光电器件与检测实验讲义

1、实验一 面阵CCD尺寸测量实验目前，CCD已经在各个高科技领域得以迅速应用。CCD全称为电荷藕合器件，CCD本身有自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、便于计算机处理、易于和自动控制设备连接等一系列优点。由于CCD具有非接触性测量、分辨率高等方面的特点，因此CCD器件在物体外型测量、表面检测、图像传真、智能传感等方面得到了广泛的应用。另外，CCD测量速度快，所以不仅可用于静态测量，还可用于动态在线检测或识别零件，因此CCD技术在高精度的在线检测系统中应用也越来越多。在我国，从80年代中期便开始逐渐应用CCD检测技术，并已部分运用到了各种自动化检测领域。现代加工技术发展迅速，自动化程度、加工精度

2、不断提高，相应的对检测设备也提出了新的要求，如高精度，自动化，在线检测等等，新技术，新工艺，新项目对大直径尺寸高精度测量技术提出了越来越高的要求。因此，利用CCD进行物体几何尺寸的精密测量在检测技术中是一个应用十分普遍且有实际应用价值的问题。本实验采用面阵CCD摄像头与图像数据采集系统测量实际物体外形尺寸。在尺寸测量应用中存在着许多实际问题。如何将这些实际问题分解成一个个的分立问题是学习和掌握该方法的关键。【实验目的】了解面阵CCD的基本工作原理； 通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量的基本方法； 通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵CCD进行尺寸测量

3、，掌握测量范围、精度和测量时间等问题。【实验仪器】 带有USB2.0输入端口的计算机（或GDS-光电综合实验平台），推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024´768分辨率，24或32位真彩显示； YHACCD型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。 印有矩形、圆、三角形等典型几何图形的待测量图片纸板。【实验原理】测量时，被测物通过光学系统成像于CCD像敏面上，从而可得到被测物的图像。由于被测物体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中包含有被测物体的尺寸信号。本实验通过计算机软件检取被测物体的外径尺寸，具体方法将在文章后面给出。根据CCD的输出波形，可以

4、得到物体在像方的尺寸D，再根据成像物镜的物象关系，在得到物体像的尺寸后，找出成像物镜的光学放大倍率，便可以利用下面的公式计算出物体A的实际尺寸D (1-1)显然，只要得到物体在CCD上的像方尺寸大小D，便可以求出物体的实际尺寸D。【实验步骤及内容】1. 开机过程 将被测的标准图片如图1-1所示，安装在“被测物夹持架”上，将USB接口线正确连接到计算机上；图1-1 点、线、面的测量图片 打开计算机的电源开关，并确认YHACCD型彩色面阵CCD实验仪的“面阵CCD尺寸测量实验”软件是否已经安装。若未安装，则先将软件安装在计算机的指定位置上； 将外置面阵CCD摄像机的镜头盖打开； 打开YHACCD彩

5、色面阵CCD多功能实验仪的电源开关； 确认视频切换按钮（开关）是否已经按下，切换指示灯点亮表明采集外置CCD摄像机的图像信号； 运行“面阵CCD尺寸测量实验”程序； 点击 “连续采集”按钮，计算机界面将显示外置摄像头所采集到的图像，调整CCD摄像头与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清晰，点击“停止”按钮。或者，点击“单帧”按钮，采集到一幅数据图像，并将其存入指定内存。2. 关于点数据的测量图1-2 查看图像数据操作图图1-3 水平曲线图767575 点击如图1-2所示操作菜单栏中的“查看”选项，选择要查看的数据项，例如点击“显示一行数据（R）”，计算机软件将图像数据用文本文件的方式打开

6、。观测其中一行的数据，从图1-4 垂直曲线图一行的数据中可以观测到图像在水平方向的边界灰度变化情况。同理通过坐标和数值能找到图形的边界在x，y方向的变化，然后保存并关闭文本文件； 完成的测量工作后，就基本掌握了通过数字图像的像元值数据找出图像中图形边界的方法和原理。通过软件所提供的标定图像中任意一行（或列）数据边界的测量功能来确定边界点。例如，在采集到的图像上把鼠标移至某一行上点击左键，软件会弹出一个对话框，对话框中的曲线图表示了水平方向上各像元灰度的变化状况，如图1-3所示。图中的横坐标是水平方向上的像元位置，纵坐标是各像元灰度值。在曲线图上选择适当的灰度值（纵坐标）点击鼠标左键即得到测量阈

