北航仪器光电综合实验报告彩色线阵CCD传感器系列实验.docx
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北航仪器光电综合实验报告彩色线阵CCD传感器系列实验
仪器科学与光电工程学院
彩色线阵CCD传感器系列实验
仪器光电综合实验实验报告
JonMMx2000
2012/4/29
彩色线阵CCD传感器系列实验
实验时间：
2012年4月27日星期五
（一）实验目的：
1．了解并学习CCD的使用、驱动原理和功能特性等。
（二）实验内容：
1．本实验共分为以下四个实验部分，主要内容为:
1）线阵原理及驱动
2）特性测量实验
3）输出信号二值化
4）线阵CCD的AD数据采集
（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YHCCD－IV一台
3．实验用PC计算机及A/D数据采集基本软件
（四）实验结果及数据分析：
一、线阵原理及驱动
1）驱动频率与周期
表格1驱动频率与周期实验结果
驱动频率
项目
F1（us）
F2（us）
RS（us）
0档
周期us
8
8
3.9
频率khz
125
125
256.4
1档
周期us
16
16
8
频率khz
62.5
62.5
125
2档
周期us
32
32
16
频率khz
31.25
31.25
62.5
3档
周期us
64
64
32
频率khz
15.63
15.63
31.25
由于对不同驱动频率示值，对应不同驱动频率，当显示数值为0时，f=1Mhz；为1时，f=500Khz；为2时，f=250Khz；为3时，f=125Khz；
对应F1，F2频率始终是驱动信号的8分之一，而RS则为F1，F2频率的2倍；
现象及数据分析：
由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系；
2）积分时间测量
表格2积分时间测量结果
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
FC周期
积分时间
FC周期
积分时间
FC周期
积分时间
FC周期
（档）
ms
（档）
ms
（档）
ms
（档）
ms
0
11.78
0
23.56
0
47.08
0
94.2
1
12.8
1
25.6
1
51.2
1
102.4
2
13.82
2
27.64
2
55.3
2
110.6
3
14.86
3
29.68
3
59.4
3
118.8
4
15.88
4
31.72
4
63.5
4
127
5
16.9
5
33.8
5
67.6
5
135.2
6
17.92
6
35.84
6
71.7
6
143.4
7
18.94
7
37.88
7
75.8
7
151.6
8
19.96
8
39.92
8
79.9
8
159.6
9
20.98
9
41.98
9
84
9
168
现象及数据分析：
由上图可知，在同一频率档位上，随着积分时间档位的增长，FC周期逐渐增加；对于同一积分档位，考虑到驱动频率间的关系，FC周期恰好成倍数关系；
二、特性测量实验
表格3输出信号幅度与积分时间的关系0档
驱动频率0档
输出信号U
幅度
积分时间（档）
FC时间ms
幅度（H）
幅度（L）
Vh-Vl
0
11.78
7.2
-1.2
8.4
2
13.82
10.8
-0.8
11.6
4
15.88
17.2
-0.8
18
6
17.92
21.2
-0.8
22
8
19.98
25.6
-0.8
26.4
10
22.02
30.8
-1.6
32.4
对应曲线：
图表1输出信号幅度与积分时间的关系0档
表格4输出信号幅度与积分时间的关系1档
驱动频率1档
输出信号U
幅度
积分时间（档）
FC时间ms
幅度（H）
幅度（L）
Vh-Vl
0
23.56
36.4
-2
38.4
2
27.64
44.8
-0.8
45.6
4
31.76
48.8
-0.8
49.6
6
35.84
48.8
-0.8
49.6
8
39.94
48.8
-0.8
49.6
10
44.02
49.6
-0.8
50.4
图表2输出信号幅度与积分时间的关系1档
表格5输出信号幅度与积分时间的关系2档
驱动频率2档
输出信号U
幅度
积分时间（档）
FC时间ms
幅度（H）
幅度（L）
Vh-Vl
0
47.1
49.2
-0.8
50
2
55.3
49.2
-0.8
50
4
63.5
49.2
-1.6
50.8
6
71.7
48.8
-0.8
49.6
8
