线图，并分析实验现象。4、根据实验测试记录，在坐标纸上画出光电池的光照度开路电压特性曲线图，并分析实验现象。5、根据实验测试记录，在坐

23、标纸上画出光电池的光生电流、光生电压随负载变化的曲线，并分析实验现象。实验二 光电倍增管特性参数的测试一、实验目的1、了解光电倍增管的基本特性。2、学习光电倍增管基本参数的测量方法。3、学会正确使用光电倍增管。二、实验内容1、暗电流的测量2、阴极灵敏度的测量3、阳极灵敏度的测量4、光电倍增管放大倍数的测量5、光电倍增管光电特性6、光电倍增管时间特性三、实验仪器1、光电倍增管实验仪 1台2、双踪示波器 1台四、实验原理1、 光电倍增管工作原理用下图说明光电倍增管的工作原理，K是光电阴极，受光照射时发射电子，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔射向第

24、一倍增极D1，D1D10为倍增极，所加电压逐级增加。每一级约80150V，A为收集电子的阳极。这些电极封装在真空管内，光电阴极附近制作光入射窗口。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又射向第二倍增极，又引起第二倍增极更多的二次电子发射，此过程一直继续D10。最后经倍增的电子被阳极A收集而输出电流，在负载RL上产生信号电压。图1 光电倍增管的内部结构图 2、倍增管的主要特性参数光电倍增管的特性参数包括灵敏度、光谱响应度、电流增益、伏安特性、暗电流、线性和时间特性等。下面介绍本实验涉及到的特性。1）灵敏度灵敏度是衡量光电倍增管将光辐射转换成电信号能力的一个

25、参数，一般是指积分灵敏度，即白光灵敏度。包括阴极灵敏度和阳极灵敏度。阴极灵敏度SK阴极光照灵敏度SK是指光电阴极本身的积分灵敏度。定义为光电阴极的饱和光电流Ik除以入射到阴极的光通量所得的商阴极光照灵敏度只与光电阴极的材料和光电倍增管的结构有关。测量时应如图所示，阴极为一极，其它各极连在一起为另一极，使从阳极测得的电流没有倍增。图2 光电倍增管阴极电流的测量光通量要适当，太大会由于光电阴极层的电阻损耗会引起测量误差；太小会由于欧姆漏电流影响使光电流的测量精度降低，通常选在lm的数量级。阳极灵敏度阳极光照灵敏度是指光电倍增管在一定工作电压下，阳极输出光电流与入射到阴极的光通量的比值阳极光照灵敏度

26、除与光电阴极的材料和光电倍增管的结构有关外，还与工作电压有关。而且公式中的要保证光电倍增管处于正常的线性工作状态，若在饱和状态，光通量变化时电流并不改变，测得的灵敏度就没有意义。因此测量时所用光通量比测阴极灵敏度时要小很多。2） 放大倍数(电流增益)G放大倍数G(电流增益)定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流与阴极电流IK间的比值。也可以由在一定工作电压下阳极灵敏度和阴极灵敏度的比值来确定，即放大倍数G取决于系统的倍增能力，因此它是工作电压的函数。3） 暗电流Id当光电倍增管在完全黑暗的情况下工作时，在阳极电路里仍然会出现输出电流，称为暗电流，暗电流与阳极电压有关，通常是在与指定阳极

27、光照灵敏度相应的阳极电压下测定的。4）伏安特性有阳极伏安特性和阴极伏安特性之分，在实际应用中，感兴趣的是阳极伏安特性。阳极伏安特性：定义为当光照度E一定时，阳极电流Ip和阳极与阴极之间的总电压（阳极电压）VA的关系。如图3所示：图3 光电倍增管阳极电流与电压之间的特性曲线5） 线性线性是指在一定的工作电压下，阳极输出电流IP与光照度E的线性关系，也称光电特性，是光电测量系统的一个重要指标。影响线性的原因很多，除与光电倍增管的内部结构有关外，在很大程度上取决于外部高压供电电路及信号输出电路。这里仅就高压供电电路加以分析。为使光电倍增管能正常工作，需要在阴极K和阳极A加近千伏的电压。同时，还需要在

