CCD应用技术实验指导.doc

1、CCD 应用技术实验指导天津市耀辉光电技术有限公司天津大学精密仪器与光电子工程学院2006 年 11 月2实验规则及注意事项为了确保线阵 CCD 应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必 要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。2、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。3、 要爱护实验仪器和示

2、波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机 USB 数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。6、 所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。7、 一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。8、 使用彩色线阵 CCD 多功能实验仪之前，应仔细阅读本手册的 “软件使用说明” 。所有需要利用测量片夹的实验，安放测量片

3、夹时应注意安放方向和位置：从 CCD 方向观看，测量片夹上的字母应正向向上；做“利用彩色线阵 CCD 进行振动测量实验”和“利用彩色线阵 CCD 进行图像扫描实验”实验时，测量片夹应安放在远离光源的片夹夹具，其它实验，应安放在靠近光源的片夹夹具上。空白片夹用于自行设计实验内容。3目 录实验一 线阵 CCD 原理及驱动 4实验二 线阵 CCD 特性测量实验 7实验三 线阵 CCD 输出信号的二值化 9实验四 线阵 CCD 的 A/D 数据采集 13实验五 线阵 CCD 的软件二值化与图像边缘信号的提取 16实验六 利用线阵 CCD 进行简单角度测量 19实验七 用线阵 CCD 测量物体尺寸 22

4、实验八 利用彩色线阵 CCD 进行颜色识别 24实验九 利用彩色线阵 CCD 进行振动测量 27实验十 利用彩色线阵 CCD 进行图像扫描实验 29实验十一 编写线阵 CCD 的 A/D 数据采集程序 31实验十二 利用外置相机进行实物外形尺寸测量 33附录一 TCD2252D 手册 35 附录二 TCD1251D 手册 38附录三 彩色线阵 CCD 多功能实验仪说明 42 4实验一 线阵 CCD 原理及驱动一、实验目的1、 掌握本实验仪的基本操作和功能。2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵 CCD 驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。3、 通过对典型线阵 CC

5、D 驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵 CCD 的基本工作原理，尤其是复位脉冲 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、实验前准备内容1、 学习线阵 CCD 的基本工作原理（参考图像传感器应用技术教材） ，阅读双踪迹示波器的使用说明书。2、 学习 TCD2252D 线阵 CCD 基本工作原理与驱动波形图（参考附录） 。3、 掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。4、 根据线阵 CCD 的基本工作原理，观测转移脉冲 SH 与 F1（CR1 ） 、F2（CR2）的相位关系，理解线阵 CCD 的并行转移过程

6、。观测 F1 与 F2 及 F1 与 CP、SP、RS 间的相位关系，理解线阵 CCD 的串行传输过程和复位脉冲 RS 的作用。5、 测量 CCD 在不同驱动频率的情况下的 F1 与 F2、F1 、RS 的周期与频率值，以及它的行周期（FC ）值。三、实验所需仪器设备 1、 双踪迹同步示波器（带宽 50MHz 以上）一台。2、彩色线阵 CCD 多功能实验仪 YHLCCDIV 一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流 220V 的电源插座上；（2） 取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流 220V 的电源插座上

7、，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；（3） 将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；（4） 打开 YHLCCDIV 的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示 CCD 的驱动频率档位值。积分时间共分为 32 档，显示数值范围由“00”“31” ，数值越大表示积分时间越长。积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，5分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的

8、挡位加一操作，按动标有“” 号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD 的驱动频率档位值共有 4 档，分别显示数值为“0”“3” ， “0”挡位下的驱动频率最高， “1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然， “3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的 1/8；2驱动脉冲相位的测量（1） 将示波器测试笔 CH1 和 CH2 的扫描线调整至适当位置后，用 CH1 为同步信号输入端。对照“附录一”TCD2252D 的驱动波形进行下面的实验。（2） 用测试笔 CH1 接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步） ，使 SH 脉冲宽度适

