一种孔探仪ccd成像系统设计-光学与光电技术版151119
微型CCD光谱仪器的光学结构设计
Ｓ ｌｎ ６ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ Ｃｏ ｓ ｌ ｎ Ｈ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｎ Ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｕｔ ｇ ｅ 日ｄ ｝
学 术 论 坛
微型Ｃ Ｏ光谱仪器的光学结构设计 Ｃ
王晗’ 杜宇上’ · ２ （． ， 广东工业大学实验教学部： ２ 厦门大学机电 ． 工程系） 摘 要： 光谱仪器是光学仪器一个重要组成部分，同时它也是光谱学和光谱技术中最基本的分析设备之一。而仪器的小型化，对 于提高仪器使用范围 有很大的帮助。本文研究的主要内容是设计一种微型可见光的Ｃ Ｄ摄像光 Ｃ 谱仪的光学结构。在设计中， 通过理论 计算， 选用合适的光纤、平面定向光栅和凹面反射镜，将光纤、平面定向光栅和凹面反射镜等合理组合，采用聚焦反射、分光的方法， 将待测光进行色散，直接投射到 Ｃ Ｄ接受器件的表履，光学结构大大简化，仪器整体尺寸缩小， Ｃ 精度有一定提高，较为先进。 关键词： 光谱仪 Ｃ Ｄ 光栅 光纤 Ｃ 中图分类号： ０６ 文献标识码： Ａ 文章编号： ６３ ０３（０７ ４ ）０７一 ２ １７一 ５４２０） （ 一 １８ ０ ０ｃ
廓和相对位置等，均会造成仪器实际分辨率 的下降 。 光谱仪是测量光源和物质光谱特性的重 ２２光路的设计 ． 要装置，它在颜色显示、视觉效果比对和生 ２２ １ ． ． 基本设计思路 物化学领域有着 广泛的 应用。 近年来， 荷祸 电 光路设计中采用了了车尼尔 一 特纳系统 合器件 Ｃ Ｄ取得了飞速的发展， Ｃ 工艺日 趋完 善，已能批量制造完全没有缺陷的高可靠性、 的变形结构。它是由艾尔伯特 一法斯梯系统 低成大的Ｃ Ｄ芯片， Ｃ 这种器件有很宽的光谱 演变而来的。用两块小的凹面反射镜代替了 响应特性， 完全可以代替感光乳剂， 应用在光 一块大的反射镜构成，两镜中间分开，曲率 中心重合。即可避免二次衍射与多次衍射， 谱测量上川。因此，设计出配合 ＣＣ Ｄ光谱 同时方便反射镜的加工与调试。 仪器使用的光学结构对于仪器的小型化有着 重大的意义。 ２２２ ．． 反射元件及狭缝参数的计算 根据基本设计思路和像差理论，可以展 开元件参数的计算。由于设计中采用的光路 ２ 型ｃ 光 仪的 学 构 计 微 ｃ 谱 光 结 设 ｏ 属干对称式车尼尔一 特纳系统，其基本思路 ２１ ． 光栅的选择与设计 是一致的。 在光谱仪核心元件分光器件的发展历程 实际图形中可以看出，其基本思路相 中，经历了色散棱镜到衍射光栅到采用干涉 调制元件和信息变换技术的演化。近年来声 同。由于原理的一致性，可以使用标准形式 球面反射 光调谐器件Ａ Ｔ Ｏ Ｆ的技术和应用也有了 很大 的计算方法进行分析计算。Ｃ为两 和ＭＺ 的共同曲率中心，Ｇ为闪耀光 发展， 没有机械活动件、全固态、电 子调谐、 镜Ｍｌ 结构小而牢固、可承受震动冲击等一系列优 栅 ｗ为 栅 边 ， ＝ ＝ 为 镜 ， 光 的 长厂 ， 厂 两 的 ’ ｚ 和ＨＺ 分别是入射狭缝５ 和出射 １ 点，使其具有明显的技术和应用竟争力１ ３ 焦距，Ｈｌ ， ２ · ２ 心对中 轴线的 垂直距离。由 于标 ‘ ］ 。本设计中选择闪耀光栅。因为光栅与其 狭缝５ 的中 准对称式车尼尔一 特纳系统是由艾尔伯特一 他分光元件相比较， 有许多优点。 首先， 光栅 的角色散率几乎和波长无关，这对光谱的波 法斯禅系统演变而来的，它们的计算方法相 长测量很有利。其二，光栅的分辨率比棱镜 似，女确定球面反射镜的各项参数以及狭缝 大， 价格也较低。 其三， 光栅不受材料透过率 的大小，所以可以做如下分析。 已 边长为Ｗ二 ｍ 知选择了 ６ ｍ， ０ 线／ ６０ 的限制，它可以在整个光学光谱区中应用。 由 于分析光谱范围 ｏ一 ｏｍ， 为４０ ７ ｎ 使用 ｍｍ的正方形闪耀光栅。由于选择了直径为 ６ ．ｍｍ的光纤， 狭缝高度应满足条件 的光栅参数为：闪耀角ａ．９ ， ０ 断面长ｂ、 １３ １ ７ｘｌ 一 ｍ，闪耀方向６ｂ＝３ ． ｏ３ ｍ 。。 ｈ＜１３ ．ｍｍ （） ３ 已知此种光栅使用时的全部参数， 实际使用中 设计采用面积６ ｍ ｘ６ ｍ ｍ ｍ 的闪耀光栅，对于 功二１ 级次的光谱，理论 详＝６ 肤 ＝１ ，夕 了 １ ５ ＝ 闪耀波长为 脚 ０ 上， 其基本特性值计算如下：