7、值（图中的“172”），同时得到在此阈值（即纵坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值水平方向交点“149”、“159”，“540”、“550”）。也可以在采集到的图像上把鼠标移至某一列上点击右键，软件会弹出垂直方向上灰度变化曲线图，如图1-4所示。图中横坐标是各像元灰度值，纵坐标是垂直方向上的像元位置。在曲线图上选择适当的灰度值（横坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“209”），同时得到在此阈值（即横坐标坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值垂直方向交点“85”、“96”，“482”、“493”）。除了通过阈值法确定图形边界，还可以通过计算边界点附近的灰度变化率来确定边界，灰度变化最快的

8、像元位置即为边界点坐标。 找出x方向与y方向的最大与最小位置值，可以计算出被测点的大小与中心位置 （1-1）点的直径为 （1-2）点的中心坐标为 （1-3）式中x0, y0分别为面阵CCD的像敏单元在水平（x）与垂直（y）方向尺寸；为光学系统的横向放大倍率。通常将x0/与y0/一起通过标定的方式进行校正。3. x0/与y0/的标定x0/与y0/标定的方法很多，这里我们提供一种简单的标定方法。在被测物面处，放置标准尺寸物或标尺，读出标尺图像的相关尺寸数据便可进行标定。设标准尺寸物或标尺的实际尺寸为l0，读出数据为N0，则测出的N值的长度当量（x0/或y0/）为 （1-4）显然，若光学系统存在畸变

9、，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。4. 关于圆数据的测量圆的测量与点的测量十分相似，差别在于圆的边界和点的边界有所不同，有黑环，测量时要注意测内圆直径还是外圆直径。计算公式完全相同。5. 关于三角形数据的测量打开文本数据图像，观测数据，从数据的坐标和数值上找到测试点的边界x, y坐标；可以找到三角形三个顶点的坐标xa,ya， xb,yb， xc,yc坐标值，根据三点坐标值和标定好的x0/与y0/值便可计算出三角形的各边长、三角形的重心、中心和面积。6. 关于矩形数据的测量矩形数据的测量需要从数据文件中找出四个点的坐标值，找点方法与上述相同，都可从文本数据中找到。7关

10、机与结束 需要保存的数据及文件保存到 “软盘”、“闪存”或“优盘”中，以免关机时丢掉； 退出实验软件，将计算机关掉； 关掉实验仪的电源； 盖好镜头盖； 将被测图片，其他工具放回原处。【数据记录与处理】1. 测定x0/、y0/值实际尺寸l0读出数据N0(x)x0/值读出数据N0(y)y0/值2. 关于点数据的测量xmaxxdxminyymaxxiyminyi3. 关于三角形数据的测量a点xmax(a)x(a)d(a)xmin(a)y(a)ymax(a)xaymin(a)yab点xmax(b)x(b)d(b)xmin(b)y(b)ymax(b)xbymin(b)ybc点xmax(c)x(c)d(c

11、)xmin(c)y(c)ymax(c)xcymin(c)xc三角形的边长：AB= BC= AC= 三角形的重心G：xG= yG=三角形的中心M：xM= yM=三角形的面积S：S=4. 关于矩形数据的测量a点xmax(a)x(a)d(a)xmin(a)y(a)ymax(a)xaymin(a)yab点xmax(b)x(b)d(b)xmin(b)y(b)ymax(b)xbymin(b)ybc点xmax(c)x(c)d(c)xmin(c)y(c)ymax(c)xcymin(c)xcd点xmax(d)x(d)d(d)xmin(d)y(d)ymax(d)xdymin(d)xd矩形的边长：AB= BC= C

12、D= AD=矩形的面积：S=【思考与练习】 写出实验总结报告，理解面阵CCD尺寸测量的原理。 你能设计出用外置摄像机测量圆柱物体（如铅笔芯）外径的方案吗？实验二 面阵CCD用于颜色识别利用彩色面阵CCD可以将复杂的色彩图像分解为三原色单色图像，利用分解的单色图像进行颜色信息的识别。例如，若想从红小豆堆里分辨出如绿豆、黑豆、花小豆、砂石等杂质，可以将被测小豆经彩色面阵CCD摄取并采集的彩色图像分解成R、G、B三幅单色图像，用计算机软件分析这3幅单色图像的输出幅度，若G、B图像的输出幅度超过某阈值，则表明其为杂质。可以用电磁气阀将其吹出，实现除去杂质的目的。在彩色印刷过程中常采用顺序印刷单色图像的

13、方法，在印每种颜色时都要检测其质量。因此，用彩色面阵CCD进行彩色图像分解出的单色图像进行色品分析是保证彩色印刷质量的关键。将三原色单色图像合成为一幅图像，该幅图像为真彩色图像。若对一色、二色或三色单色图像进行对比度、白电平等参数的调整，结果会使合成的彩色图像的颜色、饱和度、色度等色品参数发生变化，即彩色图像被处理。通过彩色图像的处理能提高原图像的质量。【实验目的】学习利用彩色面阵CCD进行彩色图像的分解与合成，用此种方法对颜色信息进行识别和图像处理是本节实验的主要目的。通过实验也能对R、G、B色品坐标与三基色色彩方程有进一步的认识。【实验仪器】带有USB2.0输入端口的计算机（或GDS-电综

