光電信息技術實驗報告

1、華中科技大學實驗課程學生實驗報告實驗課程名稱 光電信息技術實驗 專業(yè)班級 光電1107班 學生姓名 李悌澤 學 號 u201115116 課程負責人 陳晶田、黃鷹 目錄實驗一 阿貝原理實驗3實驗二 激光平面干涉儀實驗7實驗三 用原子力顯微鏡（AFM）進行納米表面形貌分析10實驗四 光電直讀光譜儀實驗14實驗五 光譜法物質成分分析實驗20實驗六 光電透過率實驗24實驗七 攝像機原理與視頻圖像疊加實驗29實驗八、光譜透過率實驗33實驗九 紅外報警器的設計與調試42實驗一 阿貝原理實驗一、 實驗目的1. 熟悉阿貝原理在光學測長儀器中的應用。二、 實驗原理1. 阿貝比較原則：此為萬能工具顯微鏡的結構圖

2、，其特點是標準件與被測件軸線不在一條線上，而處于平行狀況。產生的阿貝誤差如下：只有當導軌存在不直度誤差，且標準件與被測件軸線不重合才產生阿貝誤差。阿貝誤差按垂直面、水平面分別計算。在違反阿貝原則時，測量長度為l的工件引起的阿貝誤差是總阿貝誤差的l/L。為避免產生阿貝誤差，在測量長度時，標準件軸線應安置在被測件軸線的延長線上。2. 阿貝測長儀阿貝測長儀中，標準件軸線與被測件軸線為串聯(lián)型式，無阿貝誤差，為二階誤差。三、 實驗內容1. 用萬能工具顯微鏡進行測長實驗測量1角，5角硬幣及圓形薄片的直徑，用數字式計量光柵讀數，每個對象測量10次，求算術平均值和均方根值。實驗步驟： 瞄準被測物體一端，在讀數

3、裝置上讀數，再瞄準物體另一端，在讀書裝置上再讀一個數據，兩次讀數之差即為物體長度。2. 阿貝測長儀進行長度測量實驗采用傳統(tǒng)目視法讀數，實驗步驟同上。四、 實驗數據與分析1. 萬能工具顯微鏡數據結果2.阿貝測長儀數據結果對比采用兩種儀器測定的結果。得出以下結論：（1） 對于同一測量對象，萬能工具顯微鏡和阿貝測長儀對物體尺寸測量的結果較為接近。因而可以初步判定1角硬幣的直徑為（18.9500+18.894）/2=18.922mm。5角硬幣的直徑為（20.259+20.4110）/2=20.335mm。圓形薄片的直徑為（37.402+37.3678）/2=37.385mm。（2） 比較兩種儀器對同一

4、測量對象的測量結果的數據方差，對于1角硬幣和圓形薄片阿貝測長儀的數據方差較小，對于5角硬幣，兩者測量結果的方差值差別不大，阿貝測長儀對物體尺寸的測量相對較精確。實驗二 激光平面干涉儀實驗一、 實驗目的1 掌握激光平面干涉儀的使用方法。2 理解雙光束等厚干涉的基本原理。3 觀察干涉條紋，并掌握材料平面度的測量方法。二、 實驗原理1. 平面干涉儀的基本原理： 平面干涉儀基于雙光束等厚干涉原理進行精密觀測。如上圖所示，S為擴展光源，位于準直透鏡L1的前焦面上，發(fā)出的光束經透鏡L1準直后射向玻璃片M,再從玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板上表面的反射光由原路返回，透過玻璃片M后射向觀

5、察顯微鏡L2；在楔形平板下表面反射的光透過平板上表面和玻璃片反射向L2。按照確定定域面的作圖法，可知定域面在楔形平板內部的BB位置。若平板不是太厚，且平板兩表面的楔角不是太大時，定域面非常接近于平板下表面，這樣如調節(jié)顯微鏡L2對準平板下表面，就可以在顯微鏡像平面上觀察到楔形平板的等厚條紋。平面干涉儀結構如上圖所示。由組合星點G1發(fā)出的單色光經棱鏡G2后，投向主鏡表面折射為平行光后，射向主鏡下表面及被測光學平面，主鏡下表面和被測光學平面發(fā)射回來的光疊加相干，鏡棱鏡G2的反射，進入接收件。星點可由激光管G5、棱鏡G6、光源強度調節(jié)發(fā)散鏡G7組成。接收件可以由人眼G10，成像物鏡G15和測微目鏡G1

6、1成像。三、 實驗內容玻璃材料的平面度測量：（1） 測量局部誤差 1=N*/2=H/2e（2） 測量整個面形誤差2=N*/2四、 實驗步驟（1） 移開成像物鏡G15和測微目鏡G11，旋轉調整左、右螺旋8，使平板繞水平面的橫軸或縱軸微小擺動，出瞳S2繞S1轉動直到S2和S1接近重合。（2） 裝上成像物鏡和測微目鏡，繼續(xù)旋轉調整左、右螺旋8，直到測微目鏡視場中干涉條紋清晰。（3） 測量e和H，并計算1和2。五、 實驗結果與分析取四組不同位置記錄測微目鏡位置讀數，獲得三組彎曲程度H和條紋間隔e的測量結果：組別H（mm）e（mm）10.4850.75520.4940.72830.4830.719平均0

