《光电子技术与仪器》实验指导书

实验一  线阵CCD原理及驱动实验

一、实验目的

1、掌握本实验仪的基本操作和功能。

2、掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。

3、通过对典型线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲CCD输出电路中的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。

二、实验前准备内容

1、学习线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。

2、学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录）。

3、掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。

4、根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。

5、测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值，以及它的行周期（FC）值。

三、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YHLCCD－IV一台。

四、实验内容及步骤

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，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V的电源插座上；

（2）取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流220V的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；

（3）将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；

（4）打开YHLCCD－IV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00  0”字样，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示CCD的驱动频率档位值。积分时间共分为32档，显示数值范围由“00”~“31”，数值越大表示积分时间越长。积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的挡位加一操作，按动标有“－” 号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD的驱动频率档位值共有4档，分别显示数值为“0”~“3”，“0”挡位下的驱动频率最高，“1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然，“3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的1/8；

2．驱动脉冲相位的测量

（1）将示波器测试笔CH1和CH2的扫描线调整至适当位置后，用CH1为同步信号输入端。对照“附录一”TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。

（2）用测试笔CH1接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步），使SH脉冲宽度适当（将示波器的扫描频率调至2s左右）以便于观察。用测试笔CH2分别接到仪器表面标有“F1”与“F2”（驱动脉冲）字样的测试端口，观测SH与F1、F2的相位关系；

（3）再用测试笔CH1测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，观测F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。

（4）用测试笔CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS、SP，观测CP与RS、SP信号之间的相位关系。

（5）将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形相对照。

3．驱动频率和积分时间测量

（1）用示波器分别测量4档位下的驱动脉冲F1、F2、复位RS信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入表1-1。表1-1 驱动频率与周期

表1-2 积分时间的测量

（1）将实验仪积分时间设置为“00”档，驱动频率设置在“0”档。

（2）用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器显示至少2个FC周期； CH2  探头测量实验仪的UG输出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。

（3）步缩小镜头光圈，观测UG的波形变化，当UG的输出在小于3V时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。

（4）保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。

（5）调节示波器扫描速度，展开SH信号，观测SH波形和CCD输出波形之间的相位关系。重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。

（6）打开实验仪上盖板，将测量片夹B插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测CCD输出波形的变化。

5．关机结束

（1）关闭实验仪。

（2）关闭示波器。

（3）关闭电源。

五、实验总结

1、写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

2、说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。

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。

六、注意事项

为了确保本实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。

1、在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必  要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。

2、实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。

3、要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。

4、所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机并行接口数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。

5、实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。

6、所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。

7、一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。

实验二  线阵CCD基本特性的测量实验

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输出信号的测量，进一步掌握线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。正确理解线阵CCD器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。

二、实验准备内容

1、学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材的相关章节）。

2、学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录一中的特性参数表）。

3、通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。

三、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YHLCCD－IV一台。

四、实验内容及步骤

1．实验预备

（1）首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，并确认示波器和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。

（2）打开示波器电源开关，调整好示波器。

（3）打开YHLCCD－IV的电源开关，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与“附录一”中所示波形对比。应该与附图3所示的波形基本相符，表明仪器工作正常，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。

2．驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量

（1）将示波器CH1和CH2的扫描线调整至适当位置，设置CH1所测信号为同步信号。

（2）将实验仪CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡。

（3）用CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个稳定的FC周期，用测试笔CH2测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号。

（4）调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测Uo信号幅度的变化，将光圈调整至UG信号接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。

（5）维持示波器探头不动，使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，观测CCD输出信号的变化。

（6）继续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相应记录。

3．积分时间与输出信号测量

（1）保持实验仪其他设置不变，只将实验仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。

（2）用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）调节积分时间设置按钮逐步增加积分时间，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的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有为如何？

（4）驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，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，并解释之。表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系

（1）关闭实验仪。

（2）关闭示波器。

（3）关闭电源。

五、实验总结

1、解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？

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？

六、注意事项

为了确保本实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。

1、在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必  要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。

2、实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。

3、要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。

4、所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机并行接口数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。

5、实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。

6、所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。

7、一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。

实验四  利用线阵CCD进行物体角度的测量

一、实验目的

应用线阵CCD可以进行物体位置或角度的测量，学习利用线阵CCD测量被测物体角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。

