光电检测与显示实验五线阵ccd应用实验.doc

光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验实验实验 5 线阵线阵 C CD 应用实验应用实验电荷耦合器件（Charge coupled devices）是 70 年代初期发现的新型集成光电传感器件它有线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取 70%以上信息的能力，加之它易于与计算机配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，使机器走向自动化、智能化的趋势进入现实阶段 线阵 CCD 的工作原理简单，易于掌握，而它在机器视觉领域的地位举足轻重线阵 CCD 通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，尤其是自动化生产过程或生产线上，用作非接触光电检测设备或俗称为“电眼”非接触检测物体的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、光学特性变化、条码信息和其他应用本实验共有 9 项实验内容，前 2 项实验属于原理性或认识性实验，实验 3~9 属于典型应用的实验，学生通过这些代表性的应用实验能够充分认识与理解线阵CCD 在工业领域非接触测量工作中的重要地位光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验（一）（一） 线阵线阵 CCD 原理与驱动特性原理与驱动特性一、实验目的一、实验目的 1、 掌握彩色线阵 CCD 开发应用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测量方法 3、 通过对典型线阵 CCD 驱动脉冲的时序和相位关系的观测，掌握二相线阵 CCD的基本工作原理，尤其要掌握 RS 复位脉冲与 CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，分析它对 CCD 输出信号的影响SH 转移脉冲与 CR1、CR2 驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程 二、实验仪器二、实验仪器1. LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪一台； 2.装有 VC++软件及相关实验软件的 PC 计算机一台； 3.双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在 50MHz 以上）一台； 三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤 1．实验预备．实验预备 （1） 首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流 220V 电源插座上； （2） 取出双踪迹同步示波器的测试探头待用； （3） 打开示波器的电源开关，选择自动测试方式（按下示波器右上角“自动设置”按钮） ，旋转“垂直设置”旋钮，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置； （4） 通过 USB 总线将实验仪与计算机或 GDS-Ⅲ实验平台的 USB 输入端口相连；（5） 将 LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪的电源开关打开，红色指示灯亮；（6）启动计算机， 打开桌面上的快捷方式“线阵 CCD” ，点击“1-LV” ，弹出如图 1-1 所示的执行界面，点击需要设置的参数，该参数会以较大数字显示在下方，用鼠标点击用鼠标点击“设置设置”，完成设置工作，完成设置工作。

2．观察驱动脉冲相位．观察驱动脉冲相位（1） 开机后，先按图 1-1 的界面设置好线阵 CCD 的积分时间和驱动频率等参数，将其全部设置为“0”档； （2） 示波器测试笔 CH1 和 CH2 分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲（例如 CH1 扫描线在上，CH2在下） ，然后用 CH1 为同步输入，对照“附录一”所给出的 TCD2252D 的驱动波形进行下面的测试实验 （3） 测试笔 CH1 接到仪器面板上的转移脉冲 SH 输出端上，按下示波器右上角“自动设置”按钮，调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，出现三个稳定的尖峰脉冲，即表示示波器以被 SH 同步再调节示波器的“水平设置”旋钮下方的“秒/格”图 1-1 线阵 CCD 的参数设置界面 光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验旋钮，使 SH 脉冲的宽度适合观测，以能够观察到一个或二个周期为最佳然后，用测试笔 CH2 分别接到仪器表面板上标有“CR1”与“CR2”字样的测试端口，观测 SH 与 CR1、CR2 的相位关系，为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使 SH 的正脉冲展宽，能清楚地观测到 SH 与 CR1、CR2 的相位关系，注意观测 SH 脉冲的下降沿发生在 CR1 脉冲的“高”还是“低”电平的位置上； （4） 测试笔 CH1 移至 CR1 信号输出端，用示波器探头 CH2 分别测量 CR2、RS、CP、SP 信号，观测 CR1 与 CR2、RS、CP、SP 信号之间的相位关系，注意 RS 脉冲与 CR1、CR2 的边沿位置关系。

