光电检测技术实验指导(34页).doc

光电检测技术实光电检测技术实验指导验指导光电检测技术实验指导光电检测技术实验指导主编：王庆有主编：王庆有天津市耀辉光电技术有限公司天津市耀辉光电技术有限公司目录目录实验一夫琅和费衍射实验.1一、实验目的：.1二、实验内容：.1三、实验所用仪器设备：.1四、实验原理：.1五、实验步骤：.3六.关机与结束：.4七.思考题：.4实验二光电调制与解调技术实验.4一、实验目的：.4二、实验内容：.4三、实验所用仪器设备：.4四、实验原理：.4五、实验步骤：.5六、实验报告：.7七、思考题：.8实验三用线阵 CCD 测量物体尺寸.8一、实验目的.8二、实验准备内容.8三、实验所需仪器设备.8四、实验步骤.8五、实验总结.10实验四用线阵 CCD 测量物体的振动.11一、实验目的.11二、实验准备内容.11三、实验所需仪器设备.11四、用线阵 CCD 测量物体振动的原理.11五、实验内容及步骤.12六、实验总结.13实验五面阵 CCD 用于物体外形尺寸测量实验.13一、实验目的.13二、实验准备内容.13三、实验所需仪器设备.13四、实验内容及步骤.14五、实验总结.17实验六面阵 CCD 用于颜色识别.17一、实验目的与意义.17-第 IV 页二、实验所需仪器设备.17三、实验准备.17四、实验内容及步骤.18五、实验总结.19实验七图像信息的点运算实验.19一、实验目的与意义.19二、实验所需仪器设备.20三、实验准备内容.20四、实验内容及步骤.20五、实验总结.23实验八图像的几何变换实验.23一、实验目的与意义.23二、实验所需仪器设备.23三、实验准备内容.23四、实验内容及步骤.24五、实验总结.26实验九光栅与莫尔条纹实验.27一、实验目的：.27二、实验内容：.27三、实验仪器：.27四、实验原理：.27五、实验步骤：.28六、实验报告：.29-第 1 页实验一实验一夫琅和费衍射实验夫琅和费衍射实验一、实验目的：通过对典型衍射的实验，充分认识光的波动学说，进一步加强对光的波粒二象性的理解，为今后学习、掌握光的衍射现象提供感性认识；也为利用衍射现象进行各种光电测量奠定基础。二、实验内容：1.夫琅和费衍射现象；2.夫琅和费衍射的基本参数；3.夫琅和费衍射的典型应用。三、实验所用仪器设备：1.GDS-()型光电综合实验平台一台；2.光电综合实验平台配件（夫琅和费衍射实验配件）；3.激光器、钢板直尺及自制的白屏；4.线阵 CCD 图像传感器、成像物镜与 A/D 数据采集卡。四、实验原理：光束是一种电磁波，具有振幅、相位、强度和偏振等基本特性，单色光（或单一波长的光）在其传播路径受到物体障碍时由于它的波动特性将绕过障碍并产生一些特殊现象，这些现象称为衍射现象。单色光的衍射现象更为明显，因此，常用单色特性好的激光为衍射光源。按光源、衍射物和观察衍射条纹的屏幕三者之间的位置可以将光的衍射现象分为两类：菲涅耳衍射（有限距离处的衍射）；夫琅和费衍射（无限远距离处的衍射）。若入射光和衍射光都是平行光束，就好似光源和观察屏到衍射物的距离为无限远，因此产生的衍射就是夫琅和费衍射。由于夫琅和费衍射在理论上分析较为简单，所以在此仅讨论夫琅和费衍射。1.夫琅和费单缝衍射半导体激光器发出近似平行的单色光(650nm)垂直照射到缝宽度为b的狭缝AB上，经过透镜聚焦，在其焦平面处放置的屏幕上将得到如图 1-1 所示的夫琅和费衍射图样。由图可见，衍射角为的平行光经透镜聚焦在屏幕上的 P 点处，图中设 AC 垂直于BC，因此，衍射角为的光线从狭缝 A、B 两边到达 P 点的光程差，即它们的两条边缘光线之间的光程差为sinbBC（1-1）显然，P 点干涉条纹的亮、暗由 BC 值决定，用数学公式表示为-第 2 页2)12(sin22sinsinkbkbb（1-2）式中的号表示亮、暗条纹分布于零级亮条纹的两侧；,.2,1k相应为第一级，第二级，等亮（或暗）条纹。中央零级亮条纹最亮也最宽，为其它亮条纹宽度的2 倍。两侧亮条纹的亮度将随级数增大而逐渐减小，它们的位置可近似地认为是等距离分布的，暗点等距分布在中心亮点的两侧。当狭缝宽度 b 变小时，衍射条纹将对称于中心亮点，并向两边扩展，条纹的间距将逐渐增大。激光衍射图样明亮、清晰，衍射级次可以很高。若屏幕离开狭缝的距离 L 远大于狭缝宽度 b。用钢板直尺分别测量屏幕离开狭缝的距离 L 与亮条纹的间距。移去透镜仍可以在屏幕上得到垂直于缝宽方向的亮、暗相间的夫琅和费衍射图样。