79.9
48
-0.8
48.8
10
88.1
48.4
-0.8
49.2
图表3输出信号幅度与积分时间的关系2档
表格6输出信号幅度与积分时间的关系3档
驱动频率3档
输出信号U
幅度
积分时间（档）
FC时间ms
幅度（H）
幅度（L）
Vh-Vl
0
94.2
48
-0.8
48.8
2
110.6
48
-0.8
48.8
4
127
48
-0.8
48.8
6
143.4
48
-0.8
48.8
8
159.6
48
-0.8
48.8
10
176.1
48
-0.8
48.8
图表4输出信号幅度与积分时间的关系3档
现象及数据分析：
通过表格3、4、5、6及其对应的图表1、2、3、4可以看出，随着积分时间档位和驱动频率档位的改变，积分时间不断改变；随着积分时间的增长，输出电压的幅值和峰值不断增大，输出曲线表现为一条上升的直线，如图表1、2（部分）；当积分时间到达某值后，输出电压幅值和峰值达到最大，在这之后，即使积分时间继续增大，输出电压也不能够再增大，如图表2（部分）、3、4所示。
三、输出信号二值化
UG及BO信号变化情况如下两图所示：
在BO接线柱，可以观察到二值化TTL信号；且随着阈值电平的增大，BO输出端实测图像呈现由上面上图变为下图的情况，对比UG，发现BO和UG始终呈现互补情况。
二值化输出波形曲线:
Figure1二值化输出波形曲线
现象及数据分析：
在二值化波形输出数据采集中，使用到的测量片夹为B片，黑色条纹直径为5mm，此时在实验仪上示值为309，表示二值化后低电平示值点个数为309，利用相邻像素中心距估算放大率：
309*8um=2.472mm，2.472mm/5mm=0.4944
故放大率约为0.4944；
四、线阵CCD的AD数据采集
测量片夹A输出波形曲线：
Figure2测量输出波形曲线
现象及数据分析：
利用初始化获得的数据可得：
调整好后的系统垂直率为98.8%，放大率为0.449；
对应图像Figure2中一次从左到右五条条缝宽（点数）为：
A1=71，A2=301，A3=183，A4=593，A5=32；
由此可求得CCD上宽度为（8um/点）：
D1=0.568mm，D2=2.408mm，D3=1.464mm，D4=4.744mm，D5=0.256mm；
利用放大倍率计算实际缝宽：
d1=1.265mm，d2=5.363mm，d3=3.261mm，d4=10.566mm，d5=0.570mm；
（五）实验后思考题：
一、线阵原理及驱动
1．说明TCD2252D的基本工作原理。
答：
在光敏区，由光电二极管构成阵列将入射在上面的光能转化为电能，形成电荷进行储存，电荷量的多少就反映了原图像的信息；在驱动电路时许信号的作用下，CCD将光敏区形成的电荷转移到模拟移位寄存器，光敏区开始新一轮的光电转换，而模拟移位寄存器则通过一位一位的移动，将由电荷形成的电压信号向外输出，并通过AD转换形成数字信号输入计算机进行运算处理。
2．说明SH，SP，RS，CP四个脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。
答：
SH高电平表示每一次光敏区信号采集完成后，光敏区和模拟寄存器区均形成深势阱，两深势阱沟通，进而将信号从光敏区转移到模拟移位寄存器，从而进行下一步处理；
SP：
与像元同步，像敏单元采样脉冲，用作AD转换的采样控制信号；
RS：
当转移栅把信号电荷转移到移位寄存器中后，移位寄存器要一位一位输出电荷，为了不使得输出混乱，RS电极需要外加适当的复位脉冲，每当前一个电荷包输出完毕，下一个电荷包尚未输出之前，RS电极上应出现复位脉冲，它把前一电荷包抽走，以准备接受下一电荷包到来
CP：
缓冲控制脉冲；
3．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：
在同样光源亮度下，由于组成光颜色成分可能有所差异，会使得传感器测得的信号幅度有所差异；对R、G、B传感像元，即使输入光强相同，不同颜色像元见光强特性也会有所差别，由此也会带来量化结果的不同；
4．通过Multisim软件对CCD驱动电路进行仿真验证，并试着自行设计CCD驱动电路。
答：
详见CCD驱动电路实验报告
二、特性测量实验
1．解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？
答：
积分时间在宏观上表现即为SH信号的周期（如补充阅读材料图2.4），该功能通过转移栅完成，而转移栅需要依靠外界驱动电路波形进行控制，驱动电路的控制则依赖时钟信号及时序逻辑，因为随驱动频率（时钟信号）的改变，SH信号的周期也会改变，进而直接造成积分时间的变化