CCD成像高精度孔径检测技术应用研究
ＣＣＤ成像高精度孔径检测技术应用研究作者：司海涛汪昀季妍来源：《硅谷》2008年第22期[摘要]主要讨论的基于CCD成像的高精度孔径检测技术，描述主要涉及思路与电路设计。
[关键词]CCD 孔径检测高精度桥梁监控在线监测中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1120131－01一、光学装置设计由于CCD是一种高灵敏度光电元件，所以外界对系统非常小的扰动都会影响测量结果。
这就要求光学系统必须十分精确，在进行光学系统设计时不断优化，使其达到最好效果。
基于远程位移的特点，在对光学系统进行优化设计时，应主要考虑整个光路系统和CCD 器件的共轴(即准直)问题。
通过精确地测量CCD、镜头及光源轴向确定光学系统尺寸，使光学系统轴向一致，并垂直于CCD光敏面，使得待测目标的位移方向与线阵CCD光敏元的排列方向均一致，从而组成一个共轴系统，同时也解决了检测系统的光路准直问题。
CCD有效象元长度为30.2mm，对应的视场为156mm，放大倍率约为1：5。
在整个检测系统测量精度高低的确定上，光学系统放大倍率与线阵CCD光敏单元尺寸共同决定了测量精度的高低。
为了提高精度，可以提高光学系统的放大倍率β。
在物距一定时，可以通过提高物镜的焦距来提高测量精度，但物镜焦距的提高毕竟是有限的，而且焦距越大，物镜的造价也越高，因此可以在电路处理部分使用更高频率的时钟脉冲进行采样，将CCD测量的精度值提高近一个数量级。
因此，基于CCD的远程位移自动在线检测系统并不但在光学系统设计上进行了优化，还在硬件上采用了具有流水线结构的高速LPC2132芯片，增加了数据采集的速度，实现了实时高频率数据采集。
二、硬件电路设计ARM7TDMI（-S）处理器是目前应用比较广泛的32位高性能嵌入式RISC处理器，而LPC2132正是在此基础上设计的。
ARM7TDMI（-S）使用流水线以提高处理器指令的流动速度。
流水线允许几个操作同时进行，以及处理系统和存储系统同时操作。
强激光参数测量中的科学级ccd相机设计及其应用
优化激光应用
了解激光的各项参数有助 于对激光设备进行优化配 置，提高其在特定应用中 的性能表现。
激光参数测量方法
光束质量分析
通过分析光束的发散角、M^2因 子等参数，评估激光光束的质量
。
功率和能量测量
使用能量计和功率计测量激光的功 率和能量，确保其在安全范围内。
波长和光谱测量
利用光谱仪测量激光的波长和光谱 分布，以了解其频率特性和稳定性 。
研究内容包括CCD相机的光学系统设计、电路系统设计和数据处理算法设计等方面 。
目标是通过优化设计，提高CCD相机在强激光照射下的动态范围、信噪比和线性度 等性能指标，实现高精度、高实时性的强激光参数测量。
02
强激光参数测量原理
强激光的产生与特性
强激光的产生
强激光通常通过高能量密度的光 束产生，如通过放电泵浦或光学 谐振腔等机制。
05
实验结果与分析
实验设置与数据采集
实验设备
选用高灵敏度、高分辨率的科学级 ccd相机，配备合适的镜头和滤镜， 确保能够捕捉到强激光的细节和动态 变化。
数据采集
在实验过程中，对激光的功率、脉冲 宽度、光束质量等参数进行实时监测 和记录，同时利用ccd相机拍摄激光脉 冲的图像，以便后续分析。
实验结果展示
激光特性
强激光具有高功率、高能量、高 亮度和高定向性的特点，这些特 性使其在科学研究、工业制造、 医疗等领域具有广泛的应用。
激光参数测量的重要性
01
02
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保证实验安全
准确测量激光参数可以确 保实验过程的安全性，避 免因激光能量过高或光束 质量不佳而引发意外。
提高实验精度
精确的激光参数测量有助 于提高实验结果的精度和 可靠性，为后续的科学研 究提供准确的数据支持。
一种便携式可见光CCD成像系统[实用新型专利]
![一种便携式可见光CCD成像系统[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2a5806b7b8d528ea81c758f5f61fb7360b4c2b16.png)
