第九章-现代光电检测技术与系统总结PPT课件

第九章现代光电检测技术和系统，本章的主要内容，1。光谱仪器2。光测量和辐射测量检测技术3。莫尔地形测试技术4。条形码技术5。三角测量测试技术6。光电图像检测技术、9.1光谱仪器、9.1.1单色光生成色度计用于将具有宽光谱辐射的光源分割成一系列窄的单色光，因此可以用作可调波长的单色光或光谱仪。根据工作原理，色散、多缝衍射、滤波、单色仪的主要性能指标为色散速度和光谱分辨率1。漫反射速率漫反射速率表示漫反射系统发射的不同波长的光与空间的距离(角色漫反射速率)，或聚合到焦平面时彼此之间的距离(线漫反射速率)。2.光谱分辨率是指单色分离波长非常接近的两条光谱线的功能。理论分辨率等于漫反射平面中角色漫反射比和有效光圈宽度的乘积。9.1.2分光器的分类可以分为经典分光器和新分光器两类，具体取决于分光器使用的分解光谱的工作原理。根据接收和记录光谱的方法，光谱仪可以分为光谱仪、光谱仪、光电光谱仪。根据光谱仪工作的光谱范围，可以分为真空紫外线(即远紫外线)光谱仪、紫外线光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪、红外光谱仪、远红外光谱仪、远红外光谱仪等。根据仪器的功能和结构特征，分光计可以分为单色、发射分光计、吸收分光计、荧光分光计、调制分光计、激光拉曼分光计、光声分光计、成像分光计、多光谱扫描仪等其他光谱设备。9.1.3分光光度计主要用于测量物质的光谱反射比或光谱透过率。图9-1是由美国通用汽车制造的双单色仪系统和在零读数下工作的偏振光度计组成的分光光度计的结构图。图9-1美国GE制造的分光光度计，I1能消除吗？9.1.4傅里叶变换光谱仪图9-2是迈克尔逊干涉仪的工作原理。图9-2迈克尔逊干涉仪的光学系统、FT光谱辐射计和迈克尔逊干涉仪的区别在于平面镜M2以恒定速度v移动，位移量x=vt光源不仅是单色光，连续光谱是棱镜，与光栅单色系相比，FT光谱辐射计的主要优点：(1)高能量传递；(2)高信噪比；(3)高分辨率，9.1.5成像光谱仪，1 .场景扫描模式成像光谱仪场景扫描常用的模式有扫帚、推力和视线三种，如图9-4所示。图9-4成像光谱仪场景扫描模式，2 .光谱接收模式成像光谱仪的光谱接收模式为漫反射、干扰和过滤器，模式的最终选择取决于灵敏度、空间分辨率、光谱分辨率、视角之间的折衷。目前常用的成像光谱仪大部分是基于分光棱镜、色散棱镜和衍射光栅的分布式成像光谱仪，这种光谱仪最明显的是利用光栅的分布式成像光谱仪。(1)分布式成像光谱仪图9-5是能够同时获得各谱线和光谱分辨能力的简洁稳定的原理，图9-5基于光栅的分布式系统，光栅分布式系统的实现形式的凹面光栅色散和成像，使得结构比平面光栅系统简单，光学结构小，重量轻，设计简洁，所有场应用的实际应用频繁。凹光栅的原理图和渲染如图9-6所示。，图9-6凹光栅的原理图，(2)干涉成像光谱仪时间调制干涉成像光谱仪，将入射光分成两部分，可变光路差(图9-7)，图9-7时间调制干涉成像光谱仪，(3)基于滤波的成像光谱仪，包括可变滤波系统和空间可变滤波系统。可调谐滤波器(例如声光和液晶)，通过改变声波频率改变有效间隔，将滤波器调整为不同波长，对于给定频率，只有极窄的光波范围符合相位匹配条件。Lcd可调谐滤波器通过使用双折射效果将普通入射光和极入射光之间的视线改变为选择波长，但调谐速度较慢。使用调谐滤波器的成像光谱仪光谱段可以任意选择，易于控制，但同时获得多光谱段图像很困难。空间可变过滤器通常是分割过滤器。使用分割滤波的成像光谱仪(图9-8)的原理简单，但过程复杂。图9-8分割滤波原理的成像光谱仪比较了以下光谱接收模式：(1)分布式成像光谱仪包含所有入射狭缝，狭缝窄，频谱分辨率越高，进入系统的光通量就越少。也就是说，光谱分辨率和光速在分布式成像光谱仪中相互制约的一对矛盾。在干涉成像光谱仪中同时测量的是所有光谱因素贡献的干涉强度，空间调制干涉成像光谱仪中也有狭缝，但狭缝宽度不影响光谱分辨率，仅根据空间分辨率要求确定。如果您满足空间分辨率，狭缝面积和视角会更大，狭缝面积和视角会更大。