线阵CCD综合实验方法和装置

摘要

本发明公开了一种线阵CCD综合实验方法和装置，在箱体内安装有基于激光器的平行光产生光学系统，激光器的前方安装有倾角为45度的反射镜，激光器和反射镜的上方有两块可移动黑色平板，两块黑色平板之间有狭缝，狭缝上方安装驱动脉冲电路板，CCD芯片装在电路板上。在实验中可以连续精确改变两黑色平板之间的狭缝宽度，从而改变了CCD感光的像元数；实验时驱动脉冲电路板可以根据需要进行更换；信号采集板提供了CCD输出信号的不同检测方法及电路设计的功能，可以采用多种信号检测方法，比如二值化，低通滤波取包络以及A/D－D/A转换法。本发明涉及到光学系统、器件驱动、信号采集与处理等多学科技术的渗透和融合，对学生学CCD及与CCD相关的光电知识有很好的促进作用。

主权项

1、线阵CCD综合实验方法，其特征在于进行以下工作：(1)、CCD驱动电路的设计改变驱动电路以获得不同的驱动信号，进行不同类型的CCD的实验，驱动脉冲必须满足一定的时序关系，使得CCD像元电荷能够通过视频信号输出端移位输出。不同结构的CCD芯片，所需要的驱动电路的时序不同。驱动脉冲电路的设计采取EPROM驱动方法、IC驱动方法、单片机驱动方法以及可编程逻辑器件(PLD)设计法来实现：基于EPROM的驱动方法与电路EPROM驱动方法，将CCD的驱动脉冲信号以最窄段为基本单位划分为若干个等时间间隔，称为状态，时钟波形电平变化发生在一定状态变化时刻，这样任意一路信号都被分为上万个状态，处于某一状态时，各路信号或1或0，构成一个状态的数据，将数据依次装入可擦除只读存储器EPROM中，只要等时间间隔地依次输出这些数据就形成了CCD所需的各路波形，在设计前需要计算数据在存储器中的起始地址也即预置数，起始地址＝存储器总字节数-数据所占字节数，并对EPROM的输出端进行设置，使得每一个信号对应于EPROM的数据的一位，这样就可以同时写出各个信号的二进制编码，将这些二进制编码预先固化在EPROM指定的单元内，当电路工作时，就可将EPROM中的数据读出，产生相应的信号，晶振的输出信号加在EPROM地址发生器的时钟输入端，当地址发生器输出地址时，EPROM的输出端就产生一组时序脉冲信号，送至驱动器来驱动CCD；IC驱动方法IC驱动方法，在设计中采用普通数字电路芯片来实现，它由晶体振荡器、交迭脉冲产生器、分频器、译码器、电平转换器即反相器以及驱动器构成，使用晶体振荡器产生驱动电路的基准时钟脉冲，交迭脉冲产生器产生交迭脉冲，保证其相互间确定的时间关系，用分频器对交迭脉冲进行分频并送译码电路以产生各路脉冲所需的波形脉冲，再用反相器进行电平转换后送至驱动器，驱动CCD；基于单片机驱动法利用单片机的内部时钟和程序设计，在单片机的输出端口上产生适合CCD驱动时序要求的各驱动脉冲信号。硬件电路主要由单片机、晶体振荡器、复位电路、并行输出端口、缓冲驱动电路等构成，缓冲驱动电路与CCD时钟脉冲信号端相接。系统软件控制各个输出端口信号的时序关系。这种方式的优点是对于不同CCD的时序脉冲信号，只需要改变软件就可以使得各个端口满足时序要求，不必改变硬件电路。可编程逻辑器件(PLD)设计法首先按CCD时序发生器的原理将其分成高低几个逻辑关系层；利用模块化的设计方法，对各部分逻辑关系使用原理图与硬件描述语言(ABEL-HDL)混合进行描述；系统每一功能模块完成后可单独仿真，或者整个系统完成时在计算机上进行仿真，不需要外部测试仪器就可以检查修改设计中的问题；最后将编译生成的JEDEC文件下载到可编程芯片上；(2)、CCD信号的检测方法采用二值化法，低通滤波取包络法即峰值滤波+低通滤波法，模数转换法进行检测；二值化检测方法二值化法是把图像和背景作为分离的二值图像对待，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平；通过阈值电平的设置，来对CCD输出信号进行截断的处理方法，按视频输出的顺序采样，高于阈值的输出为低电平，低于阈值电平的输出为高电平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号；阈值电平的选择采取两种方法：第一种方法是利用图像采集卡对被测对象的输出信号波形进行采集，经数据处理后作出直方图，从直方图中找出域值电平；第二种方法是根据实验和经验选择合适的阈值电平；线阵CCD输出信号二值化处理的方法包括固定阈值法、浮动阈值法、微分法，固定阈值法是由一个电压比较器构成，将CCD输出的视频信号送入比较器的同相端，反相端加上一个可调的电平即阈值电平就可以了；浮动阈值法是通过电路将CCD输出视频信号幅值的变化关联到阈值电平上，使阈值电平跟着变化，从而抵消CCD输出视频信号因光源不稳定而造成的误差；微分法是利用低频滤波电路和微分电路相结合的办法，找出经滤波后的CCD视频信号输出波形中变化率最大的点，根据CCD器件输出信号的特点，这个点就是受光象素与未受光象素的分界处，在此处使用电处理方法就可以将CCD输出信号分为高低两种电平信号，从而实现二值化处理；峰值检波+低通滤波法由于CCD中每个光敏单元感知的电信号的幅值与入射光强成线性关系，因此用CCD器件可以很容易地将图象信号的空间分布按照一个确定的线性关系转换成电路中电信号的时序分布，CCD输出的电压高低对应于空间某位置的光强明暗，可以把CCD输出的电信号看成是一个调制信号；它是在CCD驱动频率的作用之下，将与光强分布相对应的电压分布进行调制，形成了一帧离散的模拟信号输出；此信号经最初的放大整形后，利用峰值检波和低通滤波进行解调就可以得到需要的信号波形，在数字示波器上再现原来的图像；模数转换(A/D)法使用模数转换(A/D)法必须在设计驱动电路时产生一路采样信号，在A/D变换前，首先是将CCD视频输出的脉冲调制信号经过低通滤波器滤波后变成在时间上连续的模拟信号，再按输出数据速率对连续的视频信号在时间上进行间隔采样，把CCD信号变成离散的模拟信号，并由保持电路将采样电平保持着，然后再对该电平进行幅值量化，从而在A/D变换器输出端得到幅度和时间都是离散的数字信号，再进行D/A转换从而在示波器上再现原来的图像。