光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
进行记录，添入表2-1。
3．积分时间与输出信号测量
（1） 保持实验仪的其他设置不变，将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间的设置也处于“0”档。
（2） 用示波器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） 在如图1-1所示的软件界面菜单的提示下，调节积分时间的设置，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)值，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的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察CCD输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出的信号又如何？
（4） 改变驱动频率（即调节驱动频率设置，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。
（5） 写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并用势阱理论对输出信号幅度随积分时间的变化而变化的现象进行解释。
表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系
驱动频率0档 积分时间（档） 00 02 04 06 08 10 12 14 00 02 04 06 08 10 12 14 FC周期（ms） 输出信号Uo 输出幅 输出幅 驱动频率1档 积分时00 02 04 06 08 10 12 14 00 02 04 06 08 10 12 14 FC周期（ms） 输出信号Uo 输出幅 输出幅 度（VH） 度（VL） 度（VH） 度（VL） 间（档） 驱动频率2档 输出信号Uo 驱动频率3档 输出信号Uo 4．结束与关机 上述实验完成，并达到实验目的，便可结束实验。
（1） 先将软件程序退出，再关闭计算机系统； （2） 关闭实验仪的电源； （3） 关闭示波器的电源； （4） 将总电源关闭；
（5） 将实验仪器及其用具收拾好，工具放到指定位置；
（6） 将所做实验数据交于实验指导老师审查，合格后方可离开实验室。 五、实验总结
1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？
光电显示与检测实验五 线阵CCD应用实验
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？
3、 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？如果产生“变宽了”的现象说明线阵CCD进入了什么工作状态？
4、 如果输入到线阵CCD光敏面上的光太强或积分时间太长，使线阵CCD器件工作到饱和状态，此时线阵CCD输出信号的幅度会怎样变化？
5、 观察线阵CCD进入饱和工作状态前与后输出信号的变化情况，分析线阵CCD进入饱和工作状态后的溢出情况，尤其是发生溢出后信号电荷益处的方向，讨论这个问题对应用线阵CCD有何指导与借鉴的意义？
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（三） 利用线阵CCD进行物体外形尺寸的测量
一、实验目的
掌握利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理和方法。
二、实验原理
1. 利用线阵CCD进行非接触测量物体尺寸的基本原理
线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元所接收光强度的分布和像元位置的信息，使它在物体尺寸和位置检测中显示出十分重要的应用价值。
CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。将被测物体A置于成像物镜的物方视场中，将线阵CCD像敏面恰好安装在成像物镜的最佳像面位置上。
当被均匀照明的被测物体A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上时，被测物体像黑白分明的光强分布使得相应像敏单元上存储载荷了被测物尺寸信息的电荷包，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的电荷包转换为如图3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以测得物体A 在像方的尺寸D?，再根据成像物镜的物像关系，找出光学成像系统的放大倍率β，便可以用下面公式计算出物体A的实际尺寸D
D?D?/? （3-1）
显然，只要求出D?，就不难测出物体A的实际尺寸D。
线阵CCD的输出信号UO随光强的变化关系为线形的，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（图3-1中的N1与N2）检测出来是简单快捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。
图3-1 物体尺寸测量系统的光学系统
2. 二值化处理方法
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的正输入端接CCD的输出
信号UG，而反相输入端接到由电位器R2的动端，产生的可调的阈值电平，可以通过调节电位器对阈值电平进行设置，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被定义为TH，它为方波脉冲。
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再进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物体在CCD像面上所成图像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸D?为
D???N2?N1?L0 （3-2）
式中，N1与N2为边界位置的像元序号，L0为CCD像敏单元的尺寸。 因此，物体的外径D应为
图3-3二值化电路
D?(N2?N1)L0? （3-3）
3. 二值化处理电路原理方框图
二值化处理原理图如图3-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2－N1），锁存器锁存的数为（N2－N1），将其差值送入（N2－N1）LED数码显示器，则显示出（N2－N1）值。
同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图3-1中物体A在物面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。
三、实验仪器
1、 LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪一台；
2、 装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机或GDS-Ⅲ型光电综合实验平台一台；
四、实验内容及步骤
1、实验内容
（1） 建立非接触测量物体外形尺寸的基本结构； （2） 观测二值化处理过程中CCD的输出信号；
（3） 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测量值的影响； （4） 进行光学系统放大倍率的标定； （5） 进行非接触测量被物体外形尺寸的测量；
（6） 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主要因素。
2、实验步骤
1) 实验准备
(1) 将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上；
(2) 打开仪器上盖，旋下旋转滚筒轴上的禁锢螺钉，将旋转滚筒拿下来，使实验仪的测试台像如图3-5所示的尺寸测量系统，然后将被测干件插入如图3-5所示的安装位置上；
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图3-5线阵CCD应用开发实验仪
(3) 打开实验仪电源开关，启动计算机，并进入物体尺寸测量软件，将在屏幕上弹出如图3-6所示的物体外形尺寸测量实验软件界面；
图3-6所示界面中尽管标写“LCCDAD-Ⅱ”字样，照样适用于“LCCDAD-Ⅱ-A型”实验仪。其中“打开”菜单是为打开原来曾保存过的数据文件进行察看而设，“保存” 菜单为将所测量的数据保存到指定文件夹而设定。实验时点击“连续”菜单，仪器便执行连续采集线阵CCD的输出信号；其中“单次”是只采集线阵CCD输出一行的信号，并将其显示在计算机界面上；“数据”与“曲线”菜单分别用来以数据方式还是以曲线波形方式显示所采得的数据信号；“0ms”为曲线波形在计算机界面上停留显示的最短时间，以便实验者能够快速地观测到信号波形的变化，但是它不可能为“零”，它与计算机的性能有关。它右边的“三角箭头”是显示时间的选择下拉菜单，点击菜单上的下拉箭头可以选择更长的显示时间便于观察；“积分时间”和“驱动频率”等也都可以通过相应的下拉箭头进行选择，积分时间为16档，驱动频率为4档可调。
2）光学成像系统放大倍率β的标定
（1） 将直径为5mm的“试件”插入安装装置，执行“物体尺寸测量实验” 软件，弹出如图3-6所示的测量尺寸软件界面；同时远心照明光源被点亮；
（2） 在尺寸软件界面上选中“连续扫描”菜单，计算机显示器出现含有被测“试件”外径尺寸信息的波形如图3-7所示；
（3） 在测量界面上设置驱动频率或积分时间，使输出信号的幅度在适宜观测的程度，但是，一定不要使CCD工作到饱和状态；