直接检测系统

1空间变化光信号简单光学目标空间定位光学图像的扫描亮度中心检测法几何中心检测法图像扫描实体扫描光度变换空间编码象分析扫描调制光学象分析象限监测器几何参量的检测线值测量轴向测距机械式光束式电子式运动物体静止物体空间搜索第1页/共150页第一页，共151页。22.1、时变光信号的直接检测光学信号有各种不同的变化形式，一般光电系统所处理的输入信号是辐射（光）通量的变化。因此，光信号的直接检测，就是光通量的测量，所以了解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电系统的分析和设计是最基本知识。第2页/共150页第二页，共151页。3光通量可以是不随时间变化的量值，可以是随时间缓慢变化的，也可以是随时间周期性变化的。周期性变化的光信号可以用信号的振幅、频率和相位来表征。根据这一特点，光信号的测量可以分为振幅型的，频率型的和相位型的，直流的或变化缓慢的信号采用振幅测量法，而时间脉冲信号多采用频率或相位测量。光通量的变化分类第3页/共150页第三页，共151页。4各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同，在通常条件下振幅测量的相对误差是10－2～10－4数量级，而一般频率测量，其相对误差可低于10－6～10－8。这是由于频率的基准可以达到很高的精度。例如，利用专门的稳频装置的激光器的频率稳定度可达10－14，谱线的宽度只有几个赫兹，显然其测量精度还可提高。时间脉冲的测量具有类似频率测量的精度，因为频率和时间测量之间是有确定关系的，即f＝1／T。各种测量方法的测量误差第4页/共150页第四页，共151页。5一、光通量的幅度测量

被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作单通道测量系统。单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。㈠单通道测量系统第5页/共150页第五页，共151页。61.直读法为了测量样品的透过率，可以在光路中轮流放置透过率已知的标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过率值。第6页/共150页第六页，共151页。7设照明样品的光通量为φ0，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器接收的光通量为φ，检测器电流灵敏度为S1，放大器增益为K，电表的传递系数为M，转角示值为θ，则直读系统的测量值可表示为：第7页/共150页第七页，共151页。8当K0保持恒定不变时，被测值τ和电表示值θ之间存在着一一对应的关系，可借以确定被测的τ值。

但实际上K0值不是完全不变的，特别是φ0项与照明状态有关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。

直读法的特点第8页/共150页第八页，共151页。92.指零法指零测量法可以消除由于辐射光通量、光检测器和放大器工作参数不稳定造成的影响，图中表示了采用指零法测量偏振物质偏振面转角的光电装置及系统方框图，在光路中布置有起偏器和检偏器。第9页/共150页第九页，共151页。10基础知识回顾

★起偏器：能够将自然光变为偏振光的器件称为起偏器。

★检偏器：用于检验偏振光的器件称为检偏器。★从起偏器出射的光经过一检偏器，则透过两个偏振器后的光强I随两器件透光轴的夹角θ而变化。即：I=I0cos2θ

第10页/共150页第十页，共151页。11测量偏振物质偏振面转角第11页/共150页第十一页，共151页。12⑴事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成90°，此时检测器光敏面上的光通量为零。⑵在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值，借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差。⑶若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角。⑷用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值。工作原理：第12页/共150页第十二页，共151页。13设被测偏振面转角为θx，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组合的相对转角θx－θ0对于透光率τ的转换因子为M，则对偏振器组合和测量电表输出转角θ分别表示为：求解以上二式有式中，φ0为入射照明光通量；SI为光电器件灵敏度；K为放大器增益。第13页/共150页第十三页，共151页。14在无试样的标准状态下，即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0，因而θ≠0，重新调整θ0使θ再次为零，此时由θ=K0(θx-θ0)

有

θx=θ0上式表明：在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值θ0代表了被测偏振面的旋转值θx。第14页/共150页第十四页，共151页。15在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。

它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的不稳定性对误差影响不大，因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。指零法的特点第15页/共150页第十五页，共151页。16单通道测量的主要缺点：