7、.4870.734則，1=N*/2=H/2e=0.487mm*632.8nm/(2*0.734mm)=209.9nm實驗三 用原子力顯微鏡（AFM）進行納米表面形貌分析一、 實驗目的1. 理解AFM的基本原理，掌握AFM的操作流程。2. 掌握使用AFM進行微小尺寸的表面分析的基本實驗方法。二、 實驗原理1. AFM背景簡介：1986年，G.Binning與C.F.Quate等人在STM的基礎上發(fā)明了原子力顯微鏡AFM，AFM克服了掃描隧道顯微鏡STM對樣品導電性的要求，亦達到原子級分辨率。2. AFM工作原理：如下圖所示，對微弱力敏感的懸臂梁一端固定，另一端有探針，針尖表面與樣品輕輕接觸。由于

8、探針尖端原子與樣品表面原子間存在極其微弱的排斥力（10e-8N10e-6N），使懸臂梁產生形變，利用光學檢測法或隧道電流檢測法可以測出形變大小，從而得到排斥力大小。通過反饋控制懸臂梁或者樣品上下運動使得掃描時針尖與樣品表面排斥力恒定，則掃描運動軌跡反映了樣品表面形貌和特性。與STM相比，AFM有兩個關鍵技術：一是AFM力傳感器的制備，二是力傳感器懸臂梁形變的檢測。下圖是利用光學檢測法進行形變檢測的方案：三、AFM操作流程樣品清洗開機水平調節(jié)和偏差調節(jié)手動下針自動下針關機（1） 樣品清洗：一般情況下，根據材料的不同進行不同的處理方式。目的都是為了去除表面的污染物，使表面潔凈。對于半導體材料，根據

9、材料的不同采取以不同的腐蝕液進行洗片。一般步驟為： a用去離子水做初步清洗； b放入腐蝕液中浸泡并用超聲波清洗一段時間（時間視材料不同自定）； c用去離子水洗掉材料表面殘留腐蝕液； d用氮氣進行吹干； e吹干后放入干凈樣片袋中暫時保存并準備測試；（2） 開機 a開啟設備電腦開關及雙屏顯示器；b開啟顯微鏡光源；c開啟光學顯微鏡 CRT 顯示器電源；d將設備主部隔塵罩小心地取下，將顯微鏡調整至設備主機方向，光斑打到載物臺中心處；e打開設備主機電源，在主機controller 的控制板上，確認AFM 模式；f打開pc中的 軟件，激活軟件與設備主機連接圖標；（3） 水平調節(jié)和偏差調節(jié)： 水平調節(jié)： a

10、水平調節(jié)完后擰松探針固定旋鈕，傾斜著取下 AFM 針夾具， 倒置輕放在濾紙上，放于衣袖碰觸不到的地方，以免碰傷懸臂； b放樣品，樣片粘于專用樣品臺片上，用鑷子夾好樣片輕推到樣 品臺上（注意：樣品臺片與底座是磁鐵，有一定吸引力，要小心 放置）； c放好樣片后，調節(jié)顯微鏡，觀察CRT使顯微鏡聚焦到樣片表面。 d用鑷子直接調整樣品位置，在CRT上觀察確定樣品測試點位于下 針位置附近；偏差設定a 放置 AFM 測試夾具，一定要小心，注意觀察懸臂與樣品表面的距離，若相距太近，則將測試夾具小心取出，放置妥當后， 使用手動抬針方法將三個支柱抬高，同時保證三支柱設備光路臺面水平；b高度調節(jié)到安全距離以后，小心

11、地放入AFM 針測試夾具，用肉眼結合CRT 上觀察確定樣品與針的保持一段距離，調節(jié)顯微鏡使其聚焦到探針；c 擰緊夾具固定旋鈕來固定夾具，此時主機顯示屏上，標定激光器電壓的SUM 值為（6.77.3)左右則正常。先調節(jié)垂直偏差旋鈕使垂直偏差（Vert）讀數接近0.0V，再調節(jié)水平偏差旋鈕使探測器的水平偏差值（Horiz）接近0.0V。若第一次不能保證同時為0，則重復調節(jié)保證兩個值在0.0V附近。 （4）手動下針 a開始手動下針，先輕扒微調鈕進行DOWN操作，同時順時針（由下往上看）旋轉如上圖標注的兩旋鈕，并且調節(jié)顯微鏡聚焦到探針，如此反復多次調節(jié)。注意每操作一次后觀察光學顯微鏡CRT保證探針沒有

12、接觸樣片（觀察方法：使顯微鏡聚焦到探針，若調節(jié)顯微鏡可迅速得到清晰樣片的像，表明探針和樣片距離很近）；b當樣品表面與懸臂焦距接近時，調節(jié)使此時的水平偏差值（HORZ）和垂直偏差值(VERT)分別至0V 和（-0.6-0.8）。c放好樣品后，利用底座旋鈕對底座進行調節(jié)是探針處于顯示器的一個可標定的位置，而后每次下針使探針保持此位置不變，則三軸基本保持同時移動。d當觀察到顯示器上探針和樣品表面快接近時，先聚焦到樣品表面。然后DOWN操作微調，調節(jié)另外兩軸的旋鈕，觀察顯示器上水平偏差和垂直偏差示數，當示數突然出現(xiàn)較大變化時停止下針并回調一點。（一般垂直偏差會先開始變化，慢慢升至2.4左右再突增到9，

