《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用 第3版 》課件 第五章 輻射信號(hào)檢測(cè)

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

長(zhǎng)、寬、位移、速度5.5空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法①釋義直接探測(cè)系統(tǒng)與相干探測(cè)系統(tǒng)原理及異同；②描述光通量檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，各類(lèi)調(diào)制盤(pán)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(cè)量原理；第五章輻射信號(hào)檢測(cè)教學(xué)要求直接探測(cè)法第五章輻射信號(hào)檢測(cè)光信號(hào)的直接檢測(cè)，就是光通量的測(cè)量：光學(xué)信號(hào)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(hào)是輻射光通量的變化。即信號(hào)處理的直接對(duì)象都是光通量，即便是光強(qiáng)隨空間變化的成像測(cè)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(lèi)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(hào)的振幅（振幅型）、頻率（頻率型）和相位（相位型）來(lái)表征，直流的或變化緩慢的信號(hào)采用振幅測(cè)量法，而時(shí)間脈沖信號(hào)多采用頻率或相位測(cè)量法。第五章輻射信號(hào)檢測(cè)二、直接探測(cè)法了解和掌握光通量的一般測(cè)量方法，對(duì)于光電檢測(cè)系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是最基本的知識(shí)。第五章輻射信號(hào)檢測(cè)待測(cè)目標(biāo)（或含背景）直接或經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像會(huì)聚后，照射到探測(cè)器的光敏面上，探測(cè)器將其光強(qiáng)信號(hào)（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(hào)處理）后輸出。二、直接探測(cè)法檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖第五章輻射信號(hào)檢測(cè)主動(dòng)式輻射:輻射光照射目標(biāo),然后由目標(biāo)反射。被動(dòng)式輻射:沒(méi)有人工輻射源，而是被測(cè)對(duì)象本身的輻射或借助自然光的輻射。關(guān)鍵問(wèn)題：抑制背景干擾設(shè)計(jì)合理的檢測(cè)系統(tǒng)輻射信號(hào)：通常指紅外波段內(nèi)的輻射，波長(zhǎng)0.78~1000μm。第五章輻射信號(hào)檢測(cè)二、直接探測(cè)法常見(jiàn)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)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(cè)器的能力,場(chǎng)鏡放置在像面附近可讓出像面位置放置調(diào)盤(pán),使探測(cè)器光敏面上的光照均勻化,使用平像場(chǎng)鏡可獲得平場(chǎng)像面。1.光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制盤(pán)：將可見(jiàn)光的幅度、相位變化變?yōu)橹芷谛盘?hào)。第五章輻射信號(hào)檢測(cè)雙反射鏡卡氏系統(tǒng)二、直接探測(cè)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(chǎng)和相對(duì)孔徑變大，像質(zhì)會(huì)變壞。第五章輻射信號(hào)檢測(cè)二、直接探測(cè)法光錐與場(chǎng)鏡的選擇？光錐：會(huì)聚作用，減小探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(hào)檢測(cè)調(diào)制：

將信息加載到介質(zhì)載體的過(guò)程稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為光的調(diào)制。一般分類(lèi)：

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(chǎng)，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(guò)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(pán)、光柵、電磁線(xiàn)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(cè)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(cè)能力和分辨力，抑制背景的干擾，抑制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的固有噪聲和外部電磁場(chǎng)的干擾，提高系統(tǒng)在信息傳遞和測(cè)試過(guò)程中的穩(wěn)定性。緩變信號(hào)經(jīng)調(diào)制后變?yōu)榻蛔冃盘?hào)，這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(pán)上，將覆蓋整個(gè)或大部分調(diào)制盤(pán)面積，所以背景輻射只改變調(diào)制信號(hào)的直流分量。通過(guò)濾波器可以濾掉其直流分量，達(dá)到過(guò)濾背景的作用。經(jīng)調(diào)制和窄帶濾波后，可以消除探測(cè)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(pán)可以判別輻射信號(hào)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(cè)器前，目標(biāo)與調(diào)制盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(hào)。調(diào)制波形由光束截面形狀和大小以及調(diào)制盤(pán)圖形結(jié)構(gòu)決定，調(diào)制頻率由調(diào)制盤(pán)中透光扇形的個(gè)數(shù)以及調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。調(diào)制盤(pán)

