工程光学实验

光电位置敏感器件PSD的特性及位移测试 实验原理: PSD(position sensitive detector)是一种新型的横向光电效应器件,当入射光点照在器件光敏面上时,激发光生载流子而产生电流I，光生电流的大小与光点的大小无关,只和光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中点(原点)时,光生电流I1=I2，根据这一原理,将PSD器件两极电流I1、I2变换成电压信号后再进行差分运算即可知道光点的位置。PSD器件工作原理见图(27)

实验所需器件: PSD基座(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表

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。开启激光电源，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，记录光点位移时Vo端的最大输出值。 3. 仔细调节位移平台（螺旋测微头），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（Vo分别换为Vo1, Vo2），分别记录电压，此时两个信号电压应是基本一致的。 4. 换为Vo，从原点开始，位移平台分别向前（顺时针）和向后（逆时针）位移,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5格（1/10mm）,并将位移值（mm）与输出电压值（V0）记录列表，作出V/X曲线，求出灵敏度S，S＝△V/△X。根据曲线分析其线性。 位移 电压 5．在记录的同时，可采用计算机进行单次采集，得出曲线并保存。 注意事项： 实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造成不可恢复的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，光源不同时光生电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成PSD光生电流改变，致使单元V0输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度，使输出达到最大。 红外光传感器的应用 一、实验目的 1、了解热释电红外传感器的结构、原理、工作特性。 2、掌握用热释电红外传感器测量的方法。 二、实验原理 菲涅尔透镜是一种精密的光学系统,专门是用来与热释电红外传感器配套使用。其结构如图(25)所示。它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠,都相隔一个盲区。当热源在透镜前运动时,顺次从某一单元透镜视场进入又退出，透镜的功能就是将连续的热源信号变成断续的辐射信号,使热释电传感器能正常工作。 热释电红外传感器的具体结构和内部电路如图(26)所示，主要由滤光片、PZT热电元件、结型场效应管FET及电阻、二极管组成.。其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。本仪器所用的滤光片对5μm以下的光具有高反射率，而对于从人体发出的红外热源则有高穿透性，传感器接收到红外能量信号后实现了“热-电”的转变，就有电压信号输出。 三、主要仪器及耗材 菲涅尔透镜、激光器(或其它经过聚焦的光源)、热释电红外传感器、慢速电机、热释电红外探测电路单元、电加热器、电压表 四、实验内容和步骤 1、仔细观察菲涅尔透镜结构,用激光器从正面照射菲涅尔透镜,用一白纸放在透镜下做投射光背景面。当激光光点照射到透镜正面并相对移动时,白纸上的投射光会出现一个接一个的断续光斑,而光斑始终都是集中在透镜中部的。 2、将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上,探头方向对准慢速电机支座下透孔前的热源方向,按图标符号将传感器接入处理电路，接好发光二极管（显示实验单元工作状态）。开启电源,待电路输出稳定后开启热源,同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热源透射孔。 3、 随着热源温度缓慢上升,观察热释电红外传感器的Vo端输出电压变化情况。可以看出传 感器并不因为热源温度上升而有所反应。 4、 开启慢速电机,调节转速旋钮,使电机叶片转速尽量慢,不断地将透热孔开启——遮挡。此 时用电压表或示波器观察输出电压端Vo就会发现输出电压也随之变化。