(10)授权公告号 CN 201608779 U(45)授权公告日 2010.10.13C N 201608779 U*CN201608779U*(21)申请号 201020104807.7(22)申请日 2010.01.29H04N 5/225(2006.01)H04N 5/232(2006.01)H04N 5/30(2006.01)(73)专利权人北京航天自动控制研究所地址100854 北京市海淀区北京142信箱402分箱(72)发明人段然 严志刚 王焱宁 夏阳(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽(54)实用新型名称一种便携式可见光CCD 成像系统(57)摘要一种便携式可见光CCD 成像系统，包括垂直时序驱动器、CCD 成像芯片、成像模拟前端处理器、FPGA 和USB 协议芯片，FPGA 控制成像模拟前端处理器产生用于驱动CCD 成像芯片输出的水平时序驱动信号和垂直时序驱动信号，CCD 成像芯片将成像目标的光信号转化为电信号并在水平时序驱动信号和垂直时序驱动信号的控制下变成幅度不等的模拟电压信号，模拟电压信号由成像模拟前端处理器转化为数字图像信号，数字图像信号进入FPGA 中进行图像处理，最终通过USB 协议芯片实现与PC 机的连接。
本实用新型利用USB 总线和FPGA 可编程技术实现了高可靠低成本、快速灵活的CCD 成像系统开发平台，该系统实时性好、可靠性高、成本低、灵活性高、便于扩展应用。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页权 利 要 求 书CN 201608779 U1/1页1.一种便携式可见光CCD成像系统，其特征在于：包括垂直时序驱动器、CCD成像芯片、成像模拟前端处理器、FPGA和USB协议芯片，FPGA控制成像模拟前端处理器产生用于驱动CCD成像芯片输出的水平时序驱动信号和垂直时序驱动信号，其中水平时序驱动信号直接控制CCD成像芯片，垂直驱动信号通过垂直时序驱动器控制CCD成像芯片，CCD成像芯片将成像目标的光信号转化为电信号，CCD成像芯片在水平时序驱动信号和垂直时序驱动信号的控制下将CCD成像芯片中每一个像素的电信号逐行依次移出变成幅度不等的模拟电压信号，模拟电压信号由成像模拟前端处理器转化为数字图像信号，数字图像信号进入FPGA 中进行图像处理，经过图像处理后的数字图像信号通过USB协议芯片实现与PC机的连接。
一种孔探仪ccd成像系统设计-光学与光电技术版151119
一种孔探仪CCD成像系统设计温凯1贺芳2姜滨1（1华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，湖北武汉 430223；2 中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089）摘要：孔探检测是无损检测的一种重要手段，为实现孔探检测设备国产化，设计了一种基于FPGA 的孔探仪CCD成像系统。
从硬件方面介绍了CCD成像系统的驱动、采集和电源部分设计方案；从软件方面对CCD驱动时序、AD采样时序进行阐述，并介绍了CCFA到YCbCr格式的转换；实验中，本系统采集到清晰的彩色图像。
实验测试表明本系统有效可行。
关键字：孔探仪、电荷耦合器件、驱动电路、可编程逻辑门阵列、时序A CCD Imaging System Design of EndoscopyWEN Kai1 HE Fang2 JIANG Bin1(1 Huazhong Institute of Electro-Optics-Wuhan National Laboratory forOptoelectronics,Wuhan,430223,China;2 China North Advanced Technology Generalization,Beijing,100089,China) Abstract: Endoscopy detection is a significant way of Non-destructive test. To realize the domestication of Endoscopy detection