（5） 测试笔 CH1 探头接 CP 信号输出端，用 CH2 探头分别测量 RS、SP，观测 CP与 RS、SP 信号之间的相位关系 （6） 以上测得的波形与相位关系与“附录一”所示 TCD2252D 的驱动波形对照，分析实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异 3．驱动频率和积分时间测量 （1） 用示波器依次测量线阵 CCD 驱动器的 4 个档位驱动脉冲 CR1、CR2 和复位脉冲RS 的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表 1-1； （2） 观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲 RS 与 CR1 之间的相位关系，分析为什么复位脉冲 RS 产生于 CR1 由高变低之后的一段时间；（3） 观测调整积分时间设置时驱动频率 f 是否跟随变化？调整驱动频率 f 时积分时间 ting 是否跟随变化？ （4） 将 CCD 的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“0”档用测试笔 CH1 测 FC（以它为同步信号） ，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 1-1 驱动频率与周期光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验表 1-2 积分时间的测量 驱动频率 0驱动频率 1驱动频率 2驱动频率 3 积分 时间 (档)周期 (ms)频率 (Hz)积分 时间 (档)周期 (ms)频率 (Hz)积分 时间 (档)周期 (ms)频率 (Hz)积分 时间 (档)周期 (ms)频率 (Hz)0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 154．．CCD 输出信号的测量输出信号的测量 （1） 将实验仪积分时间设置为“0”档，驱动频率设置在“0”档； （2） 用示波器 CH1 探头测量 FC 信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示 2 个FC 的周期波形；用 CH2 探头测量实验仪的彩色线阵 CCD 的绿色信号 UG 输出端子，将实验仪器顶部的上盖拿掉，用遮挡部分光路的方式改变入射到 CCD 像面上的光强度观察UG 的输出信号应该有所变化； （3） 若将成像物镜遮挡大部或干脆全部盖住，UG 的输出信号波形将变为最低的直线；（4） 保持 CH1 探头的测量内容不变，调出改变积分时间的软件，进行积分时间的调整，先逐渐增加积分时间，同时，用 CH2 探头分别测量 UG、UR 和 UB 信号，观测这三个信号在积分时间改变过程中的变化情况； （5） 分别将 CH1 探头接至 SH 与 FC，调节示波器使之同步，观测 SH 波形和 CCD 输出信号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，比较上述两种相位关系的差异 （6） 将实验仪的上盖打开，将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖） ，再将扫描装置拆掉， （将扫描装置上的 4 个螺丝旋下便可将滚筒拿下） ，将被测圆柱物体安放到台上的圆孔处，调整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形，然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响 （7） 分析为什么积分时间的变化会影响线阵 CCD 输出信号的幅度 思考题：思考题： 1、 说明 RS 脉冲、SP 脉冲和 CP 脉冲的作用，输出信号与 CR1、CR2 周期的关系 2、 解释为何在同样参数设置的情况下，彩色线阵 CCD 输出信号 UR、UG、UB 的幅光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验度会出现较大的差异，差异产生的原因有那些？光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验（二）（二） 线阵线阵 CCD 输出特性的测量输出特性的测量一、实验目的一、实验目的1.测量典型彩色线阵 CCD 器件在不同驱动频率和积分时间下输出的信号波形，进一步掌握彩色线阵 CCD 的基本特性，加深积分时间对 CCD 输出信号影响的认识，掌握驱动频率和积分时间设置的意义。

2.正确理解彩色线阵 CCD 器件的光照灵敏度参数、饱和曝光量与饱和“溢出”的等特性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 的基本特性特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等测量结果的分析找出积分时间、驱动频率与输出信号幅度间的关系，观察 FC 脉冲与输出信号的相位关系，说明 FC 脉冲的意义二、实验仪器二、实验仪器1、LCCDAD-Ⅱ-A 型线阵 CCD 应用开发实验仪一台；2、装有 VC++软件及相关实验软件的 PC 计算机一台；3、双踪迹同步示波器（带宽 50MHz 以上）一台；三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤1．实验预备（1） 将示波器的地线与实验仪的地线连接好，并确认实验仪、示波器和 PC 计算机的电源插头均已插入交流 220V 的插座上；（2） 通过 USB 总线将实验仪与计算机或 GDS-Ⅲ光电综合实验平台的 USB 输入端口相连；（3） 打开计算机的电源或光电综合实验平台的计算机电源，并进入线阵 CCD 基本特性的测量实验软件；（4） 打开示波器电源开关，调整好示波器5） 打开实验仪的电源开关，用示波器测量 CR1、CR2、FC、RS、SP、CP 各路驱动脉冲信号的波形，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） 在如图 1-1 所示的软件界面菜单提示下将线阵 CCD 的驱动频率设置为适当的档位，例如“0”档，再设置积分时间的档位，例如设置积分时间为“0”挡3） 用示波器 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、UG、UB)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，将光圈调整至 UG信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将任意测量物体插入支撑架上，盖上遮光盖，然后进行下面的实验5） 保持示波器探头的接法不变，示波器使始终能够显示 2 个 FC 脉冲的周期，改变驱动频率，先设置为“1”档，观测 FC 与 CCD 输出信号 UG的幅度光电显示与检测实验五 线阵 CCD 应用实验（6）再调节 CCD 的驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号 UG幅度的变化，进行记录，添入表 2-1。

3．积分时间与输出信号测量（1） 保持实验仪的其他设置不变，将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积 分时间的设置也处于“0”档 （2） 用示波器 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） 在如图 1-1 所示的软件界面菜单的提示下，调节积分时间的设置，逐步增加积 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 输出信号与积分时间的关系。