由于角很小，因此，如图 1-1 所示狭缝宽度b 可由式（1-1）与（1-2）得到SLxkLbk（1-3）式中，k为从0 算起的暗点数，kx为第k级暗点到中心亮纹的间距，为激光的波长，kxSk/为相邻两点的间隔，S 可以用钢板尺进行测量，通过式（1-3）可以测量狭缝的宽度 b 或在已知狭缝的宽度 b 的情况下测出衍射条纹至狭缝的距离。如图 1-2 所示，在距离屏幕为 L=1m 处不同狭缝宽度 b 所形成的衍射图样。由于b 值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化，因此，可以用钢板尺目测、照相记录或光电非接触测量的方法测出条纹的间距，求得 b 值或其微变量。当用物体的间隔、位移或振动等物理量代替狭缝、狭缝边的位置或位移时，也同样可以获得类似的衍射图样。也就是说，利用激光衍射的方法不仅可以测量物体的微小间隔或位移，还能测量物体的微小振动。夫琅和费单缝激光衍射系统的测量误差常由 L、kx等参数的测量精度决定。被测狭缝宽度 b 常为 0.010.5mm，可以通过千分尺控制的可变狭缝进行测量。用线阵或面阵 CCD 图像传感器可以精确地测量出kx参数，从而为精确测量细丝直径提供可靠手段。2.夫琅和费细丝衍射由半导体激光器发出的激光束照射细丝（被测物）时，其衍射效应和狭缝衍射的情况相似，在屏幕（在焦距为 f 的透镜的焦平面处）上形成如图 1-3 所示的夫琅和费衍射图样。相邻两暗点或亮点的间隔 S 与细丝直径 d 之间存有如下关系：Sfd（1-4）当 d 变化时，各条纹位置和强度都有所变化，因此，可根据亮点或暗点的间距测出细丝的直径。若在屏幕位置放置线阵 CCD 图像传感器件，构成如图 1-4 所示测量方案，可以直接测出细丝的直径。其测量范围一般为 0.010.1mm，分辨力可达到0.05m。-第 3 页五、实验步骤：1)夫琅和费衍射与狭缝宽度的测量先从光电实验平台备件箱中取出用于夫琅和费衍射的半导体激光器和透镜，将其安装在实验平台上。打开实验平台电源开关，接通半导体激光器电源，使半导体激光器发出的光通过狭缝产生夫琅和费衍射，利用凸透镜将夫琅和费衍射图像成在屏幕上；调整屏幕与透镜的距离观察屏幕上像的成像质量，使之清晰；此时的图像为夫琅和费衍射图样。测量狭缝宽度的方法之一：将屏幕去掉，将光电二极管、光电三极管等光电器件安装在上述装置的像面位置，测量其输出信号电压，沿垂直于光轴方向移动光电器件，观测输出信号电压的变化，记录它的最亮点位置 XL与第 1 个暗纹位置 XD1、第 2 个暗纹位置 XD2；于是，根据如图 1-1 所示的各项尺寸定义，参考公式（1-2），可以测出被测狭缝的缝宽 b。测量狭缝宽度的方法之二：将线阵 CCD 安装在像面位置上（即用线阵 CCD 代替光电二极管），打开实验平台的电源开关和计算机的电源开关，执行狭缝宽度测量软件程序；观察计算机屏幕所显示的输出波形，调整线阵 CCD 与成像透镜间的距离，使输出波形所反映的衍射图像清晰；测量峰值点位置 XL与第 1 个暗纹位置 XD1、第 2个暗纹位置 XD2；代入公式（1-2）便可直接计算出狭缝的宽度 b。显然，第二种测量方法更加直观，也很方便，测量过程不用做任何扫描。2)利用夫琅和费衍射测量细丝的直径将夫琅和费衍射测量细丝直径的装置安装在实验平台的光学平台台面上，按如图1-3 所示的方式安装后，打开实验平台电源，使激光束通过被测细丝产生衍射，衍射光通过焦距为 f 的凸透镜汇聚；在像面位置先放置一屏，衍射图像便成于屏上，可用肉眼观测衍射图像的清晰度；调整透镜的位置，使衍射图像尽量清晰；然后，就可以进行细丝的测量实验。细丝的测量实验也分为两种方法，其一为光电器件扫描测量法，其实验步骤如下：将光电器件置于衍射像面，并使光电器件做垂直于光轴方向的扫描运动，同时观测其输出电压的变化，记录输出信号峰值与谷值的位置 Xf与 Xl，它们分别对应于衍射图像的峰与谷位置，从中找到如图 1-3 所示的 S 与 xk值，代入公式（1-3）便可测出细丝的直径 d。其二为线阵 CCD 扫描测量法，实验步骤如下：在上述实验装置的基础上将凸透镜取下，代之以线阵 CCD 摄像系统的成像物镜，将线阵 CCD 摄像系统安装在凸透镜位置的前后（视摄像系统的焦距而定）。合上实验平台的电源开关及计算机电源开关，进入细丝测量软件路径，在软件界面的提示下执行细丝直径测量程序，界面显示出被测细丝的衍射曲线，调整线阵 CCD 摄像系统的成像物镜，使显示器上观测到的曲线为如图 1-5 所示的清楚而又不饱和的衍射图像曲线。