CCD 应用技术综合实验

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CCD 应用技术综合实验

中国计量学院光学与电子科技学院

制作人：余向东


提纲

• 实验的意义• 一 . 实验目的• 二 . 实验基础理论• 三 . 仪器介绍• 四 . 实验内容及要求


CCD 应用技术综合实验的意义

CCD 应用技术综合实验该实验项目包含 CCD 原

理及驱动、 CCD 特性测量、 CCD 的 A ／ D 数据采集、 CCD 输出信号的二值化、 CCD 物体角度、尺寸、振动、颜色识别、图像扫描等 10 个实验。学生可针对性地选择其中部分实验内容。该实验是光、机、电、算一体化实验。该实验内容分原理介绍、动手实验、撰写实验报告三部分。学生通过该实验的进行可综合地了解 CCD 应用的工作原理，掌握使用 CCD 进行测量的各种方法，提高综合分析能力和动手能力。


一 . 实验目的

掌握线阵 CCD 基本原理。

掌握使用 CCD 进行测量的各种方法。


二 . 线阵 CCD （ TCD2252D ）的基本工作原理

电荷耦合摄像器件（ CCD ）的突出特点是以电荷为信号的载体。 CCD 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此 CCD 的基本工作过程主要是信号电荷的产生、存储、转移和检测。当不同强度的光照射到线阵 CCD 光敏区时，会在每个光敏单元内部产生感生电荷。电荷的强度反映了光照的强度。所以通过对光感电荷的分析就可以找出遮光（或通光）部分的宽度，这也就是尺寸测量的基本原理。既然光强信息是以电荷强度不同的形式存在，那么如果能够将每个光敏单元内的电荷传输出来加以分析就能实现检测的目的。



在研究电荷转移之前先要理解电荷的存储形式。光照产生电荷累积形成势阱。势阱就好像一个水池，电荷就好像水一样装于其中。

0I 0I SPSP

图 1 可见，线阵 CCD光敏区共有大于 2700 个光敏单元，其中有效单元为 2700 个（包含信息的部分），前后为无效单元。每相邻的光敏单元之间在工艺上设计了一个沟阻，避免相邻光敏单元之间电荷相互干扰。转移栅和移位寄存器与光敏区结构相似，是与光敏区一一对应的存储单元。

图 1 TCD2252D 原理效果图


在光敏区感生电荷后，当转移脉冲 SH 为低电平时，SH 下的所有单元均为浅势阱，将光敏区和寄存器区有效隔开，如图 2 。当 SH 为高电平时，此时水平移位脉冲 F1也为高电平， F2 为低电平，势阱情况如图 3, 光敏单元中的感生电荷将“流入” F1 下的势阱中，即完成了电荷从光敏区到水平移位寄存器的转移。 2700 个有效像元中的电荷将转移至 F1 脉冲下的上下两条水平移位寄存器中（图 1 中 CR1A 、 CR2A 等效于 F1 、 F2 ），这样上下两条寄存器就可以存储所有的光敏单元的信号电荷。 SH 在转移完成后恢复低电平，此时水平移位寄存器将开始进行信号输出，光敏区开始下一次光积分。 SH 的低电平将持续到下次转移，这样就避免了信号在水平移位寄存器内传输过程与光敏区电荷的相互干扰。水平移位寄存器中， F1由高电平向低电平跳变时，其下势阱消失，此时 F2 下寄存器为高电平，形成势阱，电荷将转移至 F2 下的寄存器单元中， F2由高电平向低电平跳变时电荷又转移到 F1下寄存器中，这样周而复始完成信号输出。


SH F1

图 2 SH 低电平势阱情况示意图

SH F1

图 3 SH 高电平势阱情况示意图



信号输出后，在输出端有一个复位脉冲RS （低电平有效），它的作用是保证每位信号（即单位光敏单元中的电荷信号）输出后，对末段寄存器单元放电。这样就避免了残留在末段寄存器中的电荷与下一位信号叠加，引入误差。钳位脉冲 CP又称缓冲脉冲（低电平有效），对输出信号有缓冲作用。 SP称为采样保持脉冲，同时也为 A/D系统提供像元同步信号。其采样保持原理如图 4 。线阵 CCD 输出的尖脉冲经过采样保持 SP 脉冲的作用后，变成比较平缓的梯形波。这对线阵 CCD 信号处理是十分有利的。经过 RS 、 CP 、 SP 脉冲的作用后，信号电荷从输出端输出。这样就完成了信号电荷由产生到输出的全过程。

图 4 采样保持前后信号输出波形情况


三 . 仪器介绍 :

