第1章 光电传感器原理与变换电路实验

1.1 光源与光度辐射度参数的测量实验

1．实验目的

（1）通过用棱镜、光栅等分光器件对白光LED（发光二极管）发出的光进行分光的实验，认识光的光谱组成；通过比较棱镜与光栅分光效果，充分认识光栅是由微小棱镜聚合而成的原理；通过转动光栅的转角观察光谱的移动，掌握光栅分光的特性。

（2）利用光电综合实验平台上的照度计，测量各种颜色 LED在不同供电电流IL作用下照度Ev的变化，认识IL与Ev的关系，理解为什么在有些实验中常用标定（测量）IL的方法标定Ev。

（3）通过测量LED的供电电流IL与发光强度Iv、照度Ev的对应关系，掌握发光强度与照度、光出射度间的关系。

2．实验器材

①GDS—Ⅱ型（或Ⅲ、Ⅳ型）光电综合实验平台主机系统；

②60°分光棱镜及其夹持装置各1个；

③1200条线/毫米光栅及其夹持装置各1个；

④发白光的LED平行光源（远心照明光源）及其夹持装置各1个；

⑤发蓝色、红色、绿色光的LED各1只；

⑥17mm直径的圆形硅光电池片（连同构成立体角的机构）1片；

⑦可调狭缝及其夹持装置各1个；

⑧观测屏及其夹持装置各1个；

⑨磁性表座4个。

3．基础知识

白光是各种颜色（波长或频率）的光谱能量积分形成的复合光。而棱镜，特别是三棱镜具有将白光分解成各种颜色单色光的特性。测量各种波长单色光的照度等参数，将使对光本质的认识更进一步。在实际应用技术中常用到单色光源所具有的特性，提高非接触测量与控制的精确度，各种光电器件对不同波长的光有不同的响应，光电器件光谱响应特性的测量也离不开单色光源。因此，学习并掌握光源参数的测量方法和分光方法对今后学习光电技术是非常重要的。

（1）棱镜的分光原理

典型的三棱镜如图1.1-1（a）所示，它由3个工作面构成，工作面之间互成α角，它的横截面（主截面）如图1.1-1（b）所示。当一束白光以入射角I1进入棱镜的B点时，将以出射角I'1在三棱镜内射到对面的D点。即BD光线以入射角-I2入射到D点，然后又以出射角-I'2射出（DE）。显然，出射光AB较入射光DE偏转了δ角，通常将δ称为偏向角。

根据《应用光学》所提供的公式

式中，n为玻璃材料的折射率；α为棱镜的折射角；I1、I1′、I2、I2′分别为光线在两个折射面的入射角和折射角。

由式（1.1-1）可知，光线经棱镜折射以后，所产生的偏向角δ是I1、α和n的函数。对于给定的棱镜（α和n为定值），当入射光为单色光（λ为带宽极窄的单值）时，δ角仅随I1变化。可以证明当入射光线和出射光线对称于棱镜的法线，即满足I1=-I2′，I1′=-I2时，偏向角δ有最小值，常用δm表示。在最小偏向角的情况下，式（1.1-1）可以写成

另外，光学玻璃材料的折射率n 不但与材料性质有关，而且与入射光波长λ 有关。《工程光学》中给出了光学色散的基本公式（哈特曼公式）

式中，n0、C、λ0和α为与材料折射率有关的系数。对于折射率较低的玻璃材料，α值可取为1；对于高折射率材料，α值取为1.2。系数n0、C、λ0可由玻璃材料的参数表中查到。

由上述分析可以得出，以一定角度入射到三棱镜的白光光线在它的出射面将得到不同颜色的光带，即三棱镜使白光分成各种波长（颜色）的单色光。这个现象称为棱镜的分光效应。

因为单色光的波长越长折射率越小，波长越短折射率越大，因此，含有丰富光谱的白光经三棱镜折射后被分解成一族单色光带。即以一定入射角入射到三棱镜的白光，在棱镜的出射面形成如同彩虹一样的彩带，其颜色排列顺序为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。越靠近棱镜底部的单色光波长越短，而越远离棱镜底部的单色光波长越长。这种将白光分成各种颜色单色光的现象称为色散。利用色散棱镜可以将含有丰富单色谱线的光分解为各种单一波长的光，用来分析发光体的化学成分，即进行光谱分析。因此，棱镜色散是光谱分析的基础。

棱镜能够分光，但是分光效率较差，为了提高分光效率，可以将多个棱镜微缩并紧密排列，以便加强分光效率，这就成为光栅。光栅就是将每毫米几百或几千个微缩棱镜集成起来的光学器件，集成的棱镜数目越大获得的分光效率越显著。显然 1200pl/mm的光栅比 600pl/mm光栅的分光效率高得多。

（2）LED的发光原理

光电技术中的光源已经逐渐被 LED发光二极管光源所替代。众所周知，LED是利用PN结在正向偏置下光特性制造出来的器件。有些材料构成的PN结在正向电场的作用下，电子与空穴在扩散过程中要产生复合，复合过程中电子从高能级的“导带”跌落至低能级的“价带”，电子在跌落过程中若以辐射的形式释放出多余的能量，则将产生发光或发辐射的现象。如图1.1-2所示，为注入式LED能带结构，扩散运动中的电子从导带跌入到价带时以辐射的方式释放出多余的能量。它将发出峰值波长为λm的辐射，关系式为

式中，Eg为半导体材料的禁带宽度。

目前，已有发各种“单色”光谱的发光二极管（LED）。若在发蓝光的发光二极管上涂荧光物质，由于蓝光 LED的光谱能量很强，荧光物质将其转换成含有各种光谱成分的光谱集合，表现为发出复合波长的“白光”。常称其为白光发光二极管。

如图1.1-3所示，LED发光二极管发出的发光亮度L与流过LED的电流密度σ 成正比。因此，可以通过控制电流来控制（或调整）发光二极管的亮度。即可以通过改变发光二极管的电流改变投射到探测器表面上的照度。这就是LED光源具有的易调整性。利用该特性很容易设计出电光调制器。光纤通信技术中常利用LED的这个特性实现长距离的通信。

另外，发光二极管属于半导体发光光源，它具有体积小、发光效率高、寿命长、发光强度易于调节等特点，被广泛应用于测量仪器与照明灯的光源。也被我们选为光电实验平台的光源。

（3）光度参数与辐射度参数

参见《光电技术》、《光电传感器应用技术》等教材第1章的内容，光源发出光或物体反射光的能量计算通常用“通量”、“强度”、“出射度”和“亮度”等参数。实际上探测器都有确定的面积，单位面积上所接收的光通量，即为照度。因此，照度是最容易测量的参数，有了照度测量方法不难获得其他光度量，用探测器测量其他光度参数也就不难了。下面先讨论照度参数的测量实验，然后再讨论发光强度的测量实验。

①辐照度与光照度

辐照度或光照度均为单位探测器表面所接收的辐射通量或光通量。即

式中，S为探测器的面积。上述也是通过测量照度来测量光源功率的公式。

②发光强度

将点光源在给定方向的立体角元 dΩ内发射的辐通量 dΦe，与该方向立体角元 dΩ 之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度Ie，即

辐（射）强度的计量单位为瓦（特）每球面度（W/sr）。

对可见光，与式（1.1-7）类似，定义发光强度为

发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]，是照明领域的基本计量单位。

4．实验内容与步骤

实验内容主要包括以下几个方面：棱镜对“白光”的分光特性；光栅对“白光”的分光特性；比较两种分光元件的分光特性；掌握分光光谱的分布规律；测量远心照明光源在不同位置上的照度；测量LED光源的发光强度。

5．实验步骤

（1）棱镜分光实验

先从实验平台备件箱中取出分光棱镜、棱镜装调机构、发白光的LED远心照明光源、可调狭缝与观测屏，再将其按如图1.1-4所示的方式安装。

打开实验平台上的电源开关，使LED光源发出一束平行光，安装并调整分光棱镜，使LED的平行光束入射到分光棱镜的工作面上，在另一个工作面将出射出各种波长（颜色）的光。用白屏或白纸接收，则在屏幕上即可观测到彩色条纹。分析各种彩条的分布规律，记录各色彩条的排列顺序。

若在棱镜与屏幕之间加上一个聚焦透镜，彩条条纹将更为清晰地显现在屏幕上。

再记录添加成像透镜后从屏幕上观察到的现象与彩条的排列顺序，分析变化的原因。

（2）光栅分光实验

先从光电综合实验平台备件箱中取出1200条/毫米的光栅、光栅夹持器、发白光的远心照明光源、狭缝与光谱接收屏，再将其按如图1.1-5所示的布局安装在光电综合实验平台的光学台上构成实验装置。

在安装前一定要将所有的光学器件的几何中心调整到尽量在同一个水平线上，然后再分开放置。

打开实验平台上的电源开关，使LED光源发出一束平行光入射到可调宽度的狭缝上，经狭缝后成垂直的条形光带投射到分光光栅工作面上，由它反射出去的光被分成光谱，在白色屏或白纸上将得到按一定规律分布的彩色条纹（即光谱）。

调整光栅的方向，使彩色条纹在屏上的位置适合观察。分析各种彩色条纹的分布规律，光栅分光与棱镜分光的区别（分光效果与彩色条纹的排列顺序）。并用“数码相机”或线阵CCD图像传感器将实验结果摄录或存储下来。

上述介绍的光栅分光实验及其结构实际上就是光栅光谱仪的主要分光结构，即光电综合实验平台在暗室中可以借助上述结构构成既简单又明了的“单色仪”。这时，只要在接收屏处放置一个狭缝（出射狭缝），调节光栅的旋转角度就可以改变通过出射狭缝的光谱颜色，调整入射狭缝的宽度，既可以调整出射光谱的能量又可以调整由出射狭缝输出光谱的单色性。利用上述方法构成的“单色仪”可以进行光电二极管、光电三极管和其他光电传感器件的光谱响应的测量实验。尽管学生自身搭建“单色仪”的难度系数较大，但是学生通过该实验的训练使其开拓思维能力的锻炼是非常巨大的。

（3）观测发光二极管经光栅分光后的光谱分布

将图1.1-5所示的白光LED光源换成发蓝光、绿光和发红光的光源，观察此时出射屏上的色带分布规律。分析并记录条纹的分布情况与光谱在屏上位置的变化，说明位置移动的原因。通过该实验要充分认识LED光源的光谱分布特性，光谱谱线位置与波长相关，为学习光栅光谱仪器奠定基础。

（4）发光二极管电流与亮度的关系

从光电综合实验平台备件箱中取出单色 LED发光装置（LED光源）和照度计探头（探测器），在光电综合实验平台的光学台上将它们搭建成如图1.1-6所示的结构。将发光二极管的两根供电电源线与适当阻值的电阻串入数字电流表，电流表将测量出流过LED的电流ILED。调整电阻值使ILED在允许范围内。将照度计探头安装到恰好能够检测LED发出的光照度位置，然后进行测量。

先断开 LED的供电电路，测量系统的背景照度Evb，然后，接通 LED的供电电路，测出此时的照度Ev，LED发出的光在照度计探头位置上的实际光照度为

通过串入LED供电电路的电阻R调节发光电流ILED，记录不同ILED下测量出的LED的ELED，将其填入表1.1-1中；改变LED与照度计探头间的距离，再重复做上述实验，分析数据变化的原因。将LED与照度计探头间的距离L锁定，找出ILED与ELED的关系。

（5）发光强度的测量实验

发光强度测量实验的关键是制造出一个单位立体角，光电综合实验平台备件箱内提供了一个单位立体角装置，如图1.1-7所示为立体角装置的原理图，图中发光点S应该是被测LED的发光中心，在距离S 316mm处开一个直径为11.3mm的圆孔，圆孔对S点所张的立体角近似为0.001sr。该装置通过在3个不同位置设置3个孔径不同的限制光阑构成，因此从外形上看是一个圆柱形的机构。最靠近光电探测器件（硅光电池）的光阑孔径为11.3mm。