14、合实验平台），推荐使用WIN2000以上操作系统，使用1024´768分辨率，24或32位真彩显示； YHACCD型彩色面阵CCD多功能实验仪一台。【实验准备】 学习图像传感器应用技术第七章CCD彩色摄像机概述，尤其应掌握单管面阵CCD彩色摄像机的原理及各种滤色片的结构； 学习基本的色度学基础（参考“电视原理及其应用技术”、“光电图像处理”或“电视摄像机与视频处理”等相关教材）掌握“彩色三要素”、“三基色原理”、“混色原理”、“颜色的度量和表示”、“CIE标准色度学系统”等基础知识； 学习图像传感器应用技术的第九章“视频信号处理与计算机数据采集”，掌握各种彩色图像数据采集系统（卡）的

15、原理及其应用； 学习R、G、B色彩系统显示原理。对于彩色图像，它的显示来源于R、G、B三原色亮度的组合。针对目标的单色亮度、对比度，可以人为的分为“0255”，共256个亮度等级。“0”级表示不含有此单色，“255”级表示最高的亮度，或此像元中此色的含量为100%。根据R、G、B的不同组合，就能表示出256´256´256（约1600万）种颜色。当一幅图像中的每个像素单元被赋予不同的R、G、B值，就能显示出五彩缤纷的颜色，形成彩色图像。【实验内容】 利用彩色面阵CCD摄像机进行彩色图像分解； 利用分解出的单色彩色图像进行颜色信息的分辨； 利用彩色面阵CCD摄像机与计算机图像

16、数字采集系统进行简单的彩色图像处理。【实验步骤】1）基本彩色图像的分解 用USB连接线将YHACCD彩色面阵CCD多功能实验仪与计算机的USB2.0连接起来； 打开计算机的电源开关，确定“面阵CCD颜色识别实验”程序是否已经安装；若未安装，请按厂家提供的安装盘安装。若已安装，可进行下面的操作； 检查面阵CCD摄像机的电源线与视频线是否与实验仪连接好。再打开实验仪的电源开关；图2-1 彩色样图 确认视频切换按钮是否已经按下，切换指示灯点亮，说明已经将外置面阵CCD摄像机的视频信号接入视频信号数据采集系统； 将仪器提供的彩色样品图2-1安装在“被测物夹持架”上，调整物像关系，使图像尽量清晰； 运行

17、“面阵CCD颜色识别实验”程序，点击如图2-2所示“实时采集”按钮，进行图像采集； 把鼠标移到所采集的图像上，观测鼠标指示位置像素点的R、G、B等级数（见图2-4所显示的值）；图2-2 实时采集按钮图2-3停止实时采集按钮图2-5图像颜色通道选取图2-4 像元灰度值信息10010014314200 在颜色选取框（图2-5）中选择任意单色通道，例如红色通道，关闭其余通道。此时实时采集图像为红色单色图像。点击如图2-3所示的“停止采集”按钮，完成一帧图像的数据采集。将采集到的红色单色图像数据保存成文本文件。然后点击“实时采集”按钮，并重新采集其他单色图像，观察这些图像的数据变化，并将采集的单色图像

18、保存起来。2）用单色彩色图像分离杂质 按上面的步骤和方法采集需要挑选的红豆图像，再分别采集三种单色图像，并将其分别存入3个文本文件中； 打开三种单色图像文件，分析各单色图像的特点，从单色图像中找到需要分离出来的信息处在什么坐标位置（绿豆、黑豆、花豆等杂质的位置）。3）彩色图像简单处理方法 按上面的步骤和方法采集一幅彩色图像，再分别采集并存储三种单色图像，点击“查看”菜单的显示数据选项，如图2-6所示,并将其分别存入3个文本文件中； 在采集软件中利用“颜色平衡”功能对任意三路颜色的图像数据进行调整和修正如图2-7所示。将调整后的图像数据保存在文本文件中；图 2-7图像颜色平衡调整 将原图与修正后

