CCD 应用技术综合实验

1. CCD应用技术综合实验 中国计量学院光学与电子科技学院 制作人：余向东

2. 提纲 • 实验的意义 • 一.实验目的 • 二.实验基础理论 • 三.仪器介绍 • 四.实验内容及要求

3. CCD应用技术综合实验的意义 CCD应用技术综合实验该实验项目包含CCD原理及驱动、CCD特性测量、CCD的A／D数据采集、CCD输出信号的二值化、CCD物体角度、尺寸、振动、颜色识别、图像扫描等10个实验。学生可针对性地选择其中部分实验内容。该实验是光、机、电、算一体化实验。该实验内容分原理介绍、动手实验、撰写实验报告三部分。学生通过该实验的进行可综合地了解CCD应用的工作原理，掌握使用CCD进行测量的各种方法，提高综合分析能力和动手能力。

4. 一.实验目的 • 掌握线阵CCD基本原理。 • 掌握使用CCD进行测量的各种方法。

5. 二.线阵CCD（TCD2252D ）的基本工作原理 电荷耦合摄像器件（CCD）的突出特点是以电荷为信号的载体。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此CCD的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。 当不同强度的光照射到线阵CCD光敏区时，会在每个光敏单元内部产生感生电荷。电荷的强度反映了光照的强度。所以通过对光感电荷的分析就可以找出遮光（或通光）部分的宽度，这也就是尺寸测量的基本原理。既然光强信息是以电荷强度不同的形式存在，那么如果能够将每个光敏单元内的电荷传输出来加以分析就能实现检测的目的。

6. 图1 TCD2252D原理效果图 二.线阵CCD（TCD2252D ）的基本工作原理 在研究电荷转移之前先要理解电荷的存储形式。光照产生电荷累积形成势阱。势阱就好像一个水池，电荷就好像水一样装于其中。 图1可见，线阵CCD光敏区共有大于2700个光敏单元，其中有效单元为2700个（包含信息的部分），前后为无效单元。每相邻的光敏单元之间在工艺上设计了一个沟阻，避免相邻光敏单元之间电荷相互干扰。转移栅和移位寄存器与光敏区结构相似，是与光敏区一一对应的存储单元。

7. SH F1 SH F1 图2 SH低电平势阱情况示意图 图3 SH高电平势阱情况示意图 二.线阵CCD（TCD2252D ）的基本工作原理 在光敏区感生电荷后，当转移脉冲SH为低电平时，SH下的所有单元均为浅势阱，将光敏区和寄存器区有效隔开，如图2。当SH为高电平时，此时水平移位脉冲F1也为高电平，F2为低电平，势阱情况如图3,光敏单元中的感生电荷将“流入”F1下的势阱中，即完成了电荷从光敏区到水平移位寄存器的转移。2700个有效像元中的电荷将转移至F1脉冲下的上下两条水平移位寄存器中（图1中CR1A、CR2A等效于F1、F2），这样上下两条寄存器就可以存储所有的光敏单元的信号电荷。SH在转移完成后恢复低电平，此时水平移位寄存器将开始进行信号输出，光敏区开始下一次光积分。SH的低电平将持续到下次转移，这样就避免了信号在水平移位寄存器内传输过程与光敏区电荷的相互干扰。水平移位寄存器中，F1由高电平向低电平跳变时，其下势阱消失，此时F2下寄存器为高电平，形成势阱，电荷将转移至F2下的寄存器单元中，F2由高电平向低电平跳变时电荷又转移到F1下寄存器中，这样周而复始完成信号输出 。

8. 图4 采样保持前后 信号输出波形情况 二.线阵CCD（TCD2252D ）的基本工作原理 信号输出后，在输出端有一个复位脉冲RS（低电平有效），它的作用是保证每位信号（即单位光敏单元中的电荷信号）输出后，对末段寄存器单元放电。这样就避免了残留在末段寄存器中的电荷与下一位信号叠加，引入误差。 钳位脉冲CP又称缓冲脉冲（低电平有效），对输出信号有缓冲作用。SP称为采样保持脉冲，同时也为A/D系统提供像元同步信号。其采样保持原理如图4。线阵CCD输出的尖脉冲经过采样保持SP脉冲的作用后，变成比较平缓的梯形波。这对线阵CCD信号处理是十分有利的。经过RS、CP、SP脉冲的作用后，信号电荷从输出端输出。这样就完成了信号电荷由产生到输出的全过程。