将实验所用的激光光源的波长填入实验软件界面提示的入射波长中，软件便可以根据公式(1-3)算出被测细丝的直径。-第 4 页六.关机与结束：1、将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补做上述实验；若合理，可以关机；2、关机时，先关计算机电源，再关实验平台的电源；3、确认电源都关好后，将所用的配件放回配件箱；再将实验所用仪器收拾好，放到原位后，请指导教师检查，批准后离开实验室。七.思考题：1、在采用激光衍射方法测量细丝直径时，如果激光器发出的光强稳定性不高，将对测量结果产生的影响怎样？如何解决这个问题？2、由于夫琅和费衍射的零级亮条纹的幅度远远高于次级亮条纹，在用线阵 CCD为光电传感器测量零级亮条纹与次级亮条纹的宽度时出现对应零级亮条纹的像敏单元饱和的情况，对测量结果是否产生影响？如何消除这种影响？实验二实验二光电调制与解调技术实验光电调制与解调技术实验一、实验目的：通过光电调制与解调技术实验，认识为什么要进行调制和通过调制能使光电系统在哪些性能方面得到提高的问题；同时通过典型光电调制器的实验了解光电调制器与解调器的一般原理。二、实验内容：1、光电脉冲调制器实验；2、正弦波信号对光电信号的调制与解调实验；3、声光调制与解调。三、实验所用仪器设备：1.GDS-()型光电综合实验平台一台；2.光电综合实验平台的配件（光电调制与解调实验配件）。四、实验原理：在光电系统中，光通量为信息的载体。光通量“载荷”信息的方法有多种形式。通过人为的变换把被测信息“载荷”到光通量上。例如在透过率测量系统中，使恒定的光通量通过被测介质，随介质吸收情况的不同输出光通量的数值有所改变，于是被测介质透过率的信息即被载荷到光通量上。这里，光通量作为信息的物质载体称作载波。使光载波信号的一个或几个特征参数按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法称为调制。可以利用复合的非相干光波，也可以利用窄带单色且有确定初相位的相干光波作为光载波。许多种光学参量都可以作为载波的特征参数，例如非相干光辐射能量的幅度、光波或光脉冲的调制频率、周期、相位及时间等参数；相干光的波振幅、光频、-第 5 页相位、偏振方向、光束的传播方向等参数。众多的可调制参量增加了光载波信号的处理，使光电信息变换技术的内容更加丰富。将信息直接调制到光载波上的广义调制，在许多情况下是人为地使载波光通量随时间或空间而变化，形成多变量的载波信号。然后，再使其特征参数随被测信息改变。因为它是对已随时间调制的光通量特征参数的再调制，故也称为二次调制。使光载波参数按确定的时间或空间规律变换，这样做虽然似乎增加了信号的复杂性，但是它有助于信息传输过程的信号处理和传输能力的提高，能更好地从背景噪声和干扰中分离出有用信号，提高信噪比和测量灵敏度。此外调制信号还能简化检测系统的结构，改善系统的工作品质，利用调制还可以扩大目标定位系统的视场和搜索范围。因此，调制技术是光电检测系统中常用的方法。在辐射源或光路系统中进行光通量调制的装置称为调制器。从已调制信号中分离并提取出有用的信息，即恢复原始信息的过程称为解调。本节实验采用典型的脉冲电光调制器实现对光通量的调制，通过观测脉冲调制波载荷信息的特性与特点，设计出相应的解调器，解调出被测信号。五、实验步骤：1.光电脉冲调制实验1）构成光电脉冲调制的基本实验装置如图 2-1 所示，光电脉冲调制的基本实验装置由载波信号源（载波脉冲发生器）、调制信号源（载信号脉冲发生器）和调制光源（调制发光光源）等三部分构成，而载波信号源与调制信号源又分别由它们的信号发生器产生。载波信号发生器与信号脉冲发生器均可以利用光电综合实验平台提供的 CPLD 可编程电路设计各种频率的脉冲信号，当然，也可用实验平台上的脉冲信号为载波信号源，而用实验平台上的其它波形输出为信号源；然后将载波脉冲与信号脉冲分别通过驱动器驱动 LED 发光管使之产生由载波装载的调制发光光源。具体步骤如下：1组装载波源首先阅读如图 2-2 所示的典型光电调制器电路图，然后从实验平台备件箱中取出发光二极管装置，并将其牢靠地安装在光电实验平台的光学试验台上。再按如图 2-2所示的电路图安装载波与信号的输入电路。安装电路时，先安装图中的虚线框内部分，若已经选择了 5V 电源为 Ubb，则 R9-第 6 页可选 0.20.5k的电阻，R8用 5.1k的电阻，R7电阻值根据选用的 T1三极管的特性参数调整，当 LED 为白色发光管时用示波器或数字表测得 Y3点的电位，它应该在 0.6V左右，不能高于 1.0V。