入射光通量的波动会直接影响测量结果，为了克服这一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。总结第16页/共150页第十六页，共151页。17㈡双通道测量系统反射镜透镜标准样品被测样品光电探测器放大比较器光源第17页/共150页第十七页，共151页。18用作测量透过率的双通道测量系统示意图如图所示。图中，光辐射源1借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道Ⅰ和测量通道Ⅱ并行传送。在基准通道Ⅰ的光路中放置具有固定透过率的标准样品2，通过光检测器5监视入射光通量φ0的变化。在测量通道Ⅱ中放置被测样品4，透过被测样品的光通量φ经光检测器6后在放大器7中和基准通道的参考信号相比较，通过不同形式的比较处理最终得到测量结果。双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅度测量中常用的方法。双通道系统的信号处理方法常采用差动法和交替法。工作原理第18页/共150页第十八页，共151页。191.差动法在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏3。它是一块破璃平板，沿着各截面镀有吸收率不同的膜层。反射镜透镜标准样品被测样品光电探测器放大比较器光源第19页/共150页第十九页，共151页。202.补偿法第20页/共150页第二十页，共151页。21⑴在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。⑶光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。⑵当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。工作原理⑷这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。第21页/共150页第二十一页，共151页。22二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器7得到增益。放大器输出电压接到伺服电机8的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直到输出电压为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系φⅠ>φⅡ，还是φⅡ>φⅠ，按照负反馈的连接方法确定。第22页/共150页第二十二页，共151页。23第23页/共150页第二十三页，共151页。24差动放大器的失调信号为：

S1、S2是两通道光电接收器的灵敏度；φ0为输入光通量；τr是基准通道标准样品的透过率；τx是被测透过率；τ0是可变透过率，它是指针转角θ的函数，并有关系式第24页/共150页第二十四页，共151页。25上式表示了在两通道平衡时被测透过率与指针位置的对应关系。可以看出比例因子K0与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。当两个通道平衡时，△I＝0，则第25页/共150页第二十五页，共151页。263.交替法例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转盘的不透明部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。反之，基准光通量被遮断，则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通常是几百赫兹，因此，系统中的光电放大器是交流的。在这种系统中，两个通道的光通量轮流投射到光电接收器上、为此可采用各种不同的交替装置。第26页/共150页第二十六页，共151页。27⑴对于相等的两路光通量，光电流和负载电阻上的信号电压是等幅的，如图(a)所示，此时交流放大器没有输出电压。⑵如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出信号波形如图(b)所示,根据光通量φⅠ>φⅡ或φⅡ>φⅠ的不同，信号的相位改变180°，借以控制伺服电机8的转动方向。第27页/共150页第二十七页，共151页。28(二)双通道测量系统2.比较法

第28页/共150页第二十八页，共151页。29光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓慢变化的光信号，在光度测量中有广泛的应用。对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接收器的双通道系统或指零法单通道系统。光通量的幅度测量方法的应用场合总结第29页/共150页第二十九页，共151页。30设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。⑴绘出工作原理图。⑵绘出原理框图。⑶说明工作原理。习题15第30页/共150页第三十页，共151页。31二、光通量的频率测量某些光电系统所处理的光通量是随被测信息的规律呈周期性变化，，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就可以检测出所需要的信息。第31页/共150页第三十一页，共151页。32⑴和光通量的幅度测量相比较，频率测量有较高的测量精度。这是由于频率测量的基准可以达到很高的水平。⑵此外频率测量是数字式的，测量结果易于和计算机连结，使用较为方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。优点

产生光通量随时间变化的方法是多种多样的。例如用几何光学方法实现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条纹测量以及用光电子学方法实现的光束调制等。下面以干涉测量为例介绍一些典型测量方法的基本原理和特点。第32页/共150页第三十二页，共151页。33㈠波数测量测量臂的位移△x引起于涉场上光强分布的变化,干涉条纹光强△φ随位移△x的变化可用下式表示迈克尔逊干涉仪示意图式中：λ/2是光强变化的周期。λ是干涉仪所用光波波长；φ0是光强变化的幅度。第33页/共150页第三十三页，共151页。34干涉条纹光强△φ以λ/2为周期变化，也就是当△x移动λ/2长度时引起△φ一个周期的变化。将△φ变化的周期数用波数N表示，可以得到位移x和波数N的关系为：第34页/共150页第三十四页，共151页。35通过测量光通量随时间变化的周期数来检测被测值的方法称作波数测量或波形计数。在一般情况下波数测量的作法是将由被测量x引起的周期变化的光通量光电转换为电脉冲，再用电子计数器来计数波数的变化N，最后根据下列公式计算出测量结果x。