9. 12 9 11 8 9 10 7 6 5 13 4 3 2 1 16 14 15 三.仪器介绍: 1、仪器结构

10. 三.仪器介绍: 2、物镜调整及夹片使用 图3 插入片夹 图1 物镜光圈的调整 图4 拔出片夹 图2 调整焦距

11. 三.实验内容及要求 三.实验内容及要求 1、线阵CCD原理及驱动 2、线阵CCD特性测量实验 3、线阵CCD输出信号的二值化 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 5、利用线阵CCD测量物体尺寸 6、利用线阵CCD进行图像扫描

12. 1、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 线阵CCD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。

13. 1、线阵CCD原理及驱动 二、实验仪器 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YHLCCD－IV一台。

14. 1、线阵CCD原理及驱动 三、实验内容及操作要点 1、实验预备（详见讲义） 2、驱动脉冲相位的测量 （详见讲义） 3、驱动频率和积分时间测量 ① 用示波器分别测量4档驱动频率下F1、F2、RS信号的周期，并计算信号频率填入表1-1； 表1-1 驱动频率与周期

15. 1、线阵CCD原理及驱动 ② 将实验仪的频率设置恢复为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。用CH1观测FC信号，并用它作同步，用CH2测量SH信号，观察两者的周期是否相同，记录FC信号周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率按钮进行调节，并将不同驱动频率和积分时间下的FC周期填入下表1-2中。 表1-2 积分时间的测量

16. 1、线阵CCD原理及驱动 四、思考题： 1、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； 2、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。

17. 2、线阵CCD特性测量实验 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的输出信号测量，进一步掌握线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。

18. 2、线阵CCD特性测量实验 二、实验仪器 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YHLCCD－IV一台。

19. 2、线阵CCD特性测量实验 三、实验内容及操作要点 1、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扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1； ② 将实验仪驱动频率设置为“0”档； ③ 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FC周期，CH2探头测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号； ④ 调节镜头光圈，使之逐渐缩小，观测Uo信号的变化，将光圈调整至UG信号刚好接近“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 保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“1”档，调节示波器使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，观测CCD输出信号的变化； 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。

20. 2、线阵CCD特性测量实验 2．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)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。 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；

21. 2、线阵CCD特性测量实验 表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系

22. 2、线阵CCD特性测量实验 四、思考题： ① 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？ ② 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？为什么？这对CCD的应用又有何指导意义？

23. 3、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，了解运用线阵CCD进行物体尺寸和位置测量的基本方法。近一步掌握CCD积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。

24. 图3-1 物体尺寸测量系统的光学系统 3、线阵CCD输出信号的二值化 二、工作原理： 1、二值化的基本工作原理 CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体振动等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸的原理图。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A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上。在像面位置可得到黑白分明的光强分布。CCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的信息，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的像转换为如图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β，则可以用下面公式计算物体A的实际尺寸D为 D=D’/β 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随光强分布的变化关系为线性的，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。

25. 图3-3 二值化电路 图3-3 二值化电路 图3-2 二值化处理波形图 3、线阵CCD输出信号的二值化 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。UG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。N1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 式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸。 因此，物体的外径应为：

26. 3、线阵CCD输出信号的二值化 三、实验仪器 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YHLCCD－IV一台。

27. 3、线阵CCD输出信号的二值化 三、实验内容 ① 观测二值化处理过程中CCD的输出信号； ② 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平的调整对输出信号宽度的影响； ③ 标定光学放大倍率； ④ 进行被测图形尺寸的测量； ⑤ 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。

28. 3、线阵CCD输出信号的二值化 四、 实验数据及数据处理 1、光学放大倍率β的测量 以上10次计算的平均光学放大倍率： ＝ 。

29. 3、线阵CCD输出信号的二值化 四、 实验数据及数据处理 2、被测条纹尺寸的测量 以上10次计算的平均被测条纹尺寸 ＝

30. 3、线阵CCD输出信号的二值化 五、思考题： ① 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点； ② 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域； ③ 积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？

31. 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 一、实验目的 学习利用线阵CCD测量被测物体角度的基本原理和方法

32. 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 二、实验仪器 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（带宽50MHz以上）。 ③ 实验用计算机、VC++软件及相关的实验软件。

33. G B R 图6-1 CCD测角方法之一 图6-2 CCD测角方法之二 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 三、实验工作原理： 第一种方法如图6-1所示。图中水平粗线为线阵CCD像敏单元阵列，假设待测物体在CCD像面上的测量宽度为D，当该物体旋转角度 α后，CCD感光线上测量的宽度值也发生了相应变化，变为S。 从图6-1可以推导出待测角度α＝sin-1 ( D / S )。

