北航_儀器光電綜合實驗報告_彩色線陣CCD傳感器系列實驗

1、2012/4/29儀器光電綜合實驗實驗報告彩色線陣 CCD傳感器系列實驗實驗時間： 2012 年 4 月 27 日星期五（一）實驗?zāi)康模?了解并學(xué)習(xí)CCD的使用、驅(qū)動原理和功能特性等。（二）實驗內(nèi)容：1本實驗共分為以下四個實驗部分，主要內(nèi)容為:1 ）線陣原理及驅(qū)動2 ）特性測量實驗3 ）輸出信號二值化4 ）線陣 CCD的 AD數(shù)據(jù)采集（三）實驗儀器 ：1雙蹤跡同步示波器（帶寬50MHz以上）一臺，2彩色線陣 CCD多功能實驗儀 YHCCD IV 一臺3實驗用 PC計算機(jī)及 A/D數(shù)據(jù)采集基本軟件（四）實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析：一、線陣原理及驅(qū)動1） 驅(qū)動頻率與周期表格 1驅(qū)動頻率與周期實驗結(jié)果驅(qū)動頻

2、率項目F1(us)F2(us)RS(us)0檔周期 us883.9頻率 khz125125256.41檔周期 us16168頻率 khz62.562.51252檔周期 us323216頻率 khz31.2531.2562.53檔周期 us646432頻率 khz15.6315.6331.251儀器光電綜合實驗實驗報告由于對不同驅(qū)動頻率示值，對應(yīng)不同驅(qū)動頻率，當(dāng)顯示數(shù)值為0時， f=1Mhz；為 1時，f=500Khz ；為 2時， f=250Khz ；為 3時， f=125Khz ；對應(yīng) F1， F2頻率始終是驅(qū)動信號的8分之一，而 RS則為 F1，F(xiàn)2頻率的 2倍；現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析：由上圖可知

3、，在同一頻率檔位上，隨著積分時間檔位的增長，F(xiàn)C周期逐漸增加；對于同一積分檔位，考慮到驅(qū)動頻率間的關(guān)系，F(xiàn)C周期恰好成倍數(shù)關(guān)系；2） 積分時間測量表格 2積分時間測量結(jié)果驅(qū)動頻率 0檔驅(qū)動頻率 1檔驅(qū)動頻率 2檔驅(qū)動頻率 3檔積分時間FC周期積分時間FC周期積分時間FC周期積分時間FC周期( 檔 )ms( 檔 )ms( 檔 )ms( 檔 )ms011.78023.56047.08094.2112.8125.6151.21102.4213.82227.64255.32110.6314.86329.68359.43118.8415.88431.72463.54127516.9533.8567.65

4、135.2617.92635.84671.76143.4718.94737.88775.87151.6819.96839.92879.98159.6920.98941.989849168現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析：由上圖可知，在同一頻率檔位上，隨著積分時間檔位的增長，F(xiàn)C周期逐漸增加；對于同一積分檔位，考慮到驅(qū)動頻率間的關(guān)系，F(xiàn)C周期恰好成倍數(shù)關(guān)系；二、特性測量實驗表格 3輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系0 檔驅(qū)動頻率 0檔輸出信號 U幅度2儀器光電綜合實驗實驗報告積分時間（檔）FC時間幅度（ H） 幅度（ L）Vh-Vlms011.787.2-1.28.4213.8210.8-0.811.6415.8817

5、.2-0.818617.9221.2-0.822819.9825.6-0.826.41022.0230.8-1.632.4對應(yīng)曲線：圖表 1輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系0 檔表格 4輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系1 檔驅(qū)動頻率 1檔輸出信號 U幅度積分時間（檔）FC時間幅度（ H） 幅度（ L）Vh-Vlms023.5636.4-238.4227.6444.8-0.845.6431.7648.8-0.849.6635.8448.8-0.849.6839.9448.8-0.849.63儀器光電綜合實驗實驗報告1044.0249.6-0.850.4圖表 2輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系1 檔表格 5輸