实验时先将光电池卸下，将发光二极管的发光中心置于S点，从立体角装置的另一端（可放置半透明薄纸）观察亮斑，测量亮斑的直径。立体角Ω的近似计算公式为

式中，A为亮斑直径，L为光点S距光斑的距离，D为亮斑的直径。

由式（1.1-8）可知发光强度为光通量Φv与立体角Ω的商，通过最后孔径光阑的光通量可以采用测量光斑照度Ev的方法测出通量Φv。

显然，立体角与光通量确定后就可以计算出S点的发光强度为

6．思考题

①若已知光电探头的光敏面积S和距离L，能否根据所测量的照度Ev计算出LED的发光强度ILED？计算时怎样处理环境背景照度Evb？为什么？

②为什么LED的发光光谱宽度较宽但是人眼观看到的却是“单色”的？

③你能否利用光学综合实验平台搭建出“单色仪”？能否在自己搭建的“单色仪”上进行光电器件光谱响应的测量？其中还有哪些问题没有解决？

1.2 光敏电阻特性参数及其测量实验

1．实验目的

通过光敏电阻典型特性参数的测量实验，了解光敏电阻基本工作原理；掌握光敏电阻的光照特性、时间响应特性和伏安特性等基本特性；能够选用光敏电阻器件进行光电检测方面课题设计。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机系统 ②LED光源及其夹持装置各1个

③光敏电阻探测器及其夹持装置各1个④磁性表座2个

⑤连接线20条 ⑥示波器探头2个

3．实验原理

某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象，称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导（或电阻）随入射光度量变化的器件，称为光电导器件或光敏电阻。

当光敏电阻受光照射时，其阻值将发生变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量信号电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，因此电路中电流迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。

通过本节实验，要求深入掌握《光电技术》第2章2.2节所讲授的关于光敏电阻光照特性、伏安特性和时间响应特性等内容。

实验中所涉及的变换电路应参考《光电技术》第2章2.2节所讲授的光敏电阻变换电路。

4．实验内容与步骤

（1）暗电阻的测量

从实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，将光敏电阻探测器实验装置的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图1.2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电压也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V 电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计。

实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻。测量时不要打开光敏电阻实验装置的保护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻。

按如图1.2-1所示的电路测出它的暗电流Id，它与电源电压Ubb之比的倒数，即为光敏电阻的暗电阻Rd。将所测得的电源电压Ubb值与电流Id值分别填入表1.2-1，得到光敏电阻暗电阻的阻值。

（2）亮电阻的测量

光敏电阻的亮电阻测量装置如图1.2-2所示，测量电路依然如图1.2-1所示。光敏电阻在一定的光照下（可以用数字照度计事先测出LED光源在不同电流下的照度值确定），测得的电流IP与电源电压Ubb（测量亮电阻时为确定值，如12V）之比的倒数，为光敏电阻的亮电阻阻值RL。将所测得的Ubb与IP填入表1.2-2，利用测量数据计算光敏电阻的亮电阻值。并在图1.2-3中画出亮电阻的特性曲线。

（3）光敏电阻光照特性的测量

利用光电综合实验平台，按图1.2-1所示的测量电路连接，便可以进行光敏电阻光照特性的测量实验。实验前，先将发光二极管用数字照度计进行标定，得到发光管电流If与受光面光照度Ev间的对应关系。然后，将光敏电阻的光敏面置于照度计标定过的受光面上。通过改变If获得不同Ev所对应的Rp。将If与Rp（或Ev与Rp）分别用直角（笛卡儿）坐标系及以10为底的对数坐标系画出，该曲线即为光敏电阻的光照特性曲线。比较两种坐标系下的曲线，分析它们的特点。

（4）光敏电阻的伏安特性及其测量

利用光电综合实验平台提供的硬件资源与示波输入端口很容易构成光敏电阻伏安特性的测量系统。光敏电阻的伏安特性是光敏电阻在一定光照下加在光敏电阻两端的电压U与流过的电流Ip间的关系曲线。由于光敏电阻的本质是电阻，因此，伏安特性曲线应为直线。

先将发光二极管光源与光电综合实验平台的电源连接起来，用照度计测出光敏面的照度，并做记录；再将光敏电阻探头的光敏面安装到受光面上，用连接线将光敏电阻和电源、测量仪表连接成如图1.2-1所示的测量电路。改变电源电压，得到一族U与Ip间的关系值，在如图1.2-3所示直角坐标系下画出U-Ip特性曲线，即为光敏电阻的伏安特性曲线。

当然，利用实验平台提供的如图1.2-4所示的锯齿波扫描电压与同步阶梯波可以很方便地测出光敏电阻的伏安特性曲线。测量方法为在如图1.2-1所示的电路中用锯齿波扫描电压代替电源，用阶梯波给 LED光源提供阶梯光照到光敏电阻上，用锯齿波做X轴扫描，用流过光敏电阻的电流在外接固定电阻上产生的电压做Y轴，就可以测出它的伏安特性曲线，如图1.2-5所示。

实验时，应该先用光电综合实验平台提供的LED光源、被测光敏电阻实验装置、连接导线和元器件构成测量电路。

（5）时间响应特性及其测量

光敏电阻是半导体光电器件中时间响应特性最强（或惯性最大）的器件，掌握它的测量方法有利于正确应用这类器件，同时也为测量其他光电器件的时间响应奠定基础。

①时间响应特性

参考《光电技术》第2章2.2节中光敏电阻时间响应特性的内容，掌握光敏电阻在弱辐射与强辐射条件下光敏电阻时间响应的不同。

a. 弱辐射条件下的时间响应

设入射辐射为如图1.2-6（a）所示方波光脉冲，其辐射通量为

光敏电阻的光电导率Δσ和光电流Ie随时间变化为如图1.2-6（b）所示的输出波形，其变化规律为

式中，Δσ0与Ie0分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。

显然，当t＞＞τr时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，I=0.63Ie0。τr 定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值e0IΦ的63%所需要的时间。

停止辐射时，入射辐射通量与时间的关系为

同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律为

当t=τf时，Δσ下降到Δσ=0.37Δσ0，Ie下降到Ie=0.37Ie0；当t＞＞τf时，Δσ与Ie均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间，称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。

显然，光敏电阻在弱辐射作用下，τr、τf近似相等。

b. 强辐射条件下的时间响应

如图1.2-7（a）所示为较强的辐射通量Φe脉冲作用于光敏电阻上，其输出波形如图1.2-7（b）所示，无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由式（1.2-6）表示。设入射辐射为方波脉冲

显然，当t＞＞τ时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0，Ie=0.76Ie0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间τr，定义为强辐射作用下的上升时间常数。

当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为

②时间响应的测量

a.常规测量方式

常规测量光敏电阻时间响应特性的方法是，用示波器同步测量脉冲光源的发光脉冲与光敏电阻电路输出信号脉冲间的时间延迟。

常规测量方法的测量电路如图1.2-8所示。由发光二极管（LED）及其驱动电路提供快速开关的辐射光源，它将产生脉冲辐射（方波辐射）。在方波辐射的作用下，光敏电阻的阻值将发生变化，由偏置电阻Rb构成的变换电路将光敏电阻阻值的变化变成输出电压Uo的变化。观测光敏电阻变换电路输出信号脉冲随入射辐射的时间变化规律，便可以测量出它的时间响应特性曲线。

测量时，取Ubb=12V。用示波器测量输出信号Uo与入射辐射源的时间变化波形，从而测得光敏电阻随入射辐射的变化规律（即时间响应）。

显然，图1.2-8中电阻值Re的大小控制着LED发出光的强弱，改变Re的值，可获得不同的辐射通量Φe作用下光敏电阻表现出的时间响应特性。因此，通过手动开关与Re阻值的改变，便可以观测到如图1.2-6所示的光敏电阻在弱辐射与强辐射情况下的时间响应特性。

实验中，要注意电阻值Re的选择，Re较大时，电流Ie较小，LED发出的光很弱，光敏电阻处于微弱辐射作用的情况；而Re较小，Ie较大，入射到光敏电阻上的照度将使光敏电阻处于强辐射状态。

采用手动控制光源的开关，或将脉冲加到光源的信号控制端都能够得到开关方式快速变化的强、弱两种脉冲辐射，用示波器或其他测量手段都可以方便地观测到光敏电阻在弱、强两种辐射情况下的时间响应特性曲线。

手动测量法应根据实验所得数据画出响应曲线，如果画在直角坐标系上，其横轴应为时间轴。从输入、输出波形曲线可以清楚地看出响应特性，它们的两个极限情况就是微弱辐射作用与强辐射作用下的两种时间响应特性曲线。

b. 仪器自动测量的方式

用光电综合实验平台很容易测量光敏电阻的时间响应特性曲线。实验时，首先要学习实验平台的操作规程、相应的软件操作规程与应用注意事项。再打开计算机电源，进入光敏电阻时间响应测量程序，调出如图1.2-9所示的时间相应测量软件界面提示的相关内容（如强、弱辐射等），用实验平台上的示波输入端口CH1测量如图1.2-8所示光源的发光脉冲Ui，用示波输入端口CH2测量如图1.2-8所示光敏电阻输出信号Uo。最后，按界面提示的步骤进行实验，得到如图1.2-9所示的输出波形，从两个波形可以测量出它们之间的时间延迟。

同样，通过调整电阻Re的阻值增大或减小流过发光管LED的电流，使加到光敏电阻光敏面上照度的强与弱，完成光敏电阻在强、弱两种辐射作用下的时间响应特性的测量实验。将如图1.2-9所示波形与图1.2-6及图1.2-7所示的时间响应波形相比较，显然它具有强辐射的特征，输出信号的上升时间很短而下降时间拖得很长。

改变Re的阻值，使提供给 LED的电流降低而发出很微弱的光脉冲，在微弱光脉冲的作用下光敏电阻表现出如图1.2-10所示的弱辐射作用下的时间响应特性曲线。

单击鼠标右键，界面上会弹出测量坐标线，用其可以观测或测量出光敏电阻的上升时间常数τr与下降时间常数τf。

1.3 光敏电阻的变换电路实验

1．实验目的

光敏电阻的变换电路是学习光敏电阻，应用光敏电阻进行光电测量与光电控制的核心内容。通过光敏电阻变换电路的实验，学习光敏电阻基本变换电路的类型及其特性；重点掌握光敏电阻的恒压偏置电路与恒流偏置电路的组成及其特性；掌握在应用光敏电阻进行光电检测与控制时正确选择变换电路。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机

②LED光源及其夹持装置各1个

③光敏电阻探测器及其夹持装置各1个

④磁性表座2个

⑤连接线20条

⑥示波器探头2个

3．实验内容与步骤

实验内容包括：

（1）组装光敏电阻的恒流偏置电路，测量其电压灵敏度，分析电压灵敏度与电路中的哪个器件关系密切。

（2）组装光敏电阻的恒压偏置电路，测量其电压灵敏度，分析电压灵敏度与电路中的哪些器件关系密切。

（1）安装照明光源

先从光电综合实验平台的配件箱中取出LED照明光源，并将其安装在实验平台的光学平台面上；再取出光敏电阻实验装置，将其与LED光源对应安装成一组（等高，并离开一定的距离）测量单元。

将光源的连线接入光电综合实验平台的供电电路，合上光电实验平台开关，光源被点亮。取出数字照度计置于被测面上，调整并记录发光管电流If的值，测出光敏电阻光敏面的照度Ev，改变If，再测照度Ev，得到光源的发光特性曲线。

