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(diǎn)，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)要求直接探測法第五章輻射信號檢測光信號的直接檢測，就是光通量的測量：光學(xué)信號有各種不同的變化形式，一般光電系統(tǒng)所處理的輸入信號是輻射光通量的變化。即信號處理的直接對象都是光通量，即便是光強(qiáng)隨空間變化的成像測量，歸根結(jié)底也可以變換為光通量的隨時(shí)間變化。光通量隨時(shí)間變化有三種類型：光通量不隨時(shí)間變化；光通量隨時(shí)間緩慢變化；光通量隨時(shí)間周期性變化：可用信號的振幅（振幅型）、頻率（頻率型）和相位（相位型）來表征，直流的或變化緩慢的信號采用振幅測量法，而時(shí)間脈沖信號多采用頻率或相位測量法。第五章輻射信號檢測二、直接探測法了解和掌握光通量的一般測量方法，對于光電檢測系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是最基本的知識。第五章輻射信號檢測待測目標(biāo)（或含背景）直接或經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像會聚后，照射到探測器的光敏面上，探測器將其光強(qiáng)信號（光通量）直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流/電壓，經(jīng)后續(xù)處理（放大、濾波、信號處理）后輸出。二、直接探測法檢測系統(tǒng)原理框圖第五章輻射信號檢測主動式輻射:輻射光照射目標(biāo),然后由目標(biāo)反射。被動式輻射:沒有人工輻射源，而是被測對象本身的輻射或借助自然光的輻射。關(guān)鍵問題：抑制背景干擾設(shè)計(jì)合理的檢測系統(tǒng)輻射信號：通常指紅外波段內(nèi)的輻射，波長0.78~1000μm。第五章輻射信號檢測二、直接探測法常見光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)場鏡：工作在物鏡像面附近的透鏡，主要作用是提高邊緣光束入射到探測器的能力,場鏡放置在像面附近可讓出像面位置放置調(diào)盤,使探測器光敏面上的光照均勻化,使用平像場鏡可獲得平場像面。1.光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制盤：將可見光的幅度、相位變化變?yōu)橹芷谛盘?。第五章輻射信號檢測雙反射鏡卡氏系統(tǒng)二、直接探測法雙反射光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：減小鏡筒的重量和尺寸結(jié)構(gòu);缺點(diǎn)：次鏡把中間的一部分優(yōu)質(zhì)光擋掉，并且一旦視場和相對孔徑變大，像質(zhì)會變壞。第五章輻射信號檢測二、直接探測法光錐與場鏡的選擇？光錐：會聚作用，減小探測器面積。作用：主要由主光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)決定。當(dāng)F>2，采用場鏡較合適；而當(dāng)F≤1，用光錐適宜；當(dāng)F數(shù)1～2之間，可用帶場鏡光錐。一種空腔圓錐或具有合適折射率材料的實(shí)心或空心圓鏡，內(nèi)壁具有高反射率，其大端放在物鏡的焦面附近。光的調(diào)制第五章輻射信號檢測調(diào)制：

將信息加載到介質(zhì)載體的過程稱為調(diào)制解調(diào)：

從已調(diào)制的信息中分離并提出有用信息（恢復(fù)原始信息）的過程稱為解調(diào)。光的調(diào)制：

將信息加載到光載波上，并使光的參量（振幅、頻率、相位、光功率、脈沖時(shí)間、傳播方向、偏振方向、光學(xué)介質(zhì)的折射率等）發(fā)生變化的過程稱為光的調(diào)制。一般分類：

