1、光電技術實驗實驗報告目錄一、光源與光輻射度參數的測量（必做）3 3二、PWMPWM調光控實驗5 5三、LEDfeLEDfe溫控制實驗8 8四、光敏電阻伏安特性實驗1111五、線陣CCDCCD驅動電路及特性測試（必做）1313六、相關器的研究及其主要參數的測量（必做）1515七、多點信號平均器（必做）1919八、考試內容2323實驗一光源與光度輻射度參數的測量一、實驗目的1,熟悉進行光電實驗過程中所用數字儀表使用方法2.了解LED發光二極管3.研究影響LED光照度的參數二、實驗儀器光電綜合實驗平臺主機系統1臺、發白光的LED平行光源(遠心照明光源)及其夾持裝置各1個三、實驗原理(1)LED發光原

2、理：LED發光二極管為PN結在正向偏置下發光的特性。有些材料構成的PN結在正向電場的作用下，電子與空穴在擴散過程中要產生復合。復合過程中電子從高能級的“導帶”跌落至低能級的“價帶”，電子在跌落過程中若以輻射的形式釋放出多余的能量，則將產生發光或發輻射的現象。并且，可以通過控制電流來控制(或調整)發光二極管的亮度，即可以通過改變發光管的電流改變投射到探測器表面上的照度，這就是LED光源具有的易調整性。(2)光度參數與輻射度參數：光源發出的光或物體反射光的能量計算通常是用“通量”、“強度”、“出射度”和“亮度”等參數，而對于探測器而言，常用“照度”參數。輻照度或光照度均為單位探測器表面所接收的輻射

3、通量或光通量。即_e2、,_v、Ee=(W/m)或 Ev=(lx)SS式中S為探測器面積。(3)點光源照度與發光強度的關系：各向同性的點光源發出的光所產生的照度與發光強度Iv成正比，與方向角的余弦(COS。)成正比，與距離光源的距離平方(1人2)成反比，即IvcosEv=一(lx)四、實驗內容(1)安裝LED發光裝置與照度探測器裝置，并在電路中接入電流表、限流電阻和可調電阻測量發光LED的電流。(2)測量發光管未點亮時的暗背景照度。(3)測量同一距離、同一LED的照度值隨電流變化的情況。記錄實驗數據。(4)調節LED與照度探測器間的距離，重復步驟(3)。記錄實驗數據。(5)更換不同的LED,重

4、復步驟(3)和(4)。(6)測量遮罩時紅光LED的照度值和與探測器間距的關系，實驗步驟類似，注意保持LED電流不變。記錄實驗數據。(7)關機結束實驗。五、數據處理(1)(1)測量不同距離、不同LEDLED光照度參數的測量背景光強：Evb=7.35X10Lx白光LEDd=15cmILED/mA8.0713.9123.9034.4040.8549.5155.02Ev/x10lx16.1821.1028.0033.636.740.742.9(2)(2)測量藍光LEDLED在蓋上遮罩時照度與距離的關系ILED/mA=7.881距離/cm19.2630.4242.68照度/x10lx1.7330.898

5、0.527六、分析(1)不同色光中，在同等條件下，白光LED的照度值最大，這是由于白光中包含最多頻率的光，其余色光的LED,波長越短，照度越強。(2)同一色光LED,在距離不變的，f#況下，流過LED的電流越大，照度值越強。(3)同一色光LED,在電流不變的情況下，距離探測器越遠，照度值越弱。藍光LEDd=42.68cmILED/mA7.8829.26910.90812.33114.93417.42818.829Ev/x10lx0.5270.5990.6680.7340.8420.9470.998紅光LEDd=30.97cmILED/mA8.7569.42511.09813.09515.057

6、17.48119.092Ev/x10lx0.4450.4780.5500.6500.7370.8440.916白光藍光實驗二PW幗光控制實驗引言隨著LED背光的節能、環保、高性能等優勢的凸顯，LCD屏的背光逐漸從CCFL向LED切換，目前公司的液晶屏也逐漸從CCFL背光得型號向LED背光的型號切換。兩種背光的模式最大的不同在于驅動方式，CCFL背光的屏的背光驅動需要逆變器提供高壓，而LED背光的驅動方式相對簡單，只需要恒定的低壓直流電源即可。但是無論是逆變器也好，還是LED背光驅動電路也好，都會用到一種PWM調光技術，對背光的亮度大小進行調節。這里學習一下關于LED的PWM調節。一、實驗目的了