用示波器或数字表测 Y2点的电位在 1.3V 左右，此时发光管发光，但不是很亮。电容 C 的选择要考虑调制信号的带宽，使 R6C 所产生的阻抗对带宽内的信号衰减不至于过大。后面电路装好后再装前面，前面 R1、R2电阻的阻值应该相等，建议用 1k；R4是调整放大器放大倍率的反馈电阻，它的阻值实验者完全可以自行设计。载波信号完全可以利用平台提供的现场可编程逻辑器件自行制造出各种频率不同相位的脉冲载波信号，并用它做载波去调整 LED。2组装信号源信号是实验者自己定义的，可以是声音信号、正弦波信号、控制信号和其他信号源；例如从拾音器或声音传感器获得声音信号，从压力传感器或位移传感器可以获得压力或位移信号，这些都可以作为信号对发光进行调整，从而获得调整光信号。3参考实验将发光二极管装置的电源线连接到实验平台面板上的 LED 输入端口上；按如图2-2 所示的电路连接成载波光电调制器电路。它由运算放大器使载波与被调制信号合成后驱动 LED 发光二极管，使之产生载波调制光。电路中的参数学生可以自行设计，根据调制度与载波、信号源的电压幅度设计电阻 R1与 R2。若载波与信号源的电压幅度相等，且均为 TTL 电平，调制度为 50%，电源电压 Ubb=5V 时，可选 R1=R2=1k。而 R4=2k，R6=51，C=0.01f，R7=15 k，R8=5.1 k，R9=100；T1 应选用放大倍率大于 80 倍的 9014 三极管；运算放大器根据载波频率的要求选用通频带较宽的器件，如 LF357 等；电路的具体参数要根据具体选用的运算放大器与三极管的参数作适当的调整。电路装调好后，可将实验平台电源接通，用实验平台提供的示波输入端 CH1、CH2与 CH3测量 Y1、Y2与 Y3三点的波形，使 Y3脉冲输出的幅度不小于 1V。这时 LED发光二极管将以不小于 10mA 的电流发出调制光脉冲。2）光电脉冲调制器的测试光电脉冲调制器的测试方法有两种，一种为目视，用眼观察 LED 发光二极管是否在发光？由于人眼的时间响应特性较低，只能观测低于 25Hz 的脉冲调制，当调制脉冲高于 25Hz 时，只能看到发光二极管发微弱的光；另一种方法是通过光电转换电路将 LED 发出的调制光转换成脉冲电压后用示波器观测。用示波器观测不但可以看其是否发光，而且还能测出载波与信号的频率及其幅度。用示波器观测的电路如图 2-3所示。由于实验平台具有示波功能，因此，将电路的输出信号 Uo接到示波输入端 CH1上，执行示波软件便在显示屏上观测到载波与信号混合调制的输出波形。-第 7 页2.正弦波、锯齿波信号对光电信号的调制正弦波信号对光电信号的调制也分为直流载波与脉冲载波的调制，正弦波信号对脉冲载波的调制方法与前述的方法基本相同，这里不再赘述。本实验重点讨论正弦波信号对直流载波的调制问题。1）正弦信号对直流载波的调制正弦信号对直流载波的调制电路比脉冲载波调制电路简单得多，图 2-4 所示为典型的正弦波调制电路。正弦信号从 Ui 端经耦合电容输入到发光二极管供电电路，发光二极管将发出被输入信号调制的正弦光。LED 发出的正弦光通量为tsinm0(2-1)式中0为发光二极管直流偏置电路提供的稳态光辐射，m为正弦调制光的幅值。2）锯齿波对直流载波的调制锯齿波信号对直流载波的调制也可以采用如图 2-4 所示的电路，只要将锯齿波信号接到电路的 Ui输入端，LED 将发出被输入锯齿波信号调制的光信号。实验步骤如同脉冲调制的实验。3.调制光信号的解调如何从载波光源信号中解调出信号是解调的关键问题。光电技术教材 7.5.3 节讨论了解调器的基本概念。解调器实质上就是检波器。检波器的种类有很多，常见的有直线率检波与相敏检波两类。直线率检波器用来解调调幅波；相敏检波器不但能解调出载波的频率还能解调出相位信息。以相敏检波器（或相敏检波电路）实验为例学习解调问题。相敏检波电路如图 2-5 所示，图中为输入信号端，为交流参考电压输入端，为检波信号输出端，为直流参考电压输入端。当、端分别加有输入参考电压信号时，通过差动电路的作用使 D 和 J处于开或关的状态，便把端输入的正弦信号检波为全波整流信号。六、实验报告：1、描述光脉冲调制的实验现象并进行分析；2、描述光音频调制的实验现象并进行分析；3、通过这个实验你能完成用红外遥控技术对电视机、电冰箱、空调器的开关亮度、温度等控制功能进行遥控吗？-第 8 页七、思考题：1、试分析上述实验，分析调制载波与信号波谱频率的关系，说明为什么要强调载波频率高于信号频率？