复杂光学图像的扫描检测

1、复习：第三节复习：第三节 简单光学目标的形位检测简单光学目标的形位检测一、几何中心检测法像分析：通过分析被测物体在像面上的几何中心相对于像面基准的偏移情况，从而确定该物体在空间位置的方法。基本原理：将被测物体的光学像相对于像面基准的几何坐标变换为通过该基准某一取样窗口的光通量，通过检测该光通量的变化来解调出物体的坐标位置。 O,SG/O物空间物空间像空间像空间光信号光信号光学系统光学系统调制器调制器B(x,y,t)E(x,y,z,t)(a1,a2,an)0二、亮度中心检测法二、亮度中心检测法将物体按辐射将物体按辐射能量相等能量相等的标准分割为两部分的标准分割为两部分，其，其中心位置称作中心位置

2、称作亮度中心亮度中心。通过测量与。通过测量与目标目标物空间物空间的的亮度分布亮度分布相对应的相对应的像空间照像空间照度度分布，确定目标分布，确定目标能量中心位置能量中心位置的方法的方法称称作作亮度中心检测法。亮度中心检测法。将来将来自被测目标自被测目标的光辐射通量相对于系统的的光辐射通量相对于系统的测量测量基准轴基准轴分解到不同坐标象限上分解到不同坐标象限上，再根，再根据这些图像在各据这些图像在各象限上能量分布的比例象限上能量分布的比例，检测出目标的检测出目标的亮度中心位置亮度中心位置。这种确定目。这种确定目标空间位置的方法称作标空间位置的方法称作象限分解法象限分解法。实现。实现辐射通量按坐标

3、象限分界采用的方法：辐射通量按坐标象限分界采用的方法： 光学像分解光学像分解： 利用象限检测器。利用象限检测器。（一）光学像分解（一）光学像分解在光学系统中附加各种分光元件使在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分布入射光束分布向确定的不同方向传播向确定的不同方向传播，再在各自，再在各自终端安装终端安装上上有单一光敏面的有单一光敏面的光电元件光电元件。分解方式：分解方式：（1 1）中心孔式：）中心孔式：2 2上形成上形成x x、y y；4 4上形成上形成x x和和y y12345(2)(2)分光式：分光式：基准光束基准光束1 1透过透过半反射棱镜半反射棱镜2 2在在四象限四象限光电池光电池4

4、4上形成上形成x x、y y方向的偏移信方向的偏移信号。反射的光束经号。反射的光束经反射镜反射镜3 3投射到四象限投射到四象限光电元件光电元件5 5上形成的上形成的x x和和y y偏角信号。偏角信号。12435(3)(3)反射式：反射式：光电元件光电元件2 2的光敏面与的光敏面与输入光束输入光束1 1相相背布置。它的中央开有直径和入射光束直径相背布置。它的中央开有直径和入射光束直径相同的光孔。穿过光孔透过同的光孔。穿过光孔透过半透明反射镜半透明反射镜3 3，由，由光光电元件电元件4 4产生产生x x、y y方向偏移信号。反射部分的光方向偏移信号。反射部分的光束由束由光电元件光电元件2 2接收，

5、形成的接收，形成的x x和和y y偏角信号偏角信号3124(4)(4)全息分光式：全息分光式：12783456（二）（二） 象限探测器象限探测器当目标当目标成像不在光轴成像不在光轴上时，四个象限上探测器上时，四个象限上探测器输出的光电信号输出的光电信号幅度不相同幅度不相同，比较四个光电，比较四个光电信号的信号的幅度大小幅度大小就可以就可以知道知道目标成像目标成像在哪个在哪个象限象限上（也就知道了上（也就知道了目标的方位目标的方位），若在四），若在四象限光电探测器前面加上象限光电探测器前面加上光学调制盘光学调制盘，则还，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的中

6、心的距离或距离或角角来。来。 光电位置传感器：光电位置传感器：如图：当如图：当入射光点入射光点照在照在光光敏面敏面上时，由于上时，由于偏离基准偏离基准而产生而产生光生电流光生电流I，经经运算运算后即可后即可连续地连续地计算出计算出光点的位置。光点的位置。第四节第四节 复杂光学图像的扫描检测复杂光学图像的扫描检测一、扫描的基本原理和分类一、扫描的基本原理和分类（一）光学图像的扫描（一）光学图像的扫描光电扫描技术：只用一个光电扫描技术：只用一个窄视场窄视场的光学系统和的光学系统和一一个光电检测通道个光电检测通道。扫描：当使该装置按一定的扫描：当使该装置按一定的时间顺序时间顺序和轨迹和轨迹串行串行逐

