5）写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并解释之。
表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系 驱动频率0档 输出信号U。积分FC周时间期（档） （ms） 00 02 04 06 08 10 11.76 13.84 15.88 17.92 20.00 22.04 47.12 55.28 63.52 71.68 79.84 88.10 驱动频率1档 Uh-Ul 积分时间（档） FC周期（ms） 输出信号U。 Uh-Ul 114 112 110 108 106 104 输出信号U。 20 16 14 42 42 42 00 02 04 06 08 10 23.56 27.64 31.76 35.84 39.92 44.10 38 36 34 32 30 28 输出信号U。 42 42 42 42 42 42 驱动频率2档 00 02 04 06 08 10
驱动频率3档 00 02 04 06 08 10 94.20 110.6 127 143.4 159.8 176.2 思考及设计
1.解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？
答：驱动频率越低，?的周期就越大，则两个SH之间的时间就越长，即积分时间越长。
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：。因为输出信号是由光敏区感受光并将光能转换为电能得到的，转化出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的。因此，积分时间的变化会对输出信号产生影响。指导意义：通过改变CCD的积分，积累电荷量，用以反映原图像的信息；进一步增加积分时间以后，
6
输出信号的宽度不会再发生变化。因为积分时间增加到一定程度以后，积累的电荷量达到饱和，因此输出信号的宽度不再发生变化。
7
实验三 线阵CCD输出信号的二值化
一、 实验目的
通过本实验进一步掌握线阵CCD的输出特性，了解运用线阵CCD进行物体尺寸和位置测量的基本方法。近一步掌握CCD积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。
二、 实验准备内容
1.二值化的基本工作原理
线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元的光强分布信号和像元位置信息，使它在物体尺寸和位置检测中显得十分重要。
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。被测物A置于成像物镜的物方视场中，线阵CCD像敏面安装在成像物镜的最佳像面位置。
均匀的背景光使被测物A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上。在像面位置可得到黑白分明的光强分布。CCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的信息，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的像转换为时序电压信号。根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸设光学放大倍率为β，则可以用下面公式计算物体A的实际尺寸D为 D= D′/β。
显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。
线阵CCD的输出信号UO随光强分布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检测出来是简单便捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。
2.二值化处理方法的波形
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。电路中，电压比较器LM393的正相输入端接CCD输出信号UG，而反相器的输入端通过电位器接到可调电平（阈值电平）上，该电位器可以调整二值化的阈值电平，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定义为TH。再进一步进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物在CCD像面上所成的像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸L′为 D′=（N2-N1）L0。式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸，物体的外径应为 D=(N2-N1)L0/β。
3.二值化处理电路原理方框图
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。
实验所需仪器设备
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YHCCD－IV一台。
实验内容及步骤
8
（一） 实验内容
1） 观测二值化处理过程中CCD的输出信号；
2） 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平调整的调整过程； 3） 标定光学放大倍率；
4） 进行被测图形尺寸的测量；
5） 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因素。
（二） 实验步骤 1、 实验预备
1） 首先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） 打开仪器顶部盖板，将实验用测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。
3） 打开示波器，将CH1探头接到FC脉冲输出端，仔细调节使之同步稳定，使示波器显示至少2个FC周期。
4） 确认YHCCD－IV实验仪的二值化开关处于弹出状态，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。
2、 光学放大倍率β的标定
1） 用示波器CH2探头接UG信号输出端。调节镜头的光圈，观测输出信号波形的变化，使其处于接近饱和（非饱和）的状态。
2） 用CH2探头测量TO端子（阈值电平），调节实验仪上的阈值调节按钮，使阈值为2V左右。 3） 再将CH1探头接到UG信号输出端，用UG信号同步。CH2探头接到BO端子（二值化输出TTL信号）上，调节阈值调节按钮，进行阈值的增减，观察BO的变化情况和与UG信号的关系。最后再将阈值电平恢复为2V。
4） 按下二值化测量按钮，此时仪器面板上原本显示的积分时间和驱动频率值的数值变为二值化 5） 测量值显示，所显示的数值为二值化信号所占据的CCD像元数（若仪器面板显示窗口数字闪烁则表示信号调整不当，应当退出二值化测量状态。重新调整镜头光圈、积分时间、驱动频率和二值化阈值电平），即（N2－N1）值。连续记录10组数据，填入表3-1，代入计算公式（3-3），计算光学放大倍率β的平均值，完成光学放大倍数标定工作。
表3-1 光学放大倍率β的测量
二值化测量值 （N2-N1） 274 273 273 274 274 273 274 274 273 273 5 物方尺寸 (mm) 像方计算尺寸 (mm) 2.192 2.184 2.184 2.192 2.192 2.184 2.192 2.192 2.184 2.184 光学放大倍率β 0.4384 0.4368 0.4368 0.4384 0.4384 0.4368 0.4384 0.4384 0.4368 0.4368 以上10次计算的平均光学放大倍率??8(N2?N1)?0.4376
D3、 二值化测量
9
1） 保持上述设置不变，打开实验仪顶部盖板，取出测量片夹B，插入测量片夹C，盖上盖板。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测条纹的实际尺寸。
2） 阈值电平调整至1V，再测量一组数据，填入表3-2，再计算出被测条纹的实际尺寸。
3） 变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，当CCD出现饱和状态后观测被测物尺寸的变化。
表3-2 被测条纹实际尺寸的测量
二值化测量值 （N2-N1） 558 554 556 557 552 558 559 561 562 567 以上10次计算的物方尺寸D?0.4376 光学放大倍率β 像方计算尺寸 (mm) 4.464 4.432 4.448 4.456 4.416 4.464 4.472 4.488 4.496 4.536 物方尺寸 (mm) 10.21 10.13 10.16 10.18 10.09 10.20 10.22 10.26 10.27 10.37 8(N2?N1)??10.21
思考及设计
1、 写出实验总结报告，解释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：阈值电压是一个参考量，高于阈值电压的称为高电平，否则为低。不同的阈值会导致同一电压的高低电平划分不一样，所以会导致结果有差异。
2、 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。
答：线阵CCD的输出信号UO随光强分布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检测出来是简单便捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。
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。
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：在CCD未饱和的情况下积分时间的变化会对测量值产生一定程度的影响。但当CCD处于饱和区时，积分时间的变化不对测量值产生影响。因此，进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区。
4、 设计完整的硬件二值化处理电路，并描述工作原理。
10