准四象限探测器的光敏面中心，指示四个象限光强的指示灯其中一个或两个亮，证明电路正常工作。
3.运行软件并点击“运行”，将出现下面窗口
屏幕正中四个窗口分别显示四个象限管与接收的光强度对应的输出电压值（单位：V）和变化范围，右面的屏幕可以直观的显示出光辐射到的探测器上的位置。如图所示，第三象限电压值最大，且第三象限最亮，说明第三象限接收的光斑面积最大。与模拟显示进行比较，看是否一致。
4.用示波器观测激光器的驱动信号、各象限的脉冲信号的放大信号和展宽信号并记录，是否与显示情况一致。验证四象限探测原理。*对应测试点如下： 缩写 GND FD1 FD2 FD3 FD4 ZK1 ZK2 ZK3 ZK4 MC 定义 地 探测器一象限输出并放大后的信号 探测器二象限输出并放大后的信号 探测器三象限输出并放大后的信号 探测器四象限输出并放大后的信号 探测器一象限的信号被展宽后的信号 探测器二象限的信号被展宽后的信号 探测器三象限的信号被展宽后的信号 探测器四象限的信号被展宽后的信号 激光器的脉冲驱动信号 * 5.转动四象限探测器或左右方向的移动激光器，观察模拟显示和数字显示的变化。
六、实验报告要求
（一）内增益探测器 1.画出Id~V关系曲线。
2.分别画出两个光照下光电倍增管阳极电流Ip与光电倍增管电压关系曲线，即阳极伏安特性曲线。 3.分别计算上述电压下阳极灵敏度。
4.画出光电倍增管阴极电流IK与所加电压关系曲线，即阴极伏安特性曲线。
20
5.计算相应电压下的阴极灵敏度。 (二) 四象限光电探测器
根据实验中的体会试分析影响定向精度的因素有哪些？
21
实验四 CCD输出特性及二值化处理实验
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的测量，进一步掌握CCD的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响；了解运用线阵CCD进行物体尺寸测量的基本方法。
二、实验准备内容
1、学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。 2、学习掌握TCD1200D线阵CCD的基本工作原理。 3、掌握双综示波器的基本操作。
三、实验仪器
1、双踪同步示波器（20MHz以上） 1台 2、CCD原理应用实验箱 1台 3、计算机 1台
四、实验原理
（一）CCD输出特性
两相线阵CCD电荷传输原理示意图如下：
每一相有两个电极（即原理中的一个CCD转移寄存器的MOS电容实际中用两个），这两个电极与半导体衬底间的绝缘体厚度不同，在同一外加电压下产生两个不同深度的势井，绝缘体薄的那个MOS电容比绝缘体厚的那个MOS电容势井深，只要不是过多的电荷引入，电荷总是存于右边那个势井。图b显示了相位相差180O的驱动脉冲Φ1为高电位，Φ2为低电位时MOS电容的势井深度及电荷存储情况。图c表示Φ1和Φ2电位相等时的情况，这时电荷还不能移动；图d显示了Φ1为低电位，Φ2为高电位时
22
的情况，这时电荷流入Φ2相的势井。当Φ1和Φ2电位再相等时停止流动。
电荷传输机理证明，电荷从一个势井传输到下一个势井需要一定的时间，且电荷传输随时间的变化遵循指数衰减规律，只有由Φ1和Φ2的频率所确定的电荷传输时间大于或等于电荷传输所需要的时间，电荷才能全部传输。但在实际应用中，从工作速率考虑，由频率所确定的电荷传输时间往往小于电荷本身传输所需要的时间。这就是说，电荷的转移效率与驱动频率有关。驱动频率越低，输出信号越强。 我们知道，积分时间为光电转换的时间，显然，积分时间越长，光敏区的MOS电容存储的电荷越多，相应输出信号越强。 （二）、输出信号的二值化处理
线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元的光强分布信息和像元位置信息，这就使我们能够测量物体的尺寸和位置。可采用成像法和透射法。成像法如下图所示：
将尺寸为L的被测物体ab置于成像镜头的物面，线阵CCD的感光面置于成像镜头的像面，调节成像镜头，则在CCD的感光面上形成物体倒立的像ba，CCD感光面上光强分布发生变化，从而输出电信号强度发生变化，理想的反映光强分布的电信号曲线应如实线所示。根据这个曲线，可以测得物体ab经成像镜头在像面的尺寸L，若已知光学放大倍数f，就可以计算物体的尺寸L。
透射法如下图所示，（本实验采用这种方法）：
均匀的平行光垂直入射CCD感光面，将宽为L的物体放入光路，则CCD感光面接收到的光强，从而CCD输出信号将发生变化，理想情况如实线所示，但由于入射光非平行性和直边衍射等因素的影响，实际输出信号的强度变化如虚线所示，不能唯一确定L，要实际进行定量测量，必须对CCD输出信号进行处理。
''
其处理方法就是对虚线所示CCD输出信号进行所谓“二值化处理”。下图是硬件固定阈值二值化处
23
理电路及处理结果：
比较放大器的正相输入端接CCD的输出信号U0，反相输入端接一电位器，通过此电位器调节反相输入端的电平，此电平称为阈值电平。只有U0大于阈值电平时，放大器才有输出信号U1，U1称为二值化输出信号，可用示波器观察。
硬件二值化过程只能定性观察，要定量测量，需通过软件来实现，由USB数据采集电路采集U0信号，再给出阈值电平，则可提取表示物体边缘的像元S1和S2， S1和S2的差值即为被测物体在CCD像面上所占据的像元数目。若已知像元间距，进而可求得物体ab的尺寸L。显然，不论是硬件二值化还是软件二值化，这样求得物体ab的尺寸L与阈值电平有关，这是固定阈值二值化处理的缺点。 （三）数据采集及软件二值化
数据采集的种类和方法很多，这里介绍实验仪所采用的8位并行接口方式的数据采集基本工作原理。
下图所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统。以单片机完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令对单片机复位。单片机等待SH上升沿（对应于CCD第一个有效输出信号）触发AD开始工作，AD器件则通过RS信号完成对每个像元的同步采样，A/D转换输出的8位数字信号则存储在静态缓存器件（IDT72241）中。
''
当一帧像元的数据转换完成后，单片机（U29）会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器和存储器的工作。单片机（U30）将此帧像元的数据进行处理，并通过USB接口芯片将采集信号送给计算机软件进行相关显示处理。当软件读取并处理完一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。
CCD输出信号经A/D转换进入计算机系统后，软件测量方法很多，这里介绍最基本的二值化测量方法。软件二值化原理同硬件二值化相同，给出适当的阈值，判断出输出低于阈值的像元数，然后进行计算。与硬件二值化不同的是软件二值化除可用固定阈值外，可以使用“浮动阈值”， 浮动阈值的取值范围是0%～100%，其实际阈值按下式计算：
24