7、点扫视逐点扫视目标目标物像空间物像空间的各点时，能获得瞬时的各点时，能获得瞬时值与被测目标的光学参数成比例的值与被测目标的光学参数成比例的时序电信号时序电信号即：采集即：采集空间域的光强分布空间域的光强分布 时域的电信号时域的电信号 其反过程：在扫描过程中，用图像其反过程：在扫描过程中，用图像电信号电信号调制调制扫描光点的瞬时发光值可以得到再扫描光点的瞬时发光值可以得到再现的光学图像现的光学图像再现再现图像图像电信号（时间域）电信号（时间域） 光学图像（空间域）光学图像（空间域）（二）最简单的直线扫描（二）最简单的直线扫描I0(x)X1=v1*tS照度照度E E1 1(x(x1 1) )光通量

8、光通量(t)=AE1=A f(x1)=Af (v1*t)kkbB(t)=KbKAf(v1*t)光电变换：光电变换：U(t)=KAf(v1*t)采集部采集部再现部再现部屏上：屏上：E2(x2,t)=KEKbKA f (v1，x2/v2)K f (v1，x2/v2)A A为光栏截面积，为光栏截面积，K K为光电转为光电转换系数，换系数，K Kb b为电光转换系数，为电光转换系数，K KE E为光度变换系数为光度变换系数,K,K为灰度为灰度变换因子。变换因子。X2=v2*t被测物体经光学系统在像面上得到被测物体经光学系统在像面上得到照度分布为照度分布为 E1(x1)= f f(x(x1 1) )在像

9、面上设置带有取样光栏的光电检测元件组成在像面上设置带有取样光栏的光电检测元件组成的的扫描单元扫描单元沿像面与时间成正比地作沿像面与时间成正比地作锯齿形直锯齿形直线运动线运动，其方程为，其方程为 X1=v1*t1/v1 为为空空-时时转换系数，转换系数，X X1 1为为像面上像面上的位置坐标的位置坐标取样光栏截取扫描某处的部分像面光强，得到光取样光栏截取扫描某处的部分像面光强，得到光通量，通量，(t)=AE1=A f(x1)=A f(v1*t)A A为光栏截面积。为光栏截面积。经光电转换得到时序电信号，经光电转换得到时序电信号， U(t)=KU(t)=K A A f f(v(v1 1* *t)t

10、)K K 为光电转换系数。为光电转换系数。这样，扫描单元实现了被测图像光强分布的这样，扫描单元实现了被测图像光强分布的 空间空间 时间时间 光量光量 电量电量的变换。的变换。这个过程同时也是图像数据的这个过程同时也是图像数据的采集过程采集过程。 然后，将图像电信号经过传输线送到然后，将图像电信号经过传输线送到再现再现端。在端。在这里，这里，发光器件发光器件在电信号在电信号激励下产生激励下产生随图像信随图像信号变化号变化的的发光亮度发光亮度 B(t)=Kb U(t)=U(t)=Kb K A f (v1*t)K Kb b 为电光转换系数。为电光转换系数。当发光器件连同透光光栏作扫描运动时，发光点当

11、发光器件连同透光光栏作扫描运动时，发光点的运动为的运动为 X X2 2=v=v2 2* *t tv v2 2 为为时时-空空转换系数，转换系数，X X2 2为再现端的位置坐标。为再现端的位置坐标。在再现光屏上形成在再现光屏上形成随时间随时间位置位置变化的照度分变化的照度分布布E2(x2,t)，并有，并有 E2(x2,t)=KE B(t) =KEKbK A f (v1.t) = KEKbK A f (v1.x2/v2) K f (v1.x2/v2) =K f (x2.v1/v2)K KE E 为光度变换系数，为光度变换系数，K K 为灰度变换因子。为灰度变换因子。E1(x1,t)= f (v1.

