光电信息技术实验报告

摄像机原理及应用、线阵 CCD 应用技术
实验概要
线阵 CCD 是一种较为简单的 CCD，常用在非接触自动检测设备上，本次关于 CCD 的 实验包括线阵 CCD 原理与驱动特性以及线阵 CCD 输出特性的测量，主要目的是对 CCD
的认知和了解。通过实验了解 CCD 实验开发仪的操作方法、二相 CCD 各路脉冲的工作原 理。
7
系统原理
溴灯
调制器
样品
探
单色仪
测
器
调制信号输出
锁定放大器 AB 信号输入 参考输入
光谱透过率测试装置示意图 实验通过放置不同的样品，使用单色仪改变输出光波长，通过测量每个波长时光 的透过率（测量原理和第一个实验相同），得到一定范围内的光谱透过率。由光 谱透过率曲线可以了解样品对光的透过情况。
实验记录
2.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 RS 是复位脉冲，每出现一次，最右（以右端为输出端）的一个 MOS 结构中的电 荷被读出，并引起 MOS 结构中电荷的一次向右转移；RS 信号周期与 CR1、CR2 信 号周期相同，因为 CR1 每产生一次高电平就输出一个电荷包，同时复位脉冲也跟 随产生。 SH 为电荷转移控制电极。SH 为低电平时所有 MOS 结构处于“曝光”状态，MOS 电容对光生电子进行积累；SH 为高电平时，光敏区积累的光生电子移向两侧的 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。SH 信号的周期远大于 CR1、CR2 信号周期，用于保证所有 MOS 结构所携带电荷信息 的输出。
39.2
15
20.6
15
41.2
驱动频率 3 档 积分时间 FC 周期 （档） （ms）
00
22.4
01
26.2
02
30.4
03
34.4
04
38.2
05
42.4
06
46.2
07
50.4
08
54.2
09
58.2
10
62.4
11
66.4
12
70.4
13
74.4
14
78.4
15
82.4
5
驱动频率 0 档
实验记录
V0=520mV
标准样品透过率 电压/mV 实测透过率
0.90 427.8 0.823
0.79 414.1 0.796
实验数据 0.50 247.2 0.475
0.32 173.0 0.333
0.10 67.0 0.129
根据上述实验数据计算得到透过率，与标准样品比较，可以发现多数测量值与标准样品吻合。 首列和尾列的误差相对较大，可能的原因有：实验用的样品受到污染或者老化。
光电透过率测量系统实验 基本原理
根据比尔-朗伯定律，如果光的传播媒介中存在光的吸收与散射，则辐射能通量为φ(0)的入 射辐射，在经过长为 x 的传播距离后，透过的通量变为：φ(x)=φ(0)e-(ux),其中 u=uα+ux，表 示吸收系数与散射系数。那么经过介质前后的光强比称作透过率，Tλ=I1/I0 x 100%.
02
7.6
02
15.2
03
8.6
03
17.2
04
9.56
04
19.1
05
10.6
05
21.2
06
11.6
06
23.2
07
12.6
07
25.2
08
13.6
08
27.2
09
14.56
09
29.2
10
15.6
10
31.2
11
16.6
11
33.2
12
17.6
12
35.1
13
18.6
13
37.2
14
19.6
14
实验的应用意义
测量光电透过率有应用上的意义，比如大雾天气中红绿灯灯光的穿透能力、消防应急标志灯 的安防，这些都需要考虑到光的透过率。本实验相对简单，直接以 V0 作为光源功率对应的 电压值，若要增大测量的距离，则不应该认为空气的透过率为 1，此时的做法可以先近距离 测量出 V0，再进行远距离的测量。
摄像机原理及应用、线阵 CCD 应用技术______________4
实验概要_______________________________________________ 4 实验记录_______________________________________________ 4 实验总结_______________________________________________ 6
光谱透过率测试实验
基本内容
实验主要包扩单色仪的定标和光谱特性的测量。定标即首先利用汞灯的几条 特定谱线对单色仪进行校准定标，找出单色仪出射光实际波长与显示波长读数的 对应关系；光谱特性的测量即利用宽光谱的卤素灯——溴灯作光源，分别测量探 测器在直接接收单色仪出射光和透过被测样品时的光谱响应，从而求出几种样品 的光谱透过率。
样品（532nm） 波长/nm 380 V1/mV 50 V2/mV 85
Ta 0.588 波长/nm 560 V1/mV 47 V2/mV 700
Ta 0.067 波长/nm 740 V1/mV 26 V2/mV 66
Ta 0.394
400 48 115 0.417 580 47 683 0.069 760 24 55 0.436
6.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？ 应该是产生了“拖影”的效果，输出的图像信息模糊。 7.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？ 每个 MOS 结构输出信号幅度变化不大，也就是曝光太长，导致图片输出效果是很 亮的一片。
5.800
07
6.300
08
6.800
09
7.300
10
7.800
11
8.280
12
8.800
13
9.280
14
9.800
15
10.280
积分时间的测量
驱动频率 1 档 积分时间 FC 周期 （档） （ms）
驱动频率 2 档 积分时间 FC 周期
（档） （ms）
00
5.6
00
11.2
01
6.6
01
13.2
系统原理
实验系统采用单通道直接光电探测系统，需要的器材有：半导体激光器，GDT-1 型透射率检 验装置、直流稳压电源、函数发生器、示波器等等。 根据透射率的公式的意义，可以得出以下原理框图：