（2）组装光敏电阻的恒流偏置电路

用连接线将光敏电阻与三极管等器件按如图1.3-1所示的电路接成恒流偏置变换电路。电路参数可以自己选定，参数的不同会产生不同的结果。参数选取的原则有两个：

①满足稳压二极管稳定工作的条件

式中，Uw为稳压管两端的电压。流过稳压管的电流大于5mA，稳压管两端的电压便保持稳定。

②满足三极管的线性工作条件。必须使三极管工作在线性放大区，只有在线性放大区三极管的发射极电流才近似等于集电极电流，光敏电阻才能处于恒流偏置的状态。因此，应使三极管的集-射结电压Uce大于饱和压降Uces，即

其中，Re为光敏电阻Rp提供偏置电流的控制电阻，在三极管处于放大工作状态下，光敏电阻的电流近似为

Ie值的大小必须满足恒流偏置电路中的三极管VT处于放大工作状态。

（3）恒流偏置电路电压灵敏度的测量

首先测量三极管的基极电位是否为所选稳压二极管的稳定电压值Uw，满足要求后，检测三极管的Uce是否满足在线性区工作的要求。都满足后，调整光源的照度Ev，测量输出电压Uo，并记录下来，获得一组Ev-Uo数据。因此，可以计算出恒流偏置电路的电压灵敏度为

分析测量结果，说明Sv非线性的原因。

（4）组装光敏电阻的恒压偏置电路

用连接线将光敏电阻按如图1.3-2所示的电路接成恒压偏置电路。电路参数可以自己选定，不同的参数会有不同的结果。参数选取的原则是：

①满足稳压二极管稳定工作的条件

流过稳压管的电流大于5mA，稳压管两端的电压便保持稳定。

②使三极管工作在线性放大区。只有在线性放大区三极管的发射极电流才近似等于集电极电流，处于恒压偏置的光敏电阻的电流才等于集电极电流，输出电压Uo才可以近似为

（5）恒压偏置电路电压灵敏度的测量

在满足如图1.3-2所示三极管线性工作的要求后，可以调整光源的照度Ev，测量Uo，得Ev-Uo数据。计算出恒压偏置电路的电压灵敏度为

分析测量结果，说明Sv非线性的原因。改变Rc与Rb的值，观察灵敏度的变化，分析原因。

（6）恒流偏置电路时间响应的测量

利用光电综合实验平台的示波功能可以对光敏电阻的恒流偏置电路、恒压偏置电路的时间响应进行自动测量。例如，图1.3-3所示为恒流偏置状态下光敏电阻RP的测量电路，图（a）为LED 驱动电路，图（b）为光敏电阻恒流偏置电路。测量时将光电综合实验平台上输出的方波脉冲加到电路的输入端（Ui）,利用软件界面改变输出脉冲的频率，用平台提供的示波探头（CH1）测量Ui，即用CH1探头测量LED发出的光脉冲信号，用示波探头 CH2接恒流偏置光敏电阻RP变换电路的输出端Uo，测量输出的信号波形。

CH1显示的是LED发出的光脉冲波形，而CH2观察到的是电路输出电压Uo的波形，因此，比较 CH1与CH2脉冲信号间的相位关系就能够测量出恒流偏置下的光敏电阻时间响应特性曲线。

搭建实验电路时，电阻R1、R2和Re均可以选用平台上提供的固定电阻与电位器。通过调整Re的阻值能够调整流过LED的电流，因此能够实现对弱辐射与强辐射两种状态下光敏电阻时间响应特性的测量。

用同样的方法还可以搭建出恒压偏置电路下光敏电阻的时间响应特性的测量电路，测量出光敏电阻的时间响应特性曲线。

1.4 光电二极管特性参数及其测量实验

1．实验目的

硅光电二极管是最基本的光生伏特器件，掌握硅光电二极管的基本特性参数及其测量方法对学习其他光伏器件十分有利。通过该实验，要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②LED照明光源及其夹持装置各1个

③光电二极管测试件及其夹持装置各1个

④磁性表座2个

⑤连接线20条

⑥示波器探头2个

3．基础知识

光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个PN结。参考《光电技术》第3章3.1节的内容，光电二极管的全电流方程为

式中，前一项描述的是扩散电流，可以用Ik表示；后一项为光生电流，常用IP表示。显然，Ik与加在光电二极管上的偏置电压U有关，当U=0时，Ik=0。Ik与U的关系为

式中，ID称为反向漏电流，它与材料的杂质浓度有关；q为电子电荷量，k为玻耳兹曼常数，T为环境的绝对温度。显然，式（1.4-2）描述了光电二极管的扩散电流与普通二极管没有什么区别。

而与入射辐射有关的电流为

式中，h为普朗克常数，α为硅材料的吸收系数，d为光电二极管在光行进方向上的厚度，λ为入射光的波长。显然，对单色辐射来讲，当光电二极管确定后，上述参数均为常数。

因此，结论为：光电二极管的光电流随入射辐射通量Φe,λ呈线性变化，式（1.4-3）中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方向相反。

4．实验内容与步骤

（1）光照灵敏度的测量

定义光电二极管的电流灵敏度Si为入射到光敏面上辐射量的变化（如通量变化 dΦ ）引起电流的变化dI与辐射量变化量dΦ 之比，即

显然，当某波长λ的辐射作用于光电二极管时，其电流灵敏度为与材料有关的常数，表征光电二极管的光电转换特性的线性关系。

①暗电流的测量

首先测量光电二极管的暗电流，测量电路如图1.4-1所示。当光电二极管处于暗室状态时，图1.4-1的数字电流表所测量的是暗电流。

具体测量步聚如下：

a. 从光电综合实验平台的配件箱中取出光电二极管测试件和LED照明光源，分别将其安装在实验平台上。安装时要注意能使LED光源发出的光照在光电二极管上。

b. 用连接线将光电二极管与光电综合实验平台上提供的数字电流表(mA 表)、可调电源及数字电压表（用来测量器件两端的电压UD）连接成如图1.4-1所示的电路。

c.将光电二极管测试件的入射窗口盖上，调整电源电压，观测数字电流表数值的变化，并将电流与电源电压的值记录下来，在直角坐标系中画出电流与电压的关系曲线，即为被测光电二极管的暗电流特性曲线。

②光照特性的测量

在测量完暗电流以后，先在实验平台上搭建 LED的供电电路（可以搭建简单供电电路，也可以搭建恒流供电电路），调节LED光源的亮度，用光电综合实验平台提供的电流表与照度计分别测出LED的电流Ip值及与之对应的光源出口处的照度值，便可以获得LED光源的光电流Ip与入射到被测光电二极管光敏面处的光照度Ev间的光照特性曲线。再将光源与光电二极管安装装置组装在一起。

实验过程中，先将测量值填入表1.4-1中，然后再在直角坐标系（见图1.4-2）中画光电二极管的光照特性曲线。

由光照特性曲线很容易计算出光电二极管的光电灵敏度为

（2）光电二极管伏安特性的测量

光电二极管伏安特性的测量方法分为两种。

①描点测量方法

描点测量方法是利用图1.4-1所示的电路测量出光电二极管的伏安特性，并描绘出特性曲线。在测量时，首先设定入射光的照度值，而后改变电源电压Ubb，用数字电压表测量光电二极管两端的电压UD，用数字电流表测量光电流Ip，将测量值填入表1.4-2中。

由图1.4-1可见，由于光电二极管两端所加的偏置电压均为负值，PN结的结区加宽（如图中P、N 区内的竖线所示）。将表1.4-2中的数值在如图1.4-3所示的直角坐标系找到对应点，再将这些点连成线，便可画出一族特性曲线，即光电二极管在反向电压作用下的伏安特性曲线。

②自动测量方法

自动测量方法是将发光二极管与被测光电二极管组装成如图1.4-4所示的电路。将光电综合实验平台上提供的阶梯信号接到发光二极管供电电路的输入端，使其发出阶梯光脉冲；将光电综合实验平台提供的锯齿扫描波作为被测光电二极管的偏置电源，使光电二极管上加载的电压由低向高逐渐增强。由于实验平台提供的“阶梯波”与“锯齿波”均具有严格的“同步”关系，用实验平台的“示波器”探头将光电二极管输出信号接入计算机系统，便完成了自动测量光电二极管伏安特性的准备工作。完成光电二极管电压由低到高变化（或扫描）一次，LED提供一个阶梯的亮度。

在LED 提供一个阶梯亮度的情况下，光电二极管的电源电压做一次由低到高的扫描。以扫描电压为横轴，以反映流过光电二极管电流强度（Ip）的输出电压Uo为纵轴，进行扫描，在计算机显示屏上便获得光电二极管的伏安特性曲线。

实验时，用光电综合实验平台提供的基本电子元器件构成如图1.4-4所示的LED 供电电路，然后再搭建光电二极管的接收电路，并将LED与所用的光电二极管实验装置放在一起，使之尽量靠近，尽量避免杂散光的干扰（可以采用“遮光罩”）。将平台上的2个示波探头分别接到阶梯波、锯齿扫描电压与光电二极管的输出端，观察它们的工作是否正常。并以锯齿波为x轴分别测量出每个锯齿扫描期间，光电二极管的输出波形（显然以输出信号为y轴）。

从实验平台示波功能软件上分别观察到各路信号正常后，调出如图1.4-5所示的执行软件界面，在界面上先选中“伏安特性实验”，选定采样频率，要求在500kHz以下，如100kHz，然后单击界面上的“示波器”，弹出如图1.4-6所示的示波窗口界面，选择适当的通道，将示波笔（探头）接入相应的通道，再单击“开始”菜单，屏幕上将显示示波笔输入信号的波形。

如图1.4-6所示，选中第1通道和第3通道作为输入端。观察示波器的波形，确实符合需要后，再单击“停止”将在显示屏上出现用示波笔所采集的信号波形。单击“返回”，便回到如图1.4-5所示的软件界面。再设置“伏安特性测量”的两个坐标轴，设置方法如下：在图1.4-5所示界面中单击“选择通道”菜单，弹出如图1.4-7所示的选择数据通道界面，在该界面的提示下正确选择“伏安特性测试”所用示波笔输入的通道。例如，图1.4-7中选择通道3为扫描电压的接入端，其波形应为锯齿波，它为“数据采集”后的x轴坐标；“电流信号”部分选择了通道1，它接到光电二极管的信号输出端，“数据采集”后的值为y轴坐标；设置好后按“确定”键，然后再按“返回”键，便完成了设置并返回到图1.4-5所示的主界面。在主界面上单击“数据采集”，会显示如图1.4-8所示光电二极管的伏安特性曲线，即典型光电二极管器件的伏安特性曲线。

适当调整测试电路的Ri、Rc和Ro等参数就能获得如图1.4-8所示光电二极管伏安特性曲线。

从光电二极管伏安特性曲线中可以找到光电二极管的饱和区、线性区，静态工作点的合理位置与动态范围等。还能够测量出线性区的电流放大倍数等参数。这些参数在实际应用中都非常重要，对电路设计很有价值。

（3）光电二极管时间响应的测量

测量电路如图1.4-9所示。首先将发光二极管连接成如图中左侧所示的脉冲光源电路，发出频率不高于5MHz的方波光脉冲。然后，将其接入偏置电路，并使其能够接收到方波光脉冲辐射。

将实验平台测量输入端子 S1接到发光脉冲信号输入端，S2接到光电二极管电路输出端Uo，打开计算机并执行发光二极管测量程序，观测S1与S2端波形，根据S2相对S1的波形，测量出光电二极管的上升时间tr与下降时间toff，比较tr与toff的值，计算出光电二极管的时间响应τ。最后，画出光电二极管的时间响应特性曲线。

（4）光电二极管光谱响应特性的测量

光电二极管光谱响应特性的测量是非常复杂的，它需要波长范围很窄的等强度单色光源，而且，必须使各单色光源对被测光电二极管的光照度（或光能量）相等。在上述条件满足的情况下才能测得光电二极管的光谱响应。用单色仪分光只能将光源中所含的单色光谱分离开来。而由于组成光源的光谱强度相差较大，因此获得测量光谱响应的等值单色光谱是困难的。但是，为使学生对光电二极管的光谱响应有更深的感性认识，采用发光二极管作为“单色”光源设计出简易的光电二极管的光谱响应特性测试实验。