6、出信號幅度與積分時間的關(guān)系2 檔驅(qū)動頻率 2檔輸出信號 U幅度積分時間（檔）FC時間幅度（ H） 幅度（ L）Vh-Vlms047.149.2-0.850255.349.2-0.850463.549.2-1.650.8671.748.8-0.849.6879.948-0.848.81088.148.4-0.849.24儀器光電綜合實驗實驗報告圖表 3輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系2 檔表格 6輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系3 檔驅(qū)動頻率 3檔輸出信號 U幅度積分時間（檔）FC時間幅度（ H） 幅度（ L）Vh-Vlms094.248-0.848.82110.648-0.848.8412748-0.

7、848.86143.448-0.848.88159.648-0.848.810176.148-0.848.85儀器光電綜合實驗實驗報告圖表 4輸出信號幅度與積分時間的關(guān)系3 檔現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析：通過表格 3、4、5、6及其對應(yīng)的圖表1、2、3、 4可以看出，隨著積分時間檔位和驅(qū)動頻率檔位的改變，積分時間不斷改變；隨著積分時間的增長，輸出電壓的幅值和峰值不斷增大，輸出曲線表現(xiàn)為一條上升的直線，如圖表1、2（部分）；當(dāng)積分時間到達(dá)某值后， 輸出電壓幅值和峰值達(dá)到最大，在這之后，即使積分時間繼續(xù)增大，輸出電壓也不能夠再增大，如圖表2（部分）、 3、 4所示。三、輸出信號二值化UG及 BO信號變化情況如

8、下兩圖所示：6儀器光電綜合實驗實驗報告在 BO接線柱，可以觀察到二值化TTL 信號；且隨著閾值電平的增大，BO輸出端實測圖像呈現(xiàn)由上面上圖變?yōu)橄聢D的情況，對比UG，發(fā)現(xiàn) BO和 UG始終呈現(xiàn)互補(bǔ)情況。二值化輸出波形曲線:Figure 1二值化輸出波形曲線現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析：在二值化波形輸出數(shù)據(jù)采集中，使用到的測量片夾為B片，黑色條紋直徑為5mm，此時在實驗儀上示值為309，表示二值化后低電平示值點個數(shù)為309，利用相鄰像素中心距估算放大率：309*8um=2.472mm， 2.472mm/5mm=0.4944故放大率約為 0.4944 ；四、線陣 CCD的 AD數(shù)據(jù)采集測量片夾A 輸出波形曲線：7

9、儀器光電綜合實驗實驗報告Figure 2測量輸出波形曲線現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析：利用初始化獲得的數(shù)據(jù)可得：調(diào)整好后的系統(tǒng)垂直率為98.8%，放大率為 0.449 ；對應(yīng)圖像 Figure 2中一次從左到右五條條縫寬（點數(shù)）為：A1=71， A2=301， A3=183， A4=593， A5=32；由此可求得 CCD上寬度為（ 8um/點）：D1=0.568mm， D2=2.408mm， D3=1.464mm，D4=4.744mm， D5=0.256mm；利用放大倍率計算實際縫寬：d1=1.265mm， d2=5.363mm， d3=3.261mm，d4=10.566mm， d5=0.570mm；（五

10、）實驗后思考題：一、線陣原理及驅(qū)動1說明 TCD2252D的基本工作原理。答：在光敏區(qū)，由光電二極管構(gòu)成陣列將入射在上面的光能轉(zhuǎn)化為電能，形成電荷進(jìn)行儲存，電荷量的多少就反映了原圖像的信息；在驅(qū)動電路時許信號的作用下，CCD將光敏區(qū)形成的電荷轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器，光敏區(qū)開始新一輪的光電轉(zhuǎn)換，而模擬移位寄存器則通過一位一位的移動， 將由電荷形成的電壓信號向外輸出，并通過 AD轉(zhuǎn)換形成數(shù)字信號輸入計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。8儀器光電綜合實驗實驗報告2說明 SH， SP， RS， CP四個脈沖的作用，輸出信號與F1、 F2周期的關(guān)系。答：SH高電平表示每一次光敏區(qū)信號采集完成后，光敏區(qū)和模擬寄存器區(qū)均形成