9、当（将示波器的扫描频率调至 2s 左右）以便于观察。用测试笔 CH2 分别接到仪器表面标有“F1”与“F2” （驱动脉冲）字样的测试端口，观测 SH 与 F1、F2 的相位关系；（3） 再用测试笔 CH1 测量 F1 信号， CH2 探头分别测量 F2、RS 、CP、SP 信号，观测 F1 与 F2、RS、CP 、SP 信号之间的相位关系。（4） 用测试笔 CH1 探头测量 CP 信号，CH2 探头分别测量 RS、SP，观测 CP 与RS、SP 信号之间的相位关系。（5） 将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示 TCD2252D 的驱动波形相对照。3驱动频率和积分时间测量（1）用示波器分别

10、测量 4 档位下的驱动脉冲 F1、F2、复位 RS 信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入表 1-1。（2）将 CCD 的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“00”档。用测试笔CH1 测 FC（以它作同步） ，用测试笔 CH2 测量 SH，观察两者的周期是否相同，记录FC 信号的周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的 FC 周期填入下表 1-2 中。表 1-2 只列出 16 档，其余档次可以自行添加测量。驱动频率 项目 F1 F2 RS周期（s）0 档频率（KHz）周期（s）1 档频率（KHz）周期（s）2 档频率（KHz）周

11、期（s）3 档频率（KHz）表 1-1 驱动频率与周期64CCD 输出信号的测量（1） 将实验仪积分时间设置为“00”档，驱动频率设置在“0”档。（2） 用示波器 CH1 探头测量 FC 信号，调节示波器显示至少 2 个 FC 周期； CH2 探头测量实验仪的 UG 输出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察 UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。（3） 逐步缩小镜头光圈，观测 UG 的波形变化，当 UG 的输出在小于 3V 时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。（4） 保持 CH1 探头不变，增加积分时间，用 CH2 探头分别测量 UG、UR 和 UB信号，观测这三个

12、信号在积分时间改变时的信号变化。（5） 调节示波器扫描速度，展开 SH 信号，观测 SH 波形和 CCD 输出波形之间的相位关系。重复上述步骤观测 FC 波形和 CCD 输出波形之间的相位关系。（6） 打开实验仪上盖板，将测量片夹 B 插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测 CCD 输出波形的变化。5关机结束（1）关闭实验仪。（2）关闭示波器。（3）关闭电源。五、实验总结1、 写出实验总结报告，注意说明 TCD2252D 的基本工作原理。2、 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。3、解释为何在同样的光源亮度下会出现 UR、U G

13、、U B 信号的幅度差异。驱动频率 0 档 驱动频率 1 档 驱动频率 2 档 驱动频率 3 档积分时间（档）FC 周期（ms）积分时间（档）FC 周期（ms ）积分时间（档）FC 周期（ms）积分时间（档）FC 周期（ms）00 00 00 0001 01 01 0102 02 02 0203 03 03 0304 04 04 0405 05 05 0506 06 06 0607 07 07 0708 08 08 0809 09 09 0910 10 10 1011 11 11 1112 12 12 1213 13 13 1314 14 14 1415 15 15 15表 1-2 积分时间的

14、测量7实验二 线阵 CCD 基本特性的测量实验一、实验目的通过对典型线阵 CCD 在不同驱动频率和不同积分时间下输出信号的测量，进一步掌握线阵 CCD 的基本特性，加深积分时间对 CCD 输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。正确理解线阵 CCD 器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。二、实验准备内容1、 学习掌握线阵 CCD 的基本工作原理（参考图像传感器应用技术教材的相关章节） 。2、 学习掌握 TCD2252D 线阵 CCD 基本工作原理（参考附录一中的特性参数表） 。3、 通过对典型线阵 CCD 的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD 的基本特性。特

15、别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC 脉冲与输出信号的相位关系，说明 FC 脉冲的作用。三、实验所需仪器设备1、 双踪迹同步示波器（带宽 50MHz 以上）一台。2、 彩色线阵 CCD 多功能实验仪 YHLCCDIV 一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，并确认示波器和多功能实验仪的电源插头均插入交流 220V 插座上。（2） 打开示波器电源开关，调整好示波器。（3） 打开 YHLCCDIV 的电源开关，测量 F1、F2、FC 、RS、SP 、CP 各路驱动脉冲信号的波