7、解LED亮度調節的原理和方法二、實驗儀器LED智能控制實驗箱一臺、示波器一臺。三、實驗原理LED調光是指通過調光器調節LED的亮度，達到節能、環保、舒適等效果。調光器的原理有波寬控制調光（PulseWidthModulation,簡稱PWM）,模擬調光。模擬調光，指用模擬線性技術調整電流的大小，只是簡單的改變LED串的DC電流。模擬調光盡管實現簡單，不會引入潛在EMC,但是由于LED的發光特性隨著平均驅動電流而偏移，對于單色LED來說，其主波長會改變。對白光LED來說，其相關顏色溫度（CCT會改變。對于人眼來說，很難察覺到紅、綠或藍LED中幾納米波長的變化，特別是在光強也在變化的時候。但是白光

8、的顏色溫度變化是很容易檢測的。同時模擬調光還面臨輸出電流精度的問題，而這種精細控制在RGB應用中特別重要。另外在對比度、能耗等方面PWM調光同樣具有優勢，因此在大多數設計中仍然使用PWM數字調光。脈寬調制（PWM）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換及LED照明等許多領域中。通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來

9、對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON）,要么完全無（OFF）電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF兩重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。下面介紹一下PWM的三個基本參數：.寬度.|底度1、脈沖寬度變化幅度（最小值/最大值）2、脈沖周期（1秒內脈沖頻率個數的倒數）3、電壓高度（例如：0V-5V）可見我們只需要提供寬/窄不同（占空比高/低）的數字式脈沖，即可簡單地實現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。

10、四、實驗內容(1)打開LED智能控制實驗箱，接通12V/2A電源，依次打開電源開關；檢查各模塊是否正常工作，兩個黃色按鍵(觸動式按鍵開關)用來控制LED的亮暗，即PWM調光。如圖2.1所示；(2)依次按下“紅色”、“綠色”、“藍色”、“白色”四個按鈕，相對應LED燈及工作指示燈熄滅；(3)選擇某一顏色的LED燈，單擊對應的按鍵，使其點亮工作；(4)按動黃色的“暗”、“亮”按鍵，觀察LED燈明亮的變化，理解PWM調光的過程；(5)此時，用示波器測量不同通道與不同亮度下的PWM波形，計算占空比，填入表格；(6)關閉該LED燈，按照上述步驟，依次嘗試其他光源的明亮變化過程。五、數據處理六、思考題a.

11、a.結合實驗過程和實際情況簡述PWMPWM調光的方法和原理。以LED顯示器為例，我們知道顯示器是可以調節亮度的，那么這種變化是如何實現的呢？原理是這樣的，顯示器需要調節LED發光的亮度，通過電流來調節亮度太過復雜，為了節約成本，對于屏幕亮度的調節，行業里會采用閃爍的方式來解決。LED光源的亮度是一定的，讓LED光源不斷的開啟和關閉，通過調節開啟時間和關閉時間的長短，來調節屏幕的亮度。具體的過程是這樣的，比如LED背光閃爍1000次，其中500次開啟和500次關閉，如果開啟的時間停頓1秒，關閉的時間停頓0.5秒，這時的屏幕亮度就要比開啟和關閉停頓時間一樣的背光系統強。這樣用戶在調節屏幕亮度的時候

12、，實際上亮度的明暗得益于LED背光閃爍的變化。在實際的產品中，LED背光這種明暗時間的轉變速度非常的快，采用PW蜩光的普通大眾顯示器其工作頻率一般在200Hz-1000Hz左右，而人眼在頻率達到100Hz的時候就已經難以察覺明顯的明暗變化了，因為人眼感知亮度的過程是積累的，在閃爍的速度足夠快的時候，人眼看到的畫面是“常亮”的。實驗三LED色溫控制實驗引言LED產品中，一項重要的規格數字就是色溫，這關系到LED燈光照明產品所顯示的顏色特性，一般的燈具也都有色溫的規格。研究表明，色溫作為評價照明光源的重要指標，對人的心理健康和生理健康，尤其是長時間處于一定照明環境中，具有十分重要的影響。一、實驗目