x＝m0N式中m0称脉冲当量，表示单位波数变化对应的被测值。脉冲当量可通过计算和实验标定得到。第35页/共150页第三十五页，共151页。36㈡频率测量干涉仪系统还可以用来测量物体的运动速度。此时将被测物体安装在测量臂上，并以速度。υ移动。则它移动了λ/2距离的时间为这个时间便是光通量的变化周期。相应的光通量的变化频率f可表示成式中C为光速；ν为干涉仪光源的光频率。第36页/共150页第三十六页，共151页。37实际上，υ可以直接对x求微分得到：式中：f=dN/dt是波数的时间变化率。λ/2是常数，运动速度与光通量的变化频率成正比，只要测得光通量的变化频率即可计算出所需的运动速度。第37页/共150页第三十七页，共151页。38例题激光波长为λ＝0.55μm的干涉仪，测得的光通量变化频率为4×105Hz。求物体的运动速度应υ。第38页/共150页第三十八页，共151页。39频率测量广泛应用于各种物理量的速率测量中，例如激光测速仪、光电转速测量等。在这些测量中应首先将光通量的变化速度转换为电脉冲的频率，采用电子频率计测量脉冲计数率f，最后根据脉冲当量值m0。即可计算出被测速率υ：式中，υ是线速度，角速度或其它变量的时间变化率，脉冲当量m0可通过计算和实验标定。总结光通量的频率测量方法的应用场合第39页/共150页第三十九页，共151页。40波形计数和频率测量法能得到5×10－7以上的相对精度。这主要是由于采用频率稳定度很高的激光器作辐射源，此外数字测频的电测法有十几位的读数能力和示值精度。至于光电接收器和供电系统的不稳定性，实际上对测量结果影响不大，因为信号幅度的改变，将不影响到计数和测频的准确性。第40页/共150页第四十页，共151页。41三、光通量的相位测量在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化，若在某一瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值，那么检测到这个相位值即能确定被测的信息值。如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中，若打算进一步确定在一个波形变化周期内的微小位移，就需要进行相位测量，通常称作条纹的细分技术。第41页/共150页第四十一页，共151页。42激光相位测距原理⑴半导体激光器作辐射源，若在激光器供电电路中外加谐波电压U0就能得到接近正弦的辐射光波，其初始相位和激励电压U0相同。第42页/共150页第四十二页，共151页。43第43页/共150页第四十三页，共151页。44⑵实际上，用一台测距仪直接测量两点光波传播的相移是不可能的。因此，采用在B点设置一个反射器（即协作靶），使从测距仪发出的光波经靶标反射在返回到测距仪，由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量。第44页/共150页第四十四页，共151页。45LS作为度量距离的光尺。第45页/共150页第四十五页，共151页。46⑶相位测量技术只能测量出不足2π的相位尾数△φ，即只能确定余数△m，因此当L大于LS时，用一把光尺是无法测定距离的。当距离小于LS时，即m=0时，可确定距离为：第46页/共150页第四十六页，共151页。47四、光通量的时间测量利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔来测量信息的时间测量法，在光电检测中同样有着广泛应用。时间测量和相位测量有许多相近处。最简单的测时方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数，这种方法可以得到1×10－10s以上的测时精度。第47页/共150页第四十七页，共151页。48时间测量法的原理示意图如图所示。由固体激光器1产生的能量为几兆瓦、作用时间为几纳秒、发射角为毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标2，经目标2漫反射之后返回到接收系统3。通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测量出被测距离。第48页/共150页第四十八页，共151页。49图(b)和(c)给出了脉冲测时的原理框图和波形图。主波脉冲和回波脉冲经光电转换分别形成电脉冲，控制触发器产生确定脉宽t的定时脉冲。在此脉冲持续时间内由频率为f=1／△T的时钟脉冲填充计数，若计数值为N，则脉宽持续时间为第49页/共150页第四十九页，共151页。50在利用脉冲计数完成时间测量后可根据实际计数值N和脉冲当量K得到被测距离。最小可测距离Dmin由时钟脉冲频率f决定。f愈高，Dmin愈小。通常f可达300MHz，对应的Dmin值为0.5m。第50页/共150页第五十页，共151页。51设计一台有合作目标的光电测距装置。说明工作原理、画出原理框图。习题16第51页/共150页第五十一页，共151页。522.2、时变光信号的调制检测一、调制的基本原理和类型㈠载波和调制在光电系统中，光通量是信息的载体。光通量“载荷”信息的方法有多种形式。更多的情况是通过人工的变换方法把被测信息“裁荷”到光通量上。这里，光通量作为载体称作载波。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作调制。第52页/共150页第五十二页，共151页。53调制技术给辐射参数以确定的时间或空间变换，初看起来似乎增加了信号的复杂性，但是⑴它可以改善光电系统的工作品质，有助于传输过程的信号处理，提高传输能力。⑵能更好地从背景噪声干扰中分离出有用信号，提高信噪比和测量灵敏度。⑶调制信号可以简化检测系统的结构，改善工作条件。有时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位测系统中常用的方法。调制检测的优点：第53页/共150页第五十三页，共151页。54㈡光学调制的分类光学调制按时空状态和载波性质可分作以下几种类型。1.按时空状态分类(1)时间调制：载波随时间和信息变化。(2)空间调制：载波随空间位置变化后再按信息规律调制(3)时空混合调制：载波随时间、空间和信息同时变化。2.按载波波形和调制方式分类(1)直流载波：载波不随时间而只随信息变化，(2)交变载波：载波随时间周期变化。第54页/共150页第五十四页，共151页。55交变载波：连续载波——调幅波、调频波、调相波。脉冲载波——脉冲调宽、调幅、调频等。

