15七月2025《光電檢測技術(shù)及應(yīng)用》第5章輻射信號檢測目錄5.1幾種典型的光學(xué)系統(tǒng)（自學(xué)）5.2直接探測法光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤、調(diào)制盤對背景信號的空間濾波5.3光外差探測法探測原理、光外差探測的特性5.4幾何光學(xué)方法的光電信息變換

長、寬、位移、速度5.5空間分布光信號的檢測方法①釋義直接探測系統(tǒng)與相干探測系統(tǒng)原理及異同；②描述光通量檢測系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)組成；③描述雙反系統(tǒng)和光錐結(jié)構(gòu)原理，探測系統(tǒng)的優(yōu)缺點，各類調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)形式及編碼方法；④歸納激光掃描法、激光三角法測量原理；第五章輻射信號檢測教學(xué)要求激光三角法四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換激光三角法激光三角法是激光測試技術(shù)的一種，也是激光技術(shù)在工業(yè)測試中的一種較為典型的測試方法。因為該方法具有結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實時處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等特點，在長度、距離以及三維形貌等的測試中有廣泛的應(yīng)用。激光器發(fā)出的光線經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物表面。物體移動或其表面變化，導(dǎo)致入射點沿入射光軸移動。入射點處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電探測器(如：PSD或CCD)上，根據(jù)物像之間的三角關(guān)系完成測量。

四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換第五章輻射信號檢測三角測量原理示意圖---直射式結(jié)構(gòu)θ式中:激光三角法---直射式結(jié)構(gòu)θ四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換第五章輻射信號檢測激光三角法---斜射式結(jié)構(gòu)三角測量原理示意圖---斜射式結(jié)構(gòu)

注：斜射式無法知道被測面中某點位移情況，直射式可以。

直射式和斜射式對比：四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換第五章輻射信號檢測激光三角法應(yīng)用激光三角位移傳感器測量管內(nèi)壁形貌原理激光三角位移傳感器固定在管內(nèi)行走的小車上，使傳感器發(fā)出的光束垂直入射于管內(nèi)壁某一點上。若被測管內(nèi)壁尺寸沿徑向有一個變化量，即入射光點從B點變化到B’點，此時激光三角位移傳感器的輸出值反映了該變化量。為獲得管內(nèi)壁的整周信息，步進(jìn)電機(jī)3帶動激光三角位移傳感器繞管中心做整周回轉(zhuǎn)，使光點沿管內(nèi)壁表面轉(zhuǎn)動掃描，量出管內(nèi)壁某截面徑向尺寸。小車在管內(nèi)沿軸向移動，傳感器的轉(zhuǎn)角和軸向位移步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)求出，這樣就完成整個管內(nèi)壁三維形貌測量。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換1-激光三角位移傳感器，2-聯(lián)軸器，3-步進(jìn)電機(jī)4-驅(qū)動輪，5-隨動輪，6-支撐輪，7-被測管內(nèi)壁單點激光三角位移傳感器測量管內(nèi)壁形貌原理激光三角法四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換超快的速度:392kHz超高的精度:±0.02%超高的重復(fù)性:0.005μm全新開發(fā)的“ABLEII”控制全新中等距離傳感器頭:LK-H008/008W/80/82/85/87/150/152/155/157基恩士LK-G5000CMOS激光三角位移傳感器激光三角法激光三角位移傳感器應(yīng)用LH系列傳感器可提供精確的距離、厚度和對準(zhǔn)測量。其應(yīng)用范圍包括熱部件、機(jī)床加工件、半導(dǎo)體和印刷電路板、發(fā)光或反射部件以及柔軟或粘性部件。該系列有三種型號，測量范圍分別為25-35mm、60-100mm和100-200mm。通過將兩個傳感器安裝在目標(biāo)的兩側(cè)并自動同步，可進(jìn)行厚度測量?？蓪⒆疃?2個傳感器輕松組合至多軌位移或厚度傳感器的混合測量網(wǎng)絡(luò)。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換激光三角法應(yīng)用激光三角位移傳感器廣泛用于火車輪輪緣輪廓測量，公路車轍、平整度測量。也可用于非接觸測量位移、三維尺寸、厚度、物體形變、振動、分揀及玻璃表面測量等。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換透明材料（石英玻璃管）厚度的測量石英玻璃管壁厚測量原理由折射定律：由幾何關(guān)系得：光束寬度為：此光束被線陣CCD接收，輸出兩個攜帶有被測玻璃管壁厚信息的光強(qiáng)脈沖信號，經(jīng)電子學(xué)系統(tǒng)采集和數(shù)據(jù)處理后，可以得到h的值。玻璃管壁厚為：石英玻璃管壁厚測量原理待測厚度HBCCCD像尺寸hh=BC