13、的1.了解LED色溫實現連續控制的原理和方法2.理解色溫、相關色溫的概念，主觀感覺色溫的變化對人體的影響二、實驗儀器LED智能控制實驗箱一臺、數字光譜儀一套三、實驗原理如果人體眼睛受到外界光的刺激，人就會產生特定的主觀感受，這個感受被稱為顏色。表述光源顏色的方法有很多種，用“色溫”的概念表述熱輻射光源的顏色是一種準確而簡單的方法。作為描述光源和其他物體的光度特性的重要物理量，光源的色溫是通過對比其色彩和理論的熱黑體輻射（簡稱黑體，在任何溫度下對任何波長的輻射能的吸收率都等于1的物體，是一種理想的模型，也叫完全輻射）來確定的。熱輻射發射光源的光譜是連續而光滑的。對黑體而言，溫度不同，顏色也不一樣

14、。黑體發光的顏色與溫度存在唯一的對應關系。色溫是顏色溫度的簡稱，在表述某光源的顏色時，常常把該光源的顏色與黑體發光的顏色進行比較。色溫是以絕對溫度K（開爾文）為單位表示的，以黑體輻射的0K=-273C為起點，加熱黑體。隨著溫度的升高，黑體輻射便進入可見光領域，依次由深紅-淺紅-橙黃-白-藍逐漸變化。當某一光源與黑體的顏色相同時，我們將黑體的絕對溫度表示為該實際光源的色溫。例如，在3000K時，燈泡的發光顏色與黑體的發射光相同，我們便稱燈泡的色溫是3000K。黑體發射光的相對光譜功率分布由普朗克定律給出：1P（九,T）=3九（e見-1）（1）表3不同時刻直射中光與儂見人工光彝的色噩值光源光源色溫

15、（璃數色溫（璃數光源光源色溫；慨助川色溫；慨助川明天明天始如光始如光中中 陽光陽光5O(XX-54OO鋁絲燈鋁絲燈27OU27OU沒有太陽的住光沒有太陽的住光組007制陶向素燈向素燈3000滿月時的月光滿月時的月光4000電子必光燈電子必光燈F5600H出出. .U落落夜星空夜星空1WW四、實驗內容（1）依次打開電源。（2）選擇四色LED的某一顏色（紅色）LED光源，使其點亮工作。（3）將光譜儀與電腦連接，運行光盤中對應軟件，根據提示完成安裝，并在桌面生成“SpectraSmart”快捷方式。雙擊打開采集軟件，請從程序主選單中選擇“量測”，再進一步選擇“色彩量測”， 即打開“量測選擇界面”，

16、選擇“光源色彩測量-絕對測量”之后點擊“下一步”，如圖1-1;打開“設定色彩量測參數”界面，觀測角度和參考光源可選擇默認的2度和A光源；然后點擊“下一步”進入“參數設定”界面，為得到最佳量測效果，請先選擇“自動設置”，程序會自動將曝光時間調整為最佳曝光時間；點擊“下一步”進入參考光譜采集界面，選擇，將現在量測到的光源儲存為參考光譜；點擊“下一步”，進入“暗光譜獲取系統，可以使用預設暗光譜。（4）點擊“下一步”進入“光源光譜測量”界面，整個采集界有三個顯示區域，一是光源光譜顯示，一是色彩信息，一是CIE色度圖。在色彩信息里面我們可以獲取的參數有光譜分布、主波長、色坐標、三刺激值、色純度。(5)按

17、動黃色按鍵“亮”，使LED光源變亮，記錄此時的照度值和色溫值。(6)繼續按黃色按鍵“亮”，直到亮度不再變化。分別記錄下不同亮度時的照度值和色溫值。觀察亮度與色溫之間的關系，并畫出照度與色溫的變化曲線。(7)之后依次測量其他顏色(綠、藍、白)的LED燈，驗證第四步得到的結論。五、數據處理(1)(1)綠光色彩信息與CIECIE色度圖F1_113a院加43I-1(2)(2)藍光色彩信息與CIECIE色度圖O.OOMTO.OOMT口DOMDOM。(3)(3)白光色彩信息與CIECIE色度圖ma，gow?Tgow?T口皿翔qWWT3qWWT3Wnwiengrth(nm)Wnwiengrth(nm)00M