13、因此垂直偏差變化到2.0左右可停止下針，一般針與表面距離會在0.5um以內）。 （5）自動下針 a在軟件中設置當前樣品需要的掃描范圍（scan size)，臺階高度(date scale)，掃描速度(scan rate)等參數；b臺階高度不可超多1m，掃描速度設置在5m/s 以內為宜；（即scan size×scan rate < 5）c單擊啟動軟件中自動下針控件，下針過程中注意觀察主機中的水平偏差值（Horiz）和垂直偏差（Vert），示值趨勢是減小的為正常；d若要移動掃描區(qū)域，下針完成后，將掃描頻率調低（即降低掃描速度），設置X 軸與Y軸的offset 值（offset 范

14、圍不得超過70m），確定掃描位置和范圍后，重新開始從上往下或從下往上掃描，并拍取圖象。 （6）關機 關閉激光器； 關閉設備主控電源； 關閉光學顯微鏡 CRT 電源、光源； 將光學顯微鏡置于原本所在方向，蓋上物鏡蓋； 將主機隔塵罩小心的罩于主機上；關閉計算機電源及雙屏顯示器電源。實驗四 光電直讀光譜儀實驗一、 實驗目的1. 掌握光柵式光譜儀分光原理。2. 熟悉光電直讀光譜儀光電系統(tǒng)和機械結構。3. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實驗。二、 實驗原理1. 平面衍射光柵的分光原理如上圖所示，當一束平行的復合光入射到光柵上，光柵能夠將它按波長在空間分解為光譜，這是由于多縫衍射和干涉的結果。光柵產生的光譜

15、，其譜線的位置是由多縫衍射圖樣中的主極大條件決定的。相鄰兩刻線對應的光線22和11的光程差為： =d（sin i+（-）sin）入射光與衍射光在光柵法線同側取+，異測取-。相干光束干涉極大條件：=m即，光柵方程：d（sin i+（-）sin）= m其中，d為刻線間距，也就是光柵常數；i為入射角；為衍射角；m為光譜級次。2. 光柵式單色儀光學系統(tǒng)切爾尼-特納系統(tǒng)光柵中心位于入射光線與出射光線的對稱軸上，兩個球面反射鏡的焦距均為300mm，入射與出射狹縫位于球面鏡的焦面。平面反光鏡作為折射光鏡將出射光線折轉90度，以使出縫與入縫垂直分布，可以避免因為光源與光電接收器距離過近而相互干擾。復色光源經入

16、射狹縫照明在球面鏡上，此鏡將平行光投射到光柵上，光柵將復色光衍射分光，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面鏡上，此鏡將接收的平行光束聚焦在出縫處，從而得到一系列按波長排列的光譜。透過出縫射出的光束只是光譜寬度很窄的一束單色光。掃描機構運行時，光柵隨之旋轉，這樣就可以得到所選擇的單色光。光路中的光闌和擋光板起到限制視場外多余光束的作用，以利于減小儀器的雜散光。 3.CCD作探測器的光電直讀光譜儀結構圖如上圖所示1.入射狹縫及調焦筒 2.平面反射鏡 3.光柵旋轉手輪4.波長計數器 5.球面反射鏡 6.球面反射鏡7.CCD探測器 8.調焦螺母 9.調焦筒緊固螺釘線10.濾光片 主要參數及指標

17、： 波段范圍：330-1100nm 焦距：180nm 平面光柵：300線/mm；閃耀波長：500nm 相對孔徑：D/f=1/3.8三、 實驗內容1 分析光柵式光電直讀光譜儀的基本光學系統(tǒng)，繪制光路圖和機構圖，記錄基本參數。2 了解VC+采集軟件，及計算機界面設計，包括：對話框、光譜曲線顯示。3 用CCD探測器的光電直讀光譜儀進行光源光譜采集。4 用光電池作探測器的光電直讀光譜儀進行光源光譜采集。四、 實驗步驟1. 鈉光燈光譜實驗開啟鈉光燈高壓電源；調整光譜儀輸入狹縫大?。ù蠹s1mm）使輸出電壓在合適范圍內；用VC+采集軟件采集鈉光燈光譜曲線。用數據文件記錄光譜曲線，根據光譜曲線記錄鈉光燈峰值波

18、長。2. 汞燈光譜實驗開啟汞燈高壓電源，調整聚焦透鏡使光源像聚焦到調整光譜儀輸入狹縫，調整狹縫大?。s0.5mm）使輸出電壓在合適范圍內；用VC+采集軟件采集汞燈光譜曲線。根據光譜曲線確定汞燈峰值波長。五、 實驗結果與分析 采用光電池作為探測器的光電直讀光譜儀對鈉光燈和汞燈進行光譜測量。VC+采集軟件采集的光譜曲線如下：鈉光燈：結論：觀察光譜曲線，我們可以明顯地發(fā)現(xiàn)在590nm左右處有一個特征峰值，與鈉燈發(fā)光的理論特征譜線589.0、589.6nm相符合。可能由于光譜儀分辨率有限，無法分辨0.6nm的波長間隔，因此軟件采集繪制的光譜曲線僅觀察到一個特征譜線。汞燈：汞燈有六條特征譜線分別位于40

19、4.7nm，407.8nm，435.8nm，546.1nm，577nm，579.1nm處。觀察實驗測得的光譜曲線，在接近410nm處有一個特征峰，對應404.7nm以及407.8nm的譜線，此時若將顯示窗口放大，理應看到兩條譜線分開。在440nm左側有一個峰值對應435.8nm特征譜線。在550nm左右有一個峰值，對應546.1nm的特征譜線。在590nm左側，可觀察到兩個小的峰值，對應577nm和579.1nm特征譜線。綜上所述，對比理論規(guī)律，實驗測量結果較為準確。采用光電池作為探測器的光電直讀光譜儀對鈉光燈和汞燈進行光譜測量。VC+采集軟件采集的光譜曲線如下：汞燈的光譜曲線：實驗五 光譜法