采用经过光谱与发光强度标定过的多种颜色的发光二极管近似为单色光源，使其发出定值照度（如表1.4-3所示），测量在不同颜色的光照射下光电二极管光电流Ip的值，填入表1.4-3中，并画出被测光电二极管的光谱响应特性曲线。

5．思考题

①能否用光电综合实验平台提供的器材自行搭建“单色仪”？并在自行搭建的“单色仪”上完成光电二极管的光谱响应特性的测量？

②能否实现自动测量光电二极管的光谱响应特性？以及如何改造光电综合实验平台使之能够自动测量光谱响应特性？

1.5 光电池的偏置与基本特性实验

1．实验目的

硅光电池常有3种偏置方式，即自偏置、零伏偏置与反向偏置。在不同偏置的情况下硅光电池将表现出不同的特性（《光电技术》第3章3.2.3节对其进行了详细的叙述），适用于不同的应用，因此，学习并掌握硅光电池 3种偏置的特性与正确应用硅光电池进行光电测量与控制技术是非常重要的。本节通过典型光电池的各种偏置电路实验，掌握电路的特性。

2．实验内容

（1）硅光电池在不同偏置状态下的基本特性；

（2）测试硅光电池在不同偏置状态下的典型特性参数；

（3）测量硅光电池在反向偏置下的时间响应。

3．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②光电池实验装置及其夹持装置各1个

③LED光源及其夹持装置各1个

④磁性表座2个

⑤连接线20条

⑥双踪示波器1台

4．实验原理

硅光电池与光电二极管类似，具有光生伏特器件的特性，是典型的PN结型光生伏特器件。硅光电池与光电二极管的不同之处在于它的光敏面积较大，PN结型材料的参杂浓度较高，内阻较小，便于向负载供电（见《光电技术》第3章3.2.3节）。

（1）自偏置电路

硅光电池自偏置电路的实验电路如图1.5-1（a）所示，用数字电压表测量硅光电池两端的电压，用微安表测量流过硅光电池的电流。显然，加在硅光电池两端的偏置电压由光生电流在负载电阻上产生的压降提供。因此，称其为自偏置电路。

在自偏置情况下，硅光电池的电流方程为

式中，电压U=IpRL，为自偏置电压。流过光电二极管的电流由两部分组成：一部分与入射辐射有关，另一部分与偏置电压（或负载电阻RL）成指数关系。

由此可以得到Ip与RL间的关系和如图1.5-1（b）所示关系曲线，它应该位于第4象限，为方便分析与计算将其旋转到第1象限。

当RL=0，U=0时，相当于硅光电池处于短路工作状态；短路状态下，流过硅光电池的电流为短路电流Isc，它与入射辐射通量φe,λ的关系为

短路状态下硅光电池的输出功率为零。为自偏置电路的特殊状态（RL=0），工作点位于直角坐标的纵轴上。

另一个特殊状态为RL→∞，即开路状态。此时，流过硅光电池的电流为零（Ip=0），可以推导出开路电压为

显然，它应该位于横轴上，是对数函数，与光电流及暗电流成对数关系。同样，开路状态下的输出功率也为零。

但是，当0 <RL <∞时，输出功率PL > 0。RL取何值使硅光电池的输出功率最大，是利用硅光电池做电源向负载供电的关键技术。通过实验找到获得最大输出功率的最佳负载电阻Ropt，是硅光电池自偏置电路的关键问题。

（2）反向偏置电路

硅光电池的反向偏置电路与光电二极管的反向偏置电路类似，PN结所加的外电场方向与内建电场方向相同，使PN结区加宽，更有利于漂移运动的光生电子与空穴的运动。只要外加电场足够大，光电流Ip只与光度量有关而与外加电压的幅度无关，如图1.5-1（a）所示。

显然，反向偏置下的硅光电池不会对负载输出功率，只能消耗供电电源的功率。

（3）零伏偏置电路

硅光电池在零伏偏置状态下具有良好的光电响应特性，它的暗电流为零。这是硅光电池零伏偏置的最大特点。绝对零伏偏置的电路是不存在的，但可以制作近似的零伏偏置电路。如图1.5-2所示为典型的硅光电池零伏偏置电路。图中，用高增益的高阻抗运算放大器构成闭环放大电路对硅光电池的等效输入电阻Ri接近于零，使电路近似为零伏偏置。

5．实验步骤

（1）自偏置电路的输出特性与最佳负载电阻

①自偏置电路的输出特性

a. 先将硅光电池装置和LED光源装置牢靠地安装到光电综合实验平台的光学台面上，将LED光源的供电电源线串接一只数字毫安表及可调电阻，使其发出的光能够调整，并能够入射到硅光电池敏感面上，再按照图1.5-1所示连接成自偏置电路。

b.在做硅光电池特性实验之前先对LED进行标定，先用可调电位器（实验平台上提供多种可调电位器）调整流过发光二极管的电流ILED，用实验平台提供的数字照度计测量等效落入硅光电池光敏面上的照度（表1.5-1要求的照度值），电流表的示值ILED。

c.将实验平台的开关打开，调整可调电位器，使电流表的示值为期望值，读出电流值ILED，并锁定。用不同阻值的负载电阻接入自偏置电路。记录流过硅光电池的电流Ip，计算输出功率P，将Ip与P填入表1.5-1中。

d. 改变ILED的值（相当于改变照度），再测一组流过硅光电池的电流Ip和对应的输出功率P，填入表1.5-1中。

根据表1.5-1中的值在图1.5-3所示的直角坐标系上找到相应的点，并将各点连接起来形成如图1.5-1（b）所示的特性曲线。

显然，上述为常规的测量方法。现在，我们已经具备了能够自动测量硅光电池的基本条件，如何实现？作为一个问题写在这里（光电二极管伏安特性的自动测量方法可以供读者作为参考），请自行设计硅光电池自偏置状态下测量伏安特性曲线的方法和测量步骤。

②测量最佳负载电阻

从表1.5-1中可以看出，硅光电池在某照度下的输出功率P将随负载电阻RL而变化；而且，总存在这样的负载电阻RL，它所对应的输出功率为最大，该负载电阻常被称为最佳负载电阻，记为Ropt。在不同辐照度下的最佳负载电阻Ropt的阻值不同，通过实验可以找到最佳负载电阻Ropt与入射辐照度的关系。

利用光电实验平台所提供的条件，并将负载电阻RL用电位器代替，重复自偏置电路的实验，测量出不同负载电阻下的输出功率，找到输出功率最大时的电阻值，即为最佳负载电阻。当然也可以先测出硅光电池的伏安特性曲线，再测量出最佳负载电阻Ropt 。

（2）硅光电池的零伏偏置电路

①零伏偏置电路的组成

在光电综合实验平台中找到任意一个放大器和反馈电阻Rf，将其连接成如图1.5-2所示的零伏偏置电路。将相应的测量仪表也连接好。自行检查无误后，打开光电综合实验平台的电源，将LED照明光源与硅光电池装成如图1.2-2所示的一对，将已知照度的光投射到硅光电池的光敏面上。

用实验平台提供的数字电压表测量零伏偏置电路的输出电压Uo，用数字电流表测量LED光源的发光电流ILED，通过改变ILED改变硅光电池光敏面上的照度，记录输出电压与ILED的值。在直角坐标系上画出Uo-ILED关系曲线。

②零伏偏置电路参数对光电转换特性的影响

硅光电池零伏偏置电路的主要参数是反馈电阻Rf ，实验时用不同阻值的反馈电阻Rf ，测量其光电灵敏度，观测硅光电池的光电灵敏度与电阻Rf的关系。

（3）硅光电池的反向偏置电路

从实验平台备件箱中取出装有硅光电池的探头，连接成如图1.5-4所示的电路，由于加在硅光电池两端的电场与硅光电池 PN结的内建电场方向相同，阻挡扩散电荷的运动而有利于漂移运动，因此称其为反向偏置电路。将LED光源与硅光电池探头按如图1.5-5所示的结构稳固地安装在光学平台上，并用实验平台上的数字电压表测量输出电压Uo。

如果反向偏置电路如图1.5-4（b）所示，输出电压Uo应为电源电压Ubb与光生电流IP在负载电阻RL两端产生的压降IpRL之差，即

式中，RL为负载电阻。由式（1.5-4）可见，输出电压与入射光通量Φv, λ的变化方向相反。

实验时，先打开光电综合实验平台的电源，然后调整光源的电流ILED，使入射的光通量Φv,λ或照度Ev为适当值，测出此时的光电流Ip与输出电压Uo的值，填入表1.5-2中；再改变LED光源的电流值，测得另一组数据，填入表1.5-2。

最终测得5组数据，根此在直角坐标系上画出不同的光照特性曲线。

将表中的数据用坐标表示，便画出如图1.5-6所示的特性曲线，曲线中，负载电阻值直接影响输出电压的变化量，影响电路的电压灵敏度。

光电综合实验平台提供对硅光电池反向偏置电路进行实验的相关软硬件，可使学生很方便地完成硅光电池反偏特性曲线的测试。

测试时电源用锯齿波提供，入射到光电池上的光由LED光源提供阶梯光照信号，在软件菜单上选定阶梯的步长，执行特性曲线测量软件，便可直接在计算机屏幕上观测到硅光电池反向偏置下的特性曲线。

由特性曲线可以方便地测出硅光电池的电流灵敏度SI，电压灵敏度SV等参数。

（4）测量硅光电池反向偏置状态下的时间响应

硅光电池在反向偏置状态下的时间响应测量电路如图1.5-7所示。用光电综合实验平台提供的2只示波输入探头 CH1与CH2分别观测输入方波信号Ui和反向偏置的光电池输出信号Uo，并将输入与输出信号分别送至光电综合实验平台的数据采集系统中，由实验平台提供的数据采集软件将在计算机上显示出两个波形间的相位差及其时间延迟特性曲线，由延迟特性曲线可以测量出光电池在反向偏置状况下的时间响应特性曲线。

详细时间响应操作过程如下。

在执行光电实验平台提供的时间响应测量软件之前，先在界面上设置或选择适当的输入频率，时间响应测量界面提供多种频率选择，一般选择频率为100kHz，即光源为100kHz的方波脉冲，在其作用下，硅光电池将输出相应的方波脉冲。由于硅光电池具有较大的时间响应特性，使它的上升时间ton与下降时间toff均较大。用光电综合试验平台提供的“示波软、硬件”可以在计算机中观测到它的上升时间ton与下降时间toff，即观测硅光电池的时间响应特性。

6．思考题

①实验中，输入脉冲频率的挡位选择对硅光电池的时间响应是否发生影响？为什么？

②图1.5-7中电阻R4的阻值不同对硅光电池反向偏置电路的时间响应特性是否有影响？为什么？

1.6 光电三极管特性参数及其测量实验

1．实验目的

硅光电三极管是一种最基本、最常用的光生伏特器件，掌握它的基本特性和性能参数的测量方法，是实现光电检测与控制的重要手段。通过本节实验，应熟悉光电三极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性，掌握相关特性参数的测试方法。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②光电三极管实验装置及其夹持装置各1个

③LED光源装置及其夹持装置各1个

④磁性表座2个

⑤连接线20条

⑥示波器探头2个

3．基础知识

为提高光电二极管的电流灵敏度，提高内增益，采用具有电流放大功能的晶体三极管制造出了NPN或PNP型 Si（或Ge等半导体）光电三极管。其原理结构及等效电路如图1.6-1所示。

它是由两个PN结构成的半导体光电器件，在如图1.6-1所示的偏置电压作用下，其集电结处于反向偏置，发射结处于正向偏置。因此，集电结构成的光电二极管因本证吸收所产生的电子-空穴对中的空穴与处于正向偏置的发射结所发射的电子复合形成基极电流Ib，显然

