CN101042811A - 线阵ccd综合实验方法和装置 - Google Patents

Abstract

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，对学生学习CCD及与CCD相关的光电知识有很好的促进作用。

Description

线阵CCD综合实验方法和装置

技术领域

本发明属于激光及光电子教学实验方法与装置，具体是一种线阵CCD综合实验方法和装置。

背景技术

线阵CCD是一种阵列式光电探测器件，在光电成像探测的领域中得到了广泛的应用，如扫描仪、光谱仪、精密位置探测仪、精密尺寸测量仪等。因此线阵CCD的原理及应用实验在光电工程、精密仪器与自动化等专业课程中占有重要的地位。

线阵CCD由光电探测阵列(光敏区)、转移栅、移位寄存器和电荷检测器等组成。各组成部分的功能如下：光敏区在积分期间产生光生电荷，其数量对应光强的大小；转移栅在转移期间将光生电荷转移到移位寄存器中；移位寄存器的功能是将光生电荷扫描到电荷检测器中；电荷检测器是将光生电荷变成串行模拟信号输出。线阵CCD工作时必须在加上满足一定时序要求的时钟脉冲信号。由于生产线阵CCD采用的工艺和设计方法的差别，不同型号的线阵CCD所需要的时钟脉冲信号各不相同，没有一个统一的标准。因此，对于不同型号的线阵CCD，需要专门设计满足其特定要求的时钟驱动脉冲信号。

现有的线阵CCD的实验方法和装置主要是针对典型的线阵CCD驱动电路设计实验，学生根据CCD时序电路的要求，采用时序逻辑电路的设计方法设计满足要求的时序电路板，接上CCD芯片后，接入电源后，用示波器观测CCD各管脚的时序关系，以及CCD视频输出信号波形，从而加深理解CCD芯片的工作原理和视频信号的特征。

由于CCD时序电路设计及其在光电检测应用中应用的多样性，现有的实验方法和装置仅仅给学生提供了一个简单的认识过程，没有把线阵CCD相关的时序电路和应用中的特点体现出来。并且由于实验装置上的简单性，达不到充分调动学生积极主动参与实验设计过程的目的。

发明内容

本发明的目的在于为CCD的原理及相关应用提供了一套能够结合光学、光电技术、信号处理等的综合的实验方法和装置。所设计的实验方法和装置在CCD时序电路的设计、信号检测方法和电路设计、CCD应用中的信号处理方法的实验等方面具有灵活多变的特点，适合于不同的CCD、不同的CCD的驱动信号波形设计及CCD输出信号的不同检测处理方法，解决目前线阵CCD实验方法和装置中存在的功能单一、实用性、综合性差的问题。在实验中能够充分调动学生的积极性，使得他们利用所学的理论知识，发挥主观能动性和创造力。

本发明的技术方案如下：

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。

所述的可编程逻辑器件PLD设计法是指：运用ALTERA公司的MAX+PLUSII软件系统进行CCD驱动电路设计，MAX+PLUSII是一种全集成化的可编程逻辑设计环境，它提供了包括图形输入、文本输入、波形输入和网表输入等设计输入方法，执行编译、逻辑综合、仿真以及编程等功能；设计过程包括4个阶段：设计输入、设计处理、设计校验和器件编程；设计输入将要用PLD实现的逻辑功能输入到开发系统中，由系统编译程序自动完成编译，实现错误定位等功能，生成相应的文件，用简炼的输入描述实现复杂设计；设计处理即将输入的逻辑电路映射到PLD器件的逻辑块、输入输出和其他资源，决定这些电路单元在芯片中的最佳位置，并选择适当的互连资源将它们连接起来，这都可由开发系统自动完成；但用户可以根据自己的需要对上述设计过程进行控制，可以指定某一逻辑块或者I/O的物理位置，可以给信号通路赋予不同的权值决定相应信号通路的时间关系和布线优先顺序；设计校验包括设计仿真和定时分析，验证设计的功能和时序是否满足设计要求，观察仿真波形校验可能存在的误差，进而修改设计直到得到正确的波形；器件编程就是用生成的编译文件对PLD器件编程，并对器件的功能进行校验、检查和功能测试。