20、物質成分分析實驗一、 實驗目的1. 熟悉用光電倍增管作為傳感器的光電直讀光譜儀的基本結構和光學系統(tǒng)。2. 掌握光電直讀光譜儀的基本光譜實驗。3. 了解光電倍增管傳感器的前置放大電路，單片機A/D轉換程序，以及串行通訊電路。4. 熟悉分光光度計基本原理。5. 掌握吸收光譜法檢測物質濃度。二、 實驗原理光電倍增管式光電直讀光譜儀（1） 原理圖（2） 主要技術參數波長范圍： 300nm850nm光柵： 平面光柵1200線/mm，刻線面積40mm*50mm閃耀波長： 500nm波長準確度 ±0.2nm波長重復性 0.1nm焦距 300nm相對孔徑 D/f=1/6分辨率 0.2線色散倒數 2.

21、7nm/mm雜散光 10e-3狹縫 寬度0.01-3mm連續(xù)可調整，高度2，4，6，8，10mm共5檔外形尺寸 390*260*200mm（主機） 320*365*110mm（控制器）3. 分光光度計如下圖所示，分光光度計是進行物質熒光光譜光強研究和物質分子吸收光譜研究的重要儀器。主要由光源、發(fā)射單色器（光柵、兩個球面反射鏡）、調制盤、光電倍增管、試樣池組成。為了實現(xiàn)線性化測量，光柵光譜儀中設計了正弦機構。如下圖所示光柵垂直定位于一個轉盤上，光柵、轉盤以及搖桿聯(lián)接成一體形成一個構件，搖桿和絲桿組成正弦機構。透過率測量原理：發(fā)射單色器進行波長掃描，可得試樣在不同波長下的透過率曲線。透過率=I/I

22、oI為透過試樣后的光強，Io為入射光強。吸收光譜測量原理：吸收光譜反映了物質本質特性，特定的氣體、液體物質有特定的吸收光譜。定義：A=lg（Io/I）分光光度法檢測溶液濃度-朗伯比爾定律A=lg（Io/I）=abCa：常數，與入射光波長以及溶液性質、液層厚度和溫度有關b：溶液厚度 C：溶液濃度。三、 實驗內容1. 分析光柵式光電直讀光譜儀基本光學系統(tǒng)，繪制光路圖和機構圖，記錄基本參數。2. 了解VC+采集軟件，及計算機界面設計。3. 用光電倍增管式光電直讀光譜儀進行人民幣防偽標志光譜實驗。用紫光燈照射人民幣熒光防偽標志以激發(fā)出熒光，用光導纖維獲取防偽標志激發(fā)出的熒光進入光電倍增管作傳感器的光電

23、直讀光譜儀。調整光譜儀輸入狹縫大小使輸出電壓在合適范圍內；用VC+采集軟件采集人民幣熒光光譜曲線數據。根據光譜曲線確定熒光光譜的峰值薄產。對真假人民幣分別做一條光譜曲線。比較它們的峰值以區(qū)別人民幣的真假。4. 用雙光束紫外可見分光光度計進行高錳酸鉀溶液的濃度測定。首先配置已知濃度的高錳酸鉀標準溶液，再配置另一濃度的高錳酸鉀溶液，用分光光度計獲得高錳酸鉀溶液的吸光度曲線，以確定最大吸光度處的波長值。并采用溶液濃度相對法測量。四、 實驗結果與分析 由于設備損壞，該實驗無法進行實驗六 光電透過率實驗一、 實驗目的1. 學習單通道直接光電探測系統(tǒng)的設計方法。2. 理解透過率測量的原理。3. 設計透過率

24、測量系統(tǒng)的各部分電路并掌握調試技術。二、 實驗原理單通道直接光電探測系統(tǒng)是光電系統(tǒng)中比較簡單的一種系統(tǒng)，是其他復雜光電系統(tǒng)的基礎。透過率的測量是光學測量的一項重要內容，在光學元件檢測、物質結構分析、物體的化學性質、生物醫(yī)學領域得到了廣泛的應用。一般情況下，輻射源的輻射要受到中間介質的吸收和散射，只有一部分輻射功率透過介質，最后被探測器接收。1. 比爾-朗伯定律：若傳播媒介中同時存在吸收和散射，則輻射能量為的入射輻射在傳播距離x之后，透過的輻射能量為： （x）=（0）exp（-ux）其中u為衰減系數。2. 透過率的定義：激光透過媒質后的光強與透過前的光強的比值稱為透過率，又稱透射率或者透射系數。

25、其計算公式為：T=（I1/I0）×100%3. 單通道直接測量系統(tǒng)：系統(tǒng)框圖：由經過調制的激光器發(fā)出的一定波長的激光經介質后衰減，光強減小，分別測量出激光通過介質前后的光強，即可以測出激光通過此介質的透過率。光電傳感器將入射的光信號轉變成電信號，經信號處理電路，將交流信號變成直流信號，該直流信號的大小與入射到光電傳感器上的光信號光強成正比，通過測量該直流電壓的大小即可測量出激光通過介質的透過率。（1） 驅動與調制電路：半導體激光器外接一個+12V的直流電源，調制信號可以用函數發(fā)生器中的方波，方波的信號頻率采用1kHz。（2） 光電傳感I/V轉換電路光電傳感器采用光電池，光電池輸出為電