BC=OBcosOB=2HtanBC=2Htancossin=1/nsin

=arcsin(1/nsin)BC=2Htan[arcsin(1/nsin)]cos光三角位移測量系統(tǒng)工作原理圖1-半導(dǎo)體激光器；2-透鏡；3-發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)；4-被測工件；5-成像光學(xué)系統(tǒng)激光三角法---一般結(jié)構(gòu)當(dāng)目標(biāo)面變化時，像點也隨之變化，根據(jù)像點位置，可以計算出位移尺寸?；鶞?zhǔn)面的漫反射光線與光軸重合PSD與光軸垂直時測量誤差較大，目標(biāo)面上的點無法成像在PSD像面上，為了使物光點在軸向的不同位置均能在光電探測器上得到清晰的像，照明光軸、物鏡光軸和光電檢測器的光敏面位置應(yīng)滿足一定的條件，即必須使PSD與光軸成一定角度，如下圖所示。測量原理另光三角成像光學(xué)系統(tǒng)成像原理圖PSD的等效電路模型利用PSD器件的橫向光電效應(yīng)實現(xiàn)，若取，則像點位置的檢測R-PSD阻值L-PSD長度S-像點位置

PSD與光軸的夾角關(guān)系即激光三角法---三種特殊測量情況四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換光電開關(guān)測速a）透過型光電開關(guān)

b)反射型光電開關(guān)光電開關(guān)示意圖被測物體改變電路的通斷狀態(tài)，引起電路的通斷，代表“1”

“0”信號，起到編碼作用。需解決問題:光線的對準(zhǔn)及消除環(huán)境光的干擾。3、速度信息的光電變換四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換反射式光電開關(guān)測量轉(zhuǎn)速示意圖工作原理：利用馬達(dá)轉(zhuǎn)軸上的反射小片，使發(fā)光管的發(fā)射光不斷反射到光敏管上，通過計數(shù)顯示可直觀地記錄下馬達(dá)的運轉(zhuǎn)速率。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換光柵式讀數(shù)裝置四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換光孔板邏輯辨向電路電相移圖用光電開關(guān)測量轉(zhuǎn)速和方向旋轉(zhuǎn)光閘測速（略）1—輻射光源2—聚光鏡3—調(diào)制盤4—調(diào)制盤電動機(jī)用旋轉(zhuǎn)光閘調(diào)制直流通量四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換利用頻閃式轉(zhuǎn)速表測速（略）物體在視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段時間內(nèi)保持視覺印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時間，在物體平均亮度條件下，約為1/5~1/20s的范圍。當(dāng)光源閃光頻率調(diào)節(jié)到與被測轉(zhuǎn)速相等或成整數(shù)倍數(shù)時,被測軸上的標(biāo)志看上去是靜止的,由此可以測得被測轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速表是非接觸式測量儀表，因而特別適用于低功率的被測對象；另外，它的測量精確度高,所以可作為基準(zhǔn)儀器使用。它的測量范圍為300～21000轉(zhuǎn)/分，測量誤差為0.03～0.5%。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換隨時間變化的光電信號-幅值法、頻率法、相位法、時間法隨空間變化的光電信號-幾何中心和幾何形狀檢測、亮度中心檢測、掃描與跟蹤測量同時隨時間和空間變化-F（x，y，z，t）光電信號：變換方法：幾何光學(xué)法-透射、反射、折射、散射、遮光、光學(xué)成像等物理光學(xué)法-干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學(xué)拍頻、偏振等光電子學(xué)法-電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、空間光調(diào)制、光纖傳光與傳感等光學(xué)目標(biāo)：