模擬調(diào)制AM、FM、PM；

脈沖調(diào)制PAM、PPM、PFM、PWM；

數(shù)字調(diào)制按實(shí)現(xiàn)方法分：內(nèi)調(diào)制是從發(fā)光器內(nèi)部采取措施，使光受到調(diào)制。如在氦氖激光器上加上軸向磁場，利用塞曼效應(yīng)使光頻發(fā)生分裂實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。又如改變半導(dǎo)體激光器的注入電流，使光頻和光強(qiáng)按注入電流的變化規(guī)律變化。外調(diào)制是在光傳播過程中進(jìn)行調(diào)制，使用各種調(diào)制器實(shí)現(xiàn)，各種機(jī)械、光學(xué)、電磁元件實(shí)現(xiàn)調(diào)制，如調(diào)制盤、光柵、電磁線圈等。再如電光調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制等各種調(diào)制器。按次數(shù)分：一次、二次。二次調(diào)制：將光載波先人為地調(diào)制成隨時(shí)間或空間變化，然后再將被測信息調(diào)制到光載波上。按時(shí)空狀態(tài)分：時(shí)間調(diào)制、空間調(diào)制、時(shí)空混合調(diào)制。提高系統(tǒng)的探測能力和分辨力，抑制背景的干擾，抑制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場的干擾，提高系統(tǒng)在信息傳遞和測試過程中的穩(wěn)定性。緩變信號經(jīng)調(diào)制后變?yōu)榻蛔冃盘枺@樣可用交流前置放大器，避免了直流放大器的零點(diǎn)漂移。大背景成像到調(diào)制盤上，將覆蓋整個或大部分調(diào)制盤面積，所以背景輻射只改變調(diào)制信號的直流分量。通過濾波器可以濾掉其直流分量，達(dá)到過濾背景的作用。經(jīng)調(diào)制和窄帶濾波后，可以消除探測器和前置放大器的低頻噪聲。采用特殊設(shè)計(jì)的調(diào)制盤可以判別輻射信號的幅值和相位。2.調(diào)制的目的和優(yōu)點(diǎn)安裝在光學(xué)系統(tǒng)的像平面上，位于探測器前，目標(biāo)與調(diào)制盤相對運(yùn)動時(shí)，透光和不透光的格柵切割像點(diǎn)調(diào)制成周期性的強(qiáng)度調(diào)制信號。調(diào)制波形由光束截面形狀和大小以及調(diào)制盤圖形結(jié)構(gòu)決定，調(diào)制頻率由調(diào)制盤中透光扇形的個數(shù)以及調(diào)制盤的轉(zhuǎn)速決定。調(diào)制盤

機(jī)械調(diào)制法（如調(diào)制盤）是光電檢測中應(yīng)用最多的方法，此外還有干涉調(diào)制法、偏振面旋轉(zhuǎn)調(diào)制法、雙折射調(diào)制法和聲光調(diào)制法等。

3調(diào)制盤對背景信號的空間濾波

調(diào)制盤安放在接收機(jī)內(nèi)

而不加調(diào)制時(shí)加調(diào)制時(shí)調(diào)制盤空間濾波調(diào)制盤安放在發(fā)射機(jī)內(nèi)

只有輻射信號被調(diào)制，而背景沒有被調(diào)制。則入射到探測器上的總輻射為：探測器輸出電流經(jīng)放大過濾后，只保留交流信號，即：

這種方法的濾波效果最佳，能消除背景輻射的干擾。幅度調(diào)制盤、相位調(diào)制盤、頻率調(diào)制盤。調(diào)制盤類型：調(diào)制盤優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制盤缺點(diǎn)：方法簡單；造價(jià)低廉。體積大，大部分盤區(qū)處在待工作狀態(tài)；機(jī)械轉(zhuǎn)動容易帶來震動，在某些場合不適合。調(diào)幅型調(diào)制盤調(diào)幅信號為：調(diào)制盤上明暗相間格（齒）數(shù)對的數(shù)目或孔數(shù)目調(diào)制盤的旋轉(zhuǎn)頻率旋轉(zhuǎn)光閘測速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)制直流通量三、幾何光學(xué)方法的光電信息變換利用頻閃式轉(zhuǎn)速表測速物體在視野中消失后，人眼視網(wǎng)膜上能在一段時(shí)間內(nèi)保持視覺印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時(shí)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(shí),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%。三、幾何光學(xué)方法的光電信息變換調(diào)相型調(diào)制盤