28、阴极、聚焦极、倍增极、阳极之间分配一定的极间电压，才能保证光电子能被有效的收集，光电流通过倍增极系统得到放大。通常由下图所示的电阻链分压来完成。图4 光电倍增管的分压电路流过分压电路的电流Ib与光电倍增管输出信号的线性密切相关，分压电阻的取值应考虑到这一点。随着光通量的增加，阳极电流Ia也相应增加。当光通量进一步增大并超过某一定值后，阳极电流与光通量之间会偏离线性关系，甚至使光电倍增管进入饱和状态，如图5所示图5 光电倍增管的光电特性输出信号是直流情况下，当阳极电流为Ia时，末级倍增极Dn的一次电流，为倍增极的二次发射系数，从此倍增极经过电阻流向阴极的电流为，同理，其它倍增极也有一部分电流流向

29、阴极，而且这些电流随光电流增大而增大，这些电流会使各极间电压重新分配。当Ia远小于流过分压电路的电流Ib时，极间电压的重新分配不明显，阳极电流Ia随光通量线性增加；如曲线A段。当阳极电流增大到能与分压器电流相比拟时，极间电压的重新分配将很明显，导致阳极与后几级倍增极的极间电压下降，阴极与前几级倍增极的极间电压上升，结果光电倍增管的电流放大倍数明显增加，如曲线B段。当阳极电流进一步增加时，阳极与末级倍增极的极间电压趋向零，阳极的电子收集率逐渐减小，最后阳极输出电流饱和，如曲线C段。为防止极间电压的再分配以保证增益稳定，分压器电流至少为最大阳极电流的20倍。对于直线性要求很高的应用场合，分压器电流

30、至少为最大阳极平均电流的100倍。6） 时间特性由于电子在倍增过程中的统计性质以及电子的初速效应和轨道效应，从阴极同时发出的电子到达阳极的时间是不同的，因此，输出信号相对于输入信号会出现展宽和延迟现象，这就是光电倍增管的时间特性。五、实验装置简述1、光电倍增管实验所用光电倍增管为931A型，光电倍增管直径1-1/8英寸、九级倍增、侧窗型光电倍增管，硼硅玻壳、锑铯光阴极、300650nm（S-4）谱响应，采用特殊设计的抗滞后结构，具有极好的输出稳定性。图6为光电倍增管暗箱的结构示意图。图6 光电倍增管暗箱结构示意图2、 光电倍增管实验仪 实验装置的框图如下照度表-测量连续光源强度，有调零和换档功

31、能。光照度调节调节连续光源的电源电压，从LED2输出接到光源。脉冲宽度调节-调节脉冲光源的脉冲宽度，从LED1输出脉冲电压，接到光源。高压调节-调节光电倍增管直流电压，由“高压输出”输出，接入光电倍增管“高压输入”，开关拨向HV输出01000V电压，开关拨向LV输出040V电压。电压表-测量光电倍增管直流电压。PMT输入-光电倍增管电流输入端，进入电流检测单元，经处理送入电流表。电流表-测量光电倍增管输出电流，单位为µA或nA自动换档。时间特性测试区-开关拨向时间特性测试，则测试光电倍增管的时间特性，从“光脉冲”测试脉冲光源电源的脉冲电压，从“PMT输出”测试光电倍增管输出的脉冲电流

32、；开关拨向静态特性测试，则测试光电倍增管的静态特性。 图7为光电倍增管实验箱结构图。图7 光电倍增管实验箱结构图六、实验内容准备步骤：用同轴电缆线将光电倍增管暗箱的“PMT输出”接口与光电倍增管实验仪实验箱上的“PMT输入”接口相连，用同轴电缆线将光电倍增管暗箱上的“高压输入”接口与实验箱上的“高压输出”接口相连，用同轴电缆线将照度计探头与实验箱上的“照度计输入”接口相连，将所有旋钮逆时针调节到最小。 注：1、从光电倍增管暗箱上拿下光源前，或进行阴极电流和阳极电流测量切换时，一定要将光电倍增管直流高压调至零！2、本实验采用的光电倍增管的受光面面积为24mm×8mm。1、暗电流测量1）