处于反向偏置的集电结收集基极电流Ib并放大β倍，即

它是光电二极管灵敏度的β倍，即它与光电二极管相比增益提高到β倍。

光电三极管光电灵敏度的提高带来了光电特性的变化，它的光电灵敏度的线性、伏安特性与时间响应特性都与光电二极管有所差异。这些内容在《光电技术》、《光电图像传感器应用技术》等教材中都有详细的论述，通过本实验可以在实际应用中能够正确选择适当型号的器件，更为合理地应用光电三极管进行相关设计 。

4．实验内容与步骤

（1）光电三极管伏安特性

①常规测量方法

光电三极管在不同照度下的伏安特性就像一般晶体三极管在不同的基极电流输入下的输出特性一样，光电三极管可以将光信号变换成电信号。

按图1.6-1（a）所示电路将光电三极管实验装置接入如图1.6-2所示的测量电路，将实验平台上的数字电压表跨接到光电三极管的两端（发射极接电压表的负极），电流表串入测量电路中（注意电表的极性应如图1.6-2中所示），再用两根带插头的引线将负载电阻也串入测量电路中。电源电压可以选择+12V，也可以选择+5V（实验平台均能提供）。通过插线很容易构成测量电路。测量用的光源可以选用光电综合实验平台提供的LED照明光源，它能够在不改变光源光谱成分情况下通过改变电流来改变光电三极管光敏面上的照度（可以用实验平台上的照度计事先标定好所用光源装置的电流与照度间的关系，然后便可通过测量电流得到已知的照度），以便用已知光源进行光电器件伏安特性的测量。

在一定照度的光源作用下缓慢调节如图1.6-2所示的电源电压Ubb（可以自行用实验平台提供的电子元器件构成可调电源），使其在1～9V 范围内变化，或按表1.6-1～表1.6-4给出的电源电压值的变化，测量光电三极管的输出电流IL和光电三极管两端的电压UL。填入表1.6-1～表1.6-4。

根据表1.6-1～表1.6-4的数据在直角坐标中画出光电三极管在一定照度下的伏安特性曲线。

②仪器扫描自动测量法

仪器扫描自动测量法是通过仪器内部的扫描电路为光电三极管提供阶梯波光照和锯齿波偏置电压，在一个阶梯光照下电源做线性变化，从而获得光电三极管的伏安特性曲线。

自动测量法的操作过程和实验步骤和前面介绍的“光电二极管伏安特性曲线的测量方法”相似，这里不再赘述。

（2）光电三极管光照特性的测量

光电三极管的光照特性主要表现在它的暗电流特性与亮电流特性方面，通常采用如下方法进行测量。仍采用如图1.6-2所示的测量电路，先设定加在光电三极管上的偏置电压UD（或电源电压Ubb），然后改变入射到光电三极管上的光照度，测出对应不同照度下流过负载电阻RL的电流IL，将IL填入表1.6-5中；改变偏置电压，重复上述过程，可以获得与表1.6-5类似的测量值；根据这些测量值绘出光照特性曲线。

显然，照度为0时输出的电流为暗电流。

（3）光电三极管的光谱响应

光电三极管对不同波长的光，其接收灵敏度是不一样的，它有一个峰值响应波长。当入射光的波长大于峰值波长时，其相对灵敏度要下降。当入射光的波长大于某波长（长波长）时，由于入射光子的能量太小，不足以激发电子从价带跃迁到导带产生电子空穴对。而入射光的波长小于峰值响应波长时，相对灵敏度也要下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收了，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结时使相对灵敏度下降。

实验时通过滤色片“过滤白光”可以得到不同波长的近似单色光，当然也可以用LED发光管发出的近似单色光作为光源。用密度片对光进行衰减改变其照度，也可以采用改变LED的工作电流的方式改变其照度，使不同波长的单色光具有相同的照度作用到光电三极管上，得到不同波长的光作用下的灵敏度。这就是光电三极管的光谱响应。

光电三极管光谱响应（光谱特性）的实验方法也与光照特性的测量方法相似，可参照上述实验进行。将实验数据填入表1.6-6，便可绘制出光电三极管的光谱特性曲线。

当然，采用光电综合实验平台提供的光谱响应测量软硬件便可直接在计算机软件界面开出的窗口上自动测量出光电三极管的光谱特性曲线。

采用自动测量光电三极管光谱响应测量软件时，应事先对LED光源的光谱与光强分布进行标定，对测量系统的方波波长与能量分布进行标定。然后，执行光谱测量软件便可自动绘出光电三极管的光谱响应特性曲线。

能否用光电综合实验平台提供的器材自行搭建“单色仪”？并在自行搭建的“单色仪”上完成光电三极管的光谱响应特性的测量？能否实现自动测量光电三极管的光谱响应特性？以及如何改造光电综合实验平台使之能够自动测量光谱响应特性？这些问题留给读者自行考虑。

（4）光电三极管的时间响应

光电三极管的时间响应测量电路如图1.6-3所示，光源由发光二极管提供。由于发光二极管的时间响应远远小于光电三极管，因此，对于光电三极管来说发光二极管在方波脉冲电流作用下发出的光可以近似为方波辐射。光电三极管在方波辐射作用下的响应标志着光电三极管的时间响应特性。因此，用图1.6-3所示的时间响应测量电路中光电三极管集电极输出信号Uo的波形能够测量出它的时间响应特性。

Uo波形的上升时间tr和下降时间tf，都滞后于输入脉冲的两个边沿，通过同步测量输入与输出脉冲的波形可以测量光电三极管的时间响应。测量时，将输入至发光二极管的方波脉冲接到实验平台输入端 CH1上，用做数据采集的同步控制并将其波形显示出来；输出信号Uo接到实验平台的另一个输入端CH3上，作为被测信号。接好后，合上实验平台电源和计算机电源，执行“光电综合实验平台软件”，在弹出的主菜单上选择适当的工作频率，如选择 500 kHz，单击“示波器”功能键，在示波器界面上单击“开始”，则界面显示的两示波器探头所测得的信号波形如图1.6-4所示，其中下部方波为光源的驱动波形，上部为光电器件的输出波形。显然输出波形因器件的惯性而产生延迟，单击鼠标右键可以测出波形任意点处的幅值与位置值（纵、横坐标值）。如图1.6-4中选择上升到幅值的10%的时间起点，如图1.6-5中选择上升到幅值的90%的时间终点，由图1.6-4及图1.6-5可以方便地测量出电路的上升时间与下降时间。

从图1.6-4与1.6-5中可以看出，输出电压波形延迟于输入脉冲的波形，表明光电三极管的反向偏置电路存在着时间延迟现象，利用软件提供的测量工具，可以找到它的上升时间tr和下降时间tf值。

实验过程中应该具体计算出光电三极管的两种变换电路在不同工作频率下的上升时间与下降时间，通过实验，掌握时间响应的测量方法。

实验结束后，将光电三极管的时间响应特性曲线用计算机抓图的方法存入计算机，并填入实验报告。

5．思考题

①你能否利用光电综合实验平台提供的软、硬件资源设计用“数据采集”方法画出光电三极管在不颜色LED作用下的伏安特性曲线？

②光电三极管、光电二极管的伏安特性曲线有何相同与不同之处？为什么？

③光电三极管时间响应特性下降的原因是什么？加大负载电阻的阻值会使时间响应变好还是变坏？

④你在光电三极管时间响应特性测试实验中用过测量时间的“测试线”吗？感觉如何？你能在此基础上设计出能够同时显示两条测试线的软件吗？

1.7 光电倍增管电流倍增特性与特性参数测试实验

1．实验目的

光电倍增管是最灵敏的光电传感器件，其暗电流、信噪比、灵敏度和时间响应等特性都具有独特的特点，是非常优秀的一类光电器件。掌握光电倍增管的主要特性与参数对微弱辐射的探测具有非常重要的意义。

2．实验器材

①PMTS-II光电倍增管实验仪1台

②耐高压连接线8条

3．基础知识

（1）光电倍增管工作原理

光电倍增管属于真空光电传感器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子聚焦系统、倍增

电极和阳极5部分构成。光电倍增管有多种结构类型，典型光电倍增管如图1.7-1所示，为侧窗圆形鼠笼式光电倍增管。其工作原理见《光电技术》的第4章，分为下面5部分：

①光子透过入射窗口玻璃入射到玻璃内层光电阴极上，窗口玻璃的透过率满足光电倍增管的光谱响应特性。

②进入光电阴极上的光子使光电阴极材料产生外光电效应，激发出电子并飞离表面到真空中，称其为光电子。

③光电子通过电场加速，并在电子聚焦系统的作用下射入到第一倍增极 D1上，D1发射出的光电子数目是入射光电子数目的δ倍，这些二次光电子又在电场作用下射入到下一增极。

④入射光电子经N级倍增后，电子数就被放大δN倍，图1.7-1所示的倍增管共有8级，即N=8。

⑤经过电子倍增后的二次电子由阳极收集起来，形成阳极电流，在负载上产生压降，输出电压信号Uo。

（2）光电倍增管的基本特性参数

光电倍增管的特性参数如下。

①光电灵敏度

光电灵敏度是光电倍增管探测光信号能力的一个重要标志，通常分为阴极灵敏度Sk与阳极灵敏度Sa。它们又可分为光谱灵敏度与积分灵敏度。关于灵敏度的定义请参考《光电技术》的第4章。光电倍增管的阳极光谱灵敏度常用Sa, λ表示，阳极积分灵敏度常用Sa表示，其量纲为A/lm。

②阴极光谱灵敏度Sk, λ

Sk, λ定义为阴极电流与入射光谱光通量之比，即

③阴极积分灵敏度Sk

Sk为阴极电流与入射光通量（积分）之比，即

④阴极灵敏度的测量

光电倍增管阴极灵敏度的测量原理如图1.7-2所示。入射到阴极K的光照度为Ev，光电阴极的面积为A，则光电倍增管所接收到的光通量为

将式（1.7-3）代入式（1.7-2）便可通过测量入射到PMT光敏面上的照度得到入射光通量。如果入射光为单色，则所测量出来的阴极灵敏度为光谱灵敏度；而入射光为白色，则所测量出来的阴极灵敏度为积分灵敏度。

入射到光电阴极的光通量由LED发光二极管提供，用LED发光二极管很容易提供各种颜色的

“单色光”，可以近似地将其看做光谱辐射量。在实验前先将LED光源用照度计进行标定；测量时，用数字电流表测出流过LED的电流ILED（ILED已被标定），它与照度相对应，当测出LED光源出光口的面积时，便很容易计算出它发出的光通量。实验中常用的光通量范围为10-5～10-2lm。

⑤阳极光照灵敏度Sa

Sa定义为光电倍增管在一定的工作电压下阳级输出电流Ia与入射到光电阴极上光通量Φ之比，即

⑥电流放大倍数（增益）G

G定义为在一定的入射光通量和阳极电压下，阳极电流Ia与阴极电流Ik之比，即

由于阳极灵敏度为PMT增益与阴极电流之积，因此，增益又可表示为

它描述了光电倍增管系统的倍增能力，是工作电压的函数。

⑦暗电流Id

当光电倍增管处于隔绝辐射的暗室中时，其阳极输出电流称为暗电流。暗电流与光电倍增管的供电电压Ubb有关，因此必须首先确定Ubb，才能测定它的暗电流Id。引起暗电流的主要因素有：欧姆漏电、热电子发射、场致发射、玻璃荧光与玻壳放电等。

（3）光电倍增管的供电电路

光电倍增管的供电电路常采用如图1.7-3所示的电阻链分压结构。它由N+1个电阻串联而成，其中N为光电倍增管的倍增极数。设流过串联电阻的电流为IR，则每个电阻上的压降为电流IR与电阻Ri的乘积，因此，加在光电倍增管倍增极上的电压为Udi=IRRi+1。