不考慮被測對象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反差的幾何形體或圖形景物。分為：簡單光學(xué)目標(biāo)＆復(fù)雜圖形景物。簡單光學(xué)目標(biāo)測量應(yīng)用：

大尺寸工件的安裝與加工、高速公路＆鋼軌的自動鋪設(shè)、地下隧道的自動掘進(jìn)等工程的自動準(zhǔn)直測量；小尺寸測量中的目標(biāo)對準(zhǔn)＆位置偏移測量；激光制導(dǎo)等。五、空間分布光信號的檢測方法一、幾何中心檢測法（一）定義

光學(xué)目標(biāo)＆其襯底間的光學(xué)反差構(gòu)成了物體的外形輪廓，輪廓尺寸的中心位置稱作它的幾何中心（G0）。其坐標(biāo)為:xG0=1/2?(x1+x2)x1x2xG0五、空間分布光信號的檢測方法

通過測量物體的輪廓分布確定物體中心位置的方法，稱作幾何中心檢測法。如：差分法、調(diào)制法、補(bǔ)償法和跟蹤法。（二）原理

像分析：通過分析被測物體在像面上的幾何中心相對于像面基準(zhǔn)的偏移情況，從而確定該物體在空間位置的方法。

像分析器：（1）定義：一種能將幾何形位信息調(diào)制到載波光通量上形成光學(xué)調(diào)制的調(diào)制器，是幾何量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量的G/O變換器。（2）基本原理：將被測物體的光學(xué)像相對于像面基準(zhǔn)的幾何坐標(biāo)變換為通過該基準(zhǔn)某一取樣窗口的光通量，通過檢測該光通量的變化來解調(diào)出物體的坐標(biāo)位置。五、空間分布光信號的檢測方法二、亮度中心檢測法（一）定義光學(xué)目標(biāo)的亮度分布是光輻射能量沿空間分布。將物體按輻射能量相等的標(biāo)準(zhǔn)分割為兩部分，起中心位置稱作亮度中心。通過測量目標(biāo)物空間的亮度分布相對應(yīng)的像空間照度分布，確定目標(biāo)能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法。五、空間分布光信號的檢測方法（二）原理將來自被測目標(biāo)的光輻射通量相對于系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)軸分解到不同坐標(biāo)象限上，再根據(jù)這些圖像在各象限傷能量分布的比例，檢測出目標(biāo)的亮度中心位置。確定目標(biāo)空間位置的方法稱作象限分解法。實現(xiàn)輻射通量按坐標(biāo)象限分界采用的方法：光學(xué)像分解；利用象限檢測器。五、空間分布光信號的檢測方法一、幾何中心檢測法1、單通道像空間分析器舉例：確定精密線紋尺刻線定位的靜態(tài)光電顯微鏡原理圖五、空間分布光信號的檢測方法光源