26、流信號，后續(xù)電路采用集成運算放大器構成I/V轉換電路。（3） 帶通濾波電路本方案設計一個二階壓控電壓源帶通濾波器，要求中心頻率f=1kHz，增益Av=2，品質因數Q=10。（4） 積分電路積分電路的作用是將輸入的交流信號變成直流信號，本實驗采用專用真有效值轉換芯片AD536，它能夠計算直流和交流信號的真有效值。三、 實驗儀器半導體激光器、GDT-1型透射率檢測實驗裝置、直流穩(wěn)壓電源、函數發(fā)生器、示波器、數字萬用表。四、 實驗內容與步驟實驗裝置圖： 電源給半導體激光器提供直流電源，函數發(fā)生器提供調制信號。載物臺上放置被測物體。數字萬用表用來測量積分電路輸出的電壓。實驗步驟：1. 按照上圖連接好實

27、驗系統(tǒng)。接通半導體激光器直流穩(wěn)壓源。2. 接通函數發(fā)生器電源開關，設置函數發(fā)生器為1kHz的方波，半導體激光器應輸出一束被調制的激光。3. 調整光路，使入射光可以入射到光電傳感器上。4. 接通GDT-1型透過率檢測實驗箱的電源，同時用示波器觀察調制電路、I/V轉換電路的波形。調整電路使連個波形基本相同。5. 接通臺式數字萬用表的電源，用直流電壓檔測量積分電路輸出的直流電壓V。6. 將標稱透過率為0.90、0.79、0.50、0.32、0.10的五個標準樣品依次置于載物臺上，調整好光路，分別記錄五種情況下積分電路輸出直流電壓。五、 實驗數據與結果分析相對誤差計算結果結論：各樣品測量值與標稱值之間

28、的相對誤差均小于5%，在一定誤差允許范圍內測量結果準確。六、 思考題1. 在本實驗中，半導體激光器的調制頻率為什么采用1kHz？答：由于本實驗接收端的信號處理電路主要采用模擬芯片實現(xiàn)，信號處理電路的帶寬不高，只有幾千赫茲左右。因而，在發(fā)射端對激光的調制頻率不能太快，否則信號處理電路難以發(fā)揮性能。由于濾波電路的通帶中心頻率為1kHz,所以激光調制頻率也應該為1kHz以保證信號能夠通過帶通濾波器。2. 在實驗中如何驗證整個系統(tǒng)的正確性？答：采用示波器觀察對比函數發(fā)生器輸出端和I/V轉換電路輸出端的波形，若兩個波形基本相同，則系統(tǒng)的工作具有正確性。3. 若要增大測量的距離，本測量裝置應如何改進？答：

29、增大測量的距離，激光在空氣中受到的散射和吸收越大，光電傳感器接收到的光強越小，信號光強較小，它受到環(huán)境中雜散光的影響就較大，轉換為電信號后，信噪比不高，誤差較大。 較為可行的改進方案是從信號處理電路著手，采用鎖定放大器提取疊加著噪聲的有效電信號。實驗七 攝像機原理與視頻圖像疊加實驗一、 實驗目的1. 理解攝像機的工作原理及視頻信號的構成。2. 設計能在顯示器上疊加簡單圖形的電路。二、 實驗原理1. 視頻信號基礎一幅圖像，根據人眼對細節(jié)的分辨能力有限的視覺特性，總可以看成是由許多小單元組成。在圖像處理系統(tǒng)中，這些組成畫面的細小單元稱為像素，像素越小，單位面積上的像素數目就越多，由其構成的圖像就越

30、清晰。在電視系統(tǒng)中，把構成一幅圖像的所有像素傳送一遍稱為幀處理，圖像的每幀由許多像素轉變成相應的電信號，再分別用各個相應信道把這些信號同時傳送出去，接收端接收后又同時進行轉換，恢復出原發(fā)射信號。采用這一種傳送方法，根據現(xiàn)代電視技術水平，一幀圖像約由44萬個像素點組成，則需要44萬個通道才能傳送一幀圖像，這是不現(xiàn)實的?？紤]到人的生理特性，可以把組成一幀圖像的各個像素點的亮度按一定的順序一個個地轉化為相應地電信號依次發(fā)送出去，接收端再按照同樣的順序將各個電信號在對應位置上轉變成具有相應亮度的像素，只要這種轉換傳送進行的足夠快，人眼就會感到重現(xiàn)圖像是同時出現(xiàn)的，而沒有閃爍感。（1） 電視掃描只有對一

31、幅圖像進行分解和同步掃描后，才可能對這幅圖像進行傳遞和再現(xiàn)。因此，一個完整的電視信號不但應有反映像素亮度的視頻信號，還應有保證與攝像管內電子束進行同步掃面的復合同步信號，以及在掃描逆過程時關閉電子束的復合消隱信號。根據人眼的生理特點，在不產生亮度閃爍感和保證有足夠清晰度的情況下，幀掃描頻率應該大于24Hz，每幀掃面行數必須大于625。隔行掃描：為了使圖像清晰度不下降，又要減小系統(tǒng)的帶寬，人們又提出了隔行掃描技術。隔行掃描方式是將一幀電視圖像分成兩場進行掃描。第一場掃出的第1、3、5。等奇數行，稱為奇數場；第二場掃第2、4、6。等偶數場。每一幀圖像經過兩場掃描，所有像素即可掃完，電視電子束的掃描