相位調(diào)制盤雙調(diào)制盤下半部

制成半透區(qū)，作為目標(biāo)的相位調(diào)制。對目標(biāo)進(jìn)行調(diào)制時(shí)將調(diào)制盤置于像面即物鏡焦面上。像點(diǎn)位于調(diào)制盤的不同徑向位置上，所占透明區(qū)的面積不同，透過的通量W也不同。初升太陽式調(diào)制盤上半部由透光與不透光的等間隔扇形面相間組成，作為目標(biāo)的幅度調(diào)制。問題：為什么要在下半部做半透明區(qū)？缺點(diǎn)：不同波段透過率不同。雙調(diào)制的實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制盤只要目標(biāo)像偏離該調(diào)制盤的中心，盤轉(zhuǎn)動時(shí)將產(chǎn)生調(diào)制信號；調(diào)制信號的頻率不同就可得知目標(biāo)像所處調(diào)制盤上的位置，就可獲得偏離量的大小。缺點(diǎn)：不能反映相位角。頻率調(diào)制盤由多個同心環(huán)帶組成，各環(huán)帶所分格子數(shù)不同，由內(nèi)向外每增一個環(huán)帶格子數(shù)增加一倍；4f8f將半透明下半?yún)^(qū)改成透光與不透光等寬的同心半圓環(huán)，且?guī)Лh(huán)很密，使得不論何等待測大小的目標(biāo)通過該區(qū)時(shí)，透射比均為50％。將上半?yún)^(qū)中的扇形面沿盤的徑向再行分格，分成透光與不透光相間的格子，每個格子的面積大小相等，即所謂等面積原則。這一改進(jìn)的重要作用是抑制非目標(biāo)的背景。制導(dǎo)中常用的調(diào)幅式調(diào)制盤改進(jìn)的雙調(diào)制盤光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當(dāng)測頭置于空氣中沒接觸液面時(shí)，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射而回到光電二極管。當(dāng)測頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同，全內(nèi)反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?表明測頭已接觸到液位。折射率光強(qiáng)度調(diào)制-幾種光纖液位傳感器根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會引起光纖中線偏振光的偏轉(zhuǎn)；檢測偏轉(zhuǎn)角的大小，就可得到相應(yīng)電流值。

偏振調(diào)制-光纖電流傳感器頻率調(diào)制-多普勒頻移測速S為光源P為運(yùn)動物體Q是觀察者所處的位置若物體P的運(yùn)動速度為v、方向與PS及PQ的夾角分別為θ1和θ2、則從S發(fā)出的頻率為f1的光經(jīng)過運(yùn)動物體P散射，觀察者在Q處觀察到的頻率為f2。根據(jù)多普勒原理可得：備注：目前主要利用光學(xué)多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。此時(shí)使用光纖，光纖只起傳輸光信號的作用，不作為敏感元件。光纖有傳光型和傳感型之分?；赟agnac效應(yīng)，在一個光纖線圈中引導(dǎo)兩個反向傳播光束，當(dāng)旋轉(zhuǎn)光纖線圈時(shí)，按順時(shí)和逆時(shí)針方向傳播的兩光束產(chǎn)生時(shí)間差或相位差，其時(shí)間差或相位差正比于線圈旋轉(zhuǎn)的角速度。相位調(diào)制-光纖陀螺儀第五章輻射信號檢測內(nèi)容總結(jié)再見！15七月2025《光電檢測技術(shù)及應(yīng)用》第5章輻射信號檢測任課教師：張

寧目錄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(diǎn)，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)要求直接檢測法：適于強(qiáng)光檢測，利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息，直接把光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，所以受探測器響應(yīng)時(shí)間限制，只能響應(yīng)其平均能量或平均功率。光外差探測第五章輻射信號檢測三、光外差探測

三、光外差探測光外差探測法光外差探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖信號光波和本振光波相干，通過分析混頻信號提取待測物理量的方法。入射到探測器件的總光強(qiáng)信號光束本振信號探測器件輸出的光電流三、光外差探測