11、深勢阱，兩深勢阱溝通，進(jìn)而將信號從光敏區(qū)轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器，從而進(jìn)行下一步處理；SP：與像元同步，像敏單元采樣脈沖，用作AD轉(zhuǎn)換的采樣控制信號；RS：當(dāng)轉(zhuǎn)移柵把信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中后，移位寄存器要一位一位輸出電荷，為了不使得輸出混亂， RS電極需要外加適當(dāng)?shù)膹?fù)位脈沖， 每當(dāng)前一個電荷包輸出完畢， 下一個電荷包尚未輸出之前， RS電極上應(yīng)出現(xiàn)復(fù)位脈沖， 它把前一電荷包抽走， 以準(zhǔn)備接受下一電荷包到來CP：緩沖控制脈沖；3解釋為何在同樣的光源亮度下會出現(xiàn)UR、UG、 UB信號的幅度差異。答：在同樣光源亮度下，由于組成光顏色成分可能有所差異，會使得傳感器測得的信號幅度有所差異；對 R、 G、

12、B傳感像元，即使輸入光強(qiáng)相同，不同顏色像元見光強(qiáng)特性也會有所差別，由此也會帶來量化結(jié)果的不同；4通過 Multisim軟件對 CCD驅(qū)動電路進(jìn)行仿真驗證，并試著自行設(shè)計CCD驅(qū)動電路。答： 詳見 CCD驅(qū)動電路實驗報告二、特性測量實驗1 解釋為什么驅(qū)動頻率對積分時間會有影響？答： 積分時間在宏觀上表現(xiàn)即為SH信號的周期（如補(bǔ)充閱讀材料圖2.4 ），該功能通過轉(zhuǎn)移柵完成， 而轉(zhuǎn)移柵需要依靠外界驅(qū)動電路波形進(jìn)行控制，驅(qū)動電路的控制則依賴時鐘信號及時序邏輯，因為隨驅(qū)動頻率（時鐘信號）的改變，SH信號的周期也會改變，進(jìn)而直接造成積分時間的變化2 解釋為什么在入射光不變的情況下積分時間的變化會對輸出信號

13、有影響？這對CCD的應(yīng)用有何指導(dǎo)意義？進(jìn)一步增加積分時間以后，輸出信號的寬度會變寬嗎？為什么？這對 CCD的應(yīng)用又有何指導(dǎo)意義？答： CCD光敏區(qū)將光能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化的電荷量的多少是和入射在相應(yīng)的光電二極管上的9儀器光電綜合實驗實驗報告光強(qiáng)和積分時間有關(guān)系；對CCD的應(yīng)用，在相同入射光強(qiáng)的前提下， 通過改變積分時間， 可以改變轉(zhuǎn)化電荷量的多少，進(jìn)而直接影響輸出電壓的幅值， 因此，可以通過改變積分時間， 調(diào)節(jié) CCD的靈明度和飽和值，即調(diào)節(jié) CCD的工作狀態(tài)；輸出信號的寬度（橫軸）不會變寬，只會影響輸出信號的幅度（縱軸）；可以通過改變積分時間，調(diào)節(jié)CCD的靈明度和飽和值，即調(diào)節(jié)CCD的工作狀態(tài)

