z 5 13.11.2008 16:26 Měření signálu CCD řádkových snímačů Měření CCD řádkového senzoru L110, Řádková CCD kamera se snímačem L133 Úkoly měření: Měření CCD řádkového senzoru L110 1 ) Seznamte se s katalogovým listem snímače L 110C. Pro vysvětlení funkce CCD řádkových snímačů nastudujte informační materiál firmy Dalsa: CCD_Tech_primer a materiál firmy Toshiba c2_all. 2) Pozorujte osciloskopem a zakreslete do sešitu průběhy řídicích a výstupních signálů, které jsou vyvedeny na kontakty i s jejich vzájemnou polohou. V obrázku k signálu z výstupu SO označte, a vysvětlete jednotlivé fáze změn. 3) Pozorujte a zakreslete změny výstupního signálu se změnou osvětlení. 4) Vyhodnoťte změnu výstupního signálu při změně doby integrace. 5) Vyhodnoťte signály snímače za tmy při různé době integrace. 6) Vyhodnoťte lokální nehomogenity fotocitlivosti snímače. 7) Znázorněte na přípravku situaci, kdy bude snímač v saturaci a bude docházet k bloomingu. Jak se tyto stavy projeví? Poznámky k měření : Bod 1) Osciloskop synchronizujte výstupem Gx přivedeným na vstup 3 (Ext Trigger) osciloskopu. Další dva vstupy použijte pro pozorování a srovnání jednotlivých signálů. Pokud je použit osciloskop HP54645D s vestavěným logickým analyzátorem, synchronizujte pomocí signálu Gx, který bude přiveden na vstup D0. Signál G 1 na vstup D 1 a signál Gr (reset) na D3. - Při případném silném přímém slunečním světle je třeba snímač zaclonit, případně zakrýt černým filtrem. Pokud se měří za zářivkového osvětlení, je třeba nastavit dobu integrace Tint = k x 10 ms, aby se neprojevilo blikání zářivek. Bod 4) Nastavování doby integrace - dle přiloženého popisu přípravku tlačítky, nebo pomocí sériové linky a emulace terminálu v programu Norton Commander. Pro měření závislostí výstupního signálu snímače na době integrace použijte výstup přípravku OUT. Zobrazení ostatních signálů vypněte. Bod 7) K saturaci dojde při zaplnění maximální kapacity nábojových jam. Při zvětšování doby integrace nebo použití větší intenzity ozáření dochází "k rozlévání nábojů" - bloomingu, kdy je na výstupu signál i při čtení informace z pixelů, které nejsou osvětleny. Dalším projevem je, že na osciloskopu je signál i mimo dobu, po kterou se čte informace z fotoelementů. Další projevy posuďte při vlastním měření a popište.
2 z 5 13.11.2008 16:26 Informace o přípravku: V přípravku je řádkový CCD snímač L110C (ekvivalent Fairchild CCD 111 ) s organizací 256 x 1 pixel. Veškeré řídicí signály se generují programově vestavěným jednočipovým mikropočítačem Atmel AT89C2051. To umožňuje nastavovat dobu integrace jednak tlačítky a jednak pomocí sériového rozhraní RS-232. Signály jsou odděleny pomocí odporů řádově 1 kw, což se může projevit na tvaru signálu při nevhodném připojení signálu na osciloskop. Na přípravku lze dobu integrace měnit dvěma způsoby: a) pomocí tlačítek umístěných v rohu pole Tint < 4-60 > ms 1x stisk levé tlač. Tint = Tint + 1 ms pravé Tint = Tint - 1 ms stisk levé Tint = Tint + 2 ms pravé Tint = Tint - 2 ms b) pomocí sériové linky v NC - emulace terminálu Tint < 3-60 > ms Po stisknutí T se zadává přímo doba integrace v ms a enter (příklad: 10enter) Popis signálů na přípravku G X - přesouvací impulz G R - resetovací impulzy G1 - taktovací signál přesunu v řádkovém registru SO - úplný videosignal Dif. - Signál za rozdílovým zesilovačem SC - Průnik resetu (konpenzační výstup) Out - Výstupní videosignál Řádková CCD kamera se snímačem L133 Kamera obsahuje řádkový snímač L133 (analog typu Fairchild CCD133). Snímač má 1024 fotocitlivých elementů (pixelů), pro přenos slouží dva CCD posuvné registry, z nichž každý má vlastní výstup. Řízení kamery, to je generování řídicích impulsů, ovládání výstupního multiplexeru, který skládá signál z obou kanálů opět do jednoho