12、t)E2(x2,t)=KEKbK A f (v1.t)=K f (v1.t) =K f (x2.v1/v2)两者的函数形式相似，仅相差两者的函数形式相似，仅相差灰度变换因子灰度变换因子K和和坐标变换因子坐标变换因子v1/v2。K=KEKbK Av1/v2=x1/x2，确定了扫描前后图像空间尺寸的比确定了扫描前后图像空间尺寸的比例。例。不失真：两者不变，不失真：两者不变， 采集端、再现端的扫描动作同步。采集端、再现端的扫描动作同步。（三）扫描系统的分类工作参数（三）扫描系统的分类工作参数1.1.分类分类（见（见P.360P.360）（1 1）按检测接收器的类型分）按检测接收器的类型分 单一光敏接

13、收器单一光敏接收器 阵列光敏接收器阵列光敏接收器（2 2）按瞬时视场在空间的扫描轨迹分）按瞬时视场在空间的扫描轨迹分 直线扫描直线扫描 光栅扫描光栅扫描 圆周扫描圆周扫描 随机扫描随机扫描 沿圆柱面上的螺旋线或沿圆面的空间扫描沿圆柱面上的螺旋线或沿圆面的空间扫描（3 3）按实现扫描的物理方法分）按实现扫描的物理方法分 机械机械扫描，如转鼓和平板扫描扫描，如转鼓和平板扫描 电磁电磁场场控制的电子束偏转扫描控制的电子束偏转扫描 光学机械光学机械扫描，如多面体反光镜扫描，如多面体反光镜 利用利用衍射光栅衍射光栅和和全息光栅全息光栅的扫描的扫描 利用利用电光、声光、磁光电光、声光、磁光效应效应的扫描的

14、扫描 利用利用CCDCCD等等成像器件成像器件的的移位电场移位电场扫描扫描（4 4）按扫描的应用目标分）按扫描的应用目标分 图片图片扫描扫描 实体实体扫描扫描 搜索搜索扫描扫描 2.2.基本参数基本参数 扫描周期扫描周期TK：扫描给定的视场：扫描给定的视场并使并使扫描线恢复扫描线恢复初始位置初始位置所需的时间。表明装置快速动作能力所需的时间。表明装置快速动作能力 扫描线密度扫描线密度d：扫描装置能分辨的最小宽度。：扫描装置能分辨的最小宽度。 空间分辨率空间分辨率F F：能分辨的单位长度内的：能分辨的单位长度内的最高黑最高黑 白线对数白线对数。 扫描变换的直线性动态范围：输出图像信号扫描变换的直

15、线性动态范围：输出图像信号的几何畸变灰度畸变的几何畸变灰度畸变低于容许限度内的最大低于容许限度内的最大输入光度输出电平。输入光度输出电平。 图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽扫描图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽扫描 频率。频率。 扫描数据率：扫描数据率：在在单位时间内单位时间内扫描装置所能发送扫描装置所能发送 的的图像数据总数图像数据总数。 扫描精度：时序扫描精度：时序的的图像图像信号与信号与图像的光密度图像的光密度空空 间分布的间分布的正确对应关系正确对应关系。二、光束的扫描技术二、光束的扫描技术 根据应用目的不同可分为两种类型：根据应用目的不同可分为两种类型： 一种是光的偏转角一种是光的

16、偏转角连续变化连续变化的的模拟式扫描模拟式扫描，它，它能描述光束的连续位移；能描述光束的连续位移； 另一种是另一种是不连续的数字扫描不连续的数字扫描，它是在选定空间，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变跳变” 前者前者主要用于各种主要用于各种显示显示， 后者后者则主要用于则主要用于光存储光存储。1. 1. 机械扫描机械扫描 机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。如果如果只需要改变光束的方向只需要改变光束的方向，既可采用机械扫，既可采用机械扫描方法。机械扫描技术是利用描方法。机械扫描技术是利用反射镜或棱镜反

17、射镜或棱镜等等光学元件的光学元件的旋转或振动实现光束扫描旋转或振动实现光束扫描。 图图2 2所示为一简单的机械扫描原理装置，激光所示为一简单的机械扫描原理装置，激光束入射到一可转动的束入射到一可转动的平面反射镜上平面反射镜上，当平面镜，当平面镜转动时，平面镜反射的转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的改变，达到光束扫描的目的。 机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描描角度大角度大而且而且受温度影响小受温度影响小，光的损耗小光的损耗小，而，而且适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描且适用于各种光波长的扫描。