19、的图像进行比较，看其差别，说明这种处理带来的好处。图2-6查看图像数据操作红 绿 蓝 4）结束与关机需要保存的数据及文件保存到 “软盘”或“闪存”中，以免关机时丢掉； 退出实验软件和其他执行软件，将计算机关掉； 关掉实验仪的电源； 盖好镜头盖； 将被测图片放回原处，将其他工具放回原处。实验三 利用线阵CCD进行物体外形尺寸的测量【实验目的】通过本实验掌握利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法，用实例探讨影响测量范围、测量精度的主要因素，为今后设计提供重要依据。【实验原理】1. 利用线阵 CCD 进行非接触测量物体尺寸的基本原理线阵 CCD 的输出信号包含了CCD 各个像元所接

20、收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图 3-1 所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A 置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。当被均匀照明的被测物体A 通过成像物镜成像到CCD 的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3-1 右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以测得物体A

21、 在像方的尺寸D ，再根据成像物镜的物像关系，找出光学成像系统的放大倍率，便可以用下面公式计算出物体A 的实际尺寸DD = D/ （3-1）显然，只要求出D，就不难测出物体A 的实际尺寸D。线阵CCD 的输出信号UO 随光强的变化关系为线形的，因此，可用UO 模拟光强分布。采用二值化处理方法将物体边界信息（图 3-1 中的N1 与N2）检测出来是简单快捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。2. 二值化处理方法图3-2 所示为典型CCD 输出信号与二值化处理的时序图。图中FC 信号为行同步脉冲，FC 的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG 为

22、绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。为了提取图3-2 所示UG 的信号所表征的边缘信息，采用如图3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。该电路中，电压比较器LM393 的正输入端接CCD 的输出信号UG，而反相输入端接到由电位器R2 的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的信号波形被定义为TH，它为方波脉冲。再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1 和N2。N1 与N2 的差值即为被测物体在CCD 像面上所成图像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸D 为D = (N2 N1)L0 （3-2

23、）式中，N1 与N2 为边界位置的像元序号，L0 为CCD 像敏单元的尺寸。因此，物体的外径D 应为D = (N2 N1) L0/ （3-3）3. 二值化处理电路原理方框图二值化处理原理图如图3-4 所示，若与门的输入脉冲CRt 为CCD 驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2N1），锁存器锁存的数为（N2N1），将其差值送入（N2N1）LED 数码显示器，则显示出（N2N1）值。同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图3-1 中物体A 在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A 的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。【实验仪器】1、LC

24、CDAD-型线阵CCD 应用开发实验仪一台；2、装有 VC+软件及相关实验软件的PC 计算机或GDS-型光电综合实验平台一台；【实验内容与步骤】1实验内容（1） 建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构；（2） 观测二值化处理过程中CCD 的输出信号；（3） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对测量值的影响；（4） 进行光学系统放大倍率的标定；（5） 进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；（6） 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的主要因素。2实验步骤（一）、实验准备(1) 将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插

25、入交流220V 插座上；(2) 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪的测试台像如图3-5 所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图3-5 所示的安装位置上；(3) 打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹出如图3-6 所示的测量实验软件界面；图3-6 所示界面中“打开”菜单为打开原来保存的数据进行察看而设，“保存” 菜单为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。点击“连续”菜单，便执行连续采集CCD的输出信号；“单次”是只采集一行信号便显示在界面上；“数据”与“曲线”菜单分别是以数据还是以曲线波形方式显示所采得的数据信号；“0ms”为

26、曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，但是它不可能为“零”，它与计算机的特性有关。点击菜单上的下拉箭头可以选择更长的显示时间。“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过下拉箭头进行选择。（二）、标定光学成像系统放大倍率（1） 将直径为5mm 的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验” 软件，弹出如图3-6 所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；（2） 在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件”外径尺寸信息的波形如图3-7 所示；（3） 在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度，但是，一定不要使CCD 工作到饱和状态；（4

27、） 调整物镜的焦距使如图3-7 所示输出信号曲线的斜率尽量陡；（5） 停止采集后，进入到如图3-8 所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面，并按界面底部用文字提示的步骤进行操作；（6） 先选定阈值方式设定，如图3-8 所示选定阈值数为“128”，再设置积分时间为合适值，如图3-8 中设定了积分时间为“6”档，驱动频率选为“0”档；观察曲线达到满意程度后，再执行“下一步”，按界面下方的提示进行操作，观察测出的数据；（7） 在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入到如图3-9 所示的 “已知值”中，再执行“下一步”，便计算出光学系统的放大倍率并显示在界面上；再点击“下

28、一步”，出现如图3-10 所示的界面，点击“完成”，便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；（8） 也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵CCD 所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”，将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的N1 与N2 值填入表3-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入公式（3-1），便可以获得光学系统的横向放大倍率。式中D 为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，