第5章輻射信號檢測三、光外差探測法光外差檢測可獲得全部信息外差檢測中，光檢測器輸出的電流不僅與信號光和本振光的光波振幅成正比，而且輸出電流的頻率與相位還和合成振動頻率和相位相關(guān)。因此，外差檢測不僅可檢測振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號，還可以檢測頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號。注：該信號包含調(diào)制信號的振幅信息和頻率特征，當(dāng)然還有相位特征信息，只要知道參考光的信息，通過檢測拍頻信號就可以解調(diào)出信號光波的全部信息。

外差干涉信號，測拍頻信號的頻率和相位，如多普勒測速儀、激光陀螺儀等。特殊情況：

，零差探測，

，如單頻雙光束干涉后形成穩(wěn)定干涉條紋，通過條紋計(jì)數(shù)可測位移等；三、光外差探測條件：空間-角準(zhǔn)直頻率-足夠近偏振-方向一致信號光與本振光具有高度單色性和頻率穩(wěn)定度。常取自同一激光器，信號通過調(diào)制得到，本振光通過頻率偏移取得。如：激光干涉測長儀-相位調(diào)制偏心輪轉(zhuǎn)速外差檢測裝置原理示意圖穩(wěn)頻的二氧化碳激光光源經(jīng)過分束鏡分成兩路：一路經(jīng)反射作為本振光波，頻率為ωL，另一路經(jīng)偏心輪反射，聚焦到可變光闌上作為信號光束。偏心輪轉(zhuǎn)動相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為ωS。可變光闌用來限制兩光束射向光電檢測器的空間方向，線柵偏振鏡用來使兩束光變?yōu)槠穹较蛳嗤南喔晒?，然后兩束光混頻后垂直投射到檢測器上。舉例三、光外差探測

激光由分光器分為兩路光束：一路光束經(jīng)驅(qū)動頻率為的布拉格盒使激光產(chǎn)生分頻移′；另一路光束輸入光纖聲傳感器被聲波相位調(diào)制，兩路光束在復(fù)合器進(jìn)行外差，得頻率為″的聲信息相位調(diào)制信號。相位調(diào)制信號由光敏二極管探測，再由電子學(xué)處理得到聲信息。光纖外差水聽器原理示意圖舉例取差頻信號帶寬為放大器電路的通頻帶，只有通頻帶內(nèi)的雜光產(chǎn)生干擾，其他雜光被濾掉。探測靈敏度光譜濾波特性使本振光功率信號光功率大幾個數(shù)量積是容易做到的，所以外差法的轉(zhuǎn)換增益達(dá)可達(dá)107~108。三、光外差探測法頻差為：若直接探測加光譜濾光片，濾光片帶寬若為100nm

帶寬之比為：

三、光外差探測（Hz）（Hz）響應(yīng)頻帶寬被測兩動態(tài)范圍寬，使得要求探測器的響應(yīng)范圍也相當(dāng)寬。均勻性好探測器的光電性能在整個光敏面上都能保持一致。工作溫度高實(shí)用性考慮。三、光外差探測光外差探測系統(tǒng)對探測器性能的要求激光相干性受大氣湍流效應(yīng)影響嚴(yán)重同時(shí)還受溫度、空氣折射率、聲波擾動等的影響課后：光外差通信、多普勒測速、激光陀螺--工作原理及應(yīng)用四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換1.長、寬尺寸信息的光電變換投影測量法光路圖物體外形尺寸的測量，其基本原理是首先通過瞄準(zhǔn)確定被測物體的輪廓邊緣，然后計(jì)算邊緣標(biāo)志間的長度.

