《现代光电信息处理》实验指导书.docx
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《现代光电信息处理》实验指导书
《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：
ROG：
转移脉冲，当该信号有效时（高电平），使存储在光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器转移。
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。
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
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
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
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）。
图2-1CCD测角方法一
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）（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。
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2s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
将实验仪积分时间设置恢复为“00”档，驱动频率设置在“0”档。
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的输出变化。
调整镜头光圈，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。
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。
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。
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。
2．利用线阵CCD进行物体角度的测量
（1）打开仪器顶盖，运行《角度测量实验》软件，点击“连续”采集按钮。
（2）插入片夹F到后端片夹夹具内，调节镜头光圈和积分时间按钮，使波形最高点在红线和蓝线范围内，并保证信号最高点在最接近饱和而不饱和的状态。
首先缩小镜头光圈，然后用降低积分时间的方法微调。
调整镜头的焦距，在输出信号曲线最好时停止调节。
注意：
在以后的实验过程中不要再次调节光圈和焦距。
角度测量方法一：
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2-5），此时UG为阵列传感器的输出信号。
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采集取平均值。
运行测量软件，并将所显示的测量结果（如图2-6所示）记录在实验报告中。
角度测量方法二：
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。
3．用线阵CCD测量物体尺寸
（1）运行《尺寸测量实验》软件，点击“连续”采集按钮。
（2）插入片夹F到后端片夹夹具内，调节镜头光圈和积分时间按钮，使波形最高点在红线和蓝线范围内，并保证信号最高点在最接近饱和而不饱和的状态。
具体方法可以先缩小镜头光圈，然后用降低积分时间的方法微调。
调整镜头的焦距，调整镜头的焦距，在输出信号曲线最好时停止调节。
（3）点击计算放大倍率按钮，计算放大倍率。
（注意此时测定的放大倍率在关闭软件后会还原成初始化时的放大倍率。
为了保证测量的规范和准确，请每次实验前完成饱和度的调整和放大倍率的标定）。
注意：
保证在实验过程中不要再次调节光圈和焦距。
（4）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。
（5）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采集取平均值。
（6）点击“结果”按钮（如图2-7所示），弹出测量结果框（如图2-8所示）。
记录所测的结果。
六、实验报告
分析利用线阵CCD是如何实验对平面物体尺寸进行测量。
实验三LED点阵驱动及特性测量
一、实验目的
1、理解LED点阵的工作原理及驱动。
2、熟悉LED点阵的结构及显示方式。
二、实验内容及要求
1、LED点阵的显示驱动及参数测试。
2、设计驱动代码完成给定图形的显示。
三、实验原理
LED点阵是由多个发光二极管按照一定的排列方式组合构成，当每个发光二极管的pn结加上正向电压，p区的空穴注入至n区，n区的电子注入至p区，相互注入的电子与空穴相遇后即产生复合，这些少数载流子在结的注入和复合中产生辐射而发光，其亮度与正向电流成正比，一般情况下，正向电流在10mA左右。
LED点阵原理和管脚封装结构见附录。
LED点阵是将发光二极管按行按列排布的，驱动时也是按行按列驱动的，其显示方式是扫描驱动方式。
扫描驱动方式可以按行扫描，按列控制，也可以按列扫描，按行控制。
点阵管脚行、列结构标识见附录3，H表示行，L表示列，H1～H8为8行，L1～L8为8列，8×8LED平面位置排列如下图所示：
H8
四、实验步骤
1、将计算机与电路板连接好，给实验板加电，并启动计算机。
2、运行LED点阵演示程序，先进行单点演示，确定起始点位置。
3、键入需显示的行、列、点坐标及字符，观察LED点阵显示情况。
4、对照附录3的8×8LED管脚封装图，设定需显示的点、行、列坐标，用万用表测量对应点电压，并记入表格中。
5、输入十六进制字符，进行字符扫描演示实验。
6、运行LED点阵实验程序，参考实验程序见附录4，在指定位置设计显示代码（按16进制），使LED点阵按如下要求点亮：
●11、22、33、44、55、66、77、88位置点亮，记下显示图形，用示波器观察行扫描情况。
●11、31、51、71位置点亮，记下显示图形，用示波器两个通道观察行的扫描时序。
●11、21、31、41、42、43、44、54、64、74、84位置点亮，记下显示图形，用示波器观察扫描情况。
五、实验设备
计算机稳压电源示波器
六、实验报告
1、分析行、列电压关系，确定LED的管压降，
2、报告显示图形的代码和时序关系。
3、分析实验过程，实验体会
。
附录1：
SONYILX509单色线阵CCD结构及波形图
附录2：
TCD2252D手册
一、特性：
●像敏单元数目：
2700像元3列
●像敏单元大小：
8m8m8m（相邻像元中心距为8m）
●光敏区域：
采用高灵敏度和低暗电流PN结作为光敏单元
●相邻光敏列间距：
64m
●时钟：
二相（5V）
●内部电路：
采样保持电路、箝位电路
●封装形式：
22脚DIP封装
●彩色滤光片：
绿、蓝、红
二、光学与电气特性参数：
（Ta25℃，VOD12V，VØVSHVVV5V（脉冲），fØ0.5MHZ，fRS1MHz，tINT（积分时间）10ms，输入阻抗100KΩ，光源=日光荧光灯+CM500S滤光片）
光学╱电子特性参数：
特性
符号
最小值
典型值
最大值
单位
灵敏度
红
RR
—
7.0
—
V╱lx·s
绿
RG
—
9.1
—
蓝
RB
—
3.2
—
光响应非均匀性
PRNU
（1）
—
10
20
PRNU（3）
—
3
12
mV
寄存器不平衡性
RI
—
—
3
饱和输出电压
VSAT
3.0
3.2
—
V
饱和曝光量
SE
—
0.35
—
lx·s
暗信号电压
VDRK
—
2.0
6.0
mV
暗信号非均匀性
DSNU
—
4.0
8.0
mV
直流电源耗散
PD
—