device, a CCD imaging system for endoscopy based on FPGA is proposed. From the view of hardware, the design of driver, acquisition and power supply have been introduced; from the view of software, the timing sequence of CCD driver and A/D acquisition are presented. Besides, a way of the conversion from CCFA to YCbCr is included. Through experiments, the system is able to capture clearly colorful images. It is proved that the CCD imaging system is feasible and effective.Key Words: Endoscopy, CCD, Driver circuit, FPGA, Timing sequence一、引言无损检测以其现场性、实用性、快速性的特点[1]，在工程中广泛使用。
CCD测量系统光学设计实用方案
CCD测量系统光学设计实用方案
郑颖君;陈吉武;陈安
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2001(031)006
【摘要】文章介绍一种实用的CCD摄像检测系统中光学系统的设计方案.依此可以采用光学行业的现有产品,克服了光学系统设计与制造周期长、成本高的弱点.文章还提供了作者实际应用的实例,效果相当满意.
【总页数】3页(P367-369)
【作者】郑颖君;陈吉武;陈安
【作者单位】中国计量学院,;中国计量学院,;中国计量学院,
【正文语种】中文
【中图分类】TH741;TN386.5
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一种孔探仪CCD成像系统设计温凯1贺芳2姜滨1（1华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，湖北武汉 430223；2 中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089）摘要：孔探检测是无损检测的一种重要手段，为实现孔探检测设备国产化，设计了一种基于FPGA 的孔探仪CCD成像系统。
从硬件方面介绍了CCD成像系统的驱动、采集和电源部分设计方案；从软件方面对CCD驱动时序、AD采样时序进行阐述，并介绍了CCFA到YCbCr格式的转换；实验中，本系统采集到清晰的彩色图像。
实验测试表明本系统有效可行。
关键字：孔探仪、电荷耦合器件、驱动电路、可编程逻辑门阵列、时序A CCD Imaging System Design of EndoscopyWEN Kai1 HE Fang2 JIANG Bin1(1 Huazhong Institute of Electro-Optics-Wuhan National Laboratory forOptoelectronics,Wuhan,430223,China;2 China North Advanced Technology Generalization,Beijing,100089,China) Abstract: Endoscopy detection is a significant way of Non-destructive test. To realize the domestication of Endoscopy detection device, a CCD imaging system for endoscopy based on FPGA is proposed. From the view of hardware, the design of driver, acquisition and power supply have been introduced; from the view of software, the timing