29、这里取7次。（三）、非接触测量物体的外形尺寸（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件，盖上盖。连续记下10 组数据，填入表3-2，计算出被测件的实际尺寸。改变积分实间和二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结果的影响，为此先调出二值化实验软件。（2） 将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径D。（3） 再调整阈值至127，测量一组数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。（4） 若调整阈值调至150，再测量一组数据，计算出被测杆件的直径，观察

30、阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。（5） 改变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD 输出信号波形的变化，同时纪录测量值的变化。（6） 当线阵CCD 开始出现饱和状态后，再观测被测物尺寸的变化情况，进入深度饱和后测量结果有何变化？3结束与关机上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。（1） 将软件程序退出，再关闭计算机系统；（2） 关闭实验仪的电源；（3） 将总电源关闭；（4） 将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；（5） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。【实验总结】1、写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。2、固

31、定阈值二值化测量方法有什么优点？其缺点又是什么？为什么在野外测量时一定要采用浮动阈值二值化测量方法？3、积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD 脱离饱和区？4、如果线阵 CCD 的工作已经进入饱和工作状态，试问上述实验测得的结果会如何变化？实验四 光电倍增管工作原理与微弱光信号探测【实验目的】1、熟悉光电倍增管的基本构成和工作原理，掌握光电倍增管参数的测量方法；2、学习光电倍增管输出信号的检测和变换处理方法。【实验原理】1光电倍增管结构及工作原理图1光电倍增管是一种真空管，它由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。如图

32、1所示。（1）光窗光窗分端窗型（Head-on）和侧窗型（Side-on）两种。本实验系统采用的侧窗型光电倍增管，在分光光度计和光度测定方面有广泛的使用。（2）光电阴极光电倍增管的阴极一般是具有低逸出功的碱金属材料形成的光电发射面。一般分为半透明光电面（入射光和光电子运动同一方向）和不透明光电面（入射光的方向与光电子运动方向相反）。光电阴极的材料多用低溢出功的碱金属为主的半导体化合物。这种特定的材料溢出功很低，当透过光窗的入射光光波长小于该材料的长波限0，并且光子能量大于该材料的溢出功时，入射光子就和阴极材料当中的电子相互作用，使电子从阴极飞出，这种现象称为外光电效应。由此可知，入射光越强激发

33、出的光电子数量就越多。（3）电子倍增系统为使光电倍增管正常工作，光电倍增管中阴极（K）和阳极（A）之间分布有多个电子倍增极Dn。如图2所示，在管外的阴极（K）和各个倍增极及阳极（A）引脚之间串联多个电阻Rn,由Rn形成的分压电阻使各个倍增极相对阴极而言加上了逐步升高的正电压，要在阴极（K）和阳极（A）之间加上0至负1200V左右的高电压，目的是吸引并加速从阴极飞出的光电子，并使他们飞向阳极。图2图2中回路电流Ib是流过分压器回路的电流，被叫做分压器电流，它和后面叙述的输出线性有很大的关系。Ib可近似用工作电压V除以分压电阻之和的值来表示。光电倍增管的输出电流主要是来自于最后几级，为了在探测脉冲

34、光时，不使阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化，常在最后几级的分压电阻上并联电容。图中和电阻并联的电容Cn-3、Cn-2、Cn-1、Cn就是因此而设计的。本实验系统使用的电子倍增系统为环形聚焦型（如图1）。由光阴极发射出来的光电子被第一倍增极电压加速撞击到第一倍增极，以致发生二次电子发射，产生多于入射光电子数目的电子流。这些二次电子发射的电子流又被下一个倍增极电压加速撞击到下一个倍增极，结果产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，光电子经过从第1极到最多19极的倍增电极系统，可获得10倍到108倍的电流倍增之后到达阳极。这时可以观测到，光电倍增管的

35、阴极产生的很小的光电子电流，已经被放大成较大的阳极输出电流。通常在阳极回路要接入测量阳极电流的仪表，为了安全起见，一般使阳极通过RL接地，阴极接负高压。总之，当入射光经过下述过程后，光电倍增管才能输出电流。（1）入射光透过玻璃光窗；（2）激励光电阴极的电子向真空中放出光电子（外光电效应）；（3）光电子经聚焦极汇集到第一倍增极上，进行二次电子倍增后，相继经各倍增极发射二次电子；（4）由末级倍增极发射的二次电子经阳极输出。2光电倍增管的主要参量与特性（1）光谱响应光电倍增管的阴极将入射光的能量转换为光电子。其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响

