實驗一 ccd攝像機調整、測試
一 ．實驗目的
1、 了解ccd攝像機**訊號的產生機理
2、 掌握ccd攝像機調整
3、 掌握鏡頭調整
二 ．原理說明
1. ccd攝像機**訊號的產生
ccd（charge coupled devices），即電荷耦合器件，是在大規模積體電路基礎上研製的一種固體成像器件。ccd晶元借助必要的光學系統和合適的外圍驅動與處理電路，通過輸入面空域上逐點的光電訊號轉換、儲存和傳輸，在其輸出端產生乙個時序**信號碼，並經末端監視器同步顯示一幅影象。因此，ccd是一種微型影象感測器，還可用於模擬訊號處理、數碼訊號儲存等技術領域。
ccd從結構上分為線陣和面陣兩種。
（1）線陣ccd攝像機工作原理
線陣ccd攝像機主要由ccd影象感測器、定時邏輯電路、驅動電路、訊號處理電路和電源等幾部分組成，原理圖如圖(1-1)所示。
圖（1-1）
攝像機的定時邏輯電路：用於提供ccd正常工作時所需的一組時序脈衝，以保證把ccd象元中的訊號電荷，按一定的規律轉移到輸出端,並在輸出埠形成**訊號電壓。驅動電路：
是定時邏輯電路與ccd感測器之間的介面，它把各路時序脈衝轉變成ccd正常工作要求的波形和幅度。**訊號處理電路：是對ccd輸出的原始訊號，進行必要的處理和適當的放大，以使輸出訊號具有一定的信躁比和幅度。
ccd 影象感測器既具有光電轉換功能，又具有訊號電荷的儲存，轉移和讀出功能，只需加上一組時序脈衝進行驅動控制，就能實現對被測目標的一維掃瞄和訊號讀出。當目標通過光學系統在ccd光敏區上成像時，入射光子被象元吸收，同時產生一定數量的光生電荷，在光積分期間，這些光電荷被儲存在彼此隔離的相應象元的勢阱中，每個象元勢阱中所積累的光生電荷數，與照射在該象元面上的平均照度（勒克司）和光積分時間（秒）的乘積即**量成正比。在電荷轉移期間，各個象元中的光生電荷，通常是按奇、偶數分配同時轉移到設定在象元上下兩側的移位暫存器中，然後在傳輸脈衝的控制下，依次轉移到輸出端。
電荷包通過輸出二極體轉換成訊號電壓，並把兩列象元訊號依次重新排列，最後輸出一行完整的影象**訊號，完成一次掃瞄，這就是線陣ccd攝像系統的工作原理。
線陣ccd作為一種高靈敏度光電感測器，在工業生產線上，用於產品外部尺寸，非接觸檢測、控制和分類，自動化及機械人視覺中的精確定位。
（2）面陣ccd攝像機工作原理
ccd黑白攝像機，它的光電訊號讀出，不再依靠掃瞄，而採取電荷轉移的辦法。其控制轉移的驅動脈衝，同樣由一標準訊號發生器提供。
圖（1-2）
該電路包括四個部分:ccd光電感測器、ccd感測器驅動器、影象處理板、電源。ccd感測器陣列是由光敏二極體組成的光電感測器陣列，當景物的光學影象經由攝像物鏡投射到此陣列上時，由於各光敏二極體接受光的強弱不同，而感生不同量的光電荷，這些感生電荷，經一定時間（一場）的積累，在轉移柵的控制下，水平的移送到與象元對應的設在光敏元旁的垂直移位暫存器中，而後又在行轉移脈衝的控制下，將電荷移送到水平移位暫存器，並由水平移位時鐘脈衝控制依次向輸出端轉移，最後由輸出電路輸出**訊號。
由ccd感測器輸出的**訊號已具有較大的幅度（0.5v以上），經由處理電路進行處理（包括自動增益控制、校正、同步訊號混合、功率放大等），在終端得到全電視訊號輸出。
ccd彩色攝像機，有攝像鏡頭、帶棋盤式濾色鏡的ccd攝像器件、彩色訊號分離電路及彩色電視頻號處理電路組成。
濾色鏡圖（1-3）
（3）**訊號組成
黑白全電視訊號也稱為**訊號。包括影象訊號、行消隱訊號、行同步訊號、場消隱訊號、場同步訊號及前後均衡脈衝。**影象訊號是單方向性的，規定影象訊號高電平75%處對應於影象黑色，稱為黑色電平；影象訊號低電平12.