2、你能例举哪些方法提高控制系统的工作质量？试用实验手段验证。实验实验三三用线阵用线阵 CCD 测量物体尺寸测量物体尺寸一、实验目的用线阵 CCD 测量物体的外形尺寸是非常广泛的，其原理很简单。图像传感器应用技术第 12 章中用 4 节讲述不同测量范围和精度要求情况下的测量原理与测量方法。通过本节实验能使学生进一步从实践环节上学习和认识它的测量原理与方法。而且，学会了应用 CCD 进行尺寸的测量也为学习其他应用打下坚实的基础。二、实验准备内容首先应学习用线阵 CCD 测量物体尺寸的测量原理，（参看 图像传感器应用技术书的 12.1 节），掌握本节的主要技术参数和尺寸测量的相关技术。三、实验所需仪器设备（1）GDS-()型光电综合实验平台一台；（2）光电综合实验平台的配件（线阵 CCD 实验装置）一套；四、实验步骤1、实验预备（1）首先将线阵 CCD 实验装置与 USB 数据采集卡用专用电缆线连接好，再用 USB 数据线将数据采集卡的数据端口和实验平台的数据端口连接好。（2）打开光电综合实验平台上的计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（3）确认已经正确安装了实验软件。否则，请安装实验软件。（4）用示波输入端子测量线阵CCD实验装置的行同步脉冲FC与输出信号的波形是否正确。正确，可继续进行下面的实验；否则，应请指导教师检查实验装置与实验仪器。2、尺寸测量系统的安装（1）将线阵 CCD 实验装置用光学支架固定在实验平台的光学平台上，再将已知直径的物体（最好是新钻头）用支架固定在磁性表座并置于远心照明光路中，被测物能够通过线阵 CCD 实验装置的物镜成像到 CCD 的像面。（2）远心照明光学系统用专用支架安装在磁性表座上，用实验平台提供的电源点亮后使它发出的远心光能够覆盖整个被测物体的外径。-第 9 页图 3-1 尺寸测量软件界面3、尺寸测量系统的调整（1）先将线阵 CCD 实验装置和远心照明光学系统所构成的光学系统调整成光学共轴；将被测物挟持在磁性表座上并置于线阵 CCD 实验装置和远心照明光学系统中间的适当位置上；（2）再调整线阵 CCD 实验装置的光圈；调整镜头的光圈时要打开仪器的电源，用仪器提供的示波器探头测量 CCD 的输出信号，调整光圈时观察输出信号的幅度，使它尽量接近饱和但是绝对不能进入饱和状态；（3）再调整线阵 CCD 实验装置的焦距；调整镜头的焦距时要打开仪器的电源，用仪器提供的示波器探头测量 CCD 的输出信号，调整镜头的焦距时观察输出信号的波形，使它尽量接近“方波”。但是，不可能是理想的方波，波形的陡度越陡，说明镜头的焦距越接近理想焦距；（4）最后调整被测物体的位置；将磁性表座的磁开关关闭，表座能够移动，稍微移动表座，使被测物的像尽量在 CCD 传感器的中部，从 CCD 的输出信号波形图上能够看到它是否位于中部。（5）以上调整可以反复进行，直到调整到理想状况，最后将所有的磁性表座的磁开关打开，使它们能够牢固地固定在光学平台上，便完成调整工作。4、进行尺寸测量实验（1）先校正（测量）系统的放大倍率；用已知尺寸的棒材（如崭新钻头）作被测物。已知尺寸应该是测量系统测量范围的中间值，测量放大倍率的已知尺寸棒材最好用千分尺测量出真实值，其精度应高于测量系统的精度。运行尺寸测量实验的测量放大倍率软件，测出其放大倍率。（2）再将已知尺寸的棒材拿掉，换上未知的被测物体，执行 尺寸测量实验的测量软件，计算机显示器界面将出现如图 3-1 所实的可执行界面，根据界面下方提示的步骤便可进行被测物体的尺寸测量实验。-第 10 页（3）从软件界面上不难看出，它的最上端有“文件”、“数据采集”、“设置”与“帮助”4 项菜单，“文件”用于存储文本文件等功能；“数据采集”用来对被测物体进行采集；“设置”用来设置线阵 CCD 的工作频率或积分时间；“帮助”菜单用作提示性的帮助工作；（4）再下一排是工作键，其中“连续”按键是测量连续波形信号的按键，点击它，线阵 CCD 光电传感器将连续不断地采集被测物体的界面信息，显示器显示变化的被测物体横截面的波形，调整光学系统的调焦环和 可变光圈，波形将发生变化；（5）“停止”键是停止采集工作的键，兼有结果打印功能，点击它后，停止采集工作，并将测量结果打印在屏幕的右下方；（6）“平均”键为执行多次平均测量而设置的，其上的 N 为可设置的平均测量次数，最多平均测量次数为 100；（7）“单次”键为只采集一次数据而设置的按键，点击它只采集一行数据，用来观测单次采集的结果；（8）“展开”与“压缩”是对所采集的信号波形进行“展开”与“压缩”来观测，展开后可以看到每个像元的输出状况；（9）“数据”键是为了观察每个像元输出数据而设置的，点击它所有像元的数据都可以观察到；（10）“0s5s”按键分别为显示器显示波形时间的选择按键，显然“0s”的显示时间最短，波形变化最快；（11）根据提示内容，先要测量光学系统的放大倍率，然后再测量被测物体。