(2)光栅比棱镜、楔形滤波器和干涉技术有很多优点。其中，较大的滤波器的主要优点是可以同时获得每条谱线，并且具有较高的频谱分辨率，从而大大简化了飞行后的数据处理。透射式全息图难以解决低失真和微光，因此反射式光栅成为许多系统的首选对象。光栅的主要限制是，传统光栅系统中存在光学失真、多衍射计微光和入射光极性灵敏度问题，但通过选择镜子的倾斜和光栅全息结构点来优化设计，以及平衡第三、第四微观等散光反射衍射光栅，可以避免这些问题。9.2.1照度测量主要在当前实际工作中客观地测量照度，不久，照度系统的光辐射探测器被放置在测量预定平面上，照明引起并放大探测器的光电流，然后通过仪器或数字读出。对于校准的照度系统，读取的数据表示测量平面的照度值。照度计的基本结构是光电测量头及其显示装置。光电测量头包括光电检测元件、频谱校正滤波器和扩展测量范围的光衰减器(中性滤波器多片等)，如图9-9所示。图9-9测绘仪原理图、9.2光测量和放射测量检测技术、照度的准确测量，照度计必须满足以下条件：(1)光探测器的光谱响应测量照度的要求；(2)探测器的余弦修正；(3)照度标志与实测照度有正确的比例关系。(4)测绘仪应定期进行准确校准。(5)计划必须有更多的环境适应性。9.2.2发光测量，常用亮度计将使用光学系统测试的光源表面成像到放置光辐射探测器的平面上。图9-11显示了亮度计的结构。图9-11光度计结构图、图9-12光度计结构图、9.2.3辐射测量和温度测量、1。总辐射测量量测量量是对总发射光谱内总发射能量的测量。有几个特点。正在测量的光源一般包含相当大的光谱范围的辐射能，信号很强，一般不使用光学系统聚光灯，避免由于光学系统吸收、反射等引起的辐射能量损失而导致测量不准确。在发射亮度测量中，光学系统设计为测量具有一定的视场大小。必须适应测量光谱范围的光的辐射能，因此探测器的光谱响应范围必须足够宽，还会带来背景辐射对测量影响很大的问题。在广域光谱内测量时，要考虑光辐射能量传递介质可能出现的吸收对测量结果的影响。介质中水蒸气、二氧化碳等过多及其变化会在测量结果中引入误差，因此除了平方反比定律等测量距离的限制外，测量距离不能太大，可以通过强制通风、惰性气体充电、部分真空等方法减少介质的吸收、散射对测量的影响。2 .在以下情况下，黑体的温度、(1)特定波长(在窄光谱范围内)的实际发射体的光谱辐射亮度与特定温度的相同波长处黑体的光谱发射亮度相同的情况下，黑体温度称为发射器的发射亮度温度。如果波长在可见光谱范围内作为人眼(或具有人眼视觉效率响应的探测器)判断两者之间的亮度相同，则称为亮度温度(亮度温度)。(2)色温和相关色温温度是可见光谱内发射器和特定温度的黑体具有相同颜色时黑体温度称为发射器色温的色温的简称。相关色温是发射器和特定温度的黑体具有最接近的颜色时黑体的温度。(3)辐射热辐射体的辐射热温度是在整个光辐射的光谱范围内的辐射热亮度等于黑体辐射量时黑体的温度，即，在表达式的情况下，(t)材料的平均发射率；t是散热器的实际温度。Tb等于相应的黑体温度，3 .亮度测量最常用的仪器是光学高温计，图9-14是其结构图，图9-14光学高温计的结构，光学高温计红色遮光系统和人类视觉效率曲线的组合构成了中心波长约0.65厘米，光谱宽度约80纳米的响应特性(见图9-15的剖面线部分)，图9-15光学高温计的光谱响应，在光学高温计的观察视野中，人眼可以看到放射源和高温计灯泡灯丝的图像(图9-16)，图9-16高温计灯泡灯丝的消隐，4。测量色温最常用的方法有两种。测量正在测量的光源的相对光谱能量分布，利用色度计算公式求出色度学的光源坐标，以色度图的等温相关色温线确定给定工作电压下光源的色温或相关色温；双色法，这是最常用的色温测量或校准方法；测量应补偿色温值的标准灯光，然后查找正在测量的灯光与标准灯光的双色比较测量值所测量的灯光的色温值。测量原理如下：选择两个窄光谱段(可见光谱段中始终为蓝色和红色选择一个光谱段)，如果被测试光源与两个光谱段检测器输出信号的比率等于色温的标准光源，则标准光源的色温值是被测量光源的色温值(图9-17)，测量装置如图9-18所示。图9-17用双色法测量色温，图9-18用双色法测量色温的装置，5。