光通量的调制可以在辐射源或光路系统中进行，能实现调制作用的装置称作调制器。从已调制信号中分离提取有用信息的过程称作解调。第55页/共150页第五十五页，共151页。56二、调制器可以实现单色光波或复合光通量调制作用的装置称作调制器，调制器包括机电调制器，电光调制器，辐射源调制器和电子调制器。第56页/共150页第五十六页，共151页。57㈠机电调制器常用的机电调制器包括机电振子、旋转光闸以及利用电致伸缩的压电型调制器。利用遮光或改变透过率方式的调制器主要用作光通量的幅度调制和二次调制。改变光束反射、折射方向的调制器有时兼有扫描和搜索的扩大视场作用。第57页/共150页第五十七页，共151页。58在金属或玻璃圆盘上用光学或机械方法加工成不同形状的通光孔，用电机带动圆盘旋转，组成旋转调制盘。投向圆盘的光束被调制盘交替遮断，相当于光路中的光闸，给光束加入调制信号。典型的旋转光闸如图所示。第58页/共150页第五十八页，共151页。59⑴旋转光闸的第一个应用是对辐射光源的直流光通量进行调制。基本的光路布置如图所示。图中，1为辐射光源，2为聚光镜，3为调制盘，4为调制盘电机。根据调制盘通光孔的形状和调制盘面上照明光斑的形状不同，可以得到谐波形式、方波脉冲形式或锯形波等各种波形的调制光通量。第59页/共150页第五十九页，共151页。60⑵旋转光闸的第二个用法是交替转接两路光束，如图所示。图中旋转圆盘l半周透光，半周全反射。随调制盘的旋转，两个通道的照明光束2和3被交替反射、透射到光电接收器4上，完成转接光束的作用。光束交替调制器用于双光束分光测量中，此外，调制盘还可以用作光斑二维坐标探测器，在活动目标跟踪定位等军事应用中广泛使用。第60页/共150页第六十页，共151页。61㈡光控调制器对于光学性质随方向而异的一些介质，常发生一束入射光分解为两束折射光的现象，称作双折射，相应的介质称各向异性材料。由于它们两个方向折射率不同，这种材料具有旋光性，可以改变入射偏振光的偏振方向。材料折射率各向异性的性质能在电场、磁场和机械力等外力作用下形成和改变。利用这些光控效应可以进行光波振幅、频率、相位、偏振面等光学参数的调制。根据引起光控效应外因形式的不同，光控效应可以分作电光效应、磁光效应和声光效应。第61页/共150页第六十一页，共151页。62

★晶体有双折射现象，光进入晶体后，晶体中的折射光分成两支。

★一条的折射行为遵循折射定律，即不论入射光线方位如何，折射光线总在入射面内，且入射角的正弦与折射角的正弦之比位常数，因此称这条折射光线为寻常光或o光线；

★另一条折射光线则不同，一般情况下，入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数，且折射光线往往不在入射面内，即不遵循折射定律，称它为非常光线或e光线。

★当光在晶体中沿光轴方向传播时不产生双折射现象。基础知识回顾第62页/共150页第六十二页，共151页。63

泡克耳斯效应是一种线性电光现象，在外加电场作用下，晶体的折射率会发生变化，感应折射率的变化与电场，也与外加电压的一次方成正比。最常使用的泡克耳斯器件是磷酸二氢钾KDP(KH2PO4)和磷酸氘钾KD*P(KD2P04)。后者的外加电压比前者要低一半。⑴泡克耳斯调制盒1、电光调制器（EOM）第63页/共150页第六十三页，共151页。64①晶体放在起偏器1和检偏器2之间，它们的偏振面彼此垂直，当晶体未加外加电压时，通过起偏器的线偏振光全部被检偏器遮挡。②在电场影响下晶体折射率改变，产生旋光作用，透过晶体传播的线偏振光变成椭圆偏振，并在检偏器的偏振方向产生光束分量，因此光束部分透过检偏器形成了受外电压调制的输出光束。③在某一确定的外加电压作用下，晶体的输出光束会由椭圆偏振伸直为线偏振，并和检偏器偏振方向重合，这时调制器处于全开状态，有最大光通量透过检偏器输出。利用泡克耳斯盒调制光通量示意图如图所示。在晶体3上加有电极，外加电压沿光束的传播方向建立电场。第64页/共150页第六十四页，共151页。65克尔调制器的工作示意图如图所示。充有硝基苯的透明槽3里面装有两个平面电极，并放置在两个偏振器1和2之间。两个偏振面正交，偏振取向与外电场成±45°。电场电力线与光束传播方向垂直。在外电场作用下，和KDP调制器相类似，会形成光束的调制，克尔盒调制器透过系数约为25％，光频范围0.4～2.1μm，调制度90％，最高调制频率1010Hz。(2)克尔调制盒克尔效应是一种二次电光效应，在外电场作用下晶体的折射率变化与电场强度的平方成正比。常用的克尔盒材料是硝基苯(C6H5N02)和钛酸钡(BaTi07)。第65页/共150页第六十五页，共151页。662、声光调制器（AOM）声光调制器由声光介质和压电换能器构成。当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时,换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质,在介质内形成折射率变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射，如右图所示。目前主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。主要用在彩色印刷、激光成像和显示、光纤通讯开关、仪器及科研中。第66页/共150页第六十六页，共151页。673、磁光调制器（MOM）