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？
答：
CCD光敏区将光能转化为电能，转化的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的光强和积分时间有关系；
对CCD的应用，在相同入射光强的前提下，通过改变积分时间，可以改变转化电荷量的多少，进而直接影响输出电压的幅值，因此，可以通过改变积分时间，调节CCD的灵明度和饱和值，即调节CCD的工作状态；
输出信号的宽度（横轴）不会变宽，只会影响输出信号的幅度（纵轴）；
可以通过改变积分时间，调节CCD的灵明度和饱和值，即调节CCD的工作状态；
三、输出信号二值化
1．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。
答：
阈值电平作为二值化判断的区分点，直接影响最终信号计数结果，不同的二值化阈值，对不同的点测得的电压值判断结果不同，故阈值的改变会直接影响测量结果；
2．说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。
答：
优点：
测量计数电路简单，不需要复杂的处理电路甚至计算机，由此构成的系统结构简单，处理快捷，成本低廉；
缺点：
使用范围小，精度较低（受使用环境影响较大），不能完全发挥CCD的功能；
使用领域：
测量颜色种类较少、色彩相对单一的目标，成本限制较多，对测量结果要求一般的系统；
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？
答：
积分时间对测量结果有影响；当积分时间逐渐增大时，会造成会造成各个位置（象素点）测量电压逐渐增大，当一些点到达阈值时，其它点与这些点的电压差逐渐减小，并最终全部达到饱和状态，对测量的灵明度及最终测量结果都回造成很大影响；
如某几个位置测得结果到达饱和区，则会对这几个信号的峰值造成限制，使之产生失真，同时使得测得电压差小于不同位置间实际电压差；
四、线阵CCD的AD数据采集
1．总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，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：
光照灵敏度越大，输出幅度越大；能够验证输出幅度随时间的增长而增大；
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。
利用F片上的斜条纹，由于F片其中有一条条文是倾斜的，故考虑到CCD像元表面R，G，B三色的结构，可以对F片进行数据采集，分析在倾斜部分象素点与幅度的变化规律，特别是横纵轴变化的曲率，对比斜条纹，即可初步分析光敏单元分布的不均匀性；
3．用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？
若能，该如何设计这个实验？
答：
能。
实验主要步骤同实验4，主要需要注意以下方面问题：
在初始化及调整阶段，CCD三色输出电平应具有一定幅度，但应与饱和值存在一定距离；系统初始化完成后，对焦距和光圈都不能再做调整；在对黑白片进行初始化时，应调焦，使转折线斜率尽可能大，最好能够完全垂直状态；实际测量中，应根据颜色区分特性，设定判断值，判断尺寸点数；
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：
CCD波形主要有两个“凹陷”，其中第一个凹陷边缘的三色线基本重合，垂直度较好，但劣于第一个凹陷；第二个凹陷三色线在接近边缘处不重合，且呈递增状，从上到下依次为：
R，G，B；同时，边缘处垂直度较好。
“变形”现象主要源于F片的一条缝呈倾斜状态，同时CCD上R，G，B三色分布为三条平行直线；
可以利用输出波形进行尺寸测量，但测量时应考虑因为实际图形倾斜造成波形变形所带来的斜率；
Figure3F片变形
右侧第二个“凹陷”，RGB三色呈现台阶状分布，从上到下依次为R，G，B；该顺序分布恰好符合CCD线阵上RGB三色排列。
5．怎样利用本实验进行像敏单元不均匀性的测量？
答：
结果同第2问，需要注意实际条纹倾斜及波形曲线“变形”问题；
6．你能例举出利用本实验进行其它目的的实验吗？
答：
倾斜缝黑白屏的斜率测量；
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