5光电子综合实验.doc

1、 目 录 光电子技术综合实验平台简介 1 实验一 光源的波长测试与 单色性测量实验 5 实验二 光照度与光辐射通量测量 7 实验三 He-Ne 激光器光强分布及光束发散角测量实验 11 实验四 半导体激光器 LD 特性参数的测量 14 实验五 光纤图象传输 实验 17 实验六 光电倍增管 PMT 实验 21 实验七 透射式光开关实验 28 实验 八 反射式光电开关实验 29 实验 九 红外光电报警实验 30 实验十 红外热释电探测器实验 31 实验十 一 PIN 光电探测原理与光功率测量实验 33 实验十二 CCD 原理及驱动实验 37 说明：实验一、三 需另配单色仪、 He Ne 激光器。

2、1 1、 光电子综合实验平台简介 一、 光电子综合实验平台主要包括三个部分： 1、光电子综合实验箱 :主要完成功能（ 1）电光变换为光源提供工作电压或电流；（ 2）光电变换或光电检测及光电信号的处理功能。 2、光学导轨及滑块 ：导轨 主要用于光学对准、光束准直； 导轨上的滑块 ：用于调整光源及光束的位置； 3、配套的附件： 如光源、光探测器等 二、实验箱配置的模块 ： 恒流、电压测量模块： 该模块 提供实验箱所需的 （ 1） 可调恒流源 ，其输出电流范围：0-100mA， 从 恒流源 +和 -两个输出端子输出，调节“电流调节旋纽”可改变其输出电流大小。（ 2） 数显电压 ，其量程为 2000V

3、，主要用于 测量 光电倍增 PMT 的工作电压。 数显电流模块： 该模块 提供实验箱所需的 微电流计 。微电流计分为两个量程 20 A 和2 A， 电 流从 TP1、 TP2两个端子输入。可 用于 PMT 的暗电流测试，最 大测试电流 20 A。 32131 11 11 2006354KA KA1103 2 111012311A KA K4 5360 0211111 2 光功率模块： 该模块 提供 （ 1）高性能的 PIN（图中 U405）光检测器一只， 完成光电变换、 其光谱响应范围为 800-1600nm，位于不可见的红外波段， 其功能是将光功率转换为电流输出。（ 2） 4 个数码显示管及

4、配套的 AD 转换电路，可以显示从输入测试点 INPUT 输入的电压信号。（ 3） I-V 转换电路，弱光信号经 PIN 光检测器输出的电流 通过 I-V转换电路，变成电压，同时放大后输出。 该模块可用于学生自行设计如：简易光功率计的设计等，由于 PIN 输出的很微弱的电流信号，模块中已经将电流信号进行了放大，并转成了电压信号从测试点 TP1 输出。测试点INPUT 为数字显示的模拟输入端口， 只要将待测量送入该端口，数码管就显示出 测试量的大小。模块中自动 将模拟量 进行 AD 转换， 并 经过驱动电路 送数码管 显示 。 光发送与接受模块 ： 完成光源 半导体 LED 特性实验、 P-I

5、特性及调制实验；如配有摄像头和监视器可进行图像光纤传输实验。 212 36418 5781054 79314613 12 112140363433312928 39382524232220 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 32621 353230 3722712 1 33 1 232 1110 9 7 64283 51019 7 64283 55471019 62835648310 9 7213 1 21100654322 31KA A K111111103213211 2 3101 3 2 1 3 21 3 21 3 22311 32213

6、12 32 3121343215600654321K AKA KA12121 3 221 331 21 2321 31 321 2 311111111176534 128314121213119568710464 13 25 7 81854 36273 625471 8814 537260 3 该模块可用于学生自行设计：图像电视信号的光纤传输设计等，配有模拟光发送机和模拟光接收机。只需配一个摄像头和一个监视器就行。 光电报警模块 ： 提供给学生自主实验，通过连线可完成 红外 传感、光电 报警 等实验。 该 模块提供（ 1） 宽度可调的窄脉冲发生器 ，用于光源调制产生窄脉冲光，宽度调节可通过连线

7、选择不同的电阻和电容来实现，其 实现电路为图中 555 及外围电路。（ 2） 组合实验电路 有 ： 光发送电路和光接收电路，音频功率放大器 （通过调节 RP2 改变增益） ，反向放大器（通过调节 RP1 改变 增益），同向跟随器， 音乐产生电路 。学生可根据理论知识灵活连接电路器件完成实验。 光电开关模块 ： 该模块 完成 反射式与透射式光电开关原理实验； 自锁开关 K0 是 透射式 和反射式选择开关，按下选择 透 射式工作，抬起选择 反 射式 工作 ；K1 是将透射式和反射式 信号送入下级，按下状态 送投射式信号 ，抬起 状态送反射式信号 ；0 123111111111 1111111111

8、11111111111111111213 45 62 4 61 3 50 000006543 2 112000000000000000000000000000000000001321132 456123111KAA K521400632 3 113237 5184267 61 2 3548KA132 4563165422531463 1 21123032 103210 4 K2 是喇叭静音选择， 按下为给扬声器或喇叭加电， 喇叭发声， 抬起切断喇叭 ， 电源 喇叭无声 。 CCD 驱动模块： 该模块完成 CCD驱动原理、积分信号、转移脉冲、光电变换实验 。 该模块可用于学生自行设计如： CCD

