《光电技术》实验报告1

光电检测技术实验报告班级：08050642学号：**********姓名：***实验一线阵CCD原理及驱动实验一、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、通过对典型线阵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。

二、实验前准备内容1、学习线阵CCD的基本工作原理（参考《图像传感器应用技术》教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。

2、学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理与驱动波形图（参考附录）。

3、掌握双踪迹示波器的基本操作方法，尤其是它的同步、幅度、频率、时间与相位的测量方法。

4、根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。

观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。

5、测量CCD在不同驱动频率的情况下的F1与F2、F1、RS的周期与频率值，以及它的行周期（FC）值。

三、实验所需仪器设备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。

四、实验内容及步骤1．实验预备（1）首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均已插入交流220V的电源插座上；（2）取出双踪迹同步示波器，将电源线插入交流220V的电源插座上，测试笔（或称探头）分别接入测试输入端口；打开示波器的电源开关，选择自动测试方式，调整显示屏上出现的扫描线处于便于观察的位置；（3）将示波器的两个测试笔分别接到示波器的标准输出信号输入端子上进行校准；（4）打开YHLCCD－IV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位数表示积分时间档次值，末位数表示CCD的驱动频率档位值。

积分时间共分为32档，显示数值范围由“00”~“31”，数值越大表示积分时间越长。

积分时间的设置由仪器数值显示板下方的四个按键开关控制，1分为十位键与个位键控制，按标有“+”号的键将使对应的显示积分时间的挡位加一操作，按动标有“－”号的键将使对应的显示积分时间的挡位减一操作；CCD的驱动频率档位值共有4档，分别显示数值为“0”~“3”，“0”挡位下的驱动频率最高，“1”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的一半，显然，“3”挡位数下的驱动频率是“0”挡位下的驱动频率的1/8；2．驱动脉冲相位的测量（1）将示波器测试笔CH1和CH2的扫描线调整至适当位置后，用CH1为同步信号输入端。

对照“附录一”TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。

（2）用测试笔CH1接到仪器表面上（转移脉冲）上，仔细调节触发脉冲电平旋钮使显示波形稳定（同步），使SH脉冲宽度适当（将示波器的扫描频率调至2 s左右）以便于观察。

用测试笔CH2分别接到仪器表面标有“F1”与“F2”（驱动脉冲）字样的测试端口，观测SH与F1、F2的相位关系；（3）再用测试笔CH1测量F1信号，CH2探头分别测量F2信号，观测F1与F2、信号之间的相位关系。

（4）将以上所测的波形与相位关系与“附录一”所示TCD2252D的驱动波形相对照。

3．驱动频率和积分时间测量（1）用示波器分别测量4档位下的驱动脉冲F1、F2、复位RS信号的周期、幅度，并计算出它们的频率填入实验结果中的表1-1。

（2）将CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间也设置为“00”档。

用测试笔CH1测FC（以它作同步），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周期填入实验结果中的表1-2中。

表1-2只列出16档，其余档次可以自行添加测量。

4．关机结束（1）关闭实验仪。

（2）关闭示波器。

（3）关闭电源。

五、实验结果1.SH与F1的相位关系:22.SH与F2的相位关系:3.F1与F2的相位关系:表1-1 驱动频率与周期驱动频率项目F1 F2 RS0档周期（μs） 1 1 0.5 频率（KHz）1000 1000 20001档周期（μs） 2 2 1 频率（KHz）500 500 10002档周期（μs） 4 4 2 频率（KHz）250 250 5003档周期（μs）8 8 4 频率（KHz）125 125 2503表1-2 积分时间的测量五、实验总结1、写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。