33、将光源旋接在光电倍增管暗箱上；2）将暗箱上的“阴极电流/阳极电流” 开关（以下简称“阴极/阳极”开关）打到“阳极电流”档；3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档，将“静态特性测试/时间特性测试”开关（以下简称“静态/时间”开关）打到“静态特性测试”档；4）缓慢调节电压调节旋钮至电压表显示为1000V，记下此时电流表的显示值，该值即为光电倍增管在1000V时的暗电流；5）将高压调节旋钮逆时针调节到零；2、阳极灵敏度测量1）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；2）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档，将“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；将光源与照度计

34、探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。连接完毕后，将光照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到20lx档，调节调零旋钮将照度值调节到0.00。3）缓慢调节光照度调节旋钮，将照度值调节到0.1lx。保持光照度调节旋钮不变，将光源与照度计探头分开；4）将将光源旋接在暗箱上。缓慢调节高压调节旋钮，分别记下电压为100V,200V,300V,400V,500V,600V,700V,800V,900V和1000V时的阳极电流值；5）将高压调节旋钮逆时针调节到零；将光照度调节旋钮逆时针调节到零；6）绘出在该光照度下的V关系曲线。3、阴极灵敏度测量1）将实验箱上的“HV/LV

35、”开关打到“LV”档，2）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；3）将暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阴极电流”档；4）将光源与照度计探头旋接，并与实验箱上的“LED2”相连。连接完毕后，将光照度调节旋钮逆时针调节到零，按下照度表的换档开关将照度表的量程调节到20lx档，调节调零旋钮将照度值调节到0.00。5）调节光照度调节旋钮使照度表显示为10lx。6）保持光照度调节旋钮不变，将光源与照度计探头分开；再将光源旋接在光电倍增管暗箱上；缓慢从零增加电压，每隔1V记录对应的电流值。绘出电压与电流之间的关系，并找到曲线趋于饱和的电流值IK。7）将高压调节旋钮逆时针调节到零；将光照度调

36、节旋钮逆时针调节到零；8）按照公式计算阴极灵敏度。4、光电倍增管增益(放大倍数)的计算1）计算当光照度为0.1 lx时，阳级电压分别为500V、600V、700V、800V、900V和1000V时的放大倍数；2）绘出该光强下的GV曲线，并对曲线进行分析。 5、光电倍增管光电特性测量1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“静态特性测试”档；2）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；3）将实验箱上的“HV/LV”开关打到“HV”档；4）将光源与光照度探头连接，调节光照度调节旋钮使照度表显示为0.2lx。5）将光源旋接在暗箱上。缓慢增加电压至1000V，记下此时的电流值；再将电压

37、逆时针调节到零。6）重复步骤4）和5），依次记下光照度为0.2lx，0.3lx，0.4lx，0.5lx，0.6lx时的电流值。7）绘出E曲线。8）将光照度调节旋钮和高压调节旋钮逆时针调节到零。6、光电倍增管的时间特性1）将实验箱上的“静态/时间”开关打到“时间特性测试”档，将“HV/LV”开关打到“HV”档；2）将光电倍增管暗箱上的“阴极/阳极”开关打到“阳极电流”档；3）将光源旋接在光电倍增管暗箱上，并与实验箱上的LED1相连；4）用示波器探头分别连接到时间特性测试区中的“PMT输出”和“光脉冲”测试钩上，从零开始缓慢增加电压，观察两路信号在示波器中的显示；5）将高压调节旋钮逆时针调节到零；

38、6）记录实验现象，并对实验现象进行解释。实验三 CCD原理及应用实验实验规则及注意事项 为了确保线阵CCD原理及应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守以下实验规则及注意事项。1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。2、 实验进行过程中，必须严格按照指导老师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能损坏实验仪，造成不必要的严重后果。3、 要爱护实验仪器和示波器等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与本实验仪进

39、行连接。4、 所有与本实验仪相关的线缆必须在断电的情况下正确连接好，严禁带电插拔所有电缆线。5、 实验要集中精力，认真实验。遇到问题时应找指导老师解决，不得自作主张。6、 一旦发生意外事故或者实验现象出现异常时，应立即切断电源，并如实向指导老师汇报情况。待故障排除之后方可继续进行实验。7、 在进行CCD实验过程中，不允许带电插拔CCD器件，否则会造成CCD器件损坏。8、 不允许用带电的烙铁焊接任何与CCD有电气连接的导线、元器件。必须焊接时，应将烙铁的电源拔下来，利用烙铁的余热焊接，或者将CCD芯片拔下来后再焊接。实验（一） CCD驱动实验一、实验目的1、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD

40、驱动器各路脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法。2、 通过测量CCD驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵CCD的基本工作原理。3、 通过测量典型线阵CCD的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，掌握CCD的基本特征。二、实验内容1、 学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。2、 学习掌握TCD1200D线阵CCD的基本工作原理。3、 掌握双综示波器的基本操作。三、实验仪器1、双踪同步示波器（20MHz以上） 1台2、CCD原理应用实验箱 1台 四、实验原理CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）的简称，它是由金属氧化物-半导体（Charge Couple

41、d Device）简称MOS构成的密排器件。主要用于两个领域，一是信息存储和信息处理，二是用于摄像装置。 这里介绍摄像用的黑白两相线阵CCD。1、 黑白两相线阵CCD结构简述黑白两相线阵CCD有多种规格，实际上大同小异。这里以实验所用TCD1200D型2160像素的CCD为例进行简述。结构示意图如下：它包括摄像机构、两个CCD模拟移位寄存器、输出机构和采样保持电路四部分。摄像机构也称摄像区，它具有2160个光敏元和电荷转移电极组成，实际上为2160个MOS电容，电荷转移电极为MOS电容的栅极，通过电荷转移电极给栅极加脉冲电压。光敏元起光电转换作用，MOS电容起暂存转换的电荷和向CCD模拟移位寄

42、存器转移电荷包的作用。将2160个MOS电容的奇数位分别与CCD转移寄存器1相连，偶数位分别与CCD转移寄存器2相连。CCD模拟移位寄存器也是由一系列MOS电容组成。移位寄存器1和2各密排1080个，他们对光不敏感，1、2为MOS电容的栅极，通过1、2外加脉冲电压。上。电荷转移电极SH为摄像区MOS电容的控制电极，外加周期性脉冲电压。在脉冲电压低电平期间，摄像机构中的MOS电容形成势井暂存光敏元转换的电荷，建立起一个与图像明暗成比例的电荷图像。高电平期间，摄像区的MOS电容中的电荷同时读出到CCD模拟移位寄存器的MOS电容中，奇数位信号转移到移位寄存器1。偶数位信号转移到移位寄存器2。在下一个

43、周期的低电平期间，摄像区的MOS电容摄取第二幀图像，与此同时，CCD转移寄存器的MOS电容中的电荷，在1、2、脉冲电压的作用下，两个移位寄存器中的电荷包以奇、偶序号交替的方式逐个移位到输出机构中，恢复了摄像时的次序。由场效应管Q1、Q2构成的两个源极跟随器构成输出机构，将来自CCD移为寄存器携带图像信息的电荷包以电压的形式送到器件外，OS是输出电极。输出机构接有复位电极RS，接到Q1的栅极，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包尚未输出之前，RS上应出现复位脉冲，将前一个电荷包抽走，使Q1栅极复原，准备接收下一个电荷包。DOS为采样保持电路的控制端，当DOS加适当脉冲电压时，CCD输出信号得到

44、了采样保持，OS端输出连续信号，DOS加直流电压时，采样保持电路不起作用，OS端输出信号与光强成正比，通常均用此种情况2、 驱动脉冲及时序要求要使CCD器件正常工作，至少要在SH、1、2、RS电极上加四路脉冲电压。这四路脉冲的周期和时序要满足下图所示要求，图中U0为CCD输出信号。SH为电荷转移电极控制脉冲。SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，摄像区的MOS电容对光生电子进行积累；SH为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移位寄存器中，时间很短，所以SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。SH脉冲的周期称为积分时间。1、2为加在移位寄存器MOS电容上的脉冲，称为驱动频率。在S

45、H脉冲的一个周期里，两侧的移位寄存器在1、2驱动脉冲的作用下，把上一周期转移来的电荷包逐个依次输出到器件外。每当1或2高电平时就输出一个电荷包，按奇偶顺序移，1移奇数位，2移偶数位。因此，1、2的位相必须相反。关于电荷传输的原理请参见下一实验。驱动频率的大小要适当，因为电荷的传输是从一个势井依次传到下一势井，需要一定的时间，1、2的周期若小于这一时间，势井的电荷不能全部输出，则影响输出信号幅度和精度，太大会使噪声增大。SH和1、2必须满足：SH的周期等于或稍大于2160/2个1、2脉冲周期，小于时则电荷包不能全部输出，会影响下个周期输出信号的精确度；太大会影响器件的速率。RS脉冲为复位脉冲，其