32、軌跡也稱為掃描光柵。攝像管與顯像管：攝像管與顯像管都套有行、場偏轉磁場，電子束受磁場力的作用在屏幕上做周期性的往復運動。（2） 亮度視頻信號：視頻輸出電壓的大小反映了一行中對應像素的明暗程度，視頻信號具有正負極之分，對于正極性視頻信號，像素越亮，信號的幅度越大；而對于負極性視頻信號則相反，像素越亮信號的幅度越小。（3） 復合消隱信號：在電視系統(tǒng)中，掃描正程期間傳送圖像信號，逆程期間不傳送圖像信號。電子束逆程掃面在熒光屛上出現(xiàn)回歸線，將對正程的圖像造成干擾，影響圖像的清晰度。因此需使電視機在行、場逆程掃描期間進行電子束截止，以消除行、場逆程回歸線，即實現(xiàn)消隱。方法是在電視臺由同步機發(fā)出消隱信號使

33、接收機顯像管在行場逆程掃描期間關斷電子束。由于電視掃描方式是水平和垂直掃描構成的，所以對應分別有水平消隱和垂直消隱，而兩者形成復合消隱信號。行消隱脈沖的寬度一般為12us，場消隱脈沖寬度一般為25TH。（4） 復合同步信號在電視系統(tǒng)中，為了使電視機重現(xiàn)的圖像與攝像機拍攝的圖像完全一致，要求接收端與發(fā)送端的電子束掃描必須同步。所謂同步是接收、發(fā)送端掃描的頻率和掃描的相位完全相同。如果收、發(fā)端掃描不同步，則重現(xiàn)的圖像變形或者不穩(wěn)定，嚴重時圖像混亂不能正常收看。復合同步信號包括同行信號和場同步信號。行同步信號是用來控制行掃描的一致性，其重復頻率與行頻率一致，即f=15625Hz，脈沖寬度為4.75.

34、1us。場同步信號是用來控制場掃描的一致性，其重復頻率等于場頻，即f=50Hz，脈沖寬度為2.53TH。同步脈沖疊加在消隱脈沖之上，亮度視頻信號則是插在相連的消隱脈沖之間。（5） 開槽脈沖：從上述說明中可以看到，場同步信號的寬度遠比行同步的要寬得多，同時要比行周期還要寬，這對于接收方獲得同步信號是很不利的。為了解決這個問題，做到準確同步，應將場同步信號開槽，使信號形成一系列的鋸齒狀。這些鋸齒脈沖中也包含有行同步信號，稱為開槽脈沖。（6） 均衡脈沖：電視視頻信號中的行、場同步信號的提取方法是不同的。行同步信號是用幅度比較法獲得的，通過限幅電路來獲得同步；可以看到，場同步信號的脈寬比行同步信號的要

35、大得多，因此通過對符合同步信號進行積分后，用比較電路就可以獲得場同步信號。為了保證奇偶場的場同步積分后波形相同，在場間又引入均衡脈沖。2. 電視信號圖像疊加原理以在視頻信號中疊加一個十字線為例，其基本原理是：首先提取視頻信號中行、場同步信號；然后，對行、場同步信號進行計數，產生一個與行、場同步信號有穩(wěn)定關系的控制信號；再用這個控制信號控制模擬開關，模擬開關的輸出就在兩路輸入信號間快速切換，由于人眼視覺的暫留效應，在顯示器屏幕上看起來就想一幅疊加了十字線的圖像。視頻疊加電路框圖：3. 視頻信號分離電路普通攝像頭輸出的是復合視頻信號，因而首先必須進行信號分離。實驗中使用集成視頻信號同步分離電路LM

36、1881來實現(xiàn)信號的同步分離。4. 控制電路控制電路的功能是要計算出疊加圖像的場、行位置值。實驗中使用計數器來實現(xiàn)?？梢允褂么笠?guī)模可編程邏輯電路EPM7128SLC84來實現(xiàn)對hs、vs信號的計數。5. 疊加圖像模擬開關工作原理示意圖如圖所示：根據VideoSe信號的高低電平，模擬開關分別選通輸出VideoIn1和VideoIn2的信號。實驗八、光譜透過率實驗一、 實驗目的1. 了解單色儀結構、原理和使用方法；進一步了解鎖定放大器的工作原理以及其使用方法。2. 掌握單色儀的定標方法及用單色儀測定濾光片光譜透過率的方法。深入理解微弱信號檢測的原理。3. 學會設計檢測試樣的光譜透過率的方法。二、

37、實驗原理1. 單色儀工作原理原理圖：光柵單色儀的光路結構如圖1所示，入射到光柵單色儀的自然光或復色光，經入射狹縫S1后投射到球面反射鏡M1上。S1處于M1的聚焦面上。因此反射光為平行光束。這束平行光束經閃耀光柵G分光后，分成不同波長的平行光束以不同的衍射角投向球面反射經M2。球面鏡M2起照相物鏡的作用，這些平行光束經過M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，從而得到一系列的光譜。出射狹縫位于球面鏡M2的聚焦面上。根據它開啟的寬度大小，允許波長間隔非常狹窄的一部分光束射出狹縫S2。當旋轉轉輪帶動光柵旋轉時，可以在狹縫S2處得到光譜純度高的不同波長的單色光束。這樣單色儀就起到了將入射的復色光分解成一系