36、应特性。图3给出了双碱光电倍增管的典型光谱响应曲线。光谱响应特性的长波端取决于光阴极材料，短波端则取决于入射窗材料。对应于该光谱响应曲线，本实验系统采用LED发光二极管做光源。根据不同型号的光电倍增管的光谱响应特性，其中长波端的截止波长，对于双碱阴极和Ag-O-Cs阴极的光电倍增管定义为其灵敏度降至峰值灵敏度的1%点，多碱阴极则定义为峰值灵敏度的0.1%。对于每一支光电倍增管来讲，真实的数据可能会略有差异。（2）灵敏度图3由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密测试系统和很长的时间，且提供每一支光电倍增管的光谱响应特性不现实，所以一般用光照灵敏度来评价光电倍增管的灵敏度。阳极光照灵敏度表示的是

37、对光电面上入射一定光束时，阳极输出电流的大小。即对应于1流明光的输出电流称之为光照灵敏度，用SA表示；单位为A/LM（安培/流明）。光照灵敏度有表示阴极特性的阴极灵敏度和表示光电倍增管整体特性阳极灵敏度两种。本测试仪系统如图4所示那样，光源用标定的蓝色发光LED管，并且加上减光片装置（有时在光源和光电倍增管之间使用视觉灵敏度补正滤光片，但是通常不用），电流计接在阳极回路，给各电极加上典型的电压分配，以使光通量保持在10-1010-5流明。如果测量SA越大，表明光电倍增管探测微弱光信号本领越强。图4（3）光电特性光电倍增管的阳极输出电流与入射于光电阴极的光通量之间的函数关系，称为倍增管的光电特性

38、。一般光电倍增管的光电特性曲线线性（直线性）是很好的。也就是说具有宽的动态范围。但是在接收较强的光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其主要原因是阳极的线性特性影响。具有透过型的光电阴极的光电倍增管，工作在低电压、大电流场合，也可能出现阴极线性特性的影响。阴极、阳极两者的线性特性在工作电压一定时，与入射光波长无关，而取决于电流值大小。因此对于模拟量测量，必须选取能保证阳极电流与光照在大范围内保持线性关系的那些型号的光电倍增管（工程上一般取特性偏离于直线3%作为线性区的界限）。（4）伏安特性光电倍增管的伏安特性是指在改变阳极阴极间的工作电压时，从而引起阳极输出电流的变化。光电倍增管的输出电流对工作

39、电压非常敏感，因此必须使用高稳定性的高压电源。本测试仪采用的高压电源的漂移、纹波、温度变化、输出变化、负载变化等的综合稳定度优于该光电倍增管稳定度1个数量级，并连续可调。（5）阳极暗电流光电倍增管在完全黑暗的环境中仍会有微小的电流输出，这个微小的电流叫做阳极暗电流。作为微小电流、微弱光使用的光电倍增管，希望暗电流尽可能小。阳极暗电流是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素，其产生的主要原因有以下几种： 由光电表面及倍增极表面的热电子发射引起的电流； 管内阳极和其它电极之间，以及芯柱阳极管脚和其它管脚之间的漏电电流； 因玻璃及电极支持材料发光产生的光电流； 场致发射电流； 因残留气体电离

40、产生的电流（离子反射）； 因宇宙射线、玻璃中的放射性同位素发出放射线、环境射线等导致玻璃发光引起的噪声电流。阳极暗电流也受阳极电压的影响，随着工作电压增加而增加，但增加率并非一样。（6）电流放大（增益）由一个具有初速能量EP的一次电子，从倍增极发射出个二次电子（称为二次发射系数），在低噪声的条件下得到倍增，从而达到了电流放大的作用。电流增益就是光电倍增管的阳极输出电流与阴极光电子电流的比值。在理想情况下，具有n个倍增极，每个倍增极的平均二次电子发射率为的光电倍增管的电流增益为n。二次电子发射率由下式给出：=A·E这里的A为一常数，E为极间电压，为一由倍增极材料及其几何结构决定的系数，

41、的数值一般介于0.7和0.8之间。在具有n个倍增极的光电倍增管，其电流增益即可表示为： = Ia / Ik = Sa / Sk 或 = n3光电倍增管的使用及连接回路（1）光电倍增管输出的电流、电压转换负载电阻进行电流、电压转换光电倍增管输出是一个电流信号，而与其相连的后续电路，一般是基于电压信号而设计的，因此，常用一个负载电阻来完成电流-电压的转换。由于光电倍增管小电流输出时可看成一个具有很高特性阻抗的理想恒流源，为此，理论上负载电阻可以选取任意大的阻值，实现从一个很小的电流信号得到一个很大的电压信号。但实际上，较大的负载电阻会导致频率响应和输出线性的恶化。图5 光电倍增管的输出回路如图5中