34. 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 第一种方法测量精度较低第二种方法是利用彩色线阵CCD测量物体角度。彩色线阵CCD由3条相互平行的像敏单元阵列构成，当被测物与线阵CCD像敏单元阵列成角度α时，可以利用彩色线阵CCD两条平行的阵列传感器进行角度测量。 如图6-2所示，假设被测物在像面的投影如灰色部分所示， G、B、 R分别为彩色线阵CCD的G、B、 R三条像敏单元阵列（阵列传感器）。由图6-2中可以看出，三条阵列传感器对待测物体成像后的边界是相互错开的，通过对G、R阵列传感器的边界信息提取测量，便可以测得图中的S 。而相邻感光线的间距为64m为已知量，则G、R阵列传感器的边界间的距离L0＝128m。由此可以推导出待测角度为 α＝tg-1 ( T / S ) (6-1) 由于彩色线阵CCD的相邻阵列传感器的距离L0较宽，而同列像元的中心距l0很小，因此用这种方法测角可以获得较高的精度。这种方法测角的角度分辨率为 αmin＝tg-1 ( l0 / L0 ) (6-2)

35. 图6-3算法选择 图6-4实验结果的显示 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 四、实验内容及步骤 ： 1、 实验预备（参见讲义） 2、 角度测量方法之一 ① 打开实验仪上盖板将测量片夹D插入后端片夹夹具中。点击“算法1”按钮（如图6-3），此时UG为阵列传感器的输出信号； ② 设置阈值为“浮动阈值”方式，数值选为50。选择“压缩”显示，数据采集间隔设为0s，设置采集次数为10次，采集方式为10次采集取平均值； ③ 运行测量软件，并将所显示的测量结果（如图6-4所示）记录在实验报告中。 3、角度测量方法之二 点击“算法2”按钮采用TCD2252D的UR、UG 输出信号进行测量。被测物用片夹E的图形代替。实验步骤同角度测量方法一。

36. 4、利用线阵CCD进行物体角度的测量 五、思考题： ① 写出实验总结报告； ② 假设本实验测量物体宽度为4mm，CCD像面的测量精度为±2（CCD像素点），根据光学放大倍数，分析本实验测量角度的精度情况； ③ 同上条件，假设被测物体本身的宽度变化为8mm ± 0.2mm，再分析测量角度的精度情况； ④ 试比较两种测量方法的测量精度，彩色线阵CCD的行间距越宽，测量精度越高吗？若采用两个平行放置的单色CCD能否实现更高精度的测量结果？

37. 5、利用线阵CCD测量物体尺寸 一、实验目的： 掌握用线阵CCD测量物体外形尺寸的原理与方法。 二、实验仪器： 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（带宽50MHz以上）； ③ 实验用计算机、VC++软件及相关的实验软件。 三、 实验原理：（参见实验3）

38. 图7-2 测量结果数据框 图7-1 打印结果 5、利用线阵CCD测量物体尺寸 三、实验内容及要求： 1、实验预备 ：参见实验讲义 2、测量尺寸 ① 打开实验仪上盖板取出片夹F，将准备好的被测信号（黑底白色条可以为测量片夹B、C等）插入后端片夹夹具中； ②设置“浮动阈值”为50，选择收缩图显示，数据采集间隔设为0s，设置采集次数为10次，采集方式为10次采集取平均值； ③ 注意测量条件项，包括放大倍率和像敏单元尺寸； ④ 点击“结果”按钮（如图7-1所示），弹出测量结果框（如图7-2所示）。记录所测的结果。

39. 5、利用线阵CCD测量物体尺寸 四、思考题 说出本实验的主要误差来源？

40. 6、利用线阵CCD进行图像扫描 一、实验目的 掌握线阵CCD的图像扫描的基本原理和方法。 二、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 实验用计算机、VC++软件及相关的实验软件； ③ 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。

41. 图10-1“曲线”按钮 图10-2“扫描”按钮 6、利用线阵CCD进行图像扫描 三、实验内容及步骤 1、实验预备 （见讲义） 2、图像扫描 ① 取出片夹B，在前端片夹夹具中插入扫描测量片夹（即带有耀辉标志的片夹）； ② 按下实验仪上的振动开关，启动振动装置； ③ 点击软件界面“扫描”按钮（如图10-2）； ④ 观察扫描图像。

42. 结束！