1845年法拉第发现玻璃在强磁场的作用下具有旋光性，加在玻璃棒上的磁场引起了平行于磁场方向传播的线偏振光偏振面的旋转。此现象被称为法拉第效应。法拉第效应第一次显示了光和电磁现象之间的联系。促进了对光本性的研究。之后费尔德对许多介质的磁致旋转进行了研究，发现法拉第效应在固体、液体和气体中都存在。大部分物质的法拉第效应很弱，掺稀土离子玻璃的费尔德常数稍大。近年来研究的YIG等晶体的费尔德常数较大，从而大大提高了实用价值。第67页/共150页第六十七页，共151页。68㈢辐射源调制器

在光辐射源供电源上施加交变或脉冲的激励电压，实现电源调制的方法在许多情况下比起在电路中加入调制器的方式更为简单和有效。⑴常用的光源例如白炽灯或气体放电灯都具有较大的发光惰性。因此，实现电源调制的利用效率和调制频率较低。⑵利用气体放电光源可以得到几千赫兹的调制频率和80％的调制度。但大功率的气体放电灯调制器是比较笨重的设备。第68页/共150页第六十八页，共151页。69⑶半导体发光二极管可以得到很高的调制频率，其上限频率可达到上百兆赫兹，且驱动设备简单，发光效率较高，是目前应用最广泛的光通量调制器。⑷此外对于半导体激光器等许多激光器也有许多利用激励电源调制光强度的应用实例。

第69页/共150页第六十九页，共151页。702.3、简单光学目标的形位检测

光学目标:不考虑被测对象的物理本质，只把它们看作是与背景间有一定光学反差的几何形体或图形景物。根据光强空间分布的复杂程度和测量目的，光学目标可以分成简单光学目标和复杂图形景物。一、定义及分类第70页/共150页第七十页，共151页。71

简单光学目标通常由点、线、平面等简单规则图形组成。包括刻线、狭缝、十字线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散圆及工业规则图形等。测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差。

复杂图形景物的图形分布复杂，空间频率高，密度等级丰富，测量的目的在于确定图形的细节和层次、分析图形的内容等；第71页/共150页第七十一页，共151页。72

在实际的光电工程中很多对象可以制作或简化成简单的光学目标。例如，许多几何量的形位测量就常常利用被测物体与其背景间的光学反差来确定物体边缘轮廓。而大多数的物体轮廓，特别是工业图形都是相对简单和规则的。此外，在对星体、飞行物等远处活动目标的跟踪测量中，也需要将它们看作是在广阔背景上的一个或多个独立的辐射光斑来确定该点源的空间坐标。因此，简单光学目标的测量是物体空间状态检测的重要方面。第72页/共150页第七十二页，共151页。73

测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军事中有广泛的应用。

例如大尺寸工件的安装与加工、高速公路和钢轨的自动铺设、地下隧道的自动掘进等工程中采用的自动准直测量；精密小尺寸测量中的目标对准和位置偏移测量；现代天文望远镜中的光电导星；军事应用中的激光制导和激光定向等都是这些方面的典型应用。二、作用第73页/共150页第七十三页，共151页。74简单光学目标的形位检测一、几何中心检测法

(一)像分析和像分析器

(二)典型的像分析器

(三)扫描调制和极值检测二、亮度中心检测法

(一)光学像分解

(二)象限探测器第74页/共150页第七十四页，共151页。75

简单光学目标的形位检测

第75页/共150页第七十五页，共151页。76

(一)像分析和像分析器第76页/共150页第七十六页，共151页。77(二)典型的像分析器

1．双通道差分调制式像分析器第77页/共150页第七十七页，共151页。78(二)典型的像分析器

2．单通道扫描调制式像分析器第78页/共150页第七十八页，共151页。79(二)典型的像分析器2．单通道扫描调制式像分析器第79页/共150页第七十九页，共151页。80