为确保流过电阻链中每个电阻的电流IR都近似相等，应满足关系

光电倍增管的输出电流Ia在负载电阻Ra上产生的压降为输出电压信号Uo，即

光电倍增管的供电方式有两种，即负高压接法（阴极接电源负高压，电源正端接地）和正高压接法（阳极接电源正高压，而电源负端接地）。采用正高压接法的特点是，可使屏蔽光、磁、电的屏蔽罩直接与光电倍增管的玻璃壳相连，使之成为一体，因而屏蔽效果好，暗电流小，噪声低。但是，这时的阳极处于正高压，使后面的处理电路难于连接。交流输出信号虽然可以采用高压隔离电容进行隔离，但是会导致寄生电容增大；如果是直流输出，则不仅要求传输电缆能承受高压，而且后面的直流放大器也处于高电位状态工作，会产生一系列的不便，危险性也增大。

负高压接法的优点是阳极电位低，便于与后面的放大器连接。如图1.7-4所示，直接与直流放大器相连，又可以通过电容只输出交流信号。使用操作安全又方便。

负高压接法的缺点是玻壳的电位与阴极电位接近，为负高压，玻璃壳与屏蔽罩之间的电场很高，为降低它们之间的电场，防止玻壳放电的发生，必须使它们隔开1～2cm。

4．实验内容与步骤

（1）测量PMT的阳极暗电流Id

PMTS-II光电倍增管实验仪的暗室内安装有GDB221型圆形鼠笼式8倍增级的光电倍增管和可变光色的LED灯，因此，在测量其暗电流时必须按下面所述的实验步骤进行实验。

①先熟悉光电倍增管实验仪，查阅使用说明书，仔细观察仪器。尤其注意其上的开关、调节旋钮、插座和配件的名称与意义。PMTS-Ⅱ光电倍增管实验仪外形如图1.7-5所示，它将光电倍增管实验时需要改接的电极以插孔方式引出到仪器操作台面上，便于改接成各种参数测量电路。其主要电极有阴极K、第一倍增极D1、末极倍增极DN（第8级）、阳极A、负高压电源-E和电源地（GND）等。

实验仪左侧为高压电源调整旋钮与内部信号光源亮度的调整旋钮；实验仪操作面板上还安装了内部照明LED光源亮度测量插孔，分别为LED+与LED-，将LED+接到电流表的“+”输入端，将LED-接电流表的“-”输入端，则电流表显示的将是内部信号光源LED的电流值。

实验仪上还安装有独立电源三挡可变量程的数字电压表与微安表，供实验时测量工作电压与电流。

实验仪右侧机体上为入射窗，不用时是封闭的，使用时可将封闭盖拧下用螺纹口将被测光导入。

②连接电源，打开电源开关前要检查高压开关是否处于关闭状态，高压调整旋钮是否旋到最小值，然后连接好电源。

③在实验装置面板上找到阴极K、阳极A、第一倍增极D1与地（GND）等接线端口和高压电源开关、高压电压调整旋钮、实验光源等。

④将阴极 K与第一倍增极 D1相连，在阳极A与地之间串入微安电流表（光电平台上安装的毫安表的1挡位）。

⑤再将高压电源的电压调整旋钮逆时针旋至最低位置。

⑥打开光电倍增管实验仪的电源开关后观察到数字电流表的示值应为零，然后再打开光电倍增管实验仪的高压电源开关。

⑦缓慢调节高压电源的调压旋钮，观测实验装置上高压电压表的示值，当它们分别为200V、400V、600V和800V时记录下电流表的读数，即为光电倍增管在不同工作电压下的暗电流ID。

⑧将所测得的数据填入表1.7-1中。

⑨在直角坐标系中画出Id-V 关系曲线，分析光电倍增管阳极暗电流与供电电源电压之间的关系。

⑩ 关掉高压电源后再关闭实验仪总电源。

（2）测量PMT的阳极电流灵敏度Sa

①先检查光电倍增管实验仪的接线端是否已经按测暗电流的接法接好；再检查高压电源调整旋钮和光源调整旋钮是否已经都右旋到底；打开高压电源，调整高压电源调压旋钮使阴极电压为-200V。

②轻轻左旋光源亮度调整旋钮，使它接近“事先标定好的值”，并使测出的阳极电流Ia的值便于观测，根据事先标定的电流ILED找出光敏面上的照度值，记录测出的倍增管阳极电流Ia，填入表1.7-2。由式（1.7-4）可以计算出当前电源电压（-200V）下的阳极灵敏度（这里要注意入射到光电阴极的光通量为照度与阴极面积之积）。

再分别测出阳极电压为-400V、-600V、-800V时的阳极电流与阳极电流灵敏度Sa，并将其填入表1.7-3。

③将所测的数据在直角坐标中找到对应点，将这些点连接起来构成光电倍增管阳极灵敏度与电源电压的关系曲线，从中可鲜明地看出它们之间的关系。

④实验完成后，先关闭高压电源，再关闭总电源。

（3）测量PMT的增益G

根据增益的定义，可以用如图1.7-6所示的测量电路对光电倍增管的增益G进行测量。具体测量步骤如下：

①先将光电倍增管按图1.7-6所示连接好，注意阴极电流表用200μA（或0.2mA）量程的数字电流表，而阳极电流用2mA量程的数字电流表进行测量。

②确定高压电源处于关闭状态，将倍增管光源接好，合上实验平台的电源开关，检测光源的发光情况（查看三种颜色的开关是否正常，亮度的调整是否有效），并对某单色照度进行标定；再将光源亮度调整旋钮逆时针旋转到底。

③先将高压电源电压调节旋钮逆时针旋转到底，再合上高压电源的开关，测量高压电源电压Ubb与Ik、Ia的值；调节光源的照度，使Ik、Ia的读数值适合观测；然后，改变电源电压，再重复测量Ik、Ia的值，并将测得的值填入表1.7-3。

④将表1.7-3中的数据填在直角坐标系中，并画出曲线，分析光电倍增管的增益G与电源电压Ubb的关系。

⑤用光电倍增管测量微弱辐射的强度。利用如图1.7-4所示的电路测量微弱辐射强度实验时，应该先将被测辐射通过仪器右侧如图1.7-7所示的“接入装置”接入仪器（可以利用接入装置的M8×1螺纹将外接被测辐射接入到阴极面），然后再开机进行实验。实验时内部光源应该处于关断状态。若使用如图1.7-4所示电路的放大器，要注意放大倍率的调整与标定，既要使输出电压的幅度便于观察又要满足动态范围的要求。

1.8 光电耦合器特性参数测量实验

1．实验目的

光电耦合器包括光电开关，它是一种非常有用的功能器件，在工业控制、计算机接口、不同电平间的信号传输等领域发挥着非常重要作用。掌握它的基本特性、特性参数测量方法和它的基本应用是非常重要的。通过本节实验，掌握光电耦合器的电流传输比、光电隔离特性、输入/输出时间响应与抗干扰等主要特性，掌握光电耦合器的基本应用。

本实验所用的器材为光电综合实验平台主机1台。

2．实验原理

光电耦合器与光电开关器件的外形结构如图1.8-1所示，通常由LED发光二极管与半导体光电器件（如光电二极管、光电三极管、达林顿光电三极管等）封装在一起构成。有时将发光器件与光电器件分开封装的器件（如图1.8-1（a）、（b）所示）均称为光电开关；而将发光器件与光电器件同封装在一个器件内的器件称为光电耦合器件。每种器件又因参数的不同而衍生出很多类型或型号不同的光电开关与光电耦合器件，由于外形、特性的不同而应用于不同的领域，但是，它们同属于一类器件，有着共同的特性。下面分别讲述它们共有的特性。

（1）电流传输比β

在直流工作状态下，将光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比，定义为光电耦合器件的电流传输比，用β表示。如图1.8-2所示为光电耦合器件的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为IFQ，对应的集电极电流为ICQ，因此该点的电流传输比为

当工作点选在靠近截止区的Q1点时，虽然IF变化了ΔIF，但相应的ΔIC1 变化量却很小，这样，β值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区的Q3点时，β值也要变小。这说明当工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。因此，在传送小信号时，用直流传输比是不恰当的，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比，用来表示，即

对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，β 很接近。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；对于开关使用状态，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比β。

需要指出，光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值，从表面上看是一样的，但它们却有本质的差别。在三极管中，集电极电流IC总是比基极电流Ib大几十甚至几百倍，因此，把三极管的输出与输入电流之比值称为电流放大倍数。而光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光电二极管或光电三极管）接收的光产生的光电流，可用αIF表示，其中α是与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，通常称为光激发效率。而激发效率一般比较低，所以IF一般要大于IC。光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比总小于1，通常用百分数来表示。

（2）光电耦合器件的时间响应

光电耦合器在脉冲电压信号作用下的时间响应特性用输出端的上升时间tr和下降时间tf描述。如图1.8-3所示为典型光电耦合器件的时间响应特性曲线，从输入端输入矩形脉冲，采用频率特性较高的脉冲示波器观测输出信号波形，可以看出，输出信号的波形产生了延迟现象。通常将脉冲前沿的输出电压上升到满幅度的90%所需要的时间称为上升时间，用tr表示；而在脉冲下降沿中，输出电压的幅度由满幅度下降到10%所需要的时间称为下降时间，用tf表示。

最高工作频率fm、tr和tf都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时，用fm来衡量较为方便；而当传送脉冲信号时，则用tr和tf来衡量较为直观。

tr、tf与fm一样，也与负载电阻的阻值有关，减小负载电阻可以使光电耦合器获得更高的时间响应特性。

（3）光电耦合器件的伏安特性

光电耦合器件的伏安特性通常指光电耦合器件的输出特性，它与光电二极管、三极管的伏安特性相同。如图1.8-4所示为典型光电耦合器件的伏安特性曲线。

（4）光电耦合器件的隔离特性

光电耦合器件的隔离特性常用输入与输出间的隔离电压和输入与输出间的绝缘电阻来描述。

①输入与输出间隔离电压BVCFO

光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离特性可用它们之间的隔离电压BVCFO来描述。一般低压使用时隔离特性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管和光敏三极管之间的距离有关，当二者距离增大时，绝缘耐压提高了，但电流传输比却降低了；反之，当两者距离减小时，虽增大了β ，但 BVCFO却降低了。这是一对矛盾，可以根据实际使用要求来挑选不同种类的光电耦合器件。如果制造工艺得到改善，可以得到既具有很高的β值又具有很高耐压的光电耦合器件。目前，北京光电器件厂生产的光电耦合器件的BVCFO=500V，采用特殊的组装方式，可制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件。

②输入与输出间的绝缘电阻RFC

光电耦合器件隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻一般为109～1013Ω，它与耐压密切相关，它与β的关系和耐压与β的关系一样。

RFC的大小意味着光电耦合器件的隔离性能的好坏。光电耦合器件的RFC一般比变压器原副边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级。因此，它的隔离性能要比变压器好得多。北京光电器件厂生产的光电耦合器件的绝缘电阻RFC的值一般可以达到1011Ω。

（5）光电耦合器件抗干扰特性

光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力，主要有下面几个原因。

①光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω～1kΩ；而干扰源的内阻都很大，一般为103～106Ω。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声就变得很小了。

②由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，也不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。

③光电耦合器件的输入-输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。

④光电耦合器件的输入-输出间的寄生电容很小（一般为0.5～2pF），绝缘电阻又非常大（一般为1011～1013Ω），因而输出系统内的各种干扰很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。

3．实验内容及步骤

（1）光电耦合器电流传输比的测量

在光电综合实验平台上找到光电耦合器件的引出端插孔，将它按如图1.8-5所示的电路连接，用数字电流表A1与A2分别测量流过发光管的电流ILED和流过光电器件的电流Ip。

电路接好后合上实验平台的电源开关，用外接电阻的方式改变电阻RF，记录不同ILED下的Ip值，并填入表1.8-1。由式（1.8-1）计算出被测光电耦合器的电流传输比β，也填入表1.8-1。