42、，考虑到上述因素，本测试仪采用温度系数小的金属膜无电感负载电阻，并选取适当阻值的电阻来完成光电倍增管特性的测试。运算放大器电流-电压转换使用运算放大器进行电流-电压转换的电路，在和数字电压表组合起来用时，就不需要使用昂贵的微小电流计，也可精确测试光电倍增管的输出电流。图6 用运算放大器的电流、电压变换回路用运算放大器进行电流-电压转换的基本电路如图6所示，因为运算放大器的输入阻抗非常高，光电倍增管的输出电流不能在图6中的A点流入运算放大器的反相端子（-）。因此，绝大部分的电流流经反馈电阻Rf ，然后流出前置放大器的输出端。一般运算放大器有非常高的放大倍数为105，通常保持在反相输入端子（A点）

43、的电位与同相输入端子（B点）的电位（接地电位）相同下工作（把这称作并接地或假接地）。所以运算放大器输出电压和Rf两端发生的电压V0相同，理论上，可以得到开路放大倍数倒数大小的高精度，实现电流-电压变换。这种情况下，输出电压V0可用下面的公式来计算：V0= -IP×Rf限制输出电压V0的因素主要有：光电倍增管的阳极电流IP、反馈电阻Rf的大小以及运算放大器的工作电压等。光电倍增管的快速输出回路在检测具有快速上升、下降时间的脉冲光时，通常使用具有50欧姆阻抗的同轴电缆连接光电倍增管和后接回路。为了传送信号输出波形不失真，如图7那样，输出端子用和同轴电缆特性阻抗相同的纯电阻作为终端。由此，

44、从光电倍增管看的特性阻抗与电缆长度无关，观测波形的失真可减轻。但是，特别在使用MCP内藏型光电倍增管等观测超高速现象的场合，电缆如果过长，由于同轴电缆自身的信号损失，需要注意信号波形的失真。如在输出端阻抗特性不匹配时，从光电倍增管看的阻抗特性因频率数而异的，并且，该值还受同轴电缆长度的影响，因而可能产生输出失真。这种不匹配，不仅因同轴电缆和终端电阻，而且由于使用的接线端子本身或因同轴电缆的末端处理而引起的可能性也存在。所以必须特别注意选择接线端子和同轴电缆与光电倍增管的连接。同轴电缆与接线端子的连接都不要有阻抗特性的不连续点。图7 输出的阻抗匹配【仪器简介】本实验用PAT型光电倍增管特性及微弱

45、光信号测试仪系统（如图8），它包括下列3部分：图8 实验仪器系统主机控制箱：高压调节驱动模块、各种负载电阻、电流/电压变化模块、光源光强调节装置、信号频率调节装置等；屏蔽暗室：侧窗式光电倍增管、功率可调光源部件等；附件：示波器（选购件）；选购件：检流计、示波器；【实验内容】1、作出光电倍增管工作的光电特性曲线；2、作出光电倍增管工作的伏安特性曲线；3、作出光电倍增管在不同直接负载和I/V变换下的关系曲线；4、了解光电倍增管在脉冲光时，经过运算放大器输出的电压波形变化。5、了解光电倍增管在无光照射情况下的暗电流的测量；【实验步骤】测量前，先了解一下光电倍增管主控箱面板上各键的功能。1、主控箱面板

46、（1）电流表（uA）：显示光电倍增管输出的阳极电流；（2）电压表（V）：第一个电压表负载电阻上的电压，第二个电压表显示高压模块的输出高压。（3）检流计：外接pA级检流计，测量暗电流；（4）输出（Q9）：外接示波器，观察输出电压波形；（5）按钮开关K1：“仪器总电源开关”；（6）按钮开关K2：“高压电源开关”（7）2波段开关K3：“连续/调制”转换开关，改变光源在连续或脉冲光下的工作方式；（8）2波段开关K4：“微电流/暗电流”转换开关，切换光电倍增管阳极电流输出方式；（9）2波段开关K5：“特性测试/输出测试”转换开关，切换阳极微弱电流在后接电路的工作方式；（10）3波段开关K6：“负载/IV

47、变换”转换开关，切换阳极微弱电流在输出测试中选择的电流-电压转换方式；（11）多波段开关K7：“负载调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选择不同负载阻值；（12）多波段开关K8：“I/V调节”选择开关，在阳极微弱电流输出电流-电压转换时，选择不同反馈电阻阻值；（13）旋钮S1：“频率调节”，在光源工作于调制状态时，连续调节脉冲的频率；（14）旋钮S2：“光强调节”，连续调节光源的发光强度；顺时针调节LED光强增强。（15）旋钮S3：“高压调节”，连续调节光电倍增管高压电源的输出电压。2、实验数据测量（1）光电特性测量连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER）接通电