9、 信号的数据与处理采集，模块中已配有 12 位高精度的AD 转换芯片、 CPU 主控系统和标准的串口。 上面的 RS232 接口为信号接口，用于给 CCD 加电及产生工作时序 SH（积分脉冲）、 RS（复位脉冲）、 F1（正向转移脉冲）、 F2（反向转移脉冲）。下面的串行 RS232 接口为 CCD 输出的电信号送 PC 处理 ，通过配套软 件测量 并显示。 1 2 74 123 5 62913839 38 37 36 35 34 33 32 2122232425262010 1130179314016 19182814 15271 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

10、15161718192021222324252627283 12 111 111132 112212121212121212153 912 1047864 3 2 187653216421 3 51 2 3 4 5 6 7 8910111213141516113 123 21321214231009517846324581276930013 2A KKA1425360 011121 3113 9514 12 11 10 876432132 11111 113124 5 实验一 光源 波长测量与 单色性测量实验 一、实验目的 1、熟习光电系统工程中的常见光源； 2、掌握几种主要的光源的特性：如宽

11、谱光源卤钨灯、单色性好的 He-Ne 激光器，体积小的半导体发光二极管 LED、光纤通信中广泛采用的 LD 激光光源； 3、掌握光源的单色性的测量及光谱特性测量。 二、基本原理 光源可分为二大类：自然光源和人工光源，自然光源如太阳光、星体发光；人工光源是人为将各种形式的能量如电能、化学能等转化为光能的器件，其中最重要的是将电能转化为光能 的器件称为电光源。 电光源是光电系统工程中最常见的光源，按发光基理分为：热辐射光源如白炽灯、卤钨灯等；气体光源如荧光灯、钠灯、汞灯等；固体发光光源如发光二极管等；激光源如气体激光器 He-Ne、固体激光器 YAG、染料激光器和半导体激光器 LD等。 光源的特性

12、包括： 1、单色性：光源发出的光有可见光和不可见光（人眼看不见），可见光有红光（ R）、绿光（ G）、蓝色（ B）等，即使单一的红光还可分为大红、粉红、玖瑰红等，这主要是红光在电磁波谱中有一定频谱宽度即频率（或波长）范围。所谓光源的单色性是指光源发出光的频谱宽度， 单色性越好其频谱宽度越窄，发出光的色彩越纯。如激光源的单色性比日光灯要好。光源发出的光通常是复合光，这可以通过滤光片、分光三棱镜、单色仪等进行分色、测量。 2、发光效率：在给定波长范围内辐射出来的光功率与所消耗的电功率之比。 3、 光谱功率分布：光源发出的光大都不是单色光（单一波长或频率）而是由单色光组成的复色光。光谱功率描述了光源

13、在不同的波长上有不同的辐射光功率，即光功率随波长变化的关系曲线。 光源的光谱功率分布通常有四种情况。 1、线状光谱， 2、带状光谱， 3、连续光谱， 4、混合光谱，如图 1 所示。 4、空间光强分布：光源的发光强度在空间不同的方向是不一样，如白炽灯其发光强度在 360（ a）线状 P（ ） （ b）带状 P（ ） （ c）连续 P（ ） （ d）混合 P（ ） 图 1 四种典型的光谱功率分布 6 度范围内中可认为相同，日光灯与白炽灯就不同，在 0-180 度可认为相同。 三、实验装置与仪器 1、光学导轨及配件 2、单色仪 3、光源 （ 半导体红光激光器一只， 半导体 LED 红、兰、绿等） 4

14、、光功率计 或光照度计 5、光电子综合实验箱 或光综合测试仪 四、实验步骤 1、 调整光学导轨及各滑块。 2、 按图 2调整好光源和单色仪的位置，光源套筒的出光孔、单色仪的入光孔和出光孔在同一水平线，即同轴等高。 3、 给光 源提供工作电源，一种方法是使用光电综合实验箱的恒流输出功能，只须将光源套筒的输出线连接到恒流输出端子“ +”和“ -”；另一种方法使用光综合仪的恒流 源 功能（具体调节参见光综测仪的说明） 。 注：应调节电流使光足够强，光斑明亮。 4、 首先采用半导体红色激光源， 调整单色仪的位置，使其入光孔对准光源 ，观察单色仪的出光孔 。 5、 调节单色仪的读数轮， 当有红光输出时

15、可以读出相应的 转轮的数值，其大小即为相应的光源的 波长值。 6、 将光 功率计或光照度计 探头对准输出孔，测相应的输出功率。 7、 换上发红光的半导体高亮 LED、绿光 LED 和兰光的 LED重复 上述实验。 8、 如 配有低压钠灯右汞灯可测出它们的光谱线。 五、实验要求 1、 熟习 单元色 仪 的 正确操作。 2、掌握 光功率计与光照度计的使用 。 3、试比较 各光源的波长 。 升降杆 升降杆调节旋钮 位移调节旋钮 升降杆座 导轨支撑柱 光学导轨 图 2 光源波长测量实验 光源管座 单色仪 信号线 旋钮 入光孔 出光孔 7 实验二 光照度与光辐射通量测量 一、实验目的 1、掌握“辐射度学