38、列獨立的單色光的作用。使用單色儀時首先要用標準光源對單色儀的讀數進行校準，本實驗光源采用的是高壓汞燈，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm幾條特征譜線，根據這些譜線可以對單色儀的讀數進行校準。2. 鎖定放大器工作原理HB-211型精密雙相鎖定放大器原理框圖本實驗選用南京大學生產的HB-211型精密雙相鎖定放大器，它是一種新型正交鎖定放大器，能精確地測量被淹沒在嗓聲、干擾背景中的微弱信號。該鎖定放大器采用了多點信號平均和相敏檢波聯(lián)合使用的技術，完成對被測信號同相分量和正交分量的檢測。并具有動態(tài)范圍大、漂移小等特點。儀器原理框圖如圖2所示，

39、主要包括以下幾大部分：輸入信號部分、參考信號部分、信號處理部分、單片機功能控制及測量值顯示PC機接口部分、電源及其它部分。輸入信號通道：對輸入信號進行初步處理，濾除遠離信號頻率的噪聲或者干擾，達到減小干擾和解除過載的目的。參考信號通道：將外部輸入的參考信號加工成信號處理部分要求的同頻方波。信號處理部分：對信號進行多點平均和相關處理，從而達到從噪聲或者干擾背景中檢測微弱信號的目的。同相、正交分量測量電路：測量輸出信號的同相和正交分量，交由單片機處理，并在液晶屏上同時顯示兩個分量。三、 實驗儀器鎖定放大器，光柵單色儀，溴燈，斬光器，高壓汞燈，會聚透鏡，濾光片等。四、實驗內容與步驟1. 實驗內容主要

40、包擴單色儀的定標和光譜特性的測量。定標即首先利用汞燈的幾條特定譜線對單色儀進行校準定標，找出單色儀出射光實際波長與顯示波長讀數的對應關系；光譜特性的測量即利用寬光譜的鹵素燈溴燈作光源，分別測量探測器在直接接收單色儀出射光和透過被測樣品時的光譜響應，從而求出幾種樣品的光譜透過率。2.實驗步驟（1）校準單色儀按圖5裝置擺好光路，調整透鏡盡量使得汞燈的光能聚焦在單色儀的入射狹縫，使透鏡高壓汞燈單色儀觀察出光狹縫圖1 單色儀校準裝置示意圖更多的光能進入單色儀。在單色儀出射狹縫從小到大旋轉光柵單色儀的轉輪，可以觀察到汞燈精細明亮的6條特征譜線，實際波長依次為404.7nm、407.8nm、435.8nm

41、、546.1nm、577nm、579.1nm。記下每條譜線單色儀對應的讀數，為消除誤差，測量23次取平均值。在觀察的過程中為使讀數更加準確，可以適當減小入射狹縫寬度，增大出射狹縫寬度。根據汞燈的譜線特性，做出單色儀出射光實際波長值和顯示值的曲線關系。這樣便可通過單色儀上顯示的波長讀數計算得知實際出射光波長。（2）光譜透過率測量按照圖6所示裝置放置好實驗儀器，溴燈聚焦后的光斑落在單色儀入射狹縫上。調制器輸出的信號（根據使用斬波器內外徑選擇合適的檔位和輸出端口）接鎖定放大器參考信號輸入端。探測器的輸出接鎖定放大器信號輸入A端口。將鎖定放大器的接地端子與大地連接，設置好儀器的各功能項。溴燈調制器單色

42、儀探測器樣品信號輸入鎖定放大器A B參考輸入調制信號輸出圖2 光譜透過率測試裝置示意圖 實驗儀器調整好后，首先測量已知波長濾光片的光譜透過濾，以此來檢驗整個測試系統(tǒng)的準確度，測量時要適當增大入射狹縫寬度，減小出射狹縫寬度，同時要保證不放濾光片時，鎖定放大器顯示讀數盡量大。測量樣品的光譜透過率，調節(jié)單色儀，在可見光范圍內，每隔一定波長（10或20nm）記錄探測器的光譜響應值（為確保數據準確可測多組）。在光路中放入待測樣品，放入樣品的時候盡可能使得光線正入射到樣品，以免發(fā)生反射或樣品等效厚度發(fā)生變化，重復上述步驟。3.數據處理分別整理用鎖定放大器和高精讀萬用表測得數據，繪出被測樣品光譜透過率曲線。

43、由于探測器后的放大電路有一定直流偏置，用萬用表測量和鎖定放大器的測量數據在計算透過率時有所不同。用鎖定放大器測量時，透過率，其中是放入待測樣品后測得的電壓值、為未放待測樣品的電壓值。五、 實驗結果與分析1.單色儀的校準對實際出射光波長與相應的單色儀顯示平均值的數據進行線性擬合。記實際波長為y，顯示波長為x則兩個量的關系可擬合為一下線性函數：y=0.9932x+2.739，R2=0.99982.光譜透過率的測量（1）2號片的光譜透過率由于光路調節(jié)的問題，導致進入光譜儀光信號在500nm以下的波段強度較弱，進而造成鎖定放大器的輸出電壓過于小，對透過率測量引入的誤差較大，因而在數據分析時不予考慮。透

44、過率曲線如圖：結論:根據測量結果,2號薄片在500-650nm波段內,透過率保持較低值;650nm到750nm波段內透過率隨著波長的增大而增大;750nm以上波段內,透過率保持一個較高的值（3）中心波長為670nm的濾光片的透過率測量：透過率曲線：結論:對670nm濾光片進行透過率測量,如上圖所示透過率曲線在670nm處有一個透過率峰值在距離峰值波長10nm-15nm范圍內,峰值波長兩側各有一個透過率谷底值。(4)各濾光片的濾光性能測試：根據測量結果，透過率中心波長的實測值與理論值相比，有一定的漂移，且各個濾光片的測量波長漂移方向均向短波方向，漂移量均在6nm左右。因此這個漂移量可能是由光譜儀