发射温度测量，图9-19是添加了镀金半球前反射器的发射温度测量仪结构，图9-19整体发射温度测量仪，9.3云纹形状(等高线)测试技术，9.3.1辐照云纹形状原理，图9-20辐照云纹形状电路图，(2)拍摄机拍摄的云纹如图9-20所示，得到莫尔条纹后，必须根据样式(9-15)进行坐标校正。(9-15)，9.3.2投影莫尔方法，图9-21是光栅投影系统和投影的原理图，图9-21投影莫尔光学系统和原理图，投影莫尔方法是(1)使用小型基准光栅(通常与手掌一样大)交换透镜的比例(2)可以测量比其他方法更大的三维物体。(3)对于小物体，采用缩小投影方法，使其不受光栅衍射现象的影响；(4)投影莫尔图可直接在物体上观察。(5)可以去除变形晶格、9.3.3莫尔条纹水平和凹凸判断，在使用调查莫尔方法和投影莫尔方法计算莫尔条纹表示的高度时，需要知道条纹的系列。条纹的绝对系列不容易实际测量，只能确定条纹的相对系列。在确定条纹的系列之前，必须确定物体表面的凹凸。测量的对象凹是凸的，只能从莫尔等高线判断，所以测量时不确定性会增大，所以要考虑如何进行凹凸判定问题。确定凹凸的一种方法是，当光栅离开对象时，条纹向内收缩，其曲面显示为凸面或凹面。调查类型还可以通过移动灯光来确定凹凸问题，灯光和接收器之间的距离d增大，条纹向外扩展，条纹数增加时凸出。还可以使用彩色光栅确定是否凹进和凸出。一旦确定了物体表面的凹凸度，就可以用确定干涉条纹阶的方法来确定莫尔条纹阶。以9.3.4几何可测量深度、调查云纹方法为例进行分析。在调查云纹方法中，仅当基准栅格能够形成由光源在被调查曲面上调制的变形参考浇口时，才能获得轮廓云纹条纹。如果栅格间距p很大，则可以使用称为几何可测量深度的几何光学来分析可测量深度，如图9-22所示。图9-22几何图形的可测量深度，将晶格螺距设置为p，栅格阴影部分宽度和螺距比a，忽略衍射效果，9.4条形码技术，1。条形码的概念和特性，条形码系统是以特定格式组合以表示特定信息的特定格式的不同宽度的平行线组。条形码可以打印在物品、纸包装或其他介质上，以使其成为包含信息的条形码标签，并且可以准确地反映通过光电扫描读取装置表示的信息。完整的条形码标签，其用户可识别的适当字符信息经常打印在条形码图形下，如图9-23所示。图9-23中的典型条形码标签，图9-24表示条形码信号读取和处理的工作方式，图9-24表示条形码信号读取和处理的工作方式，3 .条形码识别原理和设备(1)条形码识别原理条形码识别的核心内容是通过光学扫描或成像将分布在空间一维方向的条形码信息传递给光转换设备，然后转换为时间变量方式的脉冲串。图9-25说明了如何使用He-Ne激光扫描仪读取条形码信息更改过程。图9-25激光扫描条形码信息转换过程，图9-26是CCD条形码识别的工作方式，图9-26CCD条形码识别的工作方式，(2)条形码识别器条形码识别器条形码识别必须首先使用一些光电扫描设备沿特定轨迹扫描所有条形码条，并且必须经过以下过程：需要建立光学系统。需要在光点移动时收集条形码栏反射的反射光的接受系统。需要将接受的光信号转换成电脉冲的电子电路，介绍几种常用条形码扫描读取器。手持设备由透镜、发光纤维、感光元件、放大成型电路、接触开关组成，如图9-27所示。图9-27光笔的结构具有一定光束的光学扫描读取器通常安装在传送带附近的特定位置。扫描仪只能扫描前面的条形码一次或多次光路。内部结构类似于光笔，使用白炽灯或发光二极管作为光源，用光电晶体管传输光信号的光学系统稍微复杂一些。移动光线的光学扫描阅读器在图9-28中提供了两个代表性的激光扫描仪光学路径图和应用图。图9-28激光扫描仪光路映射，图9-28激光扫描仪光路映射，9.5三角测量测试技术，基于9.5.1三角测量测试技术，单点激光三角测量通常采用直接和斜线方式两种结构，如图9-29所示。图9-29三角测量原理图，图9-29(a)中，激光发出的光由会聚透镜聚焦，然后垂直于测量的物体表面入射，物体移动或其表面改变，从而沿入射光轴移动入射点。入射点处的散射光通过接收镜头进入光位置探测器(PSD或CCD)。在图像面上光点的位移为x 的情况下，被测