复杂光学图像的扫描检测..ppt

1、复习：第三节 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。,二、亮度中心检测法 将物体按辐射能量相等的标准分割为两部分，其中心位置称作亮度中心。通过测量与目标物空间的亮度分布相对应的像空间照度分布，确定目标能量中心位置的方法称作亮度中心检测法。,将来自被测目标的光辐射通量相对于系统的测量基准轴分解到不同坐标象限上，再根据这些图像在各象限上能量分布的比例，检测出目标的

2、亮度中心位置。这种确定目标空间位置的方法称作象限分解法。实现辐射通量按坐标象限分界采用的方法： 光学像分解： 利用象限检测器。,（一）光学像分解 在光学系统中附加各种分光元件使入射光束分布向确定的不同方向传播，再在各自终端安装上有单一光敏面的光电元件。分解方式： （1）中心孔式：2上形成x、y；4上形成x和y,(2)分光式：基准光束1透过半反射棱镜2在四象限光电池4上形成x、y方向的偏移信号。反射的光束经反射镜3投射到四象限光电元件5上形成的x和y偏角信号。,(3)反射式：光电元件2的光敏面与输入光束1相背布置。它的中央开有直径和入射光束直径相同的光孔。穿过光孔透过半透明反射镜3，由光电元件4

3、产生x、y方向偏移信号。反射部分的光束由光电元件2接收，形成的x和y偏角信号,(4)全息分光式：,（二） 象限探测器 当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或角来。,光电位置传感器：如图：当入射光点照在光敏面上时，由于偏离基准而产生光生电流I，经运算后即可连续地计算出光点的位置。,第四节 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：只用一个窄视场的光学系统和一

4、个光电检测通道。 扫描：当使该装置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 即：采集空间域的光强分布 时域的电信号,其反过程：在扫描过程中，用图像电信号调制扫描光点的瞬时发光值可以得到再现的光学图像 再现图像电信号（时间域） 光学图像（空间域）,（二）最简单的直线扫描,I0(x),X1=v1*t,S,照度E1(x1),光通量(t)=AE1 =A f(x1)=Af (v1*t),k,kb,B(t)=KbKAf(v1*t),光电变换：U(t)=KAf(v1*t),采集部,再现部,屏上：E2(x2,t)=KEKbKA f (v1，x2

5、/v2) K f (v1，x2/v2),A为光栏截面积，K为光电转换系数，Kb为电光转换系数，KE为光度变换系数,K为灰度变换因子。,X2=v2*t,被测物体经光学系统在像面上得到照度分布为 E1(x1)= f(x1) 在像面上设置带有取样光栏的光电检测元件组成的扫描单元沿像面与时间成正比地作锯齿形直线运动，其方程为 X1=v1*t 1/v1 为空-时转换系数，X1为像面上的位置坐标 取样光栏截取扫描某处的部分像面光强，得到光通量，(t)=AE1=A f(x1)=A f(v1*t) A为光栏截面积。,经光电转换得到时序电信号， U(t)=K A f(v1*t) K 为光电转换系数。 这样，扫描

6、单元实现了被测图像光强分布的 空间 时间 光量 电量的变换。 这个过程同时也是图像数据的采集过程。,然后，将图像电信号经过传输线送到再现端。在这里，发光器件在电信号激励下产生随图像信号变化的发光亮度 B(t)=Kb U(t)=Kb K A f (v1*t) Kb 为电光转换系数。 当发光器件连同透光光栏作扫描运动时，发光点的运动为 X2=v2*t v2 为时-空转换系数，X2为再现端的位置坐标。,在再现光屏上形成随时间位置变化的照度分布E2(x2,t)，并有 E2(x2,t)=KE B(t) =KEKbK A f (v1.t) = KEKbK A f (v1.x2/v2) K f (v1.x2

7、/v2) =K f (x2.v1/v2) KE 为光度变换系数， K 为灰度变换因子。,E1(x1,t)= f (v1.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，仅相差灰度变换因子K和坐标变换因子v1/v2。 K=KEKbK A v1/v2=x1/x2，确定了扫描前后图像空间尺寸的比例。 不失真：两者不变， 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 1.分类（见P.360） （1）按检测接收器的类型分 单一光敏接收器 阵列光敏接收器 （2）按瞬时视场在空间的扫描轨迹分 直线扫描 光栅扫