18、因此，机械扫描方法在目前仍是方法在目前仍是一种常用的光束扫描一种常用的光束扫描方法。它方法。它不仅可用在各种不仅可用在各种显示技术显示技术中，而且还可用在中，而且还可用在微微型图案的激光加工型图案的激光加工装置中。装置中。入射光束入射光束扫描光束扫描光束反射镜反射镜图图2 2 机械扫描装置示意图机械扫描装置示意图2.2.电光扫描电光扫描 电光扫描是利用电光效应来电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间改变光束在空间的传播方向的传播方向，其原理如图，其原理如图3 3所示。所示。LdBAyxBA 光束的偏光束的偏转方向转方向图图3 3 电光扫描原理图电光扫描原理图 光束沿光束沿y y方向入射到长度为

19、方向入射到长度为L L，厚度为，厚度为d d 的的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标电光晶体，如果晶体的折射率是坐标x x 的的线性函数，即线性函数，即 用折射率的线性变化用折射率的线性变化 代替了代替了 那么光束射出晶体后的偏转角那么光束射出晶体后的偏转角 可根据折可根据折射定律求得。设射定律求得。设xdnnxn)(dxdndn1sin 则则 式中的负号由坐标系引进，即式中的负号由坐标系引进，即 由由 y y 转向转向 x x 为负为负 dxdnLdnLn hn+ nn- nn+ nn- n x y 多级棱镜扫描器多级棱镜扫描器3.3.电光数字式扫描电光数字式扫描 它是由电光晶体和双折射晶体组

20、合而成，它是由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图其结构原理如图4 4所示。所示。 图中图中S S 为为KDPKDP晶体，晶体，B B 为方解石双折射晶体（分离棱镜），为方解石双折射晶体（分离棱镜）， 它能它能使线偏振光使线偏振光分成互相平行分成互相平行、振动方垂振动方垂直直的两束光，其间隔的两束光，其间隔 b b为分裂度，为分裂度， 为分为分裂角（也称离散角）。裂角（也称离散角）。 上述电光晶体和双折射晶体就构成了上述电光晶体和双折射晶体就构成了一一个一级数字扫描器。个一级数字扫描器。 入射的线偏振光：随在电光晶体上入射的线偏振光：随在电光晶体上加加和和不加不加半波电压半波电压而分别

21、占据两个而分别占据两个“地址地址”之一，之一， 分别代表分别代表“l”“l”和和“0”“0”状态状态。入射光入射光rSB V /2 eo b图图4 4 数字式扫描原理数字式扫描原理 若把若把n n 个这样的数字偏转器组合起来，个这样的数字偏转器组合起来，就能做到就能做到n n 级数字式扫描。级数字式扫描。 图图5 5所示为一个三级数字式扫描器，使所示为一个三级数字式扫描器，使入射光分离为入射光分离为2 23 3个扫描点的情况。个扫描点的情况。 S1 B1 S2 B2 S3 B3 S1 S2 S21 0 00 1 01 1 10 0 11 0 10 1 11 1 00 0 0图图5 三级数字式电

22、光扫描器三级数字式电光扫描器4. 4. 声光扫描声光扫描 声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强调制器是改变衍射光的强度度，而，而扫描器扫描器则是利用改变则是利用改变声波频率来改变衍声波频率来改变衍射光的方向射光的方向。 id声频为声频为fs+ fs的衍射光的衍射光声频为声频为fs的衍射光的衍射光 i dO kskskdkiBA 声光扫描器原理图声光扫描器原理图三、图像扫描三、图像扫描(P361-364)（一）机械扫描（一）机械扫描 滚筒式滚筒式 平板式平板式（二）电子束扫描（二）电子束扫描（三）激光束扫描（三）激光束扫描 1. 多面反射镜转鼓（多面转镜）多面反射镜转鼓（多面转镜） 激光束射到反射转镜上，在反射镜旋转的过程激光束射到反射转镜上，在反射镜旋转的过程中，中，入射角入射角周期性地由周期性地由小到大循环变化小到大循环变化，使，使反反射光束的方向反复改变而实现扫描。射光束的方向反复改变而实现扫描。 图图a：采用柱形多面体：采用柱形