线阵CCD综合实验装置，包括有箱体，其特征在于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，狭缝上方安装有线阵CCD模拟信号检测电路板，所述的激光器产生的平行光经反射镜反射从狭缝入射到线阵CCD模拟信号检测电路板上。

所述的基于激光器的平行光产生光学系统，采用半导体激光器作为光源，利用扩束准直镜完成激光束的扩束和准直

所述的可移动黑色平板，其中一块固定在箱体侧壁上的卡槽内，另一块与测微头连接，通过测微头的调节可以在卡槽内移动，实现两块黑色平板之间狭缝大小可调。

所述的新型线阵CCD实验装置，其特征在于线阵CCD和狭缝成直角；当平行光垂直照射到狭缝处时在线阵CCD输出的信号上可以观察到直边衍射现象，根据直边衍射的光强分布特征可以得到通过透光狭缝后的波形以及其与狭缝宽度之间的对应关系。

本发明采用在结构上采用模块式设计方法，在功能上综合了基于激光器的平行光产生和可精密调整宽度的狭缝，既可以方便的进行CCD时序脉冲电路的设计与模拟输出信号检测的基础性实验，又可以进行与光学、光电技术、信息处理等相关的综合性实验。系统结构紧凑，适用于很多方面的实验：

1、基础性实验，各种CCD的特性参数测量，包括测量各路驱动脉冲的周期和相互间相位关系，驱动脉冲的产生电路设计、CCD信号的检测及信号处理方法研究等。

2、综合性实验，可以用CCD进行精确尺寸的测量，结合光学、光电技术、信息处理方面知识的激光的单缝衍射实验，能准确地定位光强分布，测量方便、智能化和精度很高，比传统的实验方式更精确、更稳定。

3、可扩充性(不同CCD芯片、相同CCD芯片的不同驱动方法、视频输出信号的不同的检测方法或实现方法)

附图说明

图1本发明实验装置原理图。

图2TCD1201的驱动脉冲的时序图。

图3EPROM驱动法原理图。

图4IC驱动法原理图。

图5单片机驱动方法原理图。

图6基于单片机驱动方法原理图。

图7可变程逻辑器件(PLD)法原理图。

图8浮动阈值法原理电路。

图9微分法原理框图。

图10低通滤波取包络法原理图。

图11A/D转换法过程图。

图12狭缝调整结构图。

图13直边衍射现象图。

图14狭缝透射光波与狭缝宽度的对应关系图。

具体实施方式

参见附图

如图1所示，线阵CCD综合实验装置中，1为半导体激光器光源，其上用一块毛玻璃4与上方隔离，毛玻璃4上方固定有二块黑色平板5、6，两位置可调对开的黑色平板5、6之间有狭缝，狭缝上方为装有线阵CCD的驱动脉冲电路板7，驱动脉冲电路板可插拔更换。半导体激光光源1发出的光束经过扩束准直望远镜系统2变为近似平行光，经倾角为45°的反射镜3反射后垂直照射到黑色平板5、6间的狭缝处，经由狭缝照射到上方的线阵CCD上，用示波器观察CCD的输出信号波形，黑色平板6一端安装测微头8，旋转测微头8精密调节黑色平板6的位置，黑色平板5、6之间的距离变化，可以在线阵CCD上观察测量到狭缝的大小。其原理是用激光衍射细缝时会产生衍射图样，用阵列光电转换器件对衍射图样进行接收，展示光强分布全貌，可测出暗纹的间距，从而计算出细缝的宽度。

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；可更换的时序电路板提供了不同类型CCD和时序电路不同设计方法的功能，实验时驱动脉冲电路板可以插拔，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，对学生学习CCD及与CCD相关的光电知识有很好的促进作用。

本发明实验方法如下：

(1)驱动电路

CCD驱动电路采用的是可插拔电路板，这样可以根据不同CCD驱动电路的要求，改变驱动电路以获得不同的驱动信号，可进行不同类型的CCD的实验。驱动电路的设计由于采用了可插拔电路可以单独设计并成为一个独立的实验，驱动电路的设计可以采取EPROM驱动方法、IC驱动方法、单片机驱动方法以及现在较常用的可编程逻辑器件(PLD)设计法等实现，可以根据学生现有掌握知识情况、实验室器件条件及特殊的实验要求进行选择。以下以TOSHIBA公司的TCD1201为例，说明不同的驱动方法的原理。器件的时序如图2.所示。

