《现代光电信息处理》
实验指导书
何
宁 廖 欣 编
桂林电子科技大学 信息与通信学院
2006年10月
实验一： 单色线阵CCD驱动特性测量
一、实验目的
1了解单色线阵CCD的工作原理和基本特性。 2掌握驱动脉冲等信号波形参数的作用和测试。
二、实验内容
1测量转移脉冲、驱动脉冲、复位脉冲、采样保持信号波形的频率、幅度、周期以及相位关系。 2观测在光照度信号作用下，线阵CCD的输出波形的电平和显像关系。
三、实验原理
CCD称为电荷耦合器件，它是以电荷作为信号，其基本功能是电荷的存储和电荷的转移，CCD的工作过程就是信号电荷的产生、存储、传输和检测。
电荷耦合器件是将二维光学图像信号转变为一维时序的视频信号输出，主要分为线型和面型两种。像敏面将照在每一像敏单元上的照度信号转变为少数载流子数密度信号存储在像敏单元（MOS电容）中，然后，当转移脉冲到来时，光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲（时钟脉冲）的作用下顺序地移出器件，形成视频脉冲信号。
根据CCD转移电极结构不同，可分为二相CCD、三相CCD和四相CCD，通常把CCD的电极分为几组，每一组成为一相，通过将按一定规律变化的时钟脉冲电压加到CCD各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动，CCD正常工作所需的相数由其内部结构决定。CCD的特性参数主要有转移效率和工作频率，实验中使用的单色线阵CCD为二相转移电极结构，其电路参数及波形见附录1。
CCD有关信号介绍：
，使存储在光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器转移。?ROG：转移脉冲，当该信号有效时（高电平）
?1、?2：驱动脉冲1、驱动脉冲2，将模拟寄存器中的信号电荷定向转移到输出端形成序列脉冲输出。 ?RS：复位脉冲，使复位场效应管导通，将剩余信号电荷卸放掉，以保证新的信号电荷接收。 ?SP：采样保持脉冲，进行采样控制。 Vout视频信号输出，输出与光照度信号对应的电脉冲序列。
四、实验步骤
1、给实验板加上15V直流电源，用双踪示波器CH1测试?ROG波形的幅度、频率、周期和脉冲宽度。 2、用示波器CH1探头分别测量?RS、?SH、?1、?2的波形幅度、频率和周期。 3、用示波器的CH1和CH2测量?1与?2间的相位关系。
4、用示波器的CH1和CH2测量?ROG 与?1、?2间的相位关系。 5、用示波器的CH1和CH2测量?1与?RS、?SH的相位关系。
6、用示波器探头与电路板的Vout连接，将线阵CCD用黑罩遮挡或揭开，观察其电平变化情况。 7、用遮光条在CCD表面从右往左移动，观察Vout输出波形在一个周期内的变化情况。 8、用给定两种不同结构的遮光罩遮挡CCD受光面，用示波器观察Vout的输出波形。
五、实验设备
直流稳压电源 一台 双踪示波器 一台
六、实验报告
1分析实验过程，处理实验数据。 2说明输出信号与?1、?2的周期关系。 3说明CCD在光照度下的电平关系（显相关系）。
实验二 彩色线阵CCD原理及应用测试
一、实验目的
1．掌握用双踪迹示波器观测二相彩色线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期，了解彩色线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系。
2．了解二相彩色线阵CCD的基本工作原理及应用，熟悉转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，理解电荷转移的过程。
3．了解利用线阵CCD测量被测物体角度的基本原理和方法。 4．了解用线阵CCD测量物体外形尺寸的原理与方法。
二、实验内容
1彩色线阵CCD驱动脉冲波形及相位测量。 2物体角度和尺寸测量。
三、实验原理
1．CCD测量物体角度的原理
利用线阵CCD测量被测物体角度的方法有很多，其实质都属于尺寸测量和位移量的测量。常用的有两种方法。
第一种方法如图2-1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2-1可以推导出待测角度α＝sin-1 ( D / S )。
G B R
图2-1 CCD测角方法一 图2-2 CCD测角方法二
这种方法比较简单，适用于低精度大尺寸测量，且光学放大倍数不高的场合，并且必须保证被测物体的宽度是已知的。当待测物体本身的宽度尺寸D有显著变化时，会影响测量精度。
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2-2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 ) （2-1）
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 ) (2-2)
2．CCD测量物体尺寸的原理
线阵CCD可以进行物体尺寸的非接触、高速测量，其原理框图如图2-3所示。系统由照明系统、成
线阵CCD 光电传感器 照明系统 被测物体 成像物镜 稳压稳流电源 驱动器 计算机数据采集接口 二值化电路 数据显示 软件处理 图2-3 线阵CCD测量尺寸原理框图 像物镜、光电图象传感器检测系统和计算机测量控制系统等构成。
当稳压稳流调光电源为照明系统提供稳定的照明光源，被照明的待测物体经成像物镜成像在CCD图像传感器的光敏阵列上，由于透射率和光在不同形状介质中的折射率不同，使得通过被测物体的像会形成不同的暗带和亮带；线阵CCD图像传感器在驱动脉冲的作用下完成光电转换，并产生如图2-4所示波形的输出信号；经二值化电路进行处理，再传送至计算机数据采集接口电路，由计算机软件进行计算，就可以获得被测物体的尺寸了。
图2-4 CCD输出信号波形 t U 四、实验仪器设备
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； 3、 实验用计算机、VC++软件及相关的实验软件； 4、 色卡一套。
五、实验步骤
1．彩色线阵CCD的驱动脉冲参数测试
（1）打开示波器电源和YHLCCD－IV的电源开关。
（2）将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1： （3）用CH1探头测量转移脉冲SH，仔细调节使之稳定（同步），使SH脉冲宽度适当以便于观察。（将示波器的扫描频率调至2?s档左右，便于观察对照）用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2，这就是SH与F1、F2的相位关系；
（4）用CH1探头测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，这就是F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系； （5）CCD输出信号的测量