记录或保存所测的结果值。多次测量后将测量值与样片上所标定的尺寸值相比较，观察测量值的重复性和它的测量误差。（12）注意在测量实验过程中不能调整光学成像系统的焦距等参数，也不能再改变被测物体放置的位置，否则放大倍率的测量值将失去意义，随之产生较大的测量误差。5、实验结束、关机（1）先退出实验程序，再关闭光电综合实验平台及所有配件的电源；（2）关闭计算机系统；（3）关掉总电源；（4）整理好所有的实验器材与工具。五、实验总结（1）写出尺寸测量实验的总结报告。（2）试找出影响尺寸测量精度的因素。（3）说明线阵 CCD 的工作状态对尺寸测量结果的影响。-第 11 页实验四用线阵 CCD 测量物体的振动一、实验目的用线阵 CCD 测量物体的位移及其振动是另一项非常重要的应用领域，测量位移与振动的基本原理和方法在图像传感器应用技术12.7 节已做详细的说明。二、实验准备内容1、学习 CCD应用技术中有关振动测量的内容（图像传感器应用技术 12.7 节）。2、了解用线阵 CCD 测量物体振动与位移的基本原理和方法，掌握振幅、频率、相位等参数测量的相关因素。三、实验所需仪器设备（1）GDS-()型光电综合实验平台一台；（2）线阵 CCD 实验装置配件一套；（3）远心照明光源一件；（4）磁性表座三只；四、用线阵 CCD 测量物体振动的原理物体振动的测量常需要测量的振动参数为振幅、频率和相位。用线阵 CCD 测量这些参数测量原理结构图如图 4-1 所示。利用安装在成像物镜像面上的线阵 CCD 将被测物的振动过程中图像位置连续地采样，找出线阵 CCD 不同瞬间被测物体像的中心位置，显然，它是时间的函数 W(t)，函数 W(t)周期 T 的倒数为物体振动的频率 f，其最大值与最小值差的一半应该为其振幅。可见如何采集物体像位置的函数 W(t)是测量物体振动的关键。线阵 CCD 在驱动脉冲的作用下周期性地输出每个像元所接收的光强信息，其周期为行同步脉冲 Fc 的周期，也为线阵 CCD 的积分时间 ting。在同步脉冲 Fc 的周期内利用二值化数据采集方法或 A/D 数据采集方法都能够测出被测物体像的中心位置在线阵 CCD 像敏面上的位置，它是时间 t 的函数 W(t)。而 Fc 的周期或光积分时间 ting为时间 t 的采样间隔时间，相当于直角坐标系横轴的刻度长，其纵轴坐标应为物体中心的位置值。因此，连续不断地采集物体图像的中心位置便可以获得图像函数 W(t)，考虑到物像关系，就能够测出物体的振动状况。利用光电实验平台的线阵 CCD 装置与能够带动被测物体进行周期运动机构，例如，用手拿着物体做往复运动，便可以构成最简单的振动测量装置。即，用线阵 CCD 光电传感器瞄准远处以一定频率振动着的物体进行振动测量。安装有成像物镜的光学系统与线阵-第 12 页CCD 构成如图 4-1 所示的基本测量结构，当直径为 D 的被测物体以函数 W(t)=W0sint，振动时，线阵 CCD 像面上的像将以函数 W(t)振动，假设物镜的放大倍数为，则W(t)=W0sint=W0sint(4-1)由式(4-1)可以测得被测物的振幅 W0和频率。0WW0(4-2)式中 W0为线阵 CCD 测出的振动幅度。0minmax0)(WlNN（4-3）式中 Nmax为物体像中心在 CCD 上的最大位置值，Nmin为物体像的中心在 CCD 上的最小位置值，l0为线阵 CCD 的像元长度尺寸。如果被测物体的径向尺寸 D0已知，则系统的光学放大倍率随时可以测出0021)(DlNN（4-4）式中 N1与 N2为被测物体静止时像在 CCD 上的两个边界值。五、实验内容及步骤1.实验内容（1）测量被测物体振动时的频率、周期；（2）计算出它的振幅，画出它的振动波形。2.实验步骤（1）首先线阵 CCD 光电传感器与照明光源牢固地安装在光学实验台上，并将光源的电源接到实验平台提供的电源上；（2）将线阵 CCD 实验配件的数据端口和实验平台的 USB 端口用专用 USB 数据线缆连接好，合上实验平台的主电源开关，照明光源被点亮。