則工件高度為投影放大法被測量經(jīng)投影放大成像，根據(jù)光電傳感器輸出像的大小計(jì)算物體外形尺寸的方法。立式光路臥式光路投影儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖光源聚光鏡保護(hù)玻璃待測物體投影物鏡平面反射鏡投影屏四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換投影儀的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源、聚光鏡、投影物鏡、平面反射鏡和投影屏等組成。其中位于待測物體之前的部分稱為照明系統(tǒng)，位于待測物體之后的部分稱為投影系統(tǒng)(即成像系統(tǒng))。信號處理電路差動法（比較法）雙光路差動法測量物體長度利用被測量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，利用所得輸出差值或比值計(jì)算被測量大小的方法。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換調(diào)整，放入標(biāo)準(zhǔn)尺寸工件，調(diào)整光楔，使微安表讀數(shù)為零；測量時(shí)，若工件尺寸無誤差，測輸出為零，如果輸出不為零，則根據(jù)差值或比值計(jì)算實(shí)際尺寸。2.位移信息的光電變換被檢測物體遮擋部分或全部光束，或掃過入射到光電器件上的光束，通過檢測光電器件接收光通量的變化即可檢測物體的位移量和尺寸。被測對象遮擋實(shí)現(xiàn)位移信息的光電變換四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換第五章輻射信號檢測像點(diǎn)軸上偏移檢測的光焦點(diǎn)法以聚焦光斑光密度分布的集中程度判斷物體軸向位移的方法。光學(xué)系統(tǒng)

光源對被測物體表面照明，使用成像物鏡對該光點(diǎn)成像聚焦。準(zhǔn)確處于物面位置時(shí)，成像狀態(tài)保證像面上有集中的光密度分布。當(dāng)物體沿光軸方向位移時(shí)，像面焦點(diǎn)擴(kuò)散形成彌散圓。四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換像點(diǎn)軸外偏移檢測的像偏移法像偏移法測距原理圖光束照射到被測物體上，用成像物鏡從另外的角度對物體上的光電位置成像，通過三角測量關(guān)系計(jì)算物面軸向偏移量的方法。測量原理圖基于PSD的位移測量系統(tǒng)1、半導(dǎo)體激光器2、驅(qū)動電路3、聚光透鏡4、成像透鏡5、濾光片6、PSD7、前置放大器8、模擬開關(guān)9、取樣放大器10、A/D轉(zhuǎn)換器11、微型計(jì)算機(jī)由此得出像點(diǎn)的橫向偏移量注：同樣的方法找到B入射光點(diǎn)距中心的位置。

測量原理圖基于PSD的位移測量系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過聚光透鏡透射到被測面上，反射后被散射的光由聚光鏡接收，經(jīng)過濾光片后成像在PSD上，產(chǎn)生的信號電流進(jìn)入信號處理裝置，先放大，再經(jīng)多路模擬開關(guān)，取樣放大后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最后將代表光點(diǎn)位置信息的數(shù)字信號輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過起始點(diǎn)A和位移后點(diǎn)B的像的距離，得出被測量之間的位移量。再見！15七月2025《光電檢測技術(shù)及應(yīng)用》第5章輻射信號檢測任課教師：張

寧目錄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(diǎn)，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?yàn)樵摲椒ň哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、測試速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等特點(diǎn)，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(diǎn)沿入射光軸移動。入射點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)上。若被測管內(nèi)壁尺寸沿徑向有一個變化量，即入射光點(diǎn)從B點(diǎn)變化到B’點(diǎn)，此時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，像點(diǎn)也隨之變化，根據(jù)像點(diǎn)位置，可以計(jì)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(shí)測量誤差較大，目標(biāo)面上的點(diǎn)無法成像在PSD像面上，為了使物光點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，若取，則像點(diǎn)位置的檢測R-PSD阻值L-PSD長度S-像點(diǎn)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(jì)數(shù)顯示可直觀地記錄下馬達(dá)的運(yùn)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(shí)間內(nèi)保持視覺印象，即視后暫留現(xiàn)象。其維持時(shí)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(shí),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(shí)間變化的光電信號-幅值法、頻率法、相位法、時(shí)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(shí)隨時(shí)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(shí)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?？叹€中心位于光軸上時(shí)，刻線像剛好與狹縫對齊，透過的光通量為0，透過率為0。刻線未對準(zhǔn)光軸上時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)像在狹縫上作周期性掃描運(yùn)動，使透過狹縫的光通量變成連續(xù)時(shí)間調(diào)制信號，再被狹縫實(shí)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)，