5%處對應於影象白色，稱為白色電平，則此種影象訊號稱為負極性訊號。圖(1-4)所示即為負極性電視訊號波形圖。
當被傳送的是五條亮度不等的豎條圖案（圖a）時，從攝像機送出的影象訊號就是五個不同電平的階梯波（圖c），左端黑條訊號電平即黑色電平等於消隱電平（在負極性波形中，消隱電平也可比黑色電平更高，稱為比黑更黑）。右端白條的訊號電平最低。由於在掃瞄逆程期間電子束被截止，影象訊號在此期間就具有消隱電平，再加入同步脈衝與消隱脈衝後，就得到了如圖（d）所示的**訊號波形圖。
一幀影象由攝像管的掃瞄水平分解為625行，由奇數場和偶數場組成，兩場的全電視訊號波形見圖(1-5)所示。
一幀影象的開始時以奇數場同步脈衝的上公升沿為起點，以行數為順序號，從第一行開始，同步訊號就在場消隱時期，第1、2行及第3行的一半為奇數場場同步脈衝，其中每隔半行有乙個槽脈衝，共5個槽脈衝，其作用各不相同，第1，3，5個槽脈衝起均衡作用，第2，4個槽脈衝的上公升沿起行同步作用。第3行的後半行及第4，5行，兩行半的時間內有5個後均衡脈衝（包括第3行中間乙個正向窄脈衝），這5個均衡脈衝作用也各不相同，第1，3，5僅起均衡作用，第2，4個脈衝同時起行同步作用。圖中凡是起同步作用的脈衝均採用向下的箭頭標出。
從第6行到第23行的前半行，其中有17.5個行週期，另加一行消隱時間12μs，仍處於場消隱期間，每行有一行同步脈衝。從第23行後半行開始直到第310行為止，這是奇數場的正程掃瞄時間，其中每一行正程送影象，回程傳行消隱和行同步脈衝。
從第311行開始進入下一場的場消隱期。第311、312行及第313行前半部，有5個前均衡脈衝，其中第1，3，5個起均衡和行同步作用，第2，4個僅起均衡作用。第313行正中間部位，奇數場結束，偶數場開始。
（4）本實驗中所用ccd為df—2012型黑白攝像機，具體引數如下：
注： electronic industries association,電子工業聯合會
2 .tv 電視掃瞄線
3. lux/f2.0 在此光圈下的光照度
2. 電視鏡頭的基本引數
表徵乙個電視鏡頭效能的基本引數主要有：焦距、最大相對孔徑、光圈調節範圍、視場角、調焦範圍、介面形式等。
（1）焦距定義為：自光學系統像方主點到系統像方焦點的距離。
（2）最大相對孔徑和光圈調節範圍：為了調節電視鏡頭的進光量一般鏡頭都有光圈調節手輪，通過光圈手輪的轉動使鏡頭內的黑色葉片以光軸為中心做伸縮運動，這一套裝置稱為可變孔徑光欄。孔徑光欄經其前邊鏡所成的像就是光學系統的入射光瞳，入射光瞳直徑與像面上的一點構成漏斗形集光立體角，立體角的大小決定像面上該點的光照度e，像面中心的光照度e為：
e= 式中，l 是目標發光亮度；t是光學系統的透光率；k為一修正係數；d是光學系統的入射光瞳直徑，d/f 被稱作相對孔徑。鏡頭都標出相對孔徑的最大值，例如乙個鏡頭標出「tv lens 8mm 1:1.
４」，表示這是乙隻電視鏡頭，焦距f為8mm，最大相對孔徑表為1:1.４，也就是說鏡頭允許的最大射入光束直徑為5.
7mm。光圈是相對孔徑的倒數用f數表示，f16就是d/f =1:16，在鏡頭的標環上將字母f省略，標示為：
1.4、2、2.8、4、5.
6、8……c。
（3）鏡頭的視場角：以hw表示畫面的水平寬度，以hh表示畫面的垂直高度，對角線長度用hd表示，鏡頭的水平視角ww，垂直視角wh，對角線視角wd分別為；
ww =
wh =
wd =
如果僅說某鏡頭的視角是多少度那指的就是對角線方向的視角，大像面的鏡頭可以安裝在小畫面格式的攝像機上，攝像系統顯現的視角就要比鏡頭標明的視角小很多。例如，焦距為5mm的2/3英吋格式的電視鏡頭，它具有82.7○的水平視角，如裝在1/2英吋格式的電視攝像機上只能顯現65.
2○的水平視角，如果將該鏡頭裝在一英吋格式的電視攝像機上，則影象不能充滿全螢幕。
（4）電視攝像鏡頭的外部介面
電視攝像鏡頭的外部介面要嚴格按國際標準或國家標準設計和製造。鏡頭與攝像機大部分採用「c」、「cs」安裝座連線，是1—23un的英製螺紋連線，「c」型介面的裝座距離為17.52mm，「cs」型介面的裝座距離為12.
52mm。「c」座鏡頭通過接圈可以安裝在「cs」座的攝像機上，反之則不行。鏡頭前端介面也必須按標準設計製造，以便於使用者在市場上選購濾光鏡等附件。
（5）攝像系統六要素關係
攝像系統六要素間有嚴格的相互制約關係，其中物體細節尺寸、光學解析度、鏡頭焦距和物距構成微觀要素，物體大小、像接收器尺寸、鏡頭焦距和物距構成巨集觀要素。
微觀要素的核心是識別和記錄物體細小特徵，微觀要素間的關係由下式表示：
b*re*f = 500*d
其中，b—物體細節尺寸，單位為公釐；re—系統的光學解析度，單位為lp/mm；f『—鏡頭焦距，單位為公釐；d—物距，單位為公尺。
巨集觀要素的核心是把一定大小輪廓的目標全部觀察到，巨集觀要素的關係由下式表示：
ho*f = hi*d
其中，ho—被攝物體垂直（或水平）方向的尺寸，單位為公尺；hi—像接受器垂直（或水平）方向的尺寸，單位為公釐；f『—鏡頭焦距，單位為公釐；d—物距，單位為公尺。
三．實驗任務
1．調節ccd攝像機
df—2012型黑白攝像機的具體輸出和調節。
2．ccd的鏡頭調節：
光圈調節，鏡頭的中間部分，順時針旋轉，close；逆時針旋轉，open。
焦距調節，鏡頭的後部，順時針旋轉，near；逆時針旋轉，far。
3．檢測形成的**訊號
四．注意事項
1、 按實驗圖連好線後，經實驗教師檢查後開啟裝置電源。在使用ccd攝像機時,注意穩壓直流電源正負極性不要反接。
2、 ccd攝像機的調節。根據攝像機的一般調節步驟進行,注意各引數的設定。
3、 **訊號的檢出。畫出示波器波形。並針對不同的ccd引數的設定考察**訊號的變化,並觀察相應影象的顯示。
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