光电检测与显示实验五 线阵CCD应用实验.docx
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光电检测与显示实验五线阵CCD应用实验
实验5线阵CCD应用实验
电荷耦合器件（Chargecoupleddevices）是70年代初期发现的新型集成光电传感器件。
它有线阵列与面阵列两种基本类型，各有不同的工作原理与特性。
它们的应用为机器视觉领域的改革创新立下了汗马功劳，使机器有了获取70%以上信息的能力，加之它易于与计算机配合，使机器安装“眼睛”与“大脑”成为可能，使机器走向自动化、智能化的趋势进入现实阶段。
线阵CCD的工作原理简单，易于掌握，而它在机器视觉领域的地位举足轻重。
线阵CCD通常用于工业领域的非接触自动检测设备上，尤其是自动化生产过程或生产线上，用作在线非接触光电检测设备或俗称为“电眼”。
非接触检测物体的尺寸、运动速度、加速度、运动规律、位置、面形、粗糙度、变形量、光学特性变化、条码信息和其他应用。
本实验共有9项实验内容，前2项实验属于原理性或认识性实验，实验3~9属于典型应用的实验，学生通过这些代表性的应用实验能够充分认识与理解线阵CCD在工业领域非接触测量工作中的重要地位。
（一）线阵CCD原理与驱动特性
一、实验目的
1、掌握彩色线阵CCD开发应用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的观测，掌握二相线阵CCD的基本工作原理，尤其要掌握RS复位脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，分析它对CCD输出信号的影响。
SH转移脉冲与CR1、CR2驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的几个过程。
二、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计算机一台；
3.双踪迹同步示波器（推荐使用数字示波器，带宽应在50MHz以上）一台；
三、实验内容及步骤
1．实验预备
（1）首先将示波器的地线与实验仪上的接地线连接好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V电源插座上；
（2）取出双踪迹同步示波器的测试探头待用；
（3）打开示波器的电源开关，选择自动测试方式（按下示波器右上角“自动设置”按钮），旋转“垂直设置”旋钮，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；
（4）通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-Ⅲ实验平台的USB输入端口相连；
（5）将LCCDAD-Ⅱ-A型线阵CCD应用开发实验仪的电源开关打开，红色指示灯亮；
（6）启动计算机，打开桌面上的快捷方式“线阵CCD”，点击“1-LV”，弹出如图1-1所示的执行界面，点击需要设置的参数，该参数会以较大数字显示在下方，用鼠标点击“设置”，完成设置工作。
2．观察驱动脉冲相位
（1）开机后，先按图1-1的界面设置好线阵CCD的积分时间和驱动频率等参数，将其全部设置为“0”档；
（2）示波器测试笔CH1和CH2分别接到实验仪面板上标注的各个脉冲（例如CH1扫描线在上，CH2在下），然后用CH1为同步输入，对照“附录一”所给出的TCD2252D的驱动波形进行下面的测试实验。
（3）测试笔CH1接到仪器面板上的转移脉冲SH输出端上，按下示波器右上角“自动设置”按钮，调节示波器的触发脉冲电平旋钮使示波器显示波形稳定，出现三个稳定的尖峰脉冲，即表示示波器以被SH同步。
再调节示波器的“水平设置”旋钮下方的“秒/格”旋钮，使SH脉冲的宽度适合观测，以能够观察到一个或二个周期为最佳。
然后，用测试笔CH2分别接到仪器表面板上标有“CR1”与“CR2”字样的测试端口，观测SH与CR1、CR2的相位关系，为更清楚地观测，可以将示波器的扫描频率加快，使SH的正脉冲展宽，能清楚地观测到SH与CR1、CR2的相位关系，注意观测SH脉冲的下降沿发生在CR1脉冲的“高”还是“低”电平的位置上；
（4）测试笔CH1移至CR1信号输出端，用示波器探头CH2分别测量CR2、RS、CP、SP信号，观测CR1与CR2、RS、CP、SP信号之间的相位关系，注意RS脉冲与CR1、CR2的边沿位置关系。
（5）测试笔CH1探头接CP信号输出端，用CH2探头分别测量RS、SP，观测CP与RS、SP信号之间的相位关系。
（6）以上测得的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形对照，分析实验仪的真正驱动脉冲与手册上所给脉冲之差异。
3．驱动频率和积分时间测量
（1）用示波器依次测量线阵CCD驱动器的4个档位驱动脉冲CR1、CR2和复位脉冲RS的周期、频率与幅度等参数，并分别填入表1-1；
（2）观察它们之间的相位关系，尤其注意复位脉冲RS与CR1之间的相位关系，分析为什么复位脉冲RS产生于CR1由高变低之后的一段时间；