因为所测电压与光信号强度成正比，所以通过将光信号的测量转化为电信号的测量，首次不 放置媒介，认为通过空气后，光电接收器接收到 100%的光功率。测量此时的电信号记录为 V0，随后放置媒介，测量放置不同媒介时在接收方得到的电压值，其与 V0 的比值即为透过 率。
[光电信息技术实验]
指导老师： 班级： 姓名： 学号：
光电透过率测量系统实验___________________________ 3
基本原理_______________________________________________ 3 系统原理_______________________________________________ 3 实验记录_______________________________________________ 3 实验的应用意义_________________________________________ 4
4.80
驱动频率 1 档
输出信号 UO
积分时 FC 周 输出幅度 输出幅度
间（档） 期（ms） （VH）/V （VL）/mV
00
5.6
4.88
02
7.58
4.80
04
9.58
4.80
06
11.6
4.80
-400
08
13.6
4.80
10
15.6
4.80
12
17.6
4.88
14
19.6
4.88
驱动频率 3 档
6
CP 脉冲和 SH 脉冲反相。 3.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？ 单 CCD 彩色相机中使用了拜尔滤光片，参数设置相同，但光源中红绿蓝的波长不 同，激发的电子数不同，所以分量输出的信号幅度不一样。（参考 TheImageSource 《彩色 CCD 相机工作原理》 /downloads/howcolcamswp.zh_CN.pdf） 4.解释为什么驱动频率对积分时间会有影响 驱动频率越低，光栅上的周期就越大，则两个 SH 之间的时间就越长，即积分时 间越长。
实验记录
驱动频率 f 0档 1档 2档 3档
项目 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz） 周期（μs） 频率（KHz）
驱动频率与周期
CR1
CR2
2
2
500
500
4
4
250
250
8
8
125
125
16
62.5
根据上述数据以及 CR1、CR2、RS 波形，可以发现 1）CR1 与 CR2 反相，用于控制转移电荷
光谱透过率测试实验_______________________________ 7
基本内容_______________________________________________ 7 系统原理_______________________________________________ 8 实验记录_______________________________________________ 8 实验的应用意义________________________________________ 11
420 48 162 0.296 600 55 687 0.08 780 30 55 0.545
440 50 220 0.227 620 46 650 0.071
RS 1 1000 2 500 4 250 8 125
4
2）复位脉冲 RS 产生于 CR1 由高变低之后的一段时间。每产生一个 RS 脉冲，就 输出一个信号
驱动频率 0 档 积分时间 FC 周期
（档） （ms）
00
2.790
01
3.300
02
3.800
03
4.300
04
4.800
05
5.300
06
输出信号 UO
分时 FC 周 输出幅度 输出幅度
间（档） 期（ms） （VH）/V （VL）/mV
00
2.79
3.36
-400
02
3.79
4.40
-400
04
4.8
4.88
-400
06
5.78
4.88
-400
08
6.8
4.88
-400
10
7.8
4.88
-400
12
8.78
4.88
-400
14
9.8
4.88
-400
驱动频率 2 档
输出信号 UO
积分时 FC 周 输出幅度 输出幅度
间（档） 期（ms） （VH）/V （VL）/mV
00
11.2
4.72
-480
02
15.2
4.88
-560
04
19.2
4.80
06
23.1
4.72
08
27.1
4.80
-480
10
31.2
4.72
12
35.2
4.72
14
39.2
心得体会________________________________________ 11
2
摘要：本次光电信息技术实验第一部分包括了：光电透过率测量系统实验、摄像机原理及应 用、光谱透过率实验。进行这三个实验的目的在于在光电探测原理、光电系统设计等课程的 基础上，理解光电信号的处理过程和光电系统的设计原理。
5.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？ 积分时间即所谓的“曝光”时间，曝光时间的不同，引起 MOS 结构中产生的电荷量也是不 同的，因此对输出信号有影响。CCD 应用中，曝光时间应当足够以反应图像的信息；当曝 光时间超过一定范围，积累的电荷量已经达到饱和，后续的曝光时间是不必要的，因此实际 应用中曝光时间只要大于某个值就可以了。
输出信号 UO
积分时 FC 周 输出幅度 输出幅度
间（档） 期（ms） （VH）/V （VL）/mV
00
22.4
4.56
02
30.3
4.72
-640
04
38.4
4.56
06
46.3
4.56
08
54.4
4.64
10
62.44.72来自-7201270.4
4.72
14
82.0
4.80
实验总结
1.TCD2252D 的基本工作原理 TCD2252D 是线阵 CCD，有多列的 MOS 结构组成。光束投射到 MOS 结构中，根据“光
电效应”，这些光束在 MOS 结构中中产生负电荷，产生电荷的多少与光强的大小有关，因 此能够反映图像信息。TCD2252D 中除了 MOS 结构所构成的光敏区，还包括将产生的电荷 进行转移的电路，包括光栅、转移栅结构和 CCD 驱动电路。积分（曝光）后，通过光栅、 转移栅、驱动电路的控制，MOS 单元中的电荷被一个个读出。