答：线阵CCD由广电二级管组成光敏区，转移栅，模拟寄存器以及其他一些控制电路组成。

光敏区把射在其上的光能转换成电能；转化出的电荷量的多少和入射在相应光电管上的光强及积分时间有关，因此可以用电荷量的多少反应原图像信息。

与此同时，转移栅把光敏区产生的电荷进行转移，以便变成方便便利的电压信号。

为了让电荷的转移快速准确的进行，就必须有外电路进行控制。

这就是CCD的驱动电路，而CCD模拟寄存器的功能是把转移过来的电荷保存并向外输出。

剩余的电路就是使CCD的3输出能保持稳定。

2、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。

答：在RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用下，输出信号与F1、F2周期、频率相同，相位相反。

当驱动频率从0档一次变换到3档时，F1、F2、RS的周期呈线性增长。

驱动频率一定时，FC的周期随积分时间档增加而变大；积分时间一定时，FC的周期随驱动频率档增加而变大。

3、解释为何在同样的光源亮度下会出现U R、U G、U B信号的幅度差异。

答：同一束光种包含绿光、蓝光、红光的强度存在差异，而不同颜色的光频率不同，激发产生的电子数也不同，因此RS抽走的点荷包的数目存在差异。

所以，相同光源亮度下，出现的信号幅度会有差异。

4实验二线阵CCD基本特性的测量实验一、实验目的通过对典型线阵CCD在不同驱动频率和不同积分时间下输出信号的测量，进一步掌握线阵CCD的基本特性，加深积分时间对CCD输出信号的影响，掌握驱动频率和积分时间设置与改变的意义。

正确理解线阵CCD器件的光照灵敏度的概念与饱和“溢出”的效应。

二、实验所需仪器设备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。

三、实验内容及步骤1．实验预备（1）首先将示波器的地线与多功能实验仪上的地线连接好，并确认示波器和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。

（2）打开示波器电源开关，调整好示波器。

（3）打开YHLCCD－IV的电源开关，测量F1、F2、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）将实验仪CCD的驱动频率设置为“0”档，积分时间设置为“00”挡。

（3）用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U o(泛指U R、U G、U B)信号。

（4）调整CCD成像物镜镜头的光圈，观测U o信号幅度的变化，将光圈调整至U G 信号接近“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）维持示波器探头不动，使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，改变驱动频率，设置为“1”档，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U G的变化。

并做相应记录。

3．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U o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U o的幅度(VH是高5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U o的幅度为纵坐标，画输出特性曲线，观察CCD的输出信号与积分时间的关系，当CCD 出现饱和后，积分时间与输出的信号有为如何？（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。

（5）写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系，并解释之。

表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系4．关机结束（1）关闭实验仪。

（2）关闭示波器。

（3）关闭电源。

五、实验总结1、解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？答：驱动频率越低，Ф的周期就越大，则两个SH之间的时间就越长，即积分时间越长。

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？答：（1）因为输出信号是由光敏区感受光并将光能转换为电能得到的，转化出的电荷量的多少是和入射在相应的光电二极管上的光强和积分时间有关系的。

因此，积分时间的变化会对输出信号有影响。

（2）指导意义：通过改变CCD的积分，积累电荷量，用以反映原图像的信息。

(3)进一步增强积分时间以后，输出信号的宽度不会再发生变化。

因为积分时间增加到一定程度以后，积累的电荷达到饱和。

6实验四利用线阵CCD进行物体角度的测量一、实验目的应用线阵CCD可以进行物体位置或角度的测量，学习利用线阵CCD测量被测物体角度的方法能够帮助学生进一步掌握线阵CCD的应用问题，培养学生充分发挥想象力，增强创新设计能力。

二、实验准备内容a)学习利用彩色线阵CCD测量被测物体角度的基本原理。

b)掌握利用CCD进行角度测量的方法。

三、实验所需仪器设备（1）YHLCCD－IV型彩色线阵CCD多功能实验仪一台。

（2）装有VC++软件及相关实验软件的PC计算机一台；（3）带宽50MHz以上的双踪迹同步示波器一台；四、利用彩色线阵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测量的类型。

常用的测量方法有两种。

第一种方法如图6-1所示，图中水平粗线表征线阵CCD 的像敏单元阵列，假设待测物体的轴线与CCD像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的宽度为D，当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为S。