（3）观测调整积分时间设置时驱动频率f是否跟随变化？
调整驱动频率f时积分时间ting是否跟随变化？
（4）将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“0”档。
用测试笔CH1测FC（以它为同步信号），用测试笔CH2测量SH，观察两者的周期是否相同，记录FC信号的周期。
通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。
表1-2积分时间的测量
驱动频率0
驱动频率1
驱动频率2
驱动频率3
积分时间
（档）
周期（ms）
频率（Hz）
积分时间
（档）
周期（ms）
频率（Hz）
积分时间
（档）
周期（ms）
频率（Hz）
积分时间
（档）
周期（ms）
频率（Hz）
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
15
4．CCD输出信号的测量
（1）将实验仪积分时间设置为“0”档，驱动频率设置在“0”档；
（2）用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器扫描频率，使屏上至少显示2个FC的周期波形；用CH2探头测量实验仪的彩色线阵CCD的绿色信号UG输出端子，将实验仪器顶部的上盖拿掉，用遮挡部分光路的方式改变入射到CCD像面上的光强度。
观察UG的输出信号应该有所变化；
（3）若将成像物镜遮挡大部或干脆全部盖住，UG的输出信号波形将变为最低的直线；
（4）保持CH1探头的测量内容不变，调出改变积分时间的软件，进行积分时间的调整，先逐渐增加积分时间，同时，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过程中的变化情况；
（5）分别将CH1探头接至SH与FC，调节示波器使之同步，观测SH波形和CCD输出信号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，比较上述两种相位关系的差异。
（6）将实验仪的上盖打开，将成像物镜恢复到初始状态（取下镜头盖），再将扫描装置拆掉，（将扫描装置上的4个螺丝旋下便可将滚筒拿下），将被测圆柱物体安放到台上的圆孔处，调整好成像物镜的焦距，使示波器能够观测到比较陡直的输出信号波形，然后，再观察积分时间或驱动频率的变化对输出信号幅度的影响。
（7）分析为什么积分时间的变化会影响线阵CCD输出信号的幅度。
思考题：
1、说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与CR1、CR2周期的关系。
2、解释为何在同样参数设置的情况下，彩色线阵CCD输出信号UR、UG、UB的幅度会出现较大的差异，差异产生的原因有那些？
（二）线阵CCD输出特性的测量
一、实验目的
1.测量典型彩色线阵CCD器件在不同驱动频率和积分时间下输出的信号波形，进一步掌握彩色线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号影响的认识，掌握驱动频率和积分时间设置的意义。
2.正确理解彩色线阵CCD器件的光照灵敏度参数、饱和曝光量与饱和“溢出”的等特性。
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、输出信号幅度等测量结果的分析。
找出积分时间、驱动频率与输出信号幅度间的关系，观察FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的意义。
二、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计算机一台；
3、双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台；
三、实验内容及步骤
1．实验预备
（1）将示波器的地线与实验仪的地线连接好，并确认实验仪、示波器和PC计算机的电源插头均已插入交流220V的插座上；
（2）通过USB总线将实验仪与计算机或GDS-Ⅲ光电综合实验平台的USB输入端口相连；
（3）打开计算机的电源或光电综合实验平台的计算机电源，并进入线阵CCD基本特性的测量实验软件；
（4）打开示波器电源开关，调整好示波器。
（5）打开实验仪的电源开关，用示波器测量CR1、CR2、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）在如图1-1所示的软件界面菜单提示下将线阵CCD的驱动频率设置为适当的档位，例如“0”档，再设置积分时间的档位，例如设置积分时间为“0”挡。
（3）用示波器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，将任意测量物体插入支撑架上，盖上遮光盖，然后进行下面的实验。
（5）保持示波器探头的接法不变，示波器使始终能够显示2个FC脉冲的周期，改变驱动频率，先设置为“1”档，观测FC与CCD输出信号UG的幅度。