48、源；按下高压电源开关K2接通高压电源；调节高压旋钮S3,使高压输出1000V左右（参考电压）;将波段开关K3置于连续档；将波段开关K4置于微电流档；将波段开关K5置于特性测试档；调节旋钮S2，使光源光强发生连续变化；记录电流表的实时读数；作出光源光强变化与光电倍增管阳极电流的关系曲线（光电特性曲线）。光强(lm)电流（mA）表1 光电特性（2）伏安特性曲线测量连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER），接通电源；将旋钮S3逆时针旋到底，再按下高压开关K1；将波段开关K3置于连续档；将波段开关K4置于微电流档；将波段开关K5置于特性测试档；调节旋钮S2，使光源光强为一定值不变（处于

49、光强线性变化区间内）；调节高压旋钮S3，使高压电源电压（从500V始）连续变化；记录电流表的实时读数和高压的实时读数；再调节旋钮S2，使光强为另一定值不变（处于光强线性变化区间内），重复第步共测3组曲线；作出改变高压电源的控制电压与光电倍增管阳极电流的关系曲线（伏安特性曲线）。电压（V）电流（mA）表2 伏安特性（3）线性测量a.直接负载变换连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER），接通电源；按下高压电源开关K2，并调节高压旋钮S3至高压670V左右(参考电压)。将波段开关K3置于连续档；调节旋钮S2，使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）；将波段开关K4置于微电流档

50、；将波段开关K5置于输出测试档；将波段开关K6置于负载档；调节多波段开关K7，记录此时电流表和电压表的读数；作出光电倍增管在某一定光照时，不同负载条件下的关系曲线。表3 直接负载输出负载电阻R(W)电流（mA）电压(v)b.运算放大器I/V变换连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER），接通电源；按下高压电源开关K2，并调节高压旋钮S3至高压1000V左右(参考电压)；将波段开关K3置于连续档；调节旋钮S2，使光源光强为一定值不变（处于光强线性变化区间内）；将波段开关K4置于微电流档；将波段开关K5置于输出测试档；将波段开关K6置于I/V变换档；调节多波段开关K8，记录此时电流表

51、和电压表的读数；作出光电倍增管在某一定光照时，运用前置放大器不同反馈电阻条件下的关系曲线。反馈电阻Rf(W)电流（mA）电压(V)表4 运算放大器输出（4）了解脉冲光作用下的输出电流连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER），接通电源；按下高压电源开关K2，并调节高压旋钮S3至高压1000V左右（参考电压）；将波段开关K3置于调制档；将波段开关K4置于微电流档； 将波段开关K5置于输出测试档；将波段开关K6置于I/V变换档；将示波器探头连接到前面板上的输出（Q9）端子；保持多波段开关K8不变，调节旋钮S2，使光源光强发生连续变化；保持旋钮S2不变，调节多波段开关K8，观察两种情况

52、下示波器显示曲线的变化；（5）暗电流测量连接电源线和信号电缆线，并按下电源开关K1（POWER）接通电源；按下高压电源开关K2接通高压电源；调节高压旋钮S3，使输出高压1000V左右（参考电压）；将光强调节旋钮S2逆时针旋到底，关闭光源，保证此时光电倍增管工作于无光照条件下；将K3置于连续档或调制档位置；将K4置于暗电流档位置；接入检流计，测量此时输出的暗电流值；在光电倍增管工作电压规定的前提下，可适当调节S3，即改变高压的输出来观测暗电流随高压变化的曲线关系（选做）。【实验报告与要求】1、作出阳极电压一定条件下输出阳极电流与光强之间的关系曲线（光电特性）；2、作出光强一定条件下输出阳极电流与

53、阳极电压之间的关系曲线（伏安特性）；3、作出负载电阻大小和输出电压的关系曲线，并分析负载电阻的大小对信号探测的影响；4、分析相同条件下直接负载输出和运用运算放大器输出的曲线关系；5、测量光电倍增管的暗电流（了解）。【注意事项】1、光电倍增管的工作电压为负高压，一般选择在-600V左右，对光的响应极为敏感，因此无论其是否处于工作状态均应避免强光照射。接通电源之前应认真检查管子的避光情况，电源电压由低到高缓慢调整，实验结束时则应首先切断电源，关闭通光阀门。2、光电阴极的端面是一块很光亮的玻璃片，要妥善保护；3、使用时必须预先在暗处避光一段时间，要保持清洁干燥，同时要满足规定的环境条件，切勿超过规定的电压最大值；4、在有磁场影响的环境，应该用高导磁金属进行磁屏蔽。实验五 光电探测器光谱响应度的测量 光电探测器可将一定的光辐射转换为电信号，然后经过信号处理，去实现某种目的。它是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。因此，无论是设计还是使用光电系统，深入了解光电