250
400
mW
总转移效率
TTE
92
—
—
输出阻抗
ZO
—
0.3
1.0
kΩ
直流信号输出电压
VOS
3.0
5.5
8.0
V
随机噪声
NDσ
—
0.8
—
mV
三、电路原理图
1．管脚分布顶视图
2．管脚定义：
管脚号
符号
功能描述
管脚号
符号
功能描述
1
OS2
信号输出（蓝）
12
SS
地
2
OS3
信号输出（红）
13
Ø1A1
时钟1（第一相）
3
SS
地
14
SH1
转移栅1
4
NC
未连接
15
Ø2A1
时钟1（第二相）
5
复位栅
16
VDD
电源（数字）
6
Ø2B
末级时钟（第二相）
17
Ø1B
末级时钟（第一相）
7
SS
地
18
钳位栅
8
Ø2A2
时钟2（第二相）
19
采样保持栅
9
SH3
转移栅3
20
OD
电源（模拟）
10
Ø1A2
时钟2（第一相）
21
SS
地
11
SH2
转移栅2
22
OS1
信号输出（绿）
四、驱动波形图
附录3
LED点阵原理图
8×8LED管脚封装图
附录4：
//---------------------------------------------------------------------------
#include
#include"stdio.h"
#pragmahdrstop
//---------------------------------------------------------------------------
#pragmaargsused
#defineUintunsignedint
typedefstruct
{
Uintbit0:
1;
Uintbit1:
1;
Uintbit2:
1;
Uintbit3:
1;
Uintbit4:
1;
Uintbit5:
1;
Uintbit6:
1;
Uintbit7:
1;
}Bit;
typedefunion
{
Bitbit;
Uintport;
}UNport;
typedefunsignedchar（_stdcall*READBYTE）（unsignedlongPort）;
typedefvoid（_stdcall*WRITEBYTE）（unsignedlongPort,unsignedcharValue）;
WRITEBYTEWriteByte;
READBYTEReadByte;
HINSTANCEhInst;
ByteLEDCODEd[8]={0x80,0x80,0x80,0x80,0x80,0x80,0x80,0x80};//0010,0000//点阵字模数组
//修改这个数组的内容就可以改变LED的显示本程序采用行扫描模式
//以上数组是通过8*8LED取模软件得到的8位数组
UNportLEDCODE;
#defineclk1LEDCODE.bit.bit0
#definedata1LEDCODE.bit.bit1
#definedata2LEDCODE.bit.bit3
#defineclk2LEDCODE.bit.bit2
TTimer*Timer1;
//---------------------------------------------------------------------------
voidInitialLPT（void）//初始化并口请勿修改
{
hInst=LoadLibrary（"DlPortIO.dll"）;//调用并口库
if（hInst==NULL）
{
ShowMessage（"Can'tOpenDlPortIO.DLL!
"）;//如果没有相关DLL文件报错
return;
}
ReadByte=（READBYTE）GetProcAddress（hInst,"DlPortReadPortUchar"）;//读端口函数
WriteByte=（WRITEBYTE）GetProcAddress（hInst,"DlPortWritePortUchar"）;//写端口函数
}
//---------------------------------------------------------------------------
void__fastcallprintled（charx,chary）//单点点亮请勿修改
{
inti,j;
charHcode[]={1,1,1,1,1,1,1,1};//H:
81576423
charLcode[]={1,1,1,1,1,1,1,1};//L:
73584126
switch（x）//X坐标映射Hcode数组根据实际电路连线
{//对应为U2（74HC164的输出端QA--AH）
case0:
Hcode[0]=0;break;
case1:
Hcode[7]=0;break;
case2:
Hcode[3]=0;break;
case3:
Hcode[1]=0;break;
case4:
Hcode[2]=0;break;
case5:
Hcode[4]=0;break;
case6:
Hcode[6]=0;break;
case7:
Hcode[5]=0;break;
}
switch（y）//坐标映射根据实际电路连线对应
{//为U4（74HC164的输出端QA--AH）
case0:
Lcode[1]=0;break;
case1:
Lcode[5]=0;break;//
case2:
Lcode[3]=0;break;//
case3:
Lcode[0]=0;break;//
case4:
Lcode[4]=0;break;//
case5:
Lcode[7]=0;break;//
case6:
Lcode[6]=0;break;//
case7:
Lcode[2]=0;break;//
}
for（i=0;i<9;i++）//单点行扫描
{
clk1=1;WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;//H:
81576423
data1=Hcode[i];WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;
clk1=0;WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;
}
for（i=0;i<9;i++）//单点列扫描
{
clk2=1;WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;
data2=Lcode[i];WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;//L:
73584126
clk2=0;WriteByte（0x378,LEDCODE.port）;
}
}
//---------------------------------------------------------------------------
intmain（intargc,char*argv[]）
{
InitialLPT（）;
printf（"\n"）;
printf（"\n"）;
printf（"\n"）;
printf（"请不要直接点窗口的X退出，而点击运行->程序复位退出"）;
while
（1）
{
for（inti=0;i<8;i++）//i为行变量
{
for（intj=0;j<8;j++）//j为列变量
{
intComflag=（LEDCODEd[i]）&（0x80>>j）;
if（Comflag>0）
{
printled（i,j）;
}
for（intyule=0;yule<1000000;yule++）;//扫描延时
}
}
}
return0;
}
//---------------------------------------------------------------------------
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