（6）再调节CCD的驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG幅度的变化，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
输出信号Uo
驱动频率1档
输出信号Uo
积分时间（档）
FC周期（ms）
输出幅度（VH）
输出幅度（VL）
积分时间（档）
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
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？
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？
（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
，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
（3-1）
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。
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
为
（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
（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；
（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；
（4）调整物镜的焦距使如图3-7所示输出信号曲线的斜率尽量陡；
（5）停止采集后，界面进入到如图3-8所示的光学放大倍率的测量与设定软件界面，并在界面的底部用文字方式提示实验者应该执行的步骤，如图3-8中提示的“请将标准棒插入测试槽中，观察数据曲线。
”，实验者应该按着提示将φ5的测试棒插入测试槽中。
然后根据曲线波形调节驱动频率与积分时间使信号波形输出幅度适合测量需要（注意绝对不能使CCD输出信号波形出现“饱和现象”，否则严重影响测量精度）。
如图3-8中设定积分时间为“6”档，驱动频率为“0”档时输出信号波形较为理想；
（6）选择适当的阈值，二值化阈值电平的选择原则是能够检测出物体的真正外形尺寸值。
例如，在如图3-8所示输出波形图上可以看出，波形幅度的一半处能够反映物体的外形尺寸信息，此处曲线的变化率也最大，为此可以选定阈值为“127”，再执行“下一步”，界面弹出下一步操作的提示；
（7）调整光学成像系统的焦距与光圈，注意观察输出信号波形，使信号波形中反映尺寸信息的变化边缘越陡成像光学系统调整得越佳，测量系统的精度越高。
调整好光学系统后执行下一步；
（8）在软件界面的提示下进行操作，将用卡尺或千分尺测量的标准被测物尺寸值输入到如图3-9所示的“已知值”输入框中，再执行“下一步”，软件自动计算出光学系统的放大倍率β并显示在新弹出如图3-10所示的界面上；再点击“下一步”，出现点击“完成”，便将测得的放大倍率存入计算机内存，为本实验的测量工作使用；
标定好光学系统放大倍率后测量系统就可以对如何安装在指定位置上的任何物体的外形尺寸进行测量实验，例如对仪器提供的3mm、8mm棒材的外径尺寸进行测量实验。
实际的物体外形尺寸的测量仪器都需要上述的标定过程，只有经过上述标定才能够应用于实际工程中。
（9）也可以用最原始的数据测量光学系统放大倍率，当调整好光学成像系统的焦距后，停止采集，选择“数据结果”菜单，察看线阵CCD所有单元的数据，观察相邻两个像元数据的变化率，将发生由大变小变化率最大处的像元序列值（位置值）记为“N1”，将由小变大过程中变化率最大处的像元序列值记为“N2”，将所观察到的N1与N2值填入表3-1，重复上述过程，进行多次测量后，再将测量值代入公式（3-1），便可以获得光学系统的横向放大倍率β。
（3-1）
式中D为校正所用物体的直径，测量次数根据统计理论应该是奇数次，这里取7次。
表3-1光学放大倍率β的测量
二值化测量值
（N2－N1）（阈值2V）
物方尺寸
（mm）
像方计算尺寸
（mm）
光学放大倍率β
3）非接触测量物体的外形尺寸
（1）保持上述设置不变，取下测量光学系统放大倍率标准件，装上其他尺寸的被测件，盖上盖。
连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测件的实际尺寸。
改变二值化阈值电平继续测量物体尺寸，观察、分析测量条件对测量结果的影响，为此先调出二值化实验软件。
（2）将阈值电平的二进制数值设为98，测量出物体直径的一组相关数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径D。
（3）再调整阈值至127，测量一组数据，填入表3-2，计算出被测杆件的直径，观察阈值电平改变前、后被测杆件直径值的变化。
（4）若调整阈值调至150，再测
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