图2.中，SH是转移栅控制信号，T1和T2是移位寄存器控制信号，其典型频率为0.5MHz；为避免MOS电容中的信号电荷包，向上下两列模拟移位寄存器的电极转移不完全，要求T1、T2的宽脉冲为3个时钟周期。RS是使输出扩散二极管复位的控制信号，复位一次输出一个信号，占空比为1∶3。该器件是两列并行传输，所以T1、T2的脉冲数在一个行周期内至少应有1047个。

基于EPROM的驱动方法与电路

EPROM驱动方法，由于CCD的驱动脉冲信号的时序具有各个信号的任何部分都是复位脉冲信号RS的高电平部分的倍数的特点。这种方法就是根据这一特点，将这组信号以这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。其原理如图3.所示，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(反相器)以及驱动器等部分构成。使用晶体振荡器作为基准时钟脉冲，对几路脉冲进行控制，以保证相互间确定的时间关系。经交迭脉冲产生器产生交迭脉冲，用分频器对时钟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。原理如图4.所示。

基于单片机实现法

基于单片机驱动方法与EPROM方法有些相似。EPROM方法每改变地址就输出新的状态数据，而单片机法每改变一次端口输出指令就改变了输出数据。由于大多数CCD应用系统都含有单片机，所以十分自然地考虑用单片机的并行锁存输出口输出所需的驱动脉冲信号，实现对CCD的控制。用单片机产生的CCD驱动信号，在硬件设计上只需要在单片机的一个口的四位输出加上电平转换电路后接往CCD对应管脚即可。其原理示意图如图5.所示。

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。

单片机是靠指令产生I/O口的输出逻辑状态来产生驱动时序，由于线阵CCD的典型复位脉冲是1MHz，对单片机的速度有一个最低要求，所以要实现这种驱动方法必须使用指令周期小于1μs的单片机，这是在设计中需要考虑的一个重要因素。

可编程逻辑器件(PLD)设计法

使用与器件对应的基于Windows的开发软件对硬件进行编程，这类软件(如MAX+PLUSII)一般都支持ABEL-HDL语言、电路图、VHDL或Verilog HDL输入方式及仿真。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，整个系统完成时也可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。原理示意图如图6.所示。

其设计过程以运用ALTERA公司的MAX+PLUSII软件系统为例说明如下，MAX+PLUSII是一种全集成化的可编程逻辑设计环境，它提供了包括图形输入、文本输入、波形输入和网表输入等设计输入方法，执行编译、逻辑综合、仿真以及编程等功能。设计过程包括4个阶段：设计输入、设计处理、设计校验和器件编程。设计输入将要用PLD实现的逻辑功能输入到开发系统中，由系统编译程序自动完成编译，实现错误定位等功能，生成相应的文件，用简炼的输入描述实现复杂设计；设计处理即将输入的逻辑电路映射到PLD器件的逻辑块、输入输出和其他资源，决定这些电路单元在芯片中的最佳位置，并选择适当的互连资源将它们连接起来，这都可由开发系统自动完成。但用户可以根据自己的需要对上述设计过程进行控制，可以指定某一逻辑块或者I/O的物理位置，可以给信号通路赋予不同的权值决定相应信号通路的时间关系和布线优先顺序；设计校验包括设计仿真和定时分析，验证设计的功能和时序是否满足设计要求，观察仿真波形校验可能存在的误差，进而修改设计直到得到正确的波形；器件编程就是用生成的编译文件对PLD器件编程，并对器件的功能进行校验、检查和功能测试。

(2)CCD信号的检测方法

可以采用二值化法、低通滤波取包络法(峰值滤波+低通滤波法)、模数转换法等进行检测。可以综合考察信号处理的能力，体现了综合性的特点。

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。这种方法中最关键的是阈值电平的取值问题，阈值电平取值的高低不同，经变换后得到的图像边缘的出入很大，使得测量结果也会在一个很大的范围内变化，跟被测对象的实际值相差较大。阈值电平的选择可以采取两种方法，第一种方法比较复杂，要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。第一种方法最常用，根据实验和经验选择合适的阈值电平。

