实验三 CCD原理及应用实验

福建师范大学物理与光电信息科技学院光电检测技术实验－实验三PAGEPAGE6实验三CCD原理及应用实验实验规则及注意事项为了确保线阵CCD原理及应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免损坏设备，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守以下实验规则及注意事项。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。实验进行过程中，必须严格按照指导老师制定的步骤进行实验，不得自行随意进行，否则可能损坏实验仪，造成不必要的严重后果。要爱护实验仪器和示波器等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与本实验仪进行连接。所有与本实验仪相关的线缆必须在断电的情况下正确连接好，严禁带电插拔所有电缆线。实验要集中精力，认真实验。遇到问题时应找指导老师解决，不得自作主张。一旦发生意外事故或者实验现象出现异常时，应立即切断电源，并如实向指导老师汇报情况。待故障排除之后方可继续进行实验。在进行CCD实验过程中，不允许带电插拔CCD器件，否则会造成CCD器件损坏。不允许用带电的烙铁焊接任何与CCD有电气连接的导线、元器件。必须焊接时，应将烙铁的电源拔下来，利用烙铁的余热焊接，或者将CCD芯片拔下来后再焊接。实验（一）CCD驱动实验一、实验目的掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动器各路脉冲的频率、幅度、周期和相位关系的测量方法。通过测量CCD驱动脉冲之间的相位关系，掌握二相线阵CCD的基本工作原理。通过测量典型线阵CCD的输出脉冲信号与驱动脉冲的相位关系，掌握CCD的基本特征。二、实验内容CCD驱动频率观测；积分时间测量。三、实验仪器1、双踪同步示波器（20MHz以上）1台2、CCD原理应用实验箱1台四、实验原理线阵CCD像传感器具有结构精细、体积小、工作电压低、噪声低、响应度高等优点，被广泛运用于运动图像传感、机械量非接触检测、图像数据自动获取等多领域。线阵CCD像传感器是利用CCD所具有的光电转换和移位存储功能进行图像传感和信息处理。利用光电转换功能CCD将入射到CCD摄像区的光信号转换为与之强度相对应的电荷包的空间分布，然后利用CCD的移位存储功能将这些大小不一的电荷包“自扫描”到同一输出端，形成幅度不等的实时脉冲序列，经过处理便可还原成原来的光学图像。TCD1200D的外形与管脚分布1.1TCD1200D的外形与管脚分布如图1-1所示图1-1TCD1200D的外形和管脚1.2TCD1200D的管脚定义如 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1-1所示表1-1TCD1200D管脚定义管脚符号功能管脚符号功能6Φ1时钟11OS信号输出19Φ2时钟22DOS补偿输出21SH转移栅3OD电源4RS复位栅22SS地NC未连接2.TCD1200D的基本工作原理与工作时序图D13D14D15D62…S1S2光电二极管……S2159S2160D64D65…D74D73D74转移栅1转移栅2CCD模拟转移寄存器1CCD模拟转移寄存器261信号输出缓冲级补偿输出缓冲级234192122OSDOSODRSSSSHΦ1图1-2TCD1200D工作原理图2.1TCD1200D的基本工作原理如图1-2所示在CCD两侧的模拟转移寄存器，是由一系列MOS电容组成。它们对光不敏感，只是接受摄像区转移来的电荷包，把他们逐个移位到输出机构中，最后传输到器件外面。摄像区MOS电容在光照下获得光生载流子形成电荷包。在电荷包转移期间，按奇偶序号分开，分别转移到两侧的移位寄存器中。两个移位寄存器都有两相电极φ1、φ2与外电路相连。当外电路对φ1、φ2提供适当的驱动脉冲时，移位寄存器中的电荷包就由右向左移位。在结构安排上已经保证两寄存器中的电荷包以奇偶序号交替的方式把电荷包送到输出机构，以恢复摄像时的时序。两相CCD电荷包转移原理如图1-3所示，通过控制电极SH、φ1、φ2的电位高低来改变势井的深度，从而使电荷包在势井中转移。图1-3两相CCD电荷包转移原理2.2TCD1200D的工作时序图如图1-4所示积分时间SHΦ1Φ2RS图1-4TCD1200D工作时序图SH为电荷转移控制电极。SH为低电平时处于“采光期”，进行摄像，MOS电容对光生电子进行积累；SH为高电平时，摄像区积累的光生电子按奇偶顺序移向两侧的移位寄存器中，时间很短，所以SH脉冲的周期决定了器件采光时间的长短。在这一个周期里，两侧的移位寄存器在φ1、φ2驱动脉冲的作用下把上一次转移来的电荷包逐个依次输出到器件外。因此SH的信号周期必须大于2048/2个φ1、φ2脉冲周期，否则电荷包不能全部输出，这样就会影响下个周期输出信号的精确度。两侧移位寄存器中，每当φ1高电平时就输出一个电荷包，在结构上使两侧φ1电极轮流出现高电平，所以φ1、φ2脉冲一个周期内输出两个电荷包。这样复位脉冲也应出现两次，所以RS脉冲频率为φ1、φ2脉冲频率的两倍。五、实验步骤注意：使用多踪示波器检测信号时，示波器与CCD原理应用实验箱应共地。打开CCD原理与应用实验箱的电源开关，观察积分时间显示窗口和驱动频率显示窗口的显示数据，并用积分时间设置按钮调整积分时间档为0档（按红色按钮依次由01230），用频率设置按钮调整频率为0档（按红色按钮依次由01230）。