sequence of CCD driver and A/D acquisition are presented. Besides, a way of the conversion from CCFA to YCbCr is included. Through experiments, the system is able to capture clearly colorful images. It is proved that the CCD imaging system is feasible and effective.Key Words: Endoscopy, CCD, Driver circuit, FPGA, Timing sequence一、引言无损检测以其现场性、实用性、快速性的特点[1]，在工程中广泛使用。
孔探仪（电子内窥镜[2]）是无损检测的一个分支，它采用特殊传光、传像原理设计，可以方便地观看到档板后、管道内、发动机内部或者其他无法直接看到的部位, 免去了昂贵的毁坏或拆卸工作，极大地节约了成本，提高了工作效率，并在现代工业的各个领域获得了广泛应用。
目前国外孔探仪水平较高的产品主要有两家：日本奥林巴斯的IPLEX FX系列和美国韦林公司的XLG3A系列。
国外产品价格昂贵，供货周期长，国内的产品则厂家不多，且整体水平参差不齐。
根据需求，要对孔探仪采到的图像进行存储、分析，需先采到清晰的图像。
本文设计了一种基于FPGA的孔探仪CCD驱动和采集系统。
从硬件和软件设计两个方面介绍了系统设计，并简单介绍了CCFA视频到YCbCr格式转换方法。
通过实验,验证了本系统设计可靠有效，同时本系统对同类CCD成像和二次开发有一定推广价值。
二、硬件方案CCD驱动脉冲的产生方法有多种，主要有专用芯片驱动法、单片机驱动法和可编程逻辑器件驱动法等[3]。
专用集成芯片通用性差；单片机时序产生主要依靠指令延时来实现，而单片机时钟频率较低，精度不高；用可编程逻辑器件驱动，电路通用性好，器件延迟时间短，方便功能升级和扩展，可提高同类型产品的开发效率。
本文设计的孔探仪CCD 的采集和驱动系统组成如图1所示。
通过FPGA ，可生成孔探仪CCD 驱动时序；驱动CCD 工作后，可得到CCD 视频的模拟信号；将CCD 视频模拟信号经AD 采样后转化成数字信号，再经ITU656格式编码后，转成PAL 信号，供后端分析和故障诊断。
FPGA驱动电路CCD A/D 转换D/A 转换后端采集驱动时序驱 动信 号模拟信号数 字信 号PAL 视频数字信号图1. CCD 成像系统框图 Fig1 . CCD Imaging flow chart2.1驱动部分CCD 选用SONY 公司的ICX239AKE 。
ICX239AKE 是一款1/6英寸行间转移型（Interline ）的PAL 制式彩色CCD 传感器。
CCD 表面有黄（Yellow ）、青（Cyan ）、洋红（Magenta ）、绿（Green ）互补色滤镜（Complementary Color mosaic Filter Array-CCFA[4]）。
ICX239AKE 灵敏度高、具有极低暗电流和速度可调的电子快门。
总像素数为795（列）*596（行），有效像素为752（列）*582（行）[5]，其寄存器和管脚特征如图2示。
图2. ICX239AKE 结构框图 Fig2. ICX239AKE Block Diagram驱动该CCD 传感器工作，需要八路驱动时钟，分别为四路垂直转移时钟V 1~V 4，控制垂直移位寄存器中的电荷信号向水平移位寄存器移动；两路行转移时钟H1，H2，控制CCD 内电荷信号一行一行地转移出去；用于将像元内电荷量清空的复位门时钟RG 和用于控制曝光量的电子快门SUB 信号。
FPGA 引脚输出电平为3.3V ，而CCD 垂直驱动信号和SUB 信号分别需要-7.5V 、0V 和22.5V ，因此，需要场驱动芯片CXD1267，将原本为TTL 电平转换为V 1~V 4和SUB 信号所需上述三个等级的信号。
同时，需要给CXD1267引进另外两个时序控制信号XSG1，XSG2，用来控制V 1~V 4形成垂直读出信号，实现感光阵列中的电荷读出到垂直移位寄存器。
CCD 行转移时钟的电平为+3.3V ，由于CCD 是电容性器件，为加快CCD 充放电速度，需要增加H1，H2驱动电流，故选用74ACT245。