機(jī)械調(diào)制法（如調(diào)制盤(pán)）是光電檢測(cè)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(pán)對(duì)背景信號(hào)的空間濾波

調(diào)制盤(pán)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(pán)空間濾波調(diào)制盤(pán)安放在發(fā)射機(jī)內(nèi)

只有輻射信號(hào)被調(diào)制，而背景沒(méi)有被調(diào)制。則入射到探測(cè)器上的總輻射為：探測(cè)器輸出電流經(jīng)放大過(guò)濾后，只保留交流信號(hào)，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(pán)、相位調(diào)制盤(pán)、頻率調(diào)制盤(pán)。調(diào)制盤(pán)類(lèi)型：調(diào)制盤(pán)優(yōu)點(diǎn)：調(diào)制盤(pán)缺點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單；造價(jià)低廉。體積大，大部分盤(pán)區(qū)處在待工作狀態(tài)；機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)容易帶來(lái)震動(dòng)，在某些場(chǎng)合不適合。調(diào)幅型調(diào)制盤(pán)調(diào)幅信號(hào)為：調(diào)制盤(pán)上明暗相間格（齒）數(shù)對(duì)的數(shù)目或孔數(shù)目調(diào)制盤(pán)的旋轉(zhuǎn)頻率旋轉(zhuǎn)光閘測(cè)速1—輻射光源2—聚光鏡3—調(diào)制盤(pán)4—調(diào)制盤(pán)電動(dòng)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(cè)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(jué)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(cè)轉(zhuǎn)速相等或成整數(shù)倍數(shù)時(shí),被測(cè)軸上的標(biāo)志看上去是靜止的,由此可以測(cè)得被測(cè)轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速表是非接觸式測(cè)量?jī)x表，因而特別適用于低功率的被測(cè)對(duì)象；另外，它的測(cè)量精確度高,所以可作為基準(zhǔn)儀器使用。它的測(cè)量范圍為300～21000轉(zhuǎn)/分，測(cè)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(pán)

相位調(diào)制盤(pán)雙調(diào)制盤(pán)下半部

制成半透區(qū)，作為目標(biāo)的相位調(diào)制。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)制時(shí)將調(diào)制盤(pán)置于像面即物鏡焦面上。像點(diǎn)位于調(diào)制盤(pán)的不同徑向位置上，所占透明區(qū)的面積不同，透過(guò)的通量W也不同。初升太陽(yáng)式調(diào)制盤(pán)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(wèn)題：為什么要在下半部做半透明區(qū)？缺點(diǎn)：不同波段透過(guò)率不同。雙調(diào)制的實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制盤(pán)只要目標(biāo)像偏離該調(diào)制盤(pán)的中心，盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)；調(diào)制信號(hào)的頻率不同就可得知目標(biāo)像所處調(diào)制盤(pán)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(pán)由多個(gè)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(gè)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(cè)大小的目標(biāo)通過(guò)該區(qū)時(shí)，透射比均為50％。將上半?yún)^(qū)中的扇形面沿盤(pán)的徑向再行分格，分成透光與不透光相間的格子，每個(gè)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(pán)改進(jìn)的雙調(diào)制盤(pán)光纖測(cè)頭端有一個(gè)圓錐體反射器。當(dāng)測(cè)頭置于空氣中沒(méi)接觸液面時(shí)，光線(xiàn)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(cè)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(xiàn)透入液體內(nèi)，使返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?表明測(cè)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(chǎng)會(huì)引起光纖中線(xiàn)偏振光的偏轉(zhuǎn)；檢測(cè)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(cè)速S為光源P為運(yùn)動(dòng)物體Q是觀察者所處的位置若物體P的運(yùn)動(dòng)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(guò)運(yùn)動(dòng)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(hào)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(gè)光纖線(xiàn)圈中引導(dǎo)兩個(gè)反向傳播光束，當(dāng)旋轉(zhuǎn)光纖線(xiàn)圈時(shí)，按順時(shí)和逆時(shí)針?lè)较騻鞑サ膬晒馐a(chǎn)生時(shí)間差或相位差，其時(shí)間差或相位差正比于線(xiàn)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(hào)檢測(cè)內(nèi)容總結(jié)再見(jiàn)！15七月2025《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第5章輻射信號(hào)檢測(cè)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(cè)法光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤(pán)、調(diào)制盤(pán)對(duì)背景信號(hào)的空間濾波5.3光外差探測(cè)法探測(cè)原理、光外差探測(cè)的特性5.4幾何光學(xué)方法的光電信息變換