然后打开示波器的电源开关，用双踪示波器检查CCD驱动器的各路脉冲波形是否正确（参考实验箱面板上时序图）。如符合，则继续进行以下实验；否则，应请指导教师进行检查。实验1.1驱动频率观测打开示波器的电源开关，将CH1和CH2的扫描线调至适当位置，将示波器同步选择器开关调至CH1位置（用CH1做同步信号）。打开CCD原理与应用实验箱的电源开关。用CH1探头测试转移脉冲ΦSH，并调节使之同步，使ΦSH脉宽适当以便于观测。用探头CH2分别测试Φ1、Φ2等信号。观察各信号的相位是否符合图1-4所示的波形（特别要注意各信号之间的相位关系）。用探头CH1测试Φ1并使之同步。用CH2分别测试Φ2、ΦR等信号。看其是否符合图1-3所示的波形。驱动频率的测量：分别测出Φ1、Φ2、ΦR的周期、频率、幅度，填入表1-2中。改变频率选择开关，再测出Φ1、Φ2、ΦR周期、频率、幅度，也填入表1-2。关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。表1-2驱动频率项目Φ1Φ2ΦR0档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）1档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）2档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）3档周期（ms）频率（Hz）幅度（V）实验1.2积分时间的测量将频率设为0（档），积分时间设为0（档），用CH1观测SH脉冲周期，并将ΦSH的周期（即积分时间），填入表1-3中。改变积分时间的档位，分别测出不同档位下的积分时间。再改变驱动频率，测出不同档位的积分时间，填入表1-3中。关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。表1-3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）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）积分时间（档）SH周期（ms）0000111122223333六、实验思考题1、说明TCD1200D的基本工作原理。2、在本实验中，CCD驱动信号频率取多少为好？高些或低些会影响什么？太高或太低又会如何？实验（二）CCD特性测试实验一、实验目的通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分情况下输出信号的测量，进一步掌握CCD的有关特性，掌握积分时间的意义，以及驱动频率与积分时间对CCD输出信号的影响。二、实验内容1、不同频率与不同光强下测量物体的变化；2、不同积分时间与不同光强下测量物体的变化。三、实验仪器1、双踪同步示波器（20MHz以上）1台2、CCD原理应用实验箱1台四、实验步骤实验2.1不同频率与不同光强下测量物体的变化1、将不透光的被测物体放置到CCD上面，打开实验仪的电源开关。将积分时间开关置于0档，驱动频率开关置于0档，用CH1探头测量ΦSH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，观测ΦSH与Uo的关系，并画出其波形图.2、改变CCD像敏元的照度，观察输出信号U0的波形变化。画出当光强变化时输出信号U0波形图。3、积分时间不变化，改变驱动频率完成1,2步骤的实验内容。4、分析上述实验现象，并说明驱动频率与输出信号的变化关系。实验2.2不同积分时间与不同光强下测量物体的变化1、将不透光的被测物体放置到CCD上面，打开实验仪的电源开关。将驱动频率开关置于0档，积分时间开关置于0档，用CH1探头测量ΦSH并使之同步，用CH2测量输出信号Uo，观测ΦSH与Uo的关系，并画出其波形图.2、改变CCD像敏元的照度，观察输出信号U0的波形变化。画出当光强变化时输出信号U0波形图。3、驱动频率不变化，改变积分时间完成1,2步骤的实验内容。4、分析上述实验现象，并说明积分时间与输出信号的变化关系。5、关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。实验（三）CCD输出信号的二值化处理实验实验目的通过该实验，进一步掌握CCD的基本特性，定性了解CCD进行物体测量的方法。实验内容分析并比较二值化前后信号改变。实验仪器1.CCD原理应用实验箱2.双踪同步示波器实验原理在CCD输出信号中涵盖了线阵CCD各像元的照度分布和像元位置信号，这在测量物体位置中显得非常重要。U0首像元末像元图3.1LM339+-U0U1+5V+12V图3.2当将不透明物体放置到CCD上后，我们观测到U0的输出信号如图3.1所示。为了将物体的边界检测并描述出来，可以采用如图3.2所示的阈值法检测电路。在该电路中，电压比较器的“+”输入端接CCD输出信号U0，而其另一端接电位可以调整的电位器上，这样便构成了可调阈值电平的固定阈值二值化电路。实验步骤打开CCD原理应用实验箱电源，将示波器CH1探头接CCD输出信号U0(用CH1作同步信号)，CH2探头接硬件二值化后的信号U1，比较两路信号。调节阈值调节电位器，观察二值化后的CCD信号的变化情况。关机结束。关闭CCD原理应用实验箱电源，关闭示波器电源。