表1.8-1填满后，将表1.8-1的数据在直角坐标系中找到相应的点，将这些点连起来便是光电耦合器的电流传输比β的曲线。由曲线可以看出光电耦合器的电流传输比并非为常数，它与发光电流有关，也与光电三极管的工作状态有关。

（2）光电耦合器件伏安特性的测量

测量光电耦合器件的伏安特性时，图1.8-5中的电源采用阶梯波，即将发光二极管的阳极接到实验平台左边画有阶梯波形的插座上。光电耦合器的输出部分电源采用锯齿波扫描电压，并以测量电压Uo的方式测量输出电流Ip，改动后的电路如图1.8-6所示。

将图1.8-6所示电路接好，将光电耦合器的输出信号U接到实验平台的输入端 CH1上。合上实验平台的电源，执行光电耦合器伏安特性测量软件，在界面上选定测量条件后，即可进行测量工作（具体测量步骤可参考 1.4节的光电二极管伏安特性的测量）。计算机屏幕上将显示与图1.8-4所示图形类似的曲线，即被测光电耦合器件的输出伏安特性曲线。将光电耦合器的伏安特性曲线用抓图的方法存入计算机，并填入实验报告。

（3）光电耦合器时间响应的测量

光电耦合器时间响应测量电路如图1.8-7所示，发光二极管由如图1.8-7所示的脉冲信号源提供，由于发光二极管的时间响应远远高于光电二极管、光电三极管，因此，发光二极管发出近似方波的辐射光脉冲，由于光电三极管在方波辐射作用下的输出信号具有上升时间tr和下降时间tf，将产生延迟。将输入给发光二极管的方波脉冲接到实验平台输入端CH1上，用做同步数据采集的同步控制，输出信号Uo接到实验平台的输入端 CH2上，作为被测信号。接好后，合上实验平台电源，执行光电耦合器时间响应软件，计算机显示出如图1.8-8所示的两条曲线，即光电耦合器的时间响应曲线。从中可以找到上升时间tr和下降时间tf。将光电耦合器的时间响应特性曲线用抓图的方法存入计算机，并填入实验报告。

（4）光电开关的应用

将发光二极管和光电三极管组装在一起构成分离的光电耦合器件，称为光开关器件（或简称为光电开关）。利用光电开关可以制造出各种功能的部件（如限位、定位等）。应用范围非常广泛。利用它还可以测量物体的旋转速度、运行速度，物体的位置，限定工件运动的行程，限定运动机件往复运动的转向点，自动开启门窗等。

光电耦合器用于声光调制、模拟与脉冲信息传输和不共地电平的信息传输等，这些应用型的实验可以让学生自己设计题目，自己搭建实验系统进行自创式实验。

光电综合实验平台提供的部件完全可以满足学生进行光电开关实验的基本硬件需求，利用这些硬件自行设计应用研究课题。也可以安排适当的课程设计课题，进行设计。值得注意的是，平台提供了CPLD 开发系统、CPLD器件与相应 I/O（输出、输入端口）的管脚定义，它们均为自由端口，设计者可以自行设计或定义，并应用它们设计出各种逻辑电路。

1.9 热敏器件与热释电探测器实验

1．实验目的

众所周知，光电器件都具有光谱响应特性，即它们的灵敏度都是光谱波长的函数。而热敏器件对各种辐射波长都无选择性地吸收，因此，它们的光谱灵敏度与波长无关。这个性质对于光电器件是非常重要的。利用该特性可以对具有光谱响应特性的光电器件进行光谱标定。热敏器件包括热敏电阻、热电偶、热电堆和热释电器件。其中时间响应最快，应用范围最广的热敏器件为热释电器件。因此对热释电器件进行实验研究是非常重要的。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②热释电器件及其夹持装置

③磁性表座

3．基础知识

（1）热释电器件的基本原理

电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图1.9-1所示的电介质的上下两侧加上电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态建立起来的这段时间内，电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流，称为“位移电流”，该电流在电极化完成后即告停止。

对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来状态。而有一类称作“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。一般电介质的极化曲线（见图1.9-2（a））通过中心，铁电体电介质的极化曲线（见图1.9-2（b））在电场去除后仍保持一定的极化强度。

铁电体的自发极化强度Ps（单位面积上的电荷量）与温度的关系曲线如图1.9-3所示。随着温度的升高，极化强度减低；当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。在居里点以下，极化强度Ps是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。

当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。

（2）典型热释电器件

实验所用的热释电器件为P2288型器件，其外形尺寸与管脚定义如图1.9-4所示。它是被封装在一个金属管壳内的三端器件，其管壳的顶部开窗是接收面，窗口尺寸为3.8mm×5.0mm，敏感面积为2mm×4mm，管座底部有个突起的标记，靠近标记的管脚为1脚（或D脚），其他依次为2（S）、3（G）脚。图中还标出了器件各个部分的尺寸。

图1.9-5所示为典型热释电探测电路。图中1脚（D）接正电源，可以直接接到实验平台提供的+12V 电源上；3脚（G）接地（GND）；而2脚（S）为信号的输出端，实际是结型场效应管的源极，显然，电路为源极输出电路，目的是提高整个电路的输入阻抗，降低输出阻抗。

热释电器件只有在构成测量电路的情况下才能进行相应的实验，不同应用类型的实验应采用不同性质的测量电路。由于热释电器件的直流灵敏度为零，只能对交变的热信息进行探测，因此，它的后续电路常为交流放大电路。图1.9-5所示电路为典型的两级阻容耦合热释电探测电路。

4．实验内容及步骤

（1）热释电探测器原理实验

取出装有红外热释电器件的探头及其夹持器，并将它的三个电极的连线接入实验平台上的对应插孔中；再用插线将实验平台提供的放大电路（放大器）、阻容元器件与热释电探头按图1.9-5所示的电路连接起来；逐级地从前向后调整电路。调整方法是，先调整静态工作点，然后调整信号的放大倍率与幅度，最后将放大电路的输出电压Uo接到实验平台的输入端 CH1上，便于用计算机进行观察。

也可以将输出信号送入计算机数据采集系统，用光电综合实验平台提供的示波端口进行观测，此时需要开机，并打开示波软件进行观测。

一定要注意热释电器件只能在交变信号作用的情况下工作，它对直流信号的放大倍率为零，因此放大电路为交流放大器。实验过程中常常需要交变的红外信号源，通常可以利用人体热源作为红外辐射源，最简单的方法是将手置于热释电器件的前面（作为温度辐射源），若手静止不动，则放大器的输出信号为零，当手以某种频率振动（晃动）时，显示器上将观测到随手的振动而变化的信号。这就是热释电器件所检测到的手所发出的热信号。实验时一定要注意观察当手稳定不动时电路输出的信号电压与手振动时输出电压的变化情况，并分析其原因。

本实验可以作为课程设计的课题，让学生组装热释电放大电路和对输出信号的二值化进行处理，如何获得人手振动频率等信息，并利用所测量出的变化信号去触发报警装置，构成防范报警系统。

（2）热释电器件光谱响应的测试实验

用发出不同颜色的LED作为近似的单色光源，使这些光源在相同的调制频率下发光，分别作为热释电探测电路系统的输入信号，当然要求这些光源的调制幅度必须相等。具体实验过程中可以将不同颜色发光强度相等的光源安放在同一个位置上（调制器的前面），采用同样调制频率的调制器（确保满足前面的条件），用同一个热释电探测系统，将测得相同的输出信号。这说明热释电探测器对光辐射频率无选择性，光谱响应特性曲线为平行于波长坐标的直线。与其他光电传感器有着显著的差别。

（3）热释电器件的应用实验

应用红外热释电器件探测人体（或具有一定温度的物体）接近某警戒区，如果有人接近，则要自动报警。可以让学生自己设计实验的具体题目，根据实验平台提供的器材进行组装与调试。

当然，要求学生写出实验目的、实验内容、实验步骤与实验结果，最后还要进行总结，写出收获与体会。

1.10 PSD实验

1．实验目的

通过PSD 原理的实验，掌握光伏器件的横向效应；通过应用典型 PSD 测量光点位置的实验了解应用PSD的有关技术。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②一维PSD光电位置传感器（W103）及其实验装置

③点状半导体激光器

④磁性表座2个

⑤二维调整架1个

3．基础知识

如图1.10-1所示为PIN型PSD器件的结构示意图，它由3层构成，上面为P型层，中间为I型层，下面为N型层；在上面的P型层上设置有两个电极，两电极间的P型层除具有接受入射光的功能外，还具有横向分布电阻的特性。即P型层不仅为光敏层，而且是一个均匀的电阻层。

当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1与2输出。设P型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过N型层上电极的电流为

若以PSD器件的几何中心点O为原点，光斑中心距原点O的距离为xA，则

利用式（1.10-2）即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置xA，它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关，而与总电流无关。

PSD器件目前已被广泛应用于激光自准直、光点位移量和震动的测量，平板平行度的检测和二维位置测量等领域。

国内目前只有少数几家公司生产用于一维与二维光点位置测量的PSD器件，其中蚌埠市集成光电技术研究所生产的W系列一维与二维PSD器件还有一定的市场。W-103器件的主要技术指标如表1.10-1所示。

W-103外形图如图1.10-2所示，其中两侧的电极分别接P型硅，中间电极为N极。

PSD器件主要应用在检测被测物体（光点）的位置，载有点光源的被测物体发出的圆形光点落入到一维PSD器件上，输出两个电流，电流强度差与光点距器件中心位置的距离差成正比，因此，用光点在PSD上的位置测出被测物体的位置。但是，CCD光电传感器应用技术的发展必将对它的应用带来很大的冲击。从另一个角度来说，CCD 技术的发展必然会使应用PSD器件难以解决的问题变为简单。例如，用PSD探测器进行距离探测的仪器很难解决背景光的干扰问题，用CCD传感器做探测器很容易解决背景光的干扰问题，PSD器件的温度漂移对位置测量误差的影响等都是难以解决的问题，所以它的应用广度尚无法与线阵CCD器件相比。

4．实验内容及步骤

（1）自行搭建PSD原理实验系统

先从光电综合实验平台备件箱中取出如图1.10-3所示的PSD实验装置和支持架，用磁性表座固定在光学平台上；并用专用电缆线将它的三个引出脚连接出来，分别为红、黑和黄三色引出线。其中，黑色线为N型电极引出线（即Ref），其余两种颜色线分别为两个P 电极（I1与I2）。为便于安装与实验，PSD实验装置下面配备有标准M5螺纹孔，很容易安装到磁性表座上，并确保PSD器件与水平面平行。再将光斑为圆点的半导体激光器（LD光源）安装到下面装有磁性表座的二维调整架上，使LD光斑能够在调整架上的“微分头”带动下沿PSD长度方向微调已知距离，构成如图1.10-4所示的结构。

实验时，先将PSD的连线与实验平台的接线端子（插孔）相连，并利用实验平台提供的数字电流表连成如图1.10-5所示的电路。电路接好检查无误后，合上实验平台电源开关，将半导体激光器接到实验平台上的5V 电源上，串接50Ω的电阻限制流过激光器的电流。先调整激光器夹持器，使激光光斑落在PSD的中间位置，读出电流I1与I2；然后，调整二维调整架的微动旋钮使光点沿PSD 敏感面移动，边移动边记录电流I1与I2，观察I1与I2值的变化；从调整架或测微器上测出位移量ΔX，观测ΔX与电流变化量间的关系。