8、描 圆周扫描 随机扫描 沿圆柱面上的螺旋线或沿圆面的空间扫描,（3）按实现扫描的物理方法分 机械扫描，如转鼓和平板扫描 电磁场控制的电子束偏转扫描 光学机械扫描，如多面体反光镜 利用衍射光栅和全息光栅的扫描 利用电光、声光、磁光效应的扫描 利用CCD等成像器件的移位电场扫描 （4）按扫描的应用目标分 图片扫描 实体扫描 搜索扫描,2.基本参数 扫描周期TK：扫描给定的视场并使扫描线恢复初始位置所需的时间。表明装置快速动作能力 扫描线密度d：扫描装置能分辨的最小宽度。 空间分辨率F：能分辨的单位长度内的最高黑 白线对数。 扫描变换的直线性动态范围：输出图像信号的几何畸变灰度畸变低于容许限度内的最

9、大输入光度输出电平。,图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽扫描 频率。 扫描数据率：在单位时间内扫描装置所能发送 的图像数据总数。 扫描精度：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。,二、光束的扫描技术 根据应用目的不同可分为两种类型： 一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，它能描述光束的连续位移； 另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变” 前者主要用于各种显示， 后者则主要用于光存储。,1. 机械扫描 机械扫描技术是目前最成熟的一种扫描方法。如果只需要改变光束的方向，既可采用机械扫描方法。机械扫描技术是利用反射镜或棱镜等光学元件的旋转或振动

10、实现光束扫描。 图2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平面反射镜上，当平面镜转动时，平面镜反射的激光束的方向就会发生改变，达到光束扫描的目的。,机械扫描方法虽然原始，扫描速度慢，但其扫描角度大而且受温度影响小，光的损耗小，而且适用于各种光波长的扫描。因此，机械扫描方法在目前仍是一种常用的光束扫描方法。它不仅可用在各种显示技术中，而且还可用在微型图案的激光加工装置中。,2.电光扫描 电光扫描是利用电光效应来改变光束在空间的传播方向，其原理如图3所示。,光束沿y方向入射到长度为L，厚度为d 的电光晶体，如果晶体的折射率是坐标x 的线性函数，即 用折射率的线性变化 代替了 那么光

11、束射出晶体后的偏转角 可根据折射定律求得。设,则 式中的负号由坐标系引进，即 由 y 转向 x 为负,3.电光数字式扫描 它是由电光晶体和双折射晶体组合而成，其结构原理如图4所示。 图中S 为KDP晶体， B 为方解石双折射晶体（分离棱镜）， 它能使线偏振光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b为分裂度， 为分裂角（也称离散角）。,上述电光晶体和双折射晶体就构成了一个一级数字扫描器。 入射的线偏振光：随在电光晶体上加和不加半波电压而分别占据两个“地址”之一， 分别代表“l”和“0”状态。,若把n 个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n 级数字式扫描。 图5所示为一个三级数字式扫描器，使入

12、射光分离为23个扫描点的情况。,4. 声光扫描 声光扫描器的结构与布拉格声光调制器基本相同，所不同之处在于调制器是改变衍射光的强度，而扫描器则是利用改变声波频率来改变衍射光的方向。,三、图像扫描(P361-364) （一）机械扫描 滚筒式 平板式 （二）电子束扫描 （三）激光束扫描 1. 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中，入射角周期性地由小到大循环变化，使反射光束的方向反复改变而实现扫描。,图a：采用柱形多面体 图b：采用锥形多面体，常用（扫描速度快，扫描角度大，精度很高，分辨率高，但工艺复杂，成本高） 2. 检流计振镜 读出部分：用氦氖激光器 写入部分：用Ar离子激光器 扫描振镜同时对两束光同步扫描，用读出信号控制写入激光束的调整器。,3. 声光偏转器 入射到透明介质中的光会受到同时传播的声波的影响。声波的波阵面使入射光反射形成1级衍射光。其衍射角 与声波的频率成正比有： 式中 v为声波的相速， 为入