《光电系统课程设计》实验报告

PAGEPAGE10实验报告实验一线阵CCD原理及驱动一、 实验目的掌握本实验仪的基本操作和功能。CCD位关系等的测量方法。CCDCCD在CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。二、 实验所需仪器设备双踪迹同步示波器（50MHz以上）一台。CCDYHCCD－IV一台。三、 实验内容及步骤实验预备流220V插座上。打开示波器电源。打开YHCCD－IV后显示为“000”32档，显示数值范围由“00”~“31”CCD4档，显示数值范围“0”~“3”，数值越大表示驱动频率越低。驱动脉冲相位的测量CH1和CH2CH1TCD2252D动波形进行下面的实验。用CH1SH，仔细调节使之稳定（同步），SH脉冲宽度适当以便于观察。（将示波器的扫描频率调至2μs档左右，便于观察对照）用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2，这就是SH与F1、F2的相位关系。F2RSCPSPF1与RSCPSP信号之间的相位关系。用CH1CP信号，CH2RS、SPCP与RS、SP信号之间的相位关系。TCD2252D的驱动波形相对照。驱动频率和积分时间测量驱动频率0档1档2档F1F2驱动频率0档1档2档表1-1驱动频率与周期项目F1F2RS周期（μs）884频率(KHZ)125125250周期（μs）16168频率(KHZ)62.5162.49125周期（μs）323216频率(KHZ)31.2531.2562.5周期（μs）646432频率(KHZ)15.6215.6231.253档CH1FC信号的同步（2ms左右，便于观察），CH2SH信号，观察两者的周期是否FCFC1-21-210档，其余档次可以自行添加测量。3档驱动频率0档驱动频率1档驱动频率0档驱动频率1档驱动频率2档驱动频率3档积分时FC周期积分时间FC周期积分时FC周期积分时FC周期间（档）（ms）（档）（ms）（档）（ms）（档）（ms）0011.780023.560047.120094.200112.800125.600151.2001102.400213.840227.640255.2802110.600314.880329.720359.3603118.800415.880431.760463.5204127.000516.880533.800567.6005135.200617.920635.840671.6806143.400718.960737.880775.7607151.400820.000839.920879.8408169.800921.000941.960984.0009168.00CCD输出信号的测量CH1FC个FC周期；CH2UG输UG知实验指导教师调整。UGUG3V时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。CH1CH2UGUR和UB积分时间改变时的信号变化。SHSHCCD输出波形之间的相位关系。FCCCD输出波形之间的相位关系。B观测CCD输出波形的变化。思考及设计写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。CCDCCDCCDCCD的输出能保持稳定。说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。答：当SH脉冲为高电平时，1,ABφ脉冲亦为高电平，其下均形成深势阱。这样，SH的深势阱使1,ABφ电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通，MOS电容存储栅中的信号电荷将通过转移栅转移到模拟移位寄存器1,ABφ电极下的势阱中。当SH由高变低时，SH低电平形成的浅势阱（也可以称为势垒）将存储栅下的势阱与1,ABφ电极下的势阱隔离开。存储栅下的势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在1,ABφ与2,ABφ脉冲的作用下驱动信号电荷进入定向转移。最初由存储栅转移到1,ABφ电极下势阱中的信号电荷将向左转移进入2,ABφ电极下势阱中，而后再转移至1,ABφ电极下势阱中，一位位地向左转移，最后经过输出电路由OS端输出哑元信号和2700个有效像元信号。由于结构上的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号（所谓虚设单元是没有光电二极管与之对应的CCD模拟寄存器的部分）；然后输出48个哑元信号（指被遮光的光电二极管与之对应的CCD模拟移位寄存器的部分产生的信号），再输出3个信号（这3个信号可因为光的斜射而产生电荷信号的输出，但不能作为有效信号）；最后才连续输出～的有效像素单元信号。信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检验信号，之后便是没有信号的空驱动信号。空驱动数目可以是任意的，但必须大于0，否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两列并行分奇、偶传输的，所以在一个SH周期中至少要有1388个1S2700S2700S1,ABφ脉冲。即，T为驱动脉冲11388SHTT1,ABφ的周期。图中的RS为加在复位场效应管栅极上的复位脉冲，其复位原理参见有关参考书。