(三)扫描调制和极值检测用于测量工件尺寸的两光电装置第80页/共150页第八十页，共151页。81(三)扫描调制和极值检测第81页/共150页第八十一页，共151页。82(三)扫描调制和极值检测第82页/共150页第八十二页，共151页。83二、亮度中心检测法(一)光学像分解第83页/共150页第八十三页，共151页。84(一)光学像分解(1)中心孔式第84页/共150页第八十四页，共151页。85(一)光学像分解(2)分光式第85页/共150页第八十五页，共151页。86(一)光学像分解(3)反射式第86页/共150页第八十六页，共151页。87(一)光学像分解(4)全息分光式第87页/共150页第八十七页，共151页。88

(二)象限探测器第88页/共150页第八十八页，共151页。89

(二)象限探测器1．四象限探测器第89页/共150页第八十九页，共151页。901．四象限探测器

第90页/共150页第九十页，共151页。91(二)象限探测器

2．光电位置传感第91页/共150页第九十一页，共151页。922．光电位置传感第92页/共150页第九十二页，共151页。932．光电位置传感第93页/共150页第九十三页，共151页。94复杂光学图像的扫描检测一、扫描的基本原理和分类

(一)光学图像的扫描光电扫描技术:用一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道，按一定的时间顺序和轨迹串行逐点扫视目标物像空间的各点时，能获得瞬时值与被测目标的光学参数成比例的时序电信号。扫描方法能以单一个窄视场的光电检测通道实现大范围的图像拾取，它既具有宽广的观察测量范围，又具有较高的空间频率和灰度等级的分辨能力。第94页/共150页第九十四页，共151页。95(二)最简单的直线扫描第95页/共150页第九十五页，共151页。96(三)扫描系统的分类和工作参数1．按检测接收器类型(1)具有单一光敏面检测器的扫描；(2)有阵列式接收器的扫描。第96页/共150页第九十六页，共151页。97(三)扫描系统的分类和工作参数2.按瞬时视场在空间的扫描轨迹(1)直线扫描，对指定两点间的线段进行扫描读取，也称行扫描；(2)光栅扫描，在进行一维直线扫描的同时进行另一正交方向的扫描；(3)圆周扫描，沿圆心位置和半径为任意的圆周进行扫描；(4)随机扫描，包括扫描轨迹为螺旋线型、梅花型或按图形边缘跟踪以及中心位置为随机的不同大小的光栅扫描等；(5)沿圆柱面上的螺旋线扫描或沿圆面的空间扫描。第97页/共150页第九十七页，共151页。98(三)扫描系统的分类和工作参数3．按实现扫描的物理方法

(1)机械扫描，例如转鼓和平板扫描；

(2)光学机械扫描，例如多面体反射镜；

(3)利用衍射光栅或全息光栅的扫描；

(4)电磁场控制的电子束偏转扫描；

(5)利用电光、磁光和声光效应的扫描；

(6)利用CCD的移位电场扫描。第98页/共150页第九十八页，共151页。99(三)扫描系统的分类和工作参数4．按扫描的应用目标(1)图片扫描，指对二维的平面图形扫描；(2)实体扫描，指对三维物体的实体图像扫描；(3)搜索扫描，指对地一空、空一地的空间光学目标的扫描。第99页/共150页第九十九页，共151页。100(三)扫描系统的分类和工作参数描述扫描装置的基本参数①扫描周期TK:扫描给定视场并使扫描线恢复初始位置所需的时间。②扫描线密度d和空间分辨率F：扫描装置能分辨的最小宽度称作扫描线密度。能分辨的单位长度内的最高黑白线对数称作扫描装置的空间频率。表示装置分辨图形细节的能力．③扫描变换的直线性和动态范围：输出图像信号的几何畸变和灰度畸变低于容许限度内的最大输入光度和输出电平。④图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽和扫描频率。⑤扫描数据率：单位时间内扫描装置所能发送的图像数据总数．⑥扫描精度：指时序的图像信号与图像的光密度空间分布的正确对应关系第100页/共150页第一百页，共151页。101二、图像扫描扫描技术的一个重要应用方面是用作光学图片的分解与合成，称作图像扫描。它在现在的电视传真、复制、计算机图像输入设备、印刷分色制版、雕版等有关图像的生成、处理等行业中有很大的实用性。可用作图像扫描的装置有各种形式，大致可分为：机械扫描、电子束扫描和光束扫描。第101页/共150页第一百零一页，共151页。102二、图像扫描（一）机械扫描第102页/共150页第一百零二页，共151页。103(二)电子束扫描第103页/共150页第一百零三页，共151页。104(三)激光束扫描随着电光学和信息光学的发展，继电子束扫描之后，光束扫描技术表现出诱人的应用活力。借助使有良好指向性的激光束按一定规律偏转的方法相继研制出了激光大屏幕电视，激光束显示系统，激光阅读和印刷机、复印机等图像装置。此外，光束扫描也适用于高密度光信息存贮器的写入和读出以及激光声像光盘等存贮技术中。使激光束扫描的装置称作光束扫描器或光学扫描器。目前，用得最多的有四种类型：多面反射镜转鼓；检流计振镜；声光偏转器和全息光栅扫描器。第104页/共150页第一百零四页，共151页。1051．多面反射镜转鼓第105页/共150页第一百零五页，共151页。1062．检流计振镜第106页/共150页第一百零六页，共151页。1073．声光偏转器第107页/共150页第一百零七页，共151页。1084．全息光栅扫描器第108页/共150页第一百零八页，共151页。109三、实体扫描实体扫描大致可分为：对直线运动物体的扫描对静止物体的扫描对空间特定目标的搜索扫描第109页/共150页第一百零九页，共151页。110(一)直线运动物体的扫描1．光学飞象扫描方式第110页/共150页第一百一十页，共151页。111(一)直线运动物体的扫描2．光学飞点扫描方式第111页/共150页第一百一十一页，共151页。112(一)直线运动物体的扫描3．光学混合扫描方式第112页/共150页第一百一十二页，共151页。113