18、M00MM.$M41E4S$M41E4S 抬才用ifMlMl *M4riJTM*M4riJTM IEIE曲OhgimOhgim1 1H HOf口&二0OHMOHM，O.OOMTO.OOMT-satJu:s-satJu:s豆00&日曲曲曲鼻山金白通必氫p型耗盡區理正偏P型耗盡區雄P型耗用區理反偏r11Tz磔區；：箱后區/磔區圖 2-2.光電池結構示意圖eVI=Is(ekT1)+Ip(1)式(1)中Is為飽和電流，V為PN結兩端電壓，T為絕對溫度，Ip為產生的光電流。從式中可以看到，當光電池處于零偏時，V=0,流過PN結的電流I=Ip;當光電池處于反偏時(在本實驗中取V=-5V),

19、流過PN結的電流I=Ip-Is,因此，當光電池用作光電轉換器時，光電池必須處于零偏或反偏狀態。光電池處于零偏或反偏狀態時，產生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關系：Ip=RR3、硅光電池的基本特性短路電流圖2-3硅光電池短路電流測試圖2-4硅光電池開路電壓測試如圖2-4所示，不同的光照的作用下，電壓表如顯示不同的電壓值。即為硅光電池的開路電壓特性。光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性，如圖2-5。24(2)I(b)如圖2-3所示，不同的光照的作用下,短路電流特性。(2)開路電壓毫安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的SiO2膜棚鏟卷mI3刑由

20、扁電極(a)20004000光照度/Lx圖2-5硅光電池的光照電流電壓特性（4）伏安特性如圖2-6,在硅光電池輸入光強度不變時，測量當負載一定的范圍內變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化關系曲線稱為硅光電池的伏安特性。負載特性（輸出特性）光電池作為電池使用如圖2-7所示。在內電場作用下，入射光子由于內光電效應把處于介帶中的束縛電子激發到導帶，而產生光伏電壓，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。圖2-7硅光電池負載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故

21、短路電流與光照度（光能量）呈線性關系，是光電池的重要光照特性。實際使用時都接有負載電阻RL,輸出電流IL隨照度（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內使用。光電池光照與負載特性曲線如圖2-8所示。25,32JooOAm/流電生光V/壓電生光642oooO5102.4K10K照度E/lx圖2-8硅光電池光照與負載特性曲線光譜特性一般光電池的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產生短路電流與入射光波長之間的關系。一般用相對響應表示，實驗中硅光電池的

22、響應范圍為4001100nm,峰值波長為800900nm,由于實驗儀器所提供的波長范圍為400650nm,因此,實驗所測出的光譜響應曲線呈上升趨勢，如圖2-9所示硅光電池頻率特性曲線。(6)時間響應與頻率響應實驗證明，光電器件的信號的產生和消失不能隨著光強改變而立刻變化，會有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數表示。即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出升到穩定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應時間。為衡量其長短，常用時間常數T的大小來表示。當用一個輻射脈沖光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方波，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10%h升到90

23、%到直處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從90%下降到10%斤需的時間稱為下降時間。如圖所示圖2-9硅光電池的光譜曲線度應響對相26(a)圖2-10上升時間和下降時間(a)入射光脈沖方波(b)響應時間四、實驗內容1、硅光電池短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-11所示。圖2-11硅光電池短路電流特性測試2、硅光電池開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-12所示。圖2-12硅光電池開路電壓特性測試3、硅光電池光照特性275、硅光電池光譜特性測試當不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產生400630

24、nm離散光譜。光譜響應度是光電探測器對單色入射輻射的響應能力。定義為在波長兒的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為V()P()I()*()二十 P(-)或式中，小九）為波長為九時的入射光功率；Vg）為光電探測器在入射光功率P（九）作用下的輸出信號電壓；I（Z）則為輸出用電流表示的輸出信號電流。本實驗所采用的方法是基準探測器法，在相同光功率的輻射下，則有6（,）=UK:（.）Uf式中，Uf為基準探測器顯示的電壓值，K為基準電壓的放大倍數，玳小）為基準探測器的響應度。取在測試過程中，Uf取相同值，則實驗所測測試的響應度大小由X,，(1)=ULf()的大小確定.下圖為基準探測器的光譜響應曲線。28根據實驗1和2所調試的實驗數據，作出硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實驗裝置原理框圖如圖2-13所示。圖2-