目前，有关线阵CCD输出信号二值化处理的理论方法主要有固定阈值法、浮动阈值法、微分法等几种。固定阈值法是一种最简便的二值化处理方法，它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(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，其原理如图7.。

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。其原理框图如图8.所示。

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。这就是这种方法的设计思想，其原理框图如图9.所示。

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。其过程如图10.所示。

(3)透光狭缝尺寸的精密调整

透光可变宽度狭缝的调整是通过测微头来进行的，两黑色平板一块固定在箱体上(卡在箱体两侧的槽内)，另一块与测微头连接，在测微头的调节下可以在卡槽内移动，从而使透光狭缝根据要求变化尺寸，如图11.。当平行光垂直照射到狭缝处时将产生直边衍射现象(见图12.)，照射到CCD上面的光波将不会是狭缝原来的宽度和形状。根据直边衍射的光强分布特征我们可以得到通过透光狭缝后的波形以及其与狭缝之间的对应关系如图13.所示。

(4)基于激光器的平行光产生

进行精确尺寸测量方法的研究，其中涉及到平行光的产生，装置采用的是半导体激光器作为光源，其输出的光束为像散椭圆高斯光束，为了进行单缝衍射测量狭缝宽度必须对其进行准直扩束。平行光的产生的方法是根据半导体激光器的光束特点，利用扩束准直望远镜发射准直激光，如图14.所示；这是一个倒装的望远镜系统，L₁为短焦距透镜(副镜)，其焦距F₁满足条件F₁＜＜1，L₂为长焦距透镜(主镜)。

Claims (6)

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。

2、根据权利要求1所述的线阵CCD综合实验方法，其特征在于所述的可编程逻辑器件PLD设计法是指：运用ALTERA公司的MAX+PLUSII软件系统进行CCD驱动电路设计，MAX+PLUSII是一种全集成化的可编程逻辑设计环境，它提供了包括图形输入、文本输入、波形输入和网表输入等设计输入方法，执行编译、逻辑综合、仿真以及编程等功能；设计过程包括4个阶段：设计输入、设计处理、设计校验和器件编程；设计输入将要用PLD实现的逻辑功能输入到开发系统中，由系统编译程序自动完成编译，实现错误定位等功能，生成相应的文件，用简炼的输入描述实现复杂设计；设计处理即将输入的逻辑电路映射到PLD器件的逻辑块、输入输出和其他资源，决定这些电路单元在芯片中的最佳位置，并选择适当的互连资源将它们连接起来，这都可由开发系统自动完成；但用户可以根据自己的需要对上述设计过程进行控制，可以指定某一逻辑块或者I/0的物理位置，可以给信号通路赋予不同的权值决定相应信号通路的时间关系和布线优先顺序；设计校验包括设计仿真和定时分析，验证设计的功能和时序是否满足设计要求，观察仿真波形校验可能存在的误差，进而修改设计直到得到正确的波形；器件编程就是用生成的编译文件对PLD器件编程，并对器件的功能进行校验、检查和功能测试。

3、线阵CCD综合实验装置，包括有箱体，其特征在于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，装有CCD芯片的驱动电路板安装在狭缝的上面，CCD芯片位于狭缝的正上方，阵列的方向与狭缝的方向垂直。所述的激光器产生的平行光经反射镜反射从狭缝入射到线阵CCD模拟信号检测电路板上。

4、根据权利要求3所述的线阵CCD综合实验装置，其特征在于所述的基于激光器的平行光产生光学系统，采用半导体激光器作为光源，利用扩束准直镜完成激光束的扩束和准直

5、根据权利要求3所述的线阵CCD综合实验装置，其特征在于所述的可移动黑色平板，其中一块固定在箱体侧壁上的卡槽内，另一块与测微头连接，通过测微头的调节可以在卡槽内移动，实现两块黑色平板之间狭缝大小可调。

6、根据权利要求3所述的新型线阵CCD实验装置，其特征在于线阵CCD和狭缝成直角；当平行光垂直照射到狭缝处时在线阵CCD输出的信号上可以观察到直边衍射现象，根据直边衍射的光强分布特征可以得到通过透光狭缝后的波形以及其与狭缝宽度之间的对应关系。

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