1、仪器结构

2

1

6

5

10

16

9 12

9

11

7

8

15 14

13

3

4

标号名称及功能标号名称及功能

1 振动装置电机开关 9二值化阈值电平调

节按钮（加1 ）

2驱动频率设置按钮（

循环加 1 ） 10二值化阈值电平调

节按钮（减1 ）

3积分时间设置按钮（

个位减 1 ） 11 顶盖（可拿下）

4计算机并口连接端口

（图中看不到）

12 测量端子


十位减 1 ） 13外接线阵 CCD 相

机


十位加 1 ） 14 CD1-15P 接口


个位加 1 ） 15 电源开关

8 仪器显示面板 16 硬件二值化开关


三 . 仪器介绍 :

图 2 调整焦距

图 3 插入片夹

图 4 拔出片夹

图 1 物镜光圈的调整

2、物镜调整及夹片使用


三 . 实验内容及要求1 、线阵 CCD 原理及驱动 2 、线阵 CCD 特性测量实验 3 、线阵 CCD 输出信号的二值化 4 、利用线阵 CCD 进行物体角度的测量 5 、利用线阵 CCD 测量物体尺寸 6 、利用线阵 CCD 进行图像扫描

三 . 实验内容及要求


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 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。

1 、线阵 CCD 原理及驱动



二、实验仪器

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。



三、实验内容及操作要点1、实验预备（详见讲义） 2、驱动脉冲相位的测量

（详见讲义）3、驱动频率和积分时间测

量 ① 用示波器分别测量 4 档

驱动频率下 F1、 F2、RS信号的周期，并计算信号频率填入表 1-1；

驱动频率项目 F1 F2 RS

0 档

周期（ μs ）

频率（ KHz）

1 档

周期（ μs ）

频率（ KHz）

2 档

周期（ μs ）

频率（ KHz）

3 档

周期（ μs ）

频率（ KHz）

表 1-1 驱动频率与周期



② 将实验仪的频率设置恢复为“ 0” 档，同时确认积分时间设置为“ 00” 档。用 CH1 观测 FC 信号，并用它作同步，用 CH2 测量 SH信号，观察两者的周期是否相同，记录 FC 信号周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率按钮进行调节，并将不同驱动频率和积分时间下的 FC 周期填入下表 1-2 中。

驱动频率 0 档驱动频率 1 档驱动频率 2 档驱动频率 3 档

积分时间（档）

FC 周期（ ms ）


FC 周期（ ms ）


FC 周期（ ms ）


FC 周期（ ms ）

00 00 00 00

01 01 01 01

02 02 02 02

03 03 03 03

04 04 04 04

05 05 05 05

06 06 06 06

07 07 07 07

08 08 08 08

09 09 09 09

10 10 10 10

11 11 11 11

12 12 12 12

13 13 13 13

14 14 14 14

15 15 15 15

表 1-2 积分时间的测量


四、思考题：1、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；2、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。



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测量，进一步掌握线阵 CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对 CCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。

2 、线阵 CCD 特性测量实验



二、实验仪器 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。



三、实验内容及操作要点 1、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 扫描线调整至适当位置，同步设置为 CH1；② 将实验仪驱动频率设置为“ 0”档；

③ 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 FC周期， CH2探头测量 Uo(泛指 UR 、 UG 、 UB) 信号；④ 调节镜头光圈，使之逐渐缩小，观测 Uo 信号的变化，将光圈调整至 UG信号刚好接近“ 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 保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“ 1”档，调节示波器使 FC 脉冲始终保持显示至少 2 个周期，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。



2 ．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 ) 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。

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；



驱动频率 0 档输出信号 Uo 驱动频率 1 档输出信号 Uo


FC 周期（ ms）

输出幅度（ VH ）

输出幅度（ VL ）


FC 周期（ ms）

输出幅度（ VH ）

输出幅度（ VL ）

00 00

02 02

04 04

06 06

08 08

10 10

12 12

14 14

驱动频率 2 档输出信号 Uo 驱动频率 3 档输出信号 Uo

00 00

02 02

04 04

06 06

08 08

10 10

12 12

14 14

表 2-1 输出信号幅度与积分时间的关系



四、思考题： 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？


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。

3 、线阵 CCD 输出信号的二值化



图 3-1 物体尺寸测量系统的光学系统

二、工作原理： 1 、二值化的基本工作原理 CCD 输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体振动等的测量。如图 3-1 所示为测量物体外形尺寸的原理图。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性的，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。