(二)静止物体的扫描第113页/共150页第一百一十三页，共151页。114

(三)空间搜索扫描在地一空、空一地对运动目标的探测和跟踪中，为了发现辐射目标，不得不在很大的空间范围内进行搜索。但是，通常的目标相对于广阔的背景是极小的，若同时观察整个区域，显然会增加背景噪声引起的假信息。因此，对于此类既要在指定的区域内有较高的空间分辨能力又要有尽可能大的搜索范围的检测问题，需要采用具有小的瞬时视场角的光学系统，使之在每一瞬间只针对一小部分搜索空间，同时按一定规律不断运动以保证观察到大范围的空间区域，这是搜索扫描的一个特点。搜索扫描系统的基本要求是：搜索空间区域的时间要短；目标处于瞬时视场内的时间要长，以便获得必要的有用信息，能保证对角坐标的高分辨本领；结构简单、工作可靠、重量轻、尺寸小等。第114页/共150页第一百一十四页，共151页。1151．行搜索扫描

(三)空间搜索扫描第115页/共150页第一百一十五页，共151页。116

(三)空间搜索扫描2．圆锥型空间扫描第116页/共150页第一百一十六页，共151页。117

(三)空间搜索扫描第117页/共150页第一百一十七页，共151页。118

(三)空间搜索扫描第118页/共150页第一百一十八页，共151页。119三、四象限探测器1、结构通常是由四个光电池排列形成直角坐标，制作在共同的衬底上，彼此电绝缘，有单独的信号输出端。象限之间的间隔称为“死区”，要求死区作的很窄。若“死区”太宽，而入射光斑较小时，就无法判别光斑的位置；“死区”过分狭窄，可能引起信号之间的相互串扰，对工艺的要求也高。第119页/共150页第一百一十九页，共151页。1202、工作原理及应用有光斑投射表面时，各象限光电池的输出信号与所接收的光能量成正比，因此能用以测出光斑的光亮度中心。若光斑形状是有规则的，并已知时，则可借以确定它的几何位置。根据四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间安装角度的不同，可将它的应用方法分作和差电路和直差电路两种。第120页/共150页第一百二十页，共151页。121⑴和差电路四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成水平安装。电路的连接是先计算相邻象限的和，再计算和信号的差。第121页/共150页第一百二十一页，共151页。122设光斑形状为弥散圆，在探测器四象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ上所占的面积分别为S1、S2、S3、S4，光斑半径为r，光斑中心为。光斑的光密度均匀，光斑相对探测器中心O的偏移,测量范围。第122页/共150页第一百二十二页，共151页。123第123页/共150页第一百二十三页，共151页。124测量灵敏度较高，非线性影响较小，对目标光斑的不均匀性适应性较强，适用于高精度的定位测量。但信号处理电路复杂，需要进行多次和差运算。各环节性能的差异会引起测量误差。和差电路的特点第124页/共150页第一百二十四页，共151页。125⑵直差电路四象限探测器的坐标轴线和测量系统基准线间成45°角安装。各象限间的连接按对角线方向相减。第125页/共150页第一百二十五页，共151页。126第126页/共150页第一百二十六页，共151页。127直差电路的特点电路简单。非线性和灵敏度相对较低。第127页/共150页第一百二十七页，共151页。128四、光电位置传感器