（3）打开实验平台的计算机电源，待系统完成启动后，进入下一步操作。（4）确认实验平台的计算机已经正确安装了振动测量实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。（5）将测物体置于线阵 CCD 光电传感器与照明光源之间的适当位置；（6）先执行振动测量软件，界面出现如图 4-2 所示的软件界面，界面所表示的内容与实验 3 基本类似，这里不再重复；（7）根据界面的提示先调整好成像系统，测量出光学系统的放大倍率，然后，便可以设定阈值，进行数据采集工作；（8）根据界面的提示，适当设置振动测量的二值化的预值，例如设置“浮动阈值”为120，“采样数”为500；（9）观测数据采集系统采得的被测物体径向图像，观测图像，调整物距或镜头的调焦环，使像的边界波形尽量陡直；（10）像的边界陡直后点击振动测量软件界面上的“开始按钮”（如图 4-2 所-第 13 页示），视场中出现以一定频率振动的点所描绘出的曲线，观察计算机屏幕上出现的振动曲线，在适当的时候停止采集工作；（11）停止后，软件将自动计算出物体振动幅度的平均值，与平均频率显示在如图 4-2 所示的测量窗内；（12）将测出的振动曲线存储于指定的文件中；（13）调出所存振动波形，测量其振动幅度与频率；4、结束与关机（1）先退出实验程序，再关闭实验仪的电源；（2）关闭计算机系统；（3）关闭示波器电源；（4）关掉总电源；（5）整理好所有的实验器材与工具。六、实验总结(1)写出实验总结报告，分析影响物体振动测量精度的主要因素。(2)浮动阈值的变化对测量结果的影响如何？实验五实验五面阵面阵 CCDCCD 用于物体外形尺寸测量实验用于物体外形尺寸测量实验一、实验目的 用面阵 CCD 摄像头与图像数据采集系统测量实际物体外形尺寸是 CCD 最广泛应用的领域，在尺寸测量应用中存在着许多实际问题。如何将这些实际问题分解成一个个的分立问题是学习和掌握该方法的关键。本实验采用标准几何图形代替实际被测物，可以将一些不必要的问题排除在外，突出主要问题；通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵 CCD 进行尺寸测量的基本方法；通过对标准图形的点、线、面的测量过程掌握应用面阵 CCD 进行尺寸测量，掌握测量范围、精度和测量时间等问题。二、实验准备内容 学习图像传感器应用技术一书中有关面阵 CCD 用于尺寸测量的章节；复习矩形、圆、三角形等典型几何图形的点、线、面的基本计算公式。三、实验所需仪器设备1GDS-()型光电综合实验平台一台；2光电综合实验平台的配件 USB 数据采集盒一台；3GDS-()型光电综合实验平台配件彩色面阵 CCD 摄像机一台；4彩色面阵 CCD 摄像机支架一个；-第 14 页图 5-3 水平曲线图图 5-2 查看图像数据操作图5载物屏一个；6磁性表座三只；四、实验内容及步骤1 1、组装实验硬件组装实验硬件1被测的标准图片如图 5-1 所示，安装在载物屏上；2取出实验平台配件彩色面阵 CCD 摄像机，并将其用支架将其固定在光学平台上；3将 USB 数据采集盒的电源连接到实验平台相应的端口上，用 USB 数据线将其与实验平台的 USB 输入端口相连，再将 USB 数据采集盒的视频输入端口用视频线与彩色面阵CCD 摄像机相连；2、开机、开机4线将实验平台的总电源盒上，实验台上的数字表显示发光，再将实验平台的计算机电源盒上；5确定是否安装有实验软件，若没有，则要安装好实验软件；6进入用面阵 CCD 摄像机测量物体外形尺寸的程序，运行“面阵 CCD 尺寸测量实验”程序，显示器探出软件界面；7点击界面中的“连续采集”按钮，计算机屏幕上将出现如图 5-1 所示的图像；8调整CCD摄像机与测量图片的相对位置使计算机显示的图像尽量清晰，点击“停止”按钮。或者，点击“单帧”按钮，采集到一幅图像数据，并将其存入指定内存。3 3、关于点数据的测量、关于点数据的测量在如图 5-2 所示操作菜单栏框中的“查看”进行选项，选择要查看的数据项，当点击“显示一行数据（R）”，计算机软件将图像数据用文本文件的方式打开。观测图像中一行的数据曲线，从一行的数据曲线中可以观测到图像在水平方向边界的灰度变化情况。同理通过坐标和数值能找到图形的边界在 x，y 方向的变化，然后保存并关闭文本文件；完成的测量工作后，同学们就基本掌握了通过数字图像的像素值数据找出767-第 15 页图 5-4 垂直曲线图像中图形边界的方法和原理。