当达到告警电压时,则发光管闪亮。 5、 逐步提高电机转速,当电机转速加快,叶片断续热源的频率增高到一定程度时,传感器又会 6、 出现无反应的情况，请分析这是什么原因造成的？(可结合热释电红外传感器工作电路原 理分析) 7、 传感器的安装方向调整180°面对仪器前实验者，连接传感器探头与处理电路，输出 端Vo接电压表。 8、 开启电源,待电路稳定后,实验者从探头前经过,移动速度从慢到快,距离从近到远,观察传 感器的反应，记录下传感器最大探测距离。 9、 在探头前装上菲涅尔透镜,重复步骤（2）,并尝试在探头的不同视场范围进入,记录下装透 镜后最大的探测距离和探测角度。加深对菲涅尔透镜作用的了解（实际应用中，菲涅尔透镜是必需的）。 五、注意事项 慢速电机的叶片因为是不平衡形式，加之电机功率较小，所以开始转动时可能需要用手拨动协助转动。 8 CCD摄像法的应用 一、实验目的 1、了解CCD传感器的结构、原理、工作特性。 2、掌握用CCD传感器测量外形尺寸的原理和方法。 3、掌握用CCD传感器的莫尔条纹计数方法。 二、实验原理 电荷耦合器件（CCD）的重要应用是作为摄像器件，它将二维光学图像信号通过驱动电路转变成一维的视频信号输出。当光学镜头将被摄物体成像在CCD的光敏面上，每一个光敏单元（MOS电容）的电子势阱就会收集根据光照强度而产生的光生电子，每个势阱中收集的电子数与光照强度成正比。在CCD电路时钟脉冲的作用下，势阱中的电荷信号会依次向相邻的单元转移，从而有序地完成载流子的运输—输出，成为视频信号。用图像采集卡将模拟的视频信号转换成数字信号，在计算机上实时显示，用实验软件对图像进行计算处理，就可获得被测物体的轮廓信息。 传统的光栅位移传感器由光栅组、光源、光电器件组成，用光电器件记录莫尔条纹移动数目，对信号进行判向、内插、细分，得出检测结果。本实验用CCD摄象法实验软件记录光栅位移，简单、方便、直观。 三、 主要仪器及耗材 CCD摄像头、被测目标（圆形测标）、光栅组、位移平台、视频线、图像采集卡、实验软件 四、 实验内容和步骤 1、 根据图像采集卡光盘安装说明在计算机中安装好图像卡。并按要求正确设置。照图象采 集卡安装说明正确安装图象卡的驱动程序和应用程序，并将视频源（CCD）设置为“PAL_B”制式。安装好测径实验软件“Measure”。 注意：CCD测径及莫尔条纹测试软件在Windows'98上可以直接设置视频源的制式，而在Windows2000或WindowsXP下视频源的设置就要在安装了实验软件和图象卡的驱动和应用程序后再运行“开始”→“程序”→“btcap”→”BtWDMCap.exe”后打开应用程序窗口，选“options”→Video Capt Filter→Video DecoderX下后选PAL_B,获得稳定图象。请注意这一点。 为使CCD摄取的莫尔条纹图象清晰，光栅组一定要平行，且间距要尽量小，即目测时莫尔条纹的暗带要足够黑，确定后光栅组一定要安装紧固，以防平台位移时因两片光栅相碰擦造成光栅角度的变化，使莫尔条纹的宽度发生变化。如果光栅片相隔较远，则暗带条纹发红发黄，软件就可能会错误地读取信号，错误地计数。实验时要注意背景光的影响，如果光照太强，有可能造成自动记数软件误读数。 2、在被测物前安装好摄像头，连接CCD电源，视频线正确连接图像卡与摄像头。 3、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，如视频源 制式正确，则可以得到稳定的图象。适当地调节CCD的镜头前后位置，使目标图像最为清晰。 4、安装好光栅组，调节位移平台，使两片光栅完全重合，调节主光栅角度，选择合适的条纹宽度，莫尔条纹要清晰可见。 5、 在光栅组前安装好CCD摄像头，接通电源与图像卡，安装好实验软件“Count”,启动“CCD 莫尔条纹记数”软件，进入程序，按“活动图像”键，屏幕上即出现条纹图象，调节CCD光圈及镜头与光栅距离，使条纹图像尽量清晰。 6、按“冻结图像”键，用鼠标在屏幕上确定莫尔条纹间隔，然后开始记数（条纹间隔数越 多则测量精度越高，为什么？）。 7、 缓慢地转动螺旋测微仪，在屏幕上定一标记，读取条纹移动数，并将目测数与软件自动 记数结果对照，得出定性的结论。 8、根据测得的光栅组的光栅距，求出指示光栅（位移平台）的位移量。 9、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。 10、保持CCD镜头与位移平台距离不变（即表示单位尺寸的象素值不能改变），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。

五、思考题 如何利用此方法测试方形物体的尺寸。