PSD（PositionSensitiveDetectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。PSD由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成。光电位置传感器的积分灵敏度是与光敏层上受光斑点相对光敏面中心的偏移位置有关。

1、结构（蚌埠市集成光电技术研究所产品为例）

第128页/共150页第一百二十八页，共151页。129位置分辨率高、光谱响应宽、响应速度快、位置和光强同时测量、不受光斑的约束、可靠性高。光学位置和角度的探测、光学遥测系统、位移和振动测量、激光对中和准直、距离测试、人类运动姿态分析。2、特点3、应用范围第129页/共150页第一百二十九页，共151页。1304、工作原理当一束光落在PSD上，相应于光能量的电荷在入射点产生，电荷通过P型电阻层被电极收集。P型层是均匀一体的电阻层，被电极收集到的光电流与入射点和电极间距成反比。由此可得出如下公式：I1和I2是电极的光电流，L和I0分别代表电极间距和总光电流。第130页/共150页第一百三十页，共151页。131当PSD几何中心设定为坐标原点:第131页/共150页第一百三十一页，共151页。132当PSD一端设定为坐标原点：第132页/共150页第一百三十二页，共151页。1335、分类及转换公式PSD可分一维PSD和二维PSD。PSD光敏面上光点位置可由如下公式得出：这里X1和X2代表每一电极输出信号（光电流），x是光点位置坐标。第133页/共150页第一百三十三页，共151页。134

第134页/共150页第一百三十四页，共151页。1357.4、复杂光学图像的扫描检测光学目标通常是复杂的二维或三维的图形或景物，有着更为复杂的光强分布形式。被测量对象的发光强度不仅随时间改变，而且与坐标位置有关。这些目标的光强分布结构细密、空间频率分布广、灰度层次丰富、动态范围宽。是应用范围最广的光学信息来源。一、检测方法第135页/共150页第一百三十五页，共151页。136为了对复杂目标进行传真、录放、检测、处理和显示、存贮，最基本的变换方法是图像数据的采集和再现。也就是在光信号采集的情况下如何将物体在空间域内的光强分布变换成时域内的电信号的变化，或者在图形再现的情况下如何将时序电信号变换成空间光强的分布。第136页/共150页第一百三十六页，共151页。137在观察和测量复杂图像时，常常希望光电系统具有在大视场范围内精确分辨图形细节能力。虽然可采用有大视场光学系统和多通道并行检测光电器件的组合装置，但这种方法存在着许多困难。例如，像质好、视场大的光路系统本身是复杂的，而从大视场的背景辐射干扰中检测出小尺寸目标物体可能得到的信噪比较低。特别是并行检测需要有一个大面积、高分辨率、有并行输入能力的多像素光电检测器件，这在目前尚难以实现。第137页/共150页第一百三十七页，共151页。138能够同时实现目标信号的空时(或时空)变换和光电(或电光)变换的最常用的技术就是图像扫描。它们在不同类型的图像仪器中是不可缺少的重要环节。工程上真正得到应用的图像采集的方法是光电扫描技术。在这种方法中只用了一个窄视场的光学系统和一个光电检测通道。第138页/共150页第一百三十八页，共151页。139二、黑白激光打印机从功能结构上区分，激光打印机可分为打印控制器和打印引擎两大部分。

打印控制器就是打印机的控制电路，负责接收来自计算机终端或网络的打印命令及相关数据，并指挥打印引擎进行相关动作，属于常规性部件。

打印引擎则根据来自打印控制器的命令进行实际的图像打印工作，激光打印机的实际性能更多取决于打印引擎。

第139页/共150页第一百三十九页，共151页。140

目前，具备打印引擎设计制造能力的只有CANON（佳能）、Minolta（美能达）、Xerox（施乐）、Brother、

SAMSUNG（三星）、Hitachi（日立）等少数几个厂商。各打印机厂商则向这些引擎厂商购买或专门定制打印引擎，然后根据引擎设计出打印控制器及驱动程序，由此形成打印引擎市场与激打整机的二级市场。

第140页/共150页第一百四十页，共151页。141虽然它属于常规的功能型部件，但其设计优劣对打印机的性能和质量都会有些影响。我们可以看到，市面上许多采用相同打印引擎的激光打印机产品，却存在较大的性能差异，其原因就在于不同的打印机厂商采用了不同的控制器设计方案。1、打印控制器第141页/共150页第一百四十一页，共151页。142从功能上说，打印控制器实际上是一台功能完善的专用计算机，它包括I/O接口、处理器、内存和控制接口四大模块，少数高端机型甚至