（2）利用PSD实验仪进行原理实验

如图1.10-6所示为PSD实验仪的外形图，其内部结构与图1.10-4所示相同，左侧为固定在仪器上的PSD 探测器，右侧为微分头带动的能够使圆形LD光斑平行于PSD光敏面移动的装置，其微分头旋转机构与读数均在仪器外面。转动它既能推动半导体激光器的光斑沿光敏面做精密移动，又能准确地读出光斑移动量。如果像如图1.10-6所示那样将PSD的三个引出脚连接到P1（I1）、P2（I2）及 N（Ref）上，光斑在光敏面上不同位置时用两块数字电压表测得的电压值将随光斑的位置而变化，当光斑处于PSD中心位置时两块表输出的电压值将相等，光斑偏离中心，能够观察到两块电表的读数值发生变化，其变化量与光斑的位移量有关。

利用PSD实验仪可直接体会与理解 PSD的原理，还能够定量分析光点的移动与两块电压表读数的关系。从实验过程体会利用PSD器件测量物体微位移的探测技术。

当然 PSD实验仪的3个输出端完全能够提供测量I1与I2两个电流，代入式（1.10-2）可以计算出位移量ΔX。实验仪中半导体激光器发出的点光源在微分头的推动下能够精确地沿PSD光敏面移动，比较微分头的读数与计算值的差异（误差），观察光点沿PSD光敏面移动过程中电流I1与I2值的变化，从中找出规律；分析产生测量误差的原因。

5．思考题

①通过该项实验，能否设计出非接触测量物体微位移的检测方案？

②能否利用PSD传感器设计出非接触测量物体运动速度的方案？

③如果光斑移动轨迹与PSD光敏面成一定角度会发生怎样情况？

1.11 LED角度特性参数测量实验

1．实验目的

LED（发光二极管）是非常有发展前景的半导体发光器件，是将来取代钨丝灯、日光灯、照明灯、高压汞灯等灯具的节能替代产品。LED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度的空间分布特性，是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性，为此安排这个实验有助于我们深入掌握，更合理地应用。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②LED发光特性测试仪1台

3．基础知识

（1）发光强度空间分布特性与偏差角Δθ

根据中国光学光电子行业学会2002年制定的《发光二极管测试方法》，LED发光强度的空间分布特性是指器件发射出的光强IV（或Ie）与空间方向角θ的函数关系IV=f (θ )。

显然，θ 一般取为LED器件的“机械角”，机械角的定义为器件几何尺寸的中心线（或法线）为其零度角。由于LED 封装工艺问题致使LED器件发出光强度最大的方向（称为主光线）与机械轴不重合，产生如图1.11-1所示的偏差Δθ，称为偏差角或偏向角。测量偏向角对于正确使用LED光源非常重要。

（2）半发光强度角θ1/2

如图1.11-1所示，LED的另一个重要参数是“半发光强度角θ1/2”，它是描述LED发光范围的参数。为获得更宽更均匀的面光源，总希望θ1/2更大些，而要使LED能够在更远的地方获得更强的照度，则要求θ1/2尽量小，使光能量不至于太分散而损耗过大。为满足不同应用的要求，生产出了多种不同封装形式的LED器件，以便满足不同的应用对θ1/2的要求，获得理想的效果。

4．实验内容及步骤

（1）LEDA-Ⅰ型LED发光角度特性测试仪

LEDA-Ⅰ型LED发光角度特性测试仪的结构如图1.11-2所示。

LED安装夹具主要用来安装被测LED发光管，使LED管芯发光部位恰好在读数度盘的回转中心上。度盘的刻度位于回转度盘前方窗口的下方，便于操作者随时读取转角的刻度。

光电接收装置（接收筒）中安放一只直径 17mm的硅光电池，它对LED发光中心所成的立体角为0.001sr，符合中国光学光电子行业学会光电器件专业分会对LED发光角度特性测试方法的基本要求。转动度盘，从度盘前端的角度显示窗口中直接读出LED的转角，为各种角度测试提供准确的数据。

（2）LED发光强度的分布与偏差角Δθ的测量

①光强分布的测量

首先将被测LED安装在LEDA-Ⅰ型LED发光角度特性测试仪的LED安装在夹具上，构成如图1.11-3所示的测量原理图。显然，图中三个光阑与圆形光电探测器对LED 构成已知的立体角，如在机械轴的延长线上，距离LED发光管300mm处安装一只直径为17mm的探测器与3个光阑构成0.001sr的空间立体角，光电探测器（光电池、光电二极管或光电三极管）测量的照度实际上是LED的光强分布。

测量时，先将LED的机械轴线与光电二极管的机械轴线调整到重合或平行，读出刻度盘上的角度为初始值α0，然后观察数字电压示值的变化，同时转动手轮使LED 绕发光中心转动；当数字电压示值达到极值Um时，记录此时度盘的角度αm，LED的机械轴与光轴的偏差角为

测量时要注意 LED发光角的轴线是空间分布的，如何找到LED的光轴是很重要的问题，需要旋转LED，使所测量的光轴是真正的光轴。

②半发光强度角θ1/2的测量

θ1/2的测量方法与偏差角Δθ的测量方法极为相似，找到光轴后，记录度盘的角度σm，然后，先顺时针转动手轮，使LED绕发光中心顺时针转动，当数字电压表的示值为极值Um的一半时，记录此时度盘的角度值αR；再逆时针转动手轮使LED 绕发光中心逆时针转动，并使数字电压表的示值为极值Um的一半，记录此时的度盘的角度值αL，则

测量θ1/2时也要注意 LED发光角的轴线是空间分布的，找不准 LED的光轴就不能测出真实的θ1/2。实验过程中应该旋转LED，使接收器的输出为最大值才能找到真正的光轴。

5．思考题

①分析上述实验过程中为什么要旋转被测的LED？如何能找到LED的真正光轴？

②如果大屏幕用的LED光源要求具有宽范围的视角，应如何选用θ1/2？

③如果要用LED光源作为尺寸测量系统的远心照明光源，应如何选用θ1/2？

1.12 LED光谱特性的测量与光栅光谱仪实验

1．实验目的

LED灯的特性直接关系到它的应用，尤其是它的发光强度分布特性与光谱特性是人们普遍关心的重要特性，也是难于测量的特性。光源的光谱内含有丰富的信息，为此人们研制出各种光谱探测器进行物质化学成分的分析。本实验有助于学生了解LED发出的光谱成分，深入掌握光谱探测器的特性，分析其他光源的光谱分布。

2．实验器材

①光电综合实验平台主机1台

②发光光谱测试仪1台

③发出不同颜色光的被测LED器件若干

3．基础知识

LED发光光谱特性既有别于LD（半导体激光器）又有别于钨丝灯等热辐射体的发光，它的单色性远不如LD，但是光谱范围是有限宽度的，具有较好的单色性。通过二次光致发光获得的“白光”LED的光谱较为丰富，但是仍然无法与钨丝灯等热辐射体的发光光谱相比。描述 LED发光光谱特性的方法是，测量它的光谱辐射带宽与功率分布。不同颜色与种类的LED发出的光谱辐射带宽与功率分布差异很大。在用LED 构成大屏幕显示器的应用领域中，为获得不同颜色的显示效果，必须对所用的LED器件进行光谱特性的测量，以便正确地配制出各种颜色的图案。

4．实验内容及步骤

（1）熟悉测量仪器

本实验要用到LEDS-Ⅰ型LED光谱分布测试仪，其原理框图如图1.12-1所示。被测LED安装到LED光谱分布测试仪右侧的暗室内，它发出的光经过狭缝入射到反射光栅上，经反射分光后发出多色光带光谱，再经凹面反射镜汇聚到线阵CCD的像敏面上。CCD采集并输出载有LED光谱信息的信号电压，经数据采集卡将其转换成数字信号送入计算机，在计算机软件的支持下将所形成的谱图显示出来，其中的横坐标是以nm为计量单位的波长（λ），纵轴为12位二进制数（0～4095）。

实验时，先将LEDS—Ⅰ型LED光谱分布测试仪用USB连接线与计算机的USB端口（光电综合实验平台的USB接入端口）相连接，再将电源线插到AC220V 电源板上，如果只测量LED光谱，则先将仪器右侧的LED安装装置拧下，将被测的LED插入管座，再将其拧在一起，将直流电源连接线接入仪器右侧的电源插口中，便完成了测量系统的安装。

（2）开机与测量

开机时，先开光谱仪的电源，然后再启动计算机，查看是否安装了测量软件。若没有安装，请按说明书提示的步骤安装软件。软件安装完后，可以直接执行光谱采集软件，弹出光谱分布测量程序界面，界面的上层菜单为基本操作控制主菜单，它与通用“Word”文档内容相同。而最下边一行的菜单为操作菜单，其中“打开”与“保存”菜单是对文档进行打开与保存操作，“曲线”菜单是将CCD采集到的光谱信号以波形方式显示在界面上；“数据”菜单是将CCD采集到的数据按一定的数据格式显示在界面上；“连续”菜单是执行菜单，单击“连续”菜单，将显示如图1.12-2所示的白光LED所发出光谱的分布曲线；单击“停止”菜单后，CCD的采集工作将停止，界面上显示结果曲线；“单次”菜单也是执行菜单，单击它后，线阵CCD只采集一行信号，并将这一行信号以曲线的方式显示在界面上；“0ms”菜单是控制所采集到的光谱在界面上停留的时间，单击这个菜单，可以弹出不同的时间选择，改变光谱曲线在界面上停留的时间；“积分0挡”是控制线阵CCD积分时间参数的功能菜单，单击它可以弹出多种积分时间的选择菜单，实现对不同强度光谱的观测；“关于”菜单是注释菜单，对光谱测量没有关系。

测量光谱分布曲线时，在设定好显示时间与积分时间后，可执行“连续”菜单，界面出现便于观察的光谱特性曲线后，可执行“停止”菜单，使界面上的光谱曲线不再变化，通过“数据”菜单可以读到每个像元的光谱强度值。另外，也可以将“鼠标”标记放到所选波形的特征点（所需要测量的点）上，再单击鼠标右键，弹出如图1.12-2示的白色标线，在标线的上方分别显示x与y的值，其中x值为横坐标（光谱的波长），y为纵坐标（12进制光强度的值）。

（3）LED发光光谱半宽度的测量

LED发光光谱半宽度定义为光谱分布曲线的幅度衰减到1/2所对应的谱线宽度。测量时先在计算机界面上显示整个光谱曲线，然后，找出光谱分布曲线的幅度衰减到1/2所对应的像元N1和N2，LED光谱辐射半宽度的带宽为

式中，λ0为单位像元宽度所代表的光谱波长，由生产厂家用汞灯的标准谱图进行了严格的标定。如果用户没有标准汞灯谱图，则不能进行标定。可直接用厂方提供的数据进行实验。如果有条件，用户也可以自行标定，但应承担因此所造成误差的责任。

（4）文件的存储与打开

通过执行“保存”菜单，能够将计算机界面上显示的光谱分布曲线以文本方式或图像方式保存到文件夹内，它即为LED的光谱辐射分布曲线。通过执行“打开”菜单，能够将以前存储在某个文件夹内的光谱分布曲线打开并显示在界面上。

（5）其他LED光谱分布的测量

从图1.12-2所示白光 LED发光光谱分布图中不难看出，它由蓝光部分和全色（连续光谱分布）两部分构成，反映了白光LED是由发蓝色光的LED外层涂荧光物资后转换发光所遗留的原光谱成分所致的。肉眼观察这只LED发出的光，应呈偏蓝的白色光。

再将白光LED取下，换上蓝色LED，按照上述步骤运行，获得如图1.12-3所示的光谱分布曲线，测量它的中心波长和光谱半宽度值。显然，它为具有一定带宽的单色光源。

还可以用上述仪器与测试方法测量其他颜色的LED或其他类型光源的光谱分布，如汞灯、氘灯、氙灯或光纤导入的其他光源光谱。由于仪器的光谱输入接口采用螺纹连接方式，很容易将其拧下，更换和接入其他光源相连接的机构，将其变成应用更为广泛的光谱探测仪器。

5．思考题

①分析上述实验过程中为什么要旋转被测LED？如何能找到LED的真正光轴？

②LED发光强度的改变是否影响它的光谱分布？为什么？