74ACT245是一种八路三态收发器。
通过74ACT245将FPGA 的IO 驱动电流增大后，连接至CCD 的H1，H2。
2.2采集部分CCD 图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声[6]。
AD9824是一款CCD 专用信号处理器，它可对CCD 进行最多30MHz 的模/数转换，它的信号链包括输入钳位、相关双采样、可编程增益放大器、黑电平钳位和14位的A/D 转换[7]。
A/D 转换成数字信号后，需要将数字信号转换为模拟量。
ADV7179是一款高性能10位DAC 转换器，支持ITU-R.BT601和BT656格式数据转换为PAL/NTSC ，工作频率为27MHz [8]。
产生驱动时序的FPGA ，选用的是Altera 公司的EP2S30F484。
它具有342个可用IO 和1369728bit 的RAM 总量[9]，足够产生CCD 驱动时序，并为图像处理提供了裕量。
2.3电源设计电源部分是保障CCD 和FPGA 驱动和采集正常工作的基础。
CCD 的工作电压VDD 是+15V ，CXD1267AN 还需要-7.5V 供电。
由于CCD 要求供电稳定、电源纹波和噪声小，所以需先将系统+5V 供电经过两个开关电源转化为+15.5V 和-8V 后，再经两个线性LDO 后，得到稳定的+15V 和-7.5V 给CCD 供电；FPGA 采集部分需要的+3.3V 和+1.2V 各由两片LDO 电源转换得来。
为减少电路的干扰，将模拟部分与数字部分的供电用三端滤波器隔开。
三、 软件设计 3.1 CCD 驱动时序由CCD 场驱动时序图3知一整帧图像有625行，一整帧是40ms ，则一场是20ms ，每行周期就是64us 。
由ITU-R BT.656格式[10]知，每行有864个像素点，720个有效像素，行驱动图3场同步驱动时序图Fig3.Vertical-Sync Drive Timing Chart频率为13.5MHz 。
当行驱动频率为13.5MHz 时，一个行转移时钟的周期为 T=1/f = 1/13.5MHz = 74.1ns,则高电平时间和低电平时间为37.05ns 。
由图4和图7中twh 和twl 参数可知，H1,H2的占空比为1/2，37.05ns 大于H1和H2时钟高低电平最小值26ns （表1）的要求。
所以本系统用13.5MHz 作为CCD 的行转移时钟频率。
图4行驱动时序图Fig4. Horizontal Driver Timing Chart图5复位时钟波形 Fig.5 Reset gate clock waveform由图5和CCD 工作原理可知，RG 信号和行转移信号H1,H2频率相同，则RG 时钟频率为13.5MHz 。
由图5和图7中twh 、twl 推荐值，可知 RG 信号占空小于1/2，本方案中取RG 的占空比为1/4。
为方便FPGA 产生RG 和行驱动时钟H1，H2信号，用13.5MHz 的4倍频54MHz 作为产生RG 和H1，H2的工作时钟。
图6 行同步驱动时序图Fig6. Horizontal-Sync Drive Timing Chart图7.时钟切换特性Fig7. Clock Switching Characteristics由图6中每行的第1点作为一行的起始，可对每行计数，313行和325行分别是奇场和偶场的开始。
每行由图6中V1~V4相对H1，H2中每个像素点的位置可得到V1~V4的起点，再从图8中数据，可得到垂直转移时钟的各个时间，从而可写出奇场、偶场和每行的垂直转移时钟V1~V4的发生时序。
图8场读出时序图Fig8. Field Readout Clock Timing Chart3.2 A/D 转换模块虽然ICX239AKE 是PAL 制式的CCD ，CCD 输出的原始电平却只有几百mV ，含有很多噪声且驱动电流很小，不能直接用于后端采集分析，需要将其采样、去噪、编码后才能供后端采集分析。
AD9824采用相关双采样技术对CCD 输出模拟信号进行A/D 转换。
如图9所示，在SHP 信号上升延，对CCD 信号第1次采样，采样信号为复位电压、复位失调电压和复位噪声；在SHD 信号上升延，对CCD 的输出信号进行第2次采样，采样信号除包括复位电压、复位失调电压和复位噪声外，还包括有用的视频信号。