16、”和“光度学”在描述光源辐射时的异同； 2、掌握积分球在光度学中的重要作用； 3、理解光照度这一重要物理量，掌握光照度的测量； 4、理解光通量的含义及 LED 光通量的测量方法； 二、基本工作原理 在光的测量过程中，有辐射量测量法和测光度学测量法两种不同的方法，这两种方法使用着各 自不同的专业术语。辐射测量法是对光谱内的所有波长都进行测量的一种方法，被测量的光包括紫外线、可见光、红外线。光量测量法（即光度学测量法）的测量范围则仅限于可见光的波长范围，即 380 750nm。 为了将光的物理辐射量，转换成与人眼所感觉到的明暗程度相对应的测光量，不得不引入相对可见度因数 V （ relative

17、visibility factor）的概念。相对可见度因数如图 1所示，它表示的是普通人眼睛的分光灵敏度特性。因此，测光量可以说是掺杂了人们明暗感觉的心理学物理量。 辐射通量 P 是单位时间内透 过的辐射能量。辐射通量 P 与光通量 （单位时间内透过的光通量）之间具的如下关系： =680 P V d (lm) （积分限 ： 380-780nm） 式中， P 为分光辐射通理，单位是 W/ ； 为波长，单位是 m。 由上关系式可知， 550nm波长光的能量为 1W 时，就相当于 680lm。表 1 汇总了辐射量与测光量的对应关系 ,可供查阅。 V （暗处视感度） V （亮处视感度） 300 400

18、 500 600 700 800 （光）照度与（光）亮度的区别在于，光照度表示从某个面向所有方向射出了多少光，而（光）紫外线 紫 蓝 绿 黄 橙 红 近红外线 0 0.2 0.40.2 0.60.4 0.2 0.2 0.80.2 1.00.2 相对可见度因数光线暗（ 0.3lx 以下）时取 V 普通照度（ 5lx 以上）时取 V 波长 /nm 图 1 人眼的标准相对可见度因数曲线 8 亮度则表示从某个面向特定方向射出了多少光。人们在看东西时会有明暗之感，与之相对应的物理量是（光）亮度。某个光的光通量与辐射通量之比叫做发光效率，单位是 1m/W。最大发光效率是在 555nm 单色光时的 680

19、m/W。 光通量的测试有两种方法，即积分球法和变角光度计法。变角光度计法是测试光通量最精确的方 法，但是由于其耗时较长，所以一般采用积分球法测试光通量。现有的积分球法测光通量中有两种测试结构，一种是将被测放置在球心，另外一种是将其放在球壁。 辐射量 符号 单位 测光量 符号 单位 辐射能（以电磁波的形式传播的能量） Qe J， W s 光量 Q lm s 辐射功率（也叫做辐射通量，单位时间辐射的能量） e W 光通量 lm(lm) 辐射发散度（单位面积辐射功率） Me W/m2 光束发散度 M Lm/ m2 =rlx （辐射勒克斯） 辐射强度（向某特定方向的单位立体角辐射的功率） Ie W/

20、sr2 (球面角度 ) 发光强度 I Cd(坎德拉 ) Lm/sr 辐射亮度（在与某特定方向垂直的表面上，离开、穿透或者到达单位面积的辐射强度） Le W/(sr m2 ) （光）亮度 L Cd/ m2 还有 一个叫做nit(尼特 )的单位，现在已经不使用 1 cd/ m2 =lnit 辐射照度（单位面积上入射的辐射功率） Ee W/m2 （光）照度 E Lx(勒克斯 ) 也可用 lm/ m2 ,但为避免与光束发散度单位相同而用 lx 注 1：这里所说的单位面积，是指与某个特定方向（一般为观察者方向）垂直的表面上，实际投影面的单位面积。 注 2：所谓 lsr 是指从半径为 1m的球的中心，向球

21、的表面 1 m2的面积上望去所张开的立体角。 表 1：辐射量与测光量的对应关系 9 图 2 积分球法测 LED光通量 由于采用积分球法测试光通量时，光源对光的自吸收会对测试结果造成影响。因此，往往需要引入辅助灯（见图）。 图 3 辅助灯法消除自吸收影响 在测得光通量之后，配合电参数测试仪可以测得的发光效率。而辐射通量和辐射效率的测试方法类似于光通量和发光效率的测试。 光源 S在球壁上任意一点 B 上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可得，球面上任意一点 B的光照度 E 为： 上 式中， E1 为光源 S直接照在 B 点上的光照度， E1 的大小不仅与 B 点的位置有关，也与光源在球内的位置有关。如果在光源 S 和 B 点间放一挡屏 （如图（一）所示） ，挡去直接射向 B 点的光，则 E1=0，因而在 B点的光照度为：