每复位一次就输出一个像敏单元的信号，在器件的输出端输出OS信号解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。答：因为同一束光中包含绿光、蓝光、红光的强度存在差异，而不同颜色的光频率不同，激发产生的电子数也不同，因此RS抽走的电荷包的数目存在差异。所以，相同光源亮度下，出现的信号幅度会有差异。实验二线阵CCD特性测量实验一、实验目的CCDCCDCCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。二、实验准备内容学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）。通过对典型线阵CCDCCD的基本特FC脉冲的作用。三、实验所需仪器设备双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV四、实验内容及步骤实验预备220V插座上。打开示波器电源开关。打开YHCCD－IVF1F2FCRSSP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与请指导教师检查。驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量CH1和CH2CH1。将实验仪驱动频率设置为“0”档。CH1FC个FCUoUR、UGUB)信号UoUG信号刚好接近“0V”位B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。5）保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“1”FC少2CCD输出信号的变化。6）续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相应记录。积分时间与输出信号测量“0”“00”档。用CH1FCCH2信号。Uo(VH2-12-1Uo为纵坐标画输出特性曲线，观CCDCCD出现饱和后，积分时间与输出信号的如何？4）驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。5）写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并解释之。驱动频率0档驱动频率1档驱动频率0档驱动频率1档输出信号U。输出信号U。U。积分时间（档）FC周期（ms）Uh-Ul积分时间（档）周期（ms）Uh-Ul0011.71140023.563860213.81120227.643640415.81100431.763480617.91080635.843220820.01060839.923001022.01041044.10284驱动频档00 47.1输出信号U。20003档94.20输出信号4220255.21602110.64280463.514041274220671.64206143.44280879.84208159.84241088.14210176.2420思考及设计解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？答：驱动频率越低，Ø的周期就越大，则两个SH之间的时间就越长，即积分时间越长。解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CCD的对CCD的应用又有何指导意义？指导意义：通过改变CCD输出信号的宽度不会再发生变化。因为积分时间增加到一定程度以后，积累的电荷量达到饱和，因此输出信号的宽度不再发生变化。实验三线阵CCD输出信号的二值化一、 实验目的通过本实验进一步掌握线阵CCDCCD方法。近一步掌握CCD二、 实验准备内容二值化的基本工作原理CCDCCD置检测中显得十分重要。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。被测物A置于成像物镜的物方视场中，线阵CCD像敏面安装在成像物镜的最佳像面位置。均匀的背景光使被测物ACCDCCDCCDA在像方的尺寸设光学放大倍率为ADD=D′/β。显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。CCDUOUO作。二值化处理方法的波形FCCCDUGLM393的正相输入端接CCD输出信号U（阈值电平上，该电位器可以调整二值化的阈值电平，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电路输出的TH。再进一步进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1N2。N1N2的差值即为被测物在CCDA在像方的尺寸L′为L0N1与N2L0为CCDD=(N2N1)L0/β二值化处理电路原理方框图与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲S，则计数器所计的数为N2－N锁存的数为N－N，将其差值送入N－N）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AA（振动等。实验所需仪器设备双踪迹同步示波器（50MHz）一台。