14、；三、輸出信號二值化1 為何兩種閾值下測量結(jié)果有差異，造成這種差異的原因有幾點。答： 閾值電平作為二值化判斷的區(qū)分點，直接影響最終信號計數(shù)結(jié)果，不同的二值化閾值，對不同的點測得的電壓值判斷結(jié)果不同，故閾值的改變會直接影響測量結(jié)果；2 說明固定閾值二值化測量的優(yōu)缺點和適用領(lǐng)域。答：優(yōu)點：測量計數(shù)電路簡單， 不需要復(fù)雜的處理電路甚至計算機(jī)，由此構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，處理快捷，成本低廉；缺點：使用范圍小，精度較低（受使用環(huán)境影響較大），不能完全發(fā)揮CCD的功能；使用領(lǐng)域： 測量顏色種類較少、 色彩相對單一的目標(biāo)，成本限制較多， 對測量結(jié)果要求一般的系統(tǒng)；3 積分時間的變化是否對測量值有影響？在什么時候

15、會有影響？為什么進(jìn)行尺寸測量時必須使 CCD脫離飽和區(qū)？答：積分時間對測量結(jié)果有影響； 當(dāng)積分時間逐漸增大時， 會造成會造成各個位置 （象素點）測量電壓逐漸增大， 當(dāng)一些點到達(dá)閾值時， 其它點與這些點的電壓差逐漸減小， 并最終全部達(dá)到飽和狀態(tài)，對測量的靈明度及最終測量結(jié)果都回造成很大影響；如某幾個位置測得結(jié)果到達(dá)飽和區(qū)， 則會對這幾個信號的峰值造成限制， 使之產(chǎn)生失真， 同時使得測得電壓差小于不同位置間實際電壓差；四、線陣 CCD的 AD數(shù)據(jù)采集10儀器光電綜合實驗實驗報告1 總結(jié) CCD輸出信號的幅度與積分時間及光照靈敏度之間的關(guān)系，能否驗證在同樣的光照下輸出信號的幅度隨積分時間的增長而幅度

16、增大。答： 光照靈敏度越大，輸出幅度越大；能夠驗證輸出幅度隨時間的增長而增大；2 能否用這個實驗檢測CCD光敏單元的不均勻性？如果能，該如何設(shè)計這個實驗？答： 能。利用 F片上的斜條紋，由于 F片其中有一條條文是傾斜的，故考慮到 CCD像元表面 R，G， B三色的結(jié)構(gòu)，可以對 F片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分析在傾斜部分象素點與幅度的變化規(guī)律，特別是橫縱軸變化的曲率，對比斜條紋，即可初步分析光敏單元分布的不均勻性；3 用線陣 CCD的 A/D數(shù)據(jù)采集實驗?zāi)芊襁M(jìn)行物體尺寸的測量工作？若能，該如何設(shè)計這個實驗？答： 能。實驗主要步驟同實驗4，主要需要注意以下方面問題：在初始化及調(diào)整階段，CCD三色輸出電平應(yīng)具

17、有一定幅度，但應(yīng)與飽和值存在一定距離；系統(tǒng)初始化完成后，對焦距和光圈都不能再做調(diào)整；在對黑白片進(jìn)行初始化時，應(yīng)調(diào)焦，使轉(zhuǎn)折線斜率盡可能大，最好能夠完全垂直狀態(tài)；實際測量中，應(yīng)根據(jù)顏色區(qū)分特性，設(shè)定判斷值，判斷尺寸點數(shù)；4 試將片夾“ F”插入片夾夾具中，線陣 CCD輸出的波形會怎樣？片夾“ F”為對比度很好的黑白條，經(jīng)成像物鏡、線陣 CCD光電變換后再經(jīng) A/D數(shù)據(jù)采集，計算機(jī)所獲得的波形會出現(xiàn)“變形”的現(xiàn)象，怎樣解釋“變形”的現(xiàn)象？“變形”產(chǎn)生的主要原因是什么？能否利用“變形”的輸出波形進(jìn)行黑白條尺寸的測量？黑白條圖像的真實邊界的數(shù)值有什么特點？答： CCD波形主要有兩個“凹陷”，其中第一個凹陷邊緣的三色線基本重合，垂直度較好，但劣于第一個凹陷； 第二個凹陷三色線在接近邊緣處不重合，且呈遞增狀， 從上到下依次為：R， G， B；同時，邊緣處垂直度較好?！白冃巍爆F(xiàn)