z 5 13.11.2008 16:26 společného kanálu, zajišťuje jednočipový mikropočítač AT89C2051. Úkol měření: 1) Snímejte kamerou proužkový test na papíru. Zaostřete objektiv jednak podle strmosti hran signálu pozorovaného na osciloskopu. Při použití osciloskopu HP54645D nebo Agilent 54622A využijte funkce FFT analýzy. Při dosažení strmých hran musí být maximální liché harmonické pozorovaného signálu. 2) Měřením kamerou určete velikost proužků na snímaném testu. Porovnejte výsledek se skutečností. 3) Určete velikost úhlu obrazového pole kamery experimentálně a výpočtem. 4) Při použití ručního řízení doby integrace ověřte, jak se mění výstupní signál s její změnou. 5) Při pevně nastavené době integrace (za předpokladu konstantního osvětlení scény) zjistěte, jak se mění výstupní signál s nastavením clony objektivu. Zjistěte, jak se musí změnit (ručně i automaticky) doba integrace, pokud se clonové číslo o jeden stupeň zvýší nebo sníží, aby byl na výstupu signál o stejné velikostí. Poznámky k úloze: Bod 1) Optimální zaostření je dosaženo při maximální strmosti hran pozorovaného signálu. Bod 2) Určete kolik fotoelementů zabírá zvolený úsek v obraze : Doba čtení jednoho pixelu (fotoelementu) je 2,5 µs. Tedy pokud je černý pruh testu zachycen signálem v trvání 50 µs, snímá ho 20 fotoelementů. Pro zvětšení platí vztah Z' = y /y = f /z, kde yje velikost předmětu, y'je velikost obrazu, f ' je ohnisková délka objektivu ( zde konkrétně f ' = 58 mm), z je vzdálenost předmětu od ohniska v předmětovém poloprostoru. Ohnisko objektivu v předmětovém poloprostoru se nachází přibližně 1 až 2 cm před objektivem. Pro výpočet změřte vzdálenost z. Bod 3) Pro velikost úhlu obrazového pole 2w platí 2w = 2 arctg ( s / 2 f ), kde s je délka aktivní části CCD snímače. CCD snímač má 1024 fotoelementů, vzdálenost jejich středů je 13 um. Experimentálně určete 2w tak, že si v dané vzdálenosti z od kamery vymezíte (např. papírem) velikost - délku pole d, kterou kamera ještě snímá. Z této velikostí d a vzdálenosti určíte hledaný úhel přibližně podle vztahu 2w = 2 arctg ( d / 2z )
4 z 5 13.11.2008 16:26 Obr. 1 Uspořádání pro měření zvětšení a velikostí úhlu obrazového pole Bod 5) Změna clonového čísla o jeden stupeň např. z 4 na 5,6 sníží množství světla dopadajícího na snímač na jednu polovinu. Naopak změna z 4 na 2,8 způsobí jeho zvětšení na dvojnásobek. Ruční nastavení integrační doby je možno provést tlačítky + a - na přípravku. Při měření je možno použít funkci kamery - automatickou regulaci doby expozice. (Při odcloňování objektivu si počínejte opatrně, aby kamera stačila reagovat na zvyšující se jas, jinak se funkce senzoru rozpadne). Aktuální integrační dobu zjistíme při pozorování videosignálu na osciloskopu a změně časové základny osciloskopu tak, aby byly vidět dvě následná aktivní čtení videosignálu (které trvají 2,5 x 1024 µs). Vzdálenost jejich začátků udává efektivní dobu expozice a akumulace nábojů v CCD snímači. Uspořádání CCD kamery Obr. 2 Uspořádání kamery. Obr. 3 Výstupní signály kamery. Pro nastavení a přečtení integrační doby lze použít bud' tlačítka a osciloskop, nebo program SEM_CCD (spustí se dávkou SEM_CCD.BAT, případně C:\CCD \SEM_CCD.EXE). Ovládání programu je vysvětleno v HELPu v programu. Před použitím se přesvědčete zda je správně nastavena sériová linka.(9600 Bd, COM 1, S bit, Parita None, 1 Stop). Ovládání přípravku viz.obr.2.
5 z 5 13.11.2008 16:26 V přípravku je použit řádkový CCD snímač L133 - ekvivalent obvodu CCD133 firmy Loral - Fairchild. Tento snímač obsahuje 1024 fotocitlivých elementů. Pří vyčítaní se uvnitř snímače řádek rozdělí na sudé a liché pixely a ze snímače jsou vysunuty dvěma kanály. Pro řízení snímače jsou použity dva signály. Signál F X pro přesun naintegrovaného náboje do posuvného registru a signál Ft pro posun náboje v posuvném registru a vysunutí náboje ven ze snímače. Každý z posuvných registrů reaguje na jinou hranu, čímž dostaneme posun mezi sudým a lichým kanálem. Obvody za snímačem slouží pro úpravu a normalizaci výstupního videosignálu a pro sloučení sudých a lichých pixelů do jednoho signálu. Funkce přípravku je řízena mikropočítačem AT89C2051. Main page of X38VBM, Main page of Department Poslední update: 31.10. 2007