聚光鏡

分光鏡

物鏡

照亮被測線紋尺上的刻線?？叹€尺上的刻線被物鏡成像到狹縫所在的平面上，由光電檢測器檢測光通量的變化，通過光通量的變化進(jìn)行線紋尺定位。刻線中心位于光軸上時，刻線像剛好與狹縫對齊，透過的光通量為0，透過率為0?？叹€未對準(zhǔn)光軸上時，刻線像中心亦偏離狹縫中心，有光通過，透過率不為0。當(dāng)刻線偏離光軸較大時，其像完全偏離狹縫，光通量透過率最大。--光通量輸出為零對應(yīng)刻線的正確定位位置。四、空間分布光信號的檢測方法取儀器的狹縫寬l與刻線的像寬b相等，狹縫高h(yuǎn)與像高d相等。光電器件接收的光通量為狹縫窗口照度分布為取樣窗口函數(shù)為則定位特性為：理想情況的定位特性為：五、空間分布光信號的檢測方法像分析器的基本要求？2、掃描調(diào)制式像分析器與靜態(tài)光電顯微鏡增加了用于調(diào)制的振動反射鏡，實現(xiàn)像在狹縫上作周期性掃描運動，使透過狹縫的光通量變成連續(xù)時間調(diào)制信號，再被狹縫實現(xiàn)幅度調(diào)制，最后由光電器件得到連續(xù)的幅度調(diào)制輸出，又叫掃描調(diào)制。要求：狹縫寬l=刻線像寬b=狹縫像振幅A。依據(jù)：光通量的變化頻率。五、空間分布光信號的檢測方法掃描調(diào)制式像分析器波形圖五、空間分布光信號的檢測方法3、差動式像分析器與動態(tài)光電顯微鏡將兩狹縫A、B后的各自光電接收電路差分連接，則檢測器的差分輸出比原來擴(kuò)大一倍，光源波動影響減小，曲線斜率也增加一倍。五、空間分布光信號的檢測方法

在像面上共軛地放置兩個狹縫1和2，通過分光元件3得到的兩個線像分別成像于狹縫面上，狹縫中心距等于線像寬，兩個狹縫的定位特性具有類似的形狀，如上圖。將兩狹縫后的各自光電接收電路差分連接，則檢測器的差分輸出可利用非線性圖解法得到。在線性區(qū)內(nèi)，定位特性可表示為

其中，E0為照明光強(qiáng)，h為狹縫高，?x為線像中心相對狹縫中心的偏移量。然后利用相敏檢波方法即可分離出被檢測的位置偏移。五、空間分布光信號的檢測方法二、亮度中心檢測法（一）定義光學(xué)目標(biāo)的亮度分布是光輻射能量沿空間分布。將物體按輻射能量相等的標(biāo)準(zhǔn)分割為兩部分，起中心位置稱作亮度中心。通過測量目標(biāo)物空間的亮度分布相對應(yīng)的像空間照度分布，確定目標(biāo)能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法。五、空間分布光信號的檢測方法（二）原理將來自被測目標(biāo)的光輻射通量相對于系統(tǒng)的測量基準(zhǔn)軸分解到不同坐標(biāo)象限上，再根據(jù)這些圖像在各象限傷能量分布的比例，檢測出目標(biāo)的亮度中心位置。確定目標(biāo)空間位置的方法稱作象限分解法。實現(xiàn)輻射通量按坐標(biāo)象限分界采用的方法：光學(xué)像分解；利用象限檢測器。五、空間分布光信號的檢測方法1、光學(xué)像分解在光學(xué)系統(tǒng)中附加各種分光元件使入射光束分布向確定的不同方向傳播，再在各自終端安裝上有單一光敏面的光電元件。a）光學(xué)零件正四面反射錐體：入射光束以錐尖為坐標(biāo)原點將光束分解為直角坐標(biāo)的四個象限。五、空間分布光信號的檢測方法光導(dǎo)纖維束：一束輸入端位于物鏡焦面上的光導(dǎo)纖維束，光纖束按截面的位置分為四個分束，每一個分束的輸出端裝置在光電接收器的敏感面上。五、空間分布光信號的檢測方法b）分解方式中心孔式：測量光束1的一部分經(jīng)空心四棱錐體3的頂端中心孔射向后置的反射錐體5上。中心孔直徑小于光束直徑。當(dāng)光束有一定傾角時，透過中心孔的光束以不同比例被反射體5分解。并由光電元件4接收，產(chǎn)生θx