長(zhǎng)、寬、位移、速度5.5空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法①釋義直接探測(cè)系統(tǒng)與相干探測(cè)系統(tǒng)原理及異同；②描述光通量檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，各類(lèi)調(diào)制盤(pán)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(cè)量原理；第五章輻射信號(hào)檢測(cè)教學(xué)要求直接檢測(cè)法：適于強(qiáng)光檢測(cè)，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(hào)的變化，所以受探測(cè)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(cè)第五章輻射信號(hào)檢測(cè)三、光外差探測(cè)

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

第5章輻射信號(hào)檢測(cè)三、光外差探測(cè)法光外差檢測(cè)可獲得全部信息外差檢測(cè)中，光檢測(cè)器輸出的電流不僅與信號(hào)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(dòng)頻率和相位相關(guān)。因此，外差檢測(cè)不僅可檢測(cè)振幅和強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)，還可以檢測(cè)頻率調(diào)制及相位調(diào)制的光信號(hào)。注：該信號(hào)包含調(diào)制信號(hào)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(guò)檢測(cè)拍頻信號(hào)就可以解調(diào)出信號(hào)光波的全部信息。

外差干涉信號(hào)，測(cè)拍頻信號(hào)的頻率和相位，如多普勒測(cè)速儀、激光陀螺儀等。特殊情況：

，零差探測(cè)，

，如單頻雙光束干涉后形成穩(wěn)定干涉條紋，通過(guò)條紋計(jì)數(shù)可測(cè)位移等；三、光外差探測(cè)條件：空間-角準(zhǔn)直頻率-足夠近偏振-方向一致信號(hào)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(hào)通過(guò)調(diào)制得到，本振光通過(guò)頻率偏移取得。如：激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀-相位調(diào)制偏心輪轉(zhuǎn)速外差檢測(cè)裝置原理示意圖穩(wěn)頻的二氧化碳激光光源經(jīng)過(guò)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(hào)光束。偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于目標(biāo)沿光波方向并有一運(yùn)動(dòng)速度，光的回波產(chǎn)生多普勒頻移，其頻率為ωS?？勺児怅@用來(lái)限制兩光束射向光電檢測(cè)器的空間方向，線(xiàn)柵偏振鏡用來(lái)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(cè)器上。舉例三、光外差探測(cè)

激光由分光器分為兩路光束：一路光束經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(hào)。相位調(diào)制信號(hào)由光敏二極管探測(cè)，再由電子學(xué)處理得到聲信息。光纖外差水聽(tīng)器原理示意圖舉例取差頻信號(hào)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(cè)靈敏度光譜濾波特性使本振光功率信號(hào)光功率大幾個(gè)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(cè)法頻差為：若直接探測(cè)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(cè)（Hz）（Hz）響應(yīng)頻帶寬被測(cè)兩動(dòng)態(tài)范圍寬，使得要求探測(cè)器的響應(yīng)范圍也相當(dāng)寬。均勻性好探測(cè)器的光電性能在整個(gè)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(cè)光外差探測(cè)系統(tǒng)對(duì)探測(cè)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(dòng)等的影響課后：光外差通信、多普勒測(cè)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(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換投影測(cè)量法光路圖物體外形尺寸的測(cè)量，其基本原理是首先通過(guò)瞄準(zhǔn)確定被測(cè)物體的輪廓邊緣，然后計(jì)算邊緣標(biāo)志間的長(zhǎng)度.