图 3-3 二值化电路图 3-2 二值化处理波形图图 3-3 二值化电路

2．二值化处理方法的波形

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 在像方的尺寸为

012 LNND

式中， N1 与 N2 为边界位置的像元数， L0 为 CCD 像敏单元的尺寸。因此，物体的外径应为：

012 )( LNN

D



三、实验仪器

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。



三、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，观察阈值电平的调整对输出信号宽度的影响；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。



四、实验数据及数据处理1、光学放大倍率β的测量二值化测量值（ N

2－ N1 ）（阈值 2V ）物方尺寸（ mm ）

像方计算尺寸（ mm ）

光学放大倍率β

D

NN ）（ 128

以上 10次计算的平均光学放大倍率：

＝

。



四、实验数据及数据处理2、被测条纹尺寸的测量

二值化测量值（ N2－ N1 ）（阈值 1V ）

光学放大倍率 β像方计算尺寸

（ mm ）物方尺寸（ mm ）

D

）（ 128 NN

以上 10次计算的平均被测条纹尺寸

＝



五、思考题：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；② 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域；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？


4 、利用线阵 CCD 进行物体角度的测量

一、实验目的学习利用线阵 CCD测量被测物体角度的基本原

理和方法



二、实验仪器① 彩色线阵 CCD多功能实验仪 YHLCCD－ IV一台；② 双踪迹示波器一台（带宽 50MHz

以上）。③ 实验用计算机、 VC++ 软件及相关

的实验软件。



三、实验工作原理：第一种方法如图 6-1 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 6-1 可以推导出待测角度 α＝ sin-1 ( D / S ) 。

GBR

图 6-1 CCD 测角方法之一图 6-2 CCD 测角方法之二



第一种方法测量精度较低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 6-2 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 6-2 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 64m 为已知量，则 G 、 R 阵列传感器的边界间的距离 L0＝ 128m 。由此可以推导出待测角度为 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)



四、实验内容及步骤：1 、实验预备（参见讲义）2 、角度测量方法之一① 打开实验仪上盖板将测量片夹 D插入后端片夹夹具中。点击“算法 1”按钮（如图 6-3），此时 UG 为阵列传感器的输出信号；② 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，采集方式为 10次采集取平均值；③ 运行测量软件，并将所显示的测量结果（如图 6-4 所示）记录在实验报告中。 3 、角度测量方法之二点击“算法 2”按钮采用 TCD2252D 的 UR 、 UG 输出信号进行测量。被测物用片夹 E的图形代替。实验步骤同角度测量方法一。

图 6-4 实验结果的显示图 6-3 算法选择



五、思考题：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 、利用线阵 CCD 测量物体尺寸

一、实验目的：掌握用线阵 CCD测量物体外形尺寸的原理与

方法。二、实验仪器：① 彩色线阵 CCD多功能实验仪 YHLCCD－ IV

一台；② 双踪迹示波器一台（带宽 50MHz以上）；③ 实验用计算机、 VC++软件及相关的实验软件。三、实验原理：（参见实验 3 ）



三、实验内容及要求：1、实验预备：参见实验讲义2、测量尺寸① 打开实验仪上盖板取出片夹 F，将准备好的被测信号（黑底白色条可以

为测量片夹B、 C等）插入后端片夹夹具中；②设置“浮动阈值”为 50，选择收缩图显示，数据采集间隔设为 0s，设置采集次数为 10次，采集方式为 10次采集取平均值；

③ 注意测量条件项，包括放大倍率和像敏单元尺寸；④ 点击“结果”按钮（如图 7-1所示），弹出测量结果框（如图 7-2所示）。记录所测的结果。

图 7-1 打印结果图 7-2 测量结果数据框



四、思考题

说出本实验的主要误差来源？


6 、利用线阵 CCD 进行图像扫描

一、实验目的掌握线阵 CCD 的图像扫描的基本原理和方法。二、实验所需仪器设备① 彩色线阵 CCD多功能实验仪 YHLCCD－ IV 一台；② 实验用计算机、 VC++软件及相关的实验软件；③ 双踪迹同步示波器（带宽 50MHz 以上）一台。


6 、利用线阵 CCD 进行图像扫描

三、实验内容及步骤1、实验预备（见讲义）2、图像扫描① 取出片夹B，在前端片夹夹具中插入扫描测量片夹（即带有耀辉标志的片夹）；② 按下实验仪上的振动开关，启动振动装置；③ 点击软件界面“扫描”按钮（如图 10-2）；④ 观察扫描图像。

图 10-1“曲线”按钮图 10-2“扫描”按钮


结束！

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