二、实验准备内容

a)学习利用彩色线阵CCD测量被测物体角度的基本原理。

b)掌握利用CCD进行角度测量的方法。

三、实验所需仪器设备

（1）YHLCCD－IV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。

（2）装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台；

（3）带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；

四、利用彩色线阵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测量的类型。常用的测量方法有两种。第一种方法如图6-1所示，图中水平粗线表征线阵CCD的像敏单元阵列，假设待测物体的轴线与CCD像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的宽度为D，当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为S。

从图6-1可以推导出被测物的倾斜角度α为α＝sin-1 ( D / S )。

这种测量角度的方法比较简单，适用于低精度测量较大尺寸物体的倾斜角。这种方法要求预先知道被测体垂直放置时的宽度，且光学系统的放大倍数不能太高。当被测物体本身的宽度尺寸D有显著变化时，会直接影响角度的测量精度。

测量角度的第二种方法实际上是两条具有水平刻度尺的平行线切割被测物体而对其倾角敏感的测量原理。由于彩色线阵CCD由3条相互平行的像敏单元阵列构成，且制造CCD的工艺保证了三条平行的光敏单元阵列的首尾及像元尺寸的高精度一致性，使得其中的任意两行光敏单元阵列能够构成两条具有水平刻度的尺，其像元尺寸可视为尺的分度，像元总长可视为测量范围（当然要考虑光学系统的放大倍率），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6-2所示，假设被测物在CCD像面上的投影如灰色部分所示，R、B、G分别为彩色线阵CCD的R、B、G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，用分离最远的R、G阵列传感器做测量尺，通过对R、G阵列传感器的边界信息的提取测量，便可以测得图中的S。而相邻感光线的间距为m为已知量（见器件手册），则R、G阵列传感器的边界间隔距离L0＝128m。

由此可以推导出待测物体的倾斜角度为

α＝tg-1 ( T / S )                        (6-1)

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 )                      (6-2)

五、实验内容及步骤

1、实验内容

（1）用单色线阵CCD测量物体的角度

（2）用彩色线阵CCD测量物体的角度

2、实验步骤

i.首先将实验仪的数据端口和计算机USB端口用专用USB数据线缆连接好并合上YHLCCD－IV的主电源开关。

ii.打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。

iii.用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。

iv.认已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。

v.选择“角度测量实验”文件，点击，弹出角度测量主界面后按界面提示进行下面的操作。

（一）角度测量方法之一

（1）打开实验仪上盖板将测量角度样片D、E分别插入测量片夹夹具中。

（2）运行《角度测量实验》软件，在如图6-3所示的界面工具条上选择算法，点击算法1按钮，便可以算法1的测量方法测出“物体”（样片D）的倾角，并将结果显示在如图6-4所示的测量框内，例如测得角度为44.54°。

（3）调节镜头的光圈、焦距和CCD的积分时间设置，

使信号达到测量要求（接近饱和状态，但不能进入饱和状态），且要调整好成像物镜，使输出波形尽量陡直，以便获得更高的测量精度。

（4）设置阈值为“浮动阈值”方式，数值选为50。选择“压缩”显示，数据采集间隔设为0s，设置采集次数为10次，得到10次采集的平均值。

（5）运行测量软件，并将所显示的测量结果记录在实验报告中。   

（二） 角度测量方法之二

选择工具条上的算法2按钮，实验仪将自动转换为用TCD2252D的UR、UG两输出信号进行方法2测量。将测量角度样片D、E图形代替被测物分别插入测量片夹的夹槽中。其他实验步骤如同角度测量方法一的步骤。测量结果也同样显示于如图6-4所示的界面中。

3、结束与关机

（1）先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；

（2）关闭计算机系统；

（3）关闭示波器电源；

（4）关掉总电源。

（5）整理好所有的实验器材与工具。

六、实验总结

1、 写出实验总结报告。

2、假设本实验测量物体宽度为4mm，CCD像面的测量精度为±2（CCD像素点），根据光学放大倍数，分析本实验测量角度的精度情况。

3、同上条件，假设被测物体本身的宽度变化为8mm ± 0.2mm，再分析测量角度的精度情况。

4、试比较两种测量方法的测量精度，彩色线阵CCD的行间距越宽，测量精度越高吗？若采用两个平行放置的单色CCD能否实现更高精度的测量结果？

5、参考本实验角度测量原理，试设计一个用两个平行放置的线阵CCD进行圆形棒材直径进行测量的装置，并要求允许棒材产生适当的倾斜，求解测量公式。（选作）