46、频率为1、2脉冲频率的两倍。以上四个脉冲除频率要满足以上要求外，脉冲波形也有一定要求，尤其是SH、1、2脉冲之间的关系，当SH为高电平时，1必须同时为高电平，且1必须比SH提前上升，当SH为低电平时，1必须同时为低电平，且1必须比SH迟后下降。如下图所示：用模拟示波器是很难测出这些时间的。五、实验仪器简介1、TCD1200D线阵CCD图象传感器特性： 像敏单元数目：2160像元 像敏单元大小：14×14×14（相邻像元中心距14） 光敏区域： 采用高灵敏度PN结作为光敏单元 时钟： 二相（5V） 内部电路： 包含采样保持电路，输出预放大电路 封装形式： 22脚DIP封装 管

47、脚定义1时钟1OS信号输出2时钟2DOS补偿输出SH转移控制栅OD电源RS复位栅SS地NC空脚工作条件：特性符号最小值典型值最大值单位时钟脉冲电压高电平V4.555.5V低电平00.20.5转移脉冲电压高电平VSH4.555.5V低电平00.20.5复位脉冲电压高电平VRS4.555.5V低电平00.20.5电源电压VOD11.41213V时钟脉冲频率f0.10.51.0MHZ复位脉冲频率fRS0.21.02.0MHZ2、CCD原理及应用实验箱板面布置如下图仪器由六部分组成CCD驱动电路：产生CCD驱动所需的各种驱动脉冲；积分时间驱动频率测试电路：1）调整SH脉冲的周期，按“积分时间”，DSI

48、轮番显示0、1、2、3，对应不同的SH脉冲周期，0对应最小周期，3对应最大周期；2）调整时钟脉冲频率和复位脉冲频率，按“驱动频率”，DS2轮番显示0、1、2、3，对应不同的时钟频率，0对应最大频率，3对应最小频率。为保证SH脉冲的周期等于或稍大于2160/2个1、2脉冲周期，调整时钟脉冲频率时，SH脉冲的周期随之变化，而调整SH脉冲的周期时，时钟脉冲周期不变。信号处理电路：用硬件对CCD输出信号进行二值化处理，W1电位器可调整阈值电平。测试区：为转移脉冲SH、时钟脉冲1、2、复位脉冲RS、CCD输出U0、二值化处理后信号U1的输出引出端。USB数据采集电路：为CCD输出与计算机接口电路，目的是

49、通过软件对CCD输出信号进行二值化处理。光源与CCD暗箱：包含光源和CCD传感器，光源用实验箱上的012V电源驱动，光强度可调，CCD传感器用电缆接入实验箱上的“CCD”接口。六、实验步骤注意：使用多踪示波器检测信号时，示波器与CCD原理应用实验箱应共地。1、实验准备将仪器各部分连接好，打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，用“积分时间”按钮调整转移脉冲SH周期档为0档，用“驱动频率”按钮调整时钟脉冲频率为0档，观察积分时间显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按红色按钮依次由0®1®2®3®0），用频率设置按钮

50、调整频率为0档（按红色按钮依次由0®1®2®3®0）。然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查CCD驱动器的各路脉冲波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验；否则，应请指导教师进行检查。2、驱动时序和相位的测量（1） 用CH1探头测试转移脉冲SH，用CH1做触发信号，调节扫描速度和同步使之同步，使SH脉冲至少出现一个周期。（2） 用CH2探头测试1，调节示波器扫描速度展开HS，观察1和HS的时序和相位是否符合要求。（3） 用CH1探头测试1，用CH2分别测试2、RS，观察时序和相位是否符合要求。3、驱动频率的测量：分别测出各频

51、率挡1、2、RS的周期、频率、幅度，填入下表中。驱动频率项目12RS0档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）1档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）2档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）3档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）4、 积分时间的测量（1） 将频率设为0（档），用CH1观测SH脉冲周期，分别测出各积分时间档位的积分时间。填入下表中。（2）再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间。驱动频率0档驱动频率1档驱动频率2档驱动频率3档积分时间（档）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）00001111222233335、关机结束。关闭CCD原理