彩色线阵CCDYHCCD－IV实验内容及步骤（一）实验内容观测二值化处理过程中CCD在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平调整的调整过程；标定光学放大倍率；进行被测图形尺寸的测量；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因素。（二）实验步骤1、实验预备220V打开仪器顶部盖板，将实验用测量片夹BCH1探头接到FCFCYHCCD－IVF1、F2、FC、RSSP、CP3应请指导教师检查。2、光学放大倍率β的标定CH2UG于接近饱和（非饱和）的状态。用CH2探头测量TO端子（阈值电平，调节实验仪上的阈值调节按钮，使阈值为2V左右。CH1UGUGCH2探头接到BO（二值化输出TTL信号）上，调节阈值调节按钮，进行阈值的增减，观察BO的变化情况和与UG2V。按下二值化测量按钮，此时仪器面板上原本显示的积分时间和驱动频率值的数值变为二值化测量值显示，所显示的数值为二值化信号所占据的CCD（若仪器面板显示窗口数字闪二值化阈值电平，即N－N1）值。连续记录10组数据，填入表3-，代入计算公式3-3，计算光学放大倍率β的平均值，完成光学放大倍数标定工作。二值化测量值表3-1光学放大倍率β的测量物方尺寸 像方计算尺寸二值化测量值表3-1光学放大倍率β的测量物方尺寸 像方计算尺寸 光学放大倍率β（N2-N1）(mm)(mm)2742.1920.43842732.1840.43682732.1840.43682742.1920.438427452.1920.43842732.1840.43682742.1920.43842742.1920.43842732.1840.43682732.1840.43688(NN)3、二值化测量

2 10.4376DB，插入测量片夹C，103-2，计算出被测条纹的实际尺寸。1V3-2，再计算出被测条纹的实际尺寸。变积分时间后，再重复上述实验，观察CCDCCD测物尺寸的变化。二值化测量值3-2被测条纹实际尺寸的测量光学放大倍率 像方计算尺寸二值化测量值3-2被测条纹实际尺寸的测量光学放大倍率 像方计算尺寸物方尺寸（N2-N1）β(mm)(mm)5584.46410.215544.43210.135564.44810.165574.45610.185520.43764.41610.095584.46410.205594.47210.225614.48810.265624.49610.275674.53610.378(NN)

2 110.21思考及设计1点。答：阈值电压是一个参考量，高于阈值电压的称为高电平，否则为低。不同的阈值会导致同一电压的高低电平划分不一样，所以会导致结果有差异。2、说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。答：线阵CCD的输出信号UO随光强分布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检测出来是简单便捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。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。3时必须使CCD脱离饱和区？答：在CCD未饱和的情况下积分时间的变化会对测量值产生一定程度的影响。但当CCD处于饱和区时，积分时间的变化不对测量值产生影响。因此，进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区。4、设计完整的硬件二值化处理电路，并描述工作原理。答：答：电压比较器LM393的正相输入端接CCDUG，而反相器的输入端通过电位器接到可调电平（阈值电平）THN1与N2的差值即为被测物在CCD像面上所成的像占据的像元数目。11PAGEPAGE16实验四线阵CCD的A/D数据采集一、 实验目的1、掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理。2、进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系。3、掌握本实验仪配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能。4、学会基本数据采集软件的编写和应用。二、 实验准备内容1、学习C语言进行计算机端口操作和绘图的基本功能（参考相关教科书）。2、学习和掌握线阵CCD的A/D数据采集基本原理。3、熟悉A/D数据采集的基本操作软件。三、 实验所需仪器设备1、彩色线阵CCD多功能实验仪YHCCD－IV一台。2、双踪迹示波器一台（带宽50MHz以上）。3、实验用PC计算机及A/D数据采集基本软件。四、 线阵CCD的A/D数据采集基本原理以CPLD完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。计算机软件通过向CPLDCPLDFC上升沿（CCD第一个有效输出信号）AD开始工作，ADSP32K的静态缓存器件中A/DSRAMSRAM存储器中的数据，完成数据曲线显示等一系列功能。当软件读取并处理完成一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。