16、形，并与“附录一”中所示波形对比。应该与附图 3 所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。2驱动频率变化对 CCD 输出波形影响的测量（1） 将示波器 CH1 和 CH2 的扫描线调整至适当位置，设置 CH1 所测信号为同步信号。（2） 将实验仪 CCD 的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡。（3） 用 CH1 探头测量 FC 脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少 2 个稳定的 FC 周期，用测试笔 CH2 测量 Uo(泛指 UR、U G、U B)信号。（4） 调整 CCD 成像物镜镜头的光圈，观测 Uo 信号幅度的变化，

17、将光圈调整至UG 信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹 B 插入后端片夹夹具中，盖上盖板。（5） 维持示波器探头不动，使 FC 脉冲始终保持显示至少 2 个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，观测 CCD 输出信号的变化。8（6） 继续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号 UG 的变化。并做相应记录。3积分时间与输出信号测量（1） 保持实验仪其他设置不变，只将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。（2） 用 CH1 探头测量 FC 脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用 CH2 探头测量 Uo 信号。（3） 调节积分时间设置按钮逐

18、步增加积分时间，测出输出信号 Uo 的幅度(VH 是高电平，VL 是低电平)值，添入表 2-1。表 2-1 添满后，以积分时间为横坐标，以输出信号 Uo 的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察 CCD 的输出信号与积分时间的关系，当CCD 出现饱和后，积分时间与输出的信号有为如何？（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 输出信号 Uo 驱动频率 1 档 输出信号 Uo积分时间（档）FC 周期（ms）输出幅度（VH ）输出幅度（VL）积分时

19、间（档）FC 周期（ms）输出幅度（VH ）输出幅度（VL）00 0002 0204 0406 0608 0810 1012 1214 14驱动频率 2 档 输出信号 Uo 驱动频率 3 档 输出信号 Uo00 0002 0204 0406 0608 0810 1012 1214 144关机结束（1） 关闭实验仪。（2） 关闭示波器。（3） 关闭电源。五、实验总结1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？表 2-1 输出信号幅度与积分时间的关系92、 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 的应用有何指导意义？进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗

20、？为什么？这对 CCD 的应用又有何指导意义？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 CCD 的输出特性，用线阵 CCD 测量物体尺寸和位置的基本方法。掌握 CCD 积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。二、实验准备内容1. 二值化的基本工作原理 线阵 CCD 的输出信号包含了 CCD 各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。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。将被测物体A 置于成像物镜的物

21、方视场中，将线阵 CCD 像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。当被均匀照明的被测物体 A 通过成像物镜成像到 CCD 的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过 CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图 3-1 右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以得到物体 A 在像方的尺寸 设光学放大倍率为 ，则可以用下面D公式计算出物体 A 的实际尺寸 D 为（3-1）/显然，只要求出 ，就不难测出物体 A 的实际尺寸 D。线阵 CCD 的输出信号 UO 随光强的变化关系为线形的，因此，可用 UO 模拟光强分布。采用二值

22、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。2二值化处理方法的波形图 3-2 所示为典型 CCD 输出信号与二值化处理的时序图。图中 FC 信号为行同步10图 3-3 二值化电路脉冲，FC 的上升沿对应于 CCD 的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。U G 为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。为了提取图3-2 所示 UG 的信号所表征的边缘信息，采用如图 3-3 所示的固定阈值二值化处理电路。该电路中，电压比较器 LM393 的正相输入端接 CCD 输出信号 UG，而反相器的输入端通过电位器接到可调电平（阈

23、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信号波形定义为 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 N1 和 N2。N 1 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。物体 A 在像方的尺寸 为L（3-012LND2）式中，N 1 与 N2 为边界位置的像元数，L 0 为 CCD 像敏单元的尺寸。因此，物体的外径应为（3-012)(3）3二值化处理电路原理方框图二值化处理原理图如图 3-4 所示，若与门的输入脉冲 CRt 为 CCD 驱动器输出的采样脉冲 SP，则计数器所计的数为（N 2N 1） ，锁存器锁存的数为（N 2N 1） ，将其差值送入（N 2 N1）LED 数码显示器，则显示出（N 2N 1）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 A 在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体 A 的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。三、实验所需仪器设备1、 YHLCCDIV 型彩色线阵 CCD 多功能实验仪一台。