接下来我们将通过软件所提供的标定图像中任意一行（或列）数据边界的测量功能来确定边界点。例如，在采集到的图像上把鼠标移至某一行上点击左键左键，软件会弹出一个对话框，对话框中的曲线图表示了水平方向上各像元灰度的变化状况，如图 5-3 所示。图中的横坐标是水平方向上的像元位置，纵坐标是各像元灰度值。在曲线图上选择适当的灰度值（纵坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“172”），同时得到在此阈值（即纵坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值水平方向交点“149”、“159”，“540”、“550”）。也可以在采集到的图像上把鼠标移至某一列上点击右键右键，软件会弹出垂直方向上灰度变化曲线图，如图 5-4 所示。图中横坐标是各像元灰度值，纵坐标是垂直方向上的像元位置。在曲线图上选择适当的灰度值（横坐标）点击鼠标左键即得到测量阈值（图中的“209”），同时得到在此阈值（即横坐标坐标）下边界点的位置（灰度曲线与此阈值垂直方向交点“85”、“96”，“482”、“493”）。除了通过阈值法确定图形边界，我们还可以通过计算边界点附近的灰度变化率来确定边界，灰度变化最快的像元位置即为边界点坐标，试编写软件。找出 x 方向与 y 方向的最大与最小位置值，因此，可以计算出被测点的大小与中心位置0minmax0minmax)()(yyyyxxxx（5-1）点的直径为2yxd（5-2）点的中心坐标为2)(2)(0minmaxi0minmaxiyyyyxxxx（5-3）式中 x0,y0分别为面阵 CCD 的像敏单元在水平（x）与垂直（y）方向尺寸；为光学系统的横向放大倍率。通常将 x0/与 y0/一起通过标定的方式进行校正。4 4、x x0 0/与与y y0 0/的标定的标定x0/与 y0/标定的方法很多，这里我们提供一种简单的标定方法。在被测物面处，-第 16 页放置标准尺寸物或标尺，读出标尺图像的相关尺寸数据便可进行标定。设标准尺寸物或标尺的实际尺寸为 l0，读出数据为 N0，则测出的 N 值的长度当量（x0/或 y0/）为00NlN（5-4）显然，若光学系统存在畸变，就要对不同视场分别进行标定或进行更高精度的图像数据处理工作。5 5、关于圆数据的测量、关于圆数据的测量圆的测量与点的测量十分相似，差别在于圆的边界和点的边界有所不同，有黑环，测量时要注意测内圆直径还是外圆直径。计算公式完全相同。6 6、关于三角形数据的测量关于三角形数据的测量打开文本数据图像，观测数据，从数据的坐标和数值上找到测试点的边界 x,y 坐标；可以找到三角形三个顶点的坐标 xa,ya，xb,yb，xc,yc坐标值，根据三点坐标值和标定好的 x0/与 y0/值便可计算出三角形的各边长、三角形的重心、中心和面积。7 7、关于矩形数据的测量、关于矩形数据的测量矩形数据的测量需要从数据文件中找出四个点的坐标值，找点方法与上述相同，都可从文本数据中找到。显然上述观测数据的方法是比较繁重的，能否用计算机软件根据边界点的特征进行自动寻找？回答是肯定的。下面的“边缘检测法”就是个实例。8 8、“边缘检测边缘检测”法法点击如图 5-5 所示的“边缘检测”按钮，生成如图 3-6 所示的边缘检测图像。点击“中值滤波”按钮，根据图像的质量，若图像中噪声点较多，可以多次滤波，达到满意的效果。9 9、关机与结束、关机与结束 所需要保存的数据及文件保存到你的“软盘”或“闪存”中，以免关机时丢掉；退出实验软件，将计算机关掉；关掉实验仪的电源；盖好镜头盖；将被测图片放回原处，将其他工具放回原处。图 5-6 生成检测图像图 5-5 边缘检测界面-第 17 页五、实验总结 写出实验总结报告，理解面阵 CCD 尺寸测量的原理，尝试使用 VC+程序自己编写边缘检测及尺寸测量程序。你能设计出用外置摄像机测量圆柱物体（如铅笔芯）外径的测量方案吗？在铅笔芯外径的测量系统中，若所选的面阵 CCD 为 768（H）576（V），被测笔芯直径为 0.7m，试计算所获得的最高的测量精度为多少？实验实验六六面阵面阵 CCDCCD 用于颜色识别用于颜色识别一、实验目的与意义学习利用彩色面阵 CCD 进行彩色图像的分解与合成，用此种方法对颜色信息进行识别和图像处理是本节实验的主要目的。另外，通过实验也能对 R、G、B 色品坐标与三基色色彩方程有进一步的认识。利用彩色面阵 CCD 可以将复杂的色彩图像分解为三原色单色