五、 实验内容及步实验内容1、进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验。2、进行线阵CCD的A/D数据采集系统软件的基本操作（软件工作参数的设置、CCD工作参数的设置等）。3、进行线阵CCD的A/D数据采集系统数据文件的存储、打开、读出等的操作。实验步骤1、试验预备EPP（增强型并行接口）工作模式，如果不能确定，请咨询实验指导教师。打开计算机电源，完成系统启动后进入下面的操作。打开YHLCCD－IVF1F2FCRSSPCP等各路驱动脉冲的波所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。4）CCD为水平位置（即黄色旋钮对应银白标志点），A/DA/D数据采集基本软件。2、运行《AD数据采集实验》软件A/D4-2所示的程序主界面。种采集方式，为调试方便应选择连续采集4-3设置0s停顿时间的显示方式。点击“连续”便可进行连续采集方式的工作。参数进行设置，观测所采集的输出波形，使输出波形的幅度处于便于观察的位置。测输出波形的变化。将AD*.txt*.dat数据格式保存为数据文件。A/D数据采集的数据，观测每一像元的数据和整行数据的特点。图像（物）的关系。再重复做、（6）、（7）测量结果。思考及设计1CCD能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而幅度增大。答：如果光照强度相同，CCD输出信号的幅度会随着积分时间和光照灵敏度的增加而增大。能验证。2、能否用这个实验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何设计这个实验？答：能，插入不同颜色的单色滤光片，然后观察CCD否认输出幅度即可。3CCD的A/D实验？答：能，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（D）A置于成像物镜的物方视场CCDCCDCCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的CCD3-1（输出波形A在像方的尺寸设光学放大倍率为β，A的实为D′β/D′=。显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。4、试将片夹“F”插入片夹夹具中，线阵CCD输出的波形会怎样？片夹“F”为对比度很好的黑白条，经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行黑白条尺寸的测量？黑白条图像的真实边界的数值有什么特点？答：在照明系统与光学成像系统之间的F片的黑条纹因不光透在光学成像系统上形成投影。同一条纹对应边界像素数之差即为被测物体在CCD相面上所成的像占据的像原数目，利用公式：D´=(N2-N1)L0（L0为像敏单元的尺寸，对于TCD2252D，L0=0.008mm）可计算出被测物体在成像系统上D实边界的数值均匀排布。

(NN)L2 1

（β为光学放大倍率）便可计算出待测物体尺寸。真5、怎样利用本实验进行像敏单元不均匀性的测量？答：在片夹内分别插入绿、蓝、红单色滤光片，因为图像是三条不同颜色的线，这样做对应颜色以外的线便会输出长度近似为零的信号，即可说明像敏单元的不均匀性。实验五软件提取边缘信号的二值化处理一、 实验目的1、掌握用软件提取线阵CCD输出信号UO所含物体边界信息的两种方法。2、学习使用C++语言编写简单的测量软件。二、 实验准备内容1、预习用软件提取线阵CCD输出信号UO所含物体边界信息的基本原理2、复习C++语言。3、学习离散函数的微分算法。三、 实验所需仪器设备1、彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCD－IV一台。2双踪迹示波器一台（50MHz。3、实验用计算机、VC++软件及相关的实验软件。四、 软件提取边界信息的原理1、固定阈值二值化提取方法用计算机软件提取边界信息的方法测量的最基本方法是固定阈值二值化提取方法，其原理类同与硬件二值化提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化提取方法的阈值由硬件提供，软件固定阈值二值化提取方法的阈值可由软件以数字方式提供。这样它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。2、浮动阈值二值化提取方法在固定阈值的基础上软件做浮动行周期UO输出的数据，可以根据背景光信号的强度信号设置阈值，该阈值可以由背景光幅值的百分比来设置，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强弱浮动。在一定程度上消除了背景光的不稳定造成对测量造成的误差。3、微分法二值化提取方法线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号UO经数据采集系统送入计算机，该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，由此可以采用提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点作为边界信息。这种算法要求信号的边界锐利，以便判断。当物体成像较为清晰时物体边界