45、測量誤差引起的。中心波長透過率與其他波長透過率的比值在4左右，可見這些窄帶濾光片的濾光性能較為良好。六、思考題（1）本實驗采用了什么方法來消除雜散光對測試數據的影響？答：采用鎖定放大器作微弱信號探測。進入到單色儀中的光是經過調制的信號光和雜散光的疊加，經單色儀中的探測器接收后，轉換為電信號，該電信號是有效信號與噪聲的疊加，通過基于多點信號平均和相敏檢波技術的鎖定放大器可有效排除噪聲，提取信號。（2）若需測試一個探測器的光譜響應靈敏度，實驗該如何設計？答：探測器的響應度即輸出電流或者電壓值與探測器輸入光通量的比值。由于探測器輸入光通量不易測量，因而，可以采用比較法實現(xiàn)探測器的光譜響應度測量。采用

46、一個光譜響應度已知的探測器作為參考探測器。光源到單色儀部分的光路與本實驗相同，單色儀輸出的單色光采用半透半反鏡將光功率均勻分配到兩束單色光，兩束光分別照射待測探測器和參考探測器，探測器輸出端接相同的鎖定放大器分別測得輸出電壓V1()和V2(),參考探測器的光譜響應為R2（），則待測探測器的光譜相應可由R1()/ R2（）= V1()/ V2()求出。（3）請自行設計合理的測試方案來判斷試樣如汽車太陽膜的優(yōu)劣。答：可采用本實驗的實驗系統(tǒng)，取一個性能良好的汽車太陽膜作為參考膜，測量其透過率曲線。再在相同的實驗條件下，測量待測汽車太陽膜的透過率曲線，對照兩條曲線的透過率峰值，若待測膜的透過率峰值與參

47、考膜的透過率峰值相同或相差不大，透過率曲線變化趨勢相似，則可以判定待測膜性能為優(yōu)，否則判定待測膜性能為劣。（4）如發(fā)現(xiàn)單色儀定標曲線上相對于已知波長的鼓輪刻度L偏離了L，能否將原定標曲線平移L后繼續(xù)使用，為什么？答：不能。根據實測定標曲線可知，實際波長和鼓輪讀數之間的關系可擬合為一個線性函數，但并非嚴格線性關系，因而，為了避免引入測量誤差，應該對單色儀重新定標而不是直接將定標曲線平移。實驗九 紅外報警器的設計與調試一、 概述紅外報警器是利用工作在紅外波段的光電探測器制作的一種光電探測系統(tǒng)，它能替代人看守倉庫或監(jiān)視一定范圍的場所，當有人或異物進入時，便可發(fā)出聲光報警，告訴主人出現(xiàn)了意外情況，以便

48、采取應急措施。紅外探測器及偏置報警電路放大及處理驅動電路紅外光發(fā)射源圖1-1 主動式紅外報警器原理框圖常用的紅外報警器，按其工作方式可分為主動式和被動式兩種。圖1-1為主動式紅外報警器的原理框圖。由紅外光源發(fā)出的紅外輻射被紅外探測器接收，紅外輻射信號變?yōu)殡娦盘?，經信號放大和處理電路后送報警電路。這種報警器實際上分為發(fā)送和接收兩個部分，分開放置。當沒有人和物進入這兩部分時，紅外輻射沒有被阻斷，報警器處于一種狀態(tài)，不報警。一旦有人或物進入這兩部分之間，紅外輻射被阻斷，報警器立即翻轉到另外一種狀態(tài)，即可發(fā)出聲光報警，或以其它方式報警。圖1-2 被動式紅外報警器原理框圖被動式紅外報警器的原理框圖如圖1

49、-2所示，這種報警器實際上只有接受部分，當有人和物體進入其監(jiān)視范圍內時，人或物體發(fā)出的紅外輻射被紅外探測器接收后，經過信號放大和處理，就會發(fā)出報警。二、 設計任務與要求1. 滿足發(fā)射部分與接收部分之間距離至少為1米，當有人或者物體進入兩者之間，紅外輻射被阻斷時即發(fā)出聲光報警。2. 使用交流市電，但在停電時，報警器應能正常工作。3. 設計方案經濟、實用、可靠。三、 技術指標紅外報警器的主要技術指標是監(jiān)視范圍或者監(jiān)視距離。其他還應給出相應的電氣參數，如使用電源的形式，電源電壓及電流等。紅外報警器的另一個重要參數是探測器的響應波段，紅外報警器一般工作在900nm波段附近。四、 設計方案 要求設計一個主動式紅外報警器，所以必須選擇合適的紅外發(fā)光二極管和光電二級管（或光電三級管），主要使它們的發(fā)光波段和接收波段能夠互相對應。 首先查閱光電手冊，經過多種因素考慮選擇紅外發(fā)光二級管 HG413，其發(fā)光波段集中在0.95um 附近，相應的接收器件選擇2CU1光電二極管。其光譜響應曲線的峰值在0.88um附近，到0.95um時仍然有70%的峰值響應故可選用。因為沒有響應峰值在0.95um的光電二極管。也只好這樣配置。 根據紅外發(fā)光二極管