則工件高度為投影放大法被測(cè)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(cè)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(cè)物體之前的部分稱(chēng)為照明系統(tǒng)，位于待測(cè)物體之后的部分稱(chēng)為投影系統(tǒng)(即成像系統(tǒng))。信號(hào)處理電路差動(dòng)法（比較法）雙光路差動(dòng)法測(cè)量物體長(zhǎng)度利用被測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)，若工件尺寸無(wú)誤差，測(cè)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(cè)物體遮擋部分或全部光束，或掃過(guò)入射到光電器件上的光束，通過(guò)檢測(cè)光電器件接收光通量的變化即可檢測(cè)物體的位移量和尺寸。被測(cè)對(duì)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(hào)檢測(cè)像點(diǎn)軸上偏移檢測(cè)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(duì)被測(cè)物體表面照明，使用成像物鏡對(duì)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(cè)的像偏移法像偏移法測(cè)距原理圖光束照射到被測(cè)物體上，用成像物鏡從另外的角度對(duì)物體上的光電位置成像，通過(guò)三角測(cè)量關(guān)系計(jì)算物面軸向偏移量的方法。測(cè)量原理圖基于PSD的位移測(cè)量系統(tǒng)1、半導(dǎo)體激光器2、驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(cè)量原理圖基于PSD的位移測(cè)量系統(tǒng)

半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)聚光透鏡透射到被測(cè)面上，反射后被散射的光由聚光鏡接收，經(jīng)過(guò)濾光片后成像在PSD上，產(chǎn)生的信號(hào)電流進(jìn)入信號(hào)處理裝置，先放大，再經(jīng)多路模擬開(kāi)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(hào)輸入微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)起始點(diǎn)A和位移后點(diǎn)B的像的距離，得出被測(cè)量之間的位移量。再見(jiàn)！15七月2025《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》第5章輻射信號(hào)檢測(cè)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(cè)法光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制盤(pán)、調(diào)制盤(pán)對(duì)背景信號(hào)的空間濾波5.3光外差探測(cè)法探測(cè)原理、光外差探測(cè)的特性5.4幾何光學(xué)方法的光電信息變換

長(zhǎng)、寬、位移、速度5.5空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法①釋義直接探測(cè)系統(tǒng)與相干探測(cè)系統(tǒng)原理及異同；②描述光通量檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，各類(lèi)調(diào)制盤(pán)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(cè)量原理；第五章輻射信號(hào)檢測(cè)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(cè)試技術(shù)的一種，也是激光技術(shù)在工業(yè)測(cè)試中的一種較為典型的測(cè)試方法。因?yàn)樵摲椒ň哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)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(zhǎng)度、距離以及三維形貌等的測(cè)試中有廣泛的應(yīng)用。激光器發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)會(huì)聚透鏡聚焦后垂直入射到被測(cè)物表面。物體移動(dòng)或其表面變化，導(dǎo)致入射點(diǎn)沿入射光軸移動(dòng)。入射點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電探測(cè)器(如：PSD或CCD)上，根據(jù)物像之間的三角關(guān)系完成測(cè)量。

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

注：斜射式無(wú)法知道被測(cè)面中某點(diǎn)位移情況，直射式可以。

直射式和斜射式對(duì)比：四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換第五章輻射信號(hào)檢測(cè)激光三角法應(yīng)用激光三角位移傳感器測(cè)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(chē)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(cè)管內(nèi)壁尺寸沿徑向有一個(gè)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(dòng)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(dòng)掃描，量出管內(nèi)壁某截面徑向尺寸。小車(chē)在管內(nèi)沿軸向移動(dòng)，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(gè)管內(nèi)壁三維形貌測(cè)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(dòng)輪，5-隨動(dòng)輪，6-支撐輪，7-被測(cè)管內(nèi)壁單點(diǎn)激光三角位移傳感器測(cè)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(kāi)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(duì)準(zhǔn)測(cè)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(hào)，測(cè)量范圍分別為25-35mm、60-100mm和100-200mm。通過(guò)將兩個(gè)傳感器安裝在目標(biāo)的兩側(cè)并自動(dòng)同步，可進(jìn)行厚度測(cè)量?？蓪⒆疃?2個(gè)傳感器輕松組合至多軌位移或厚度傳感器的混合測(cè)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(chē)輪輪緣輪廓測(cè)量，公路車(chē)轍、平整度測(cè)量。也可用于非接觸測(cè)量位移、三維尺寸、厚度、物體形變、振動(dòng)、分揀及玻璃表面測(cè)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(cè)量石英玻璃管壁厚測(cè)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(xiàn)陣CCD接收，輸出兩個(gè)攜帶有被測(cè)玻璃管壁厚信息的光強(qiáng)脈沖信號(hào)，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(cè)量原理待測(cè)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(cè)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(cè)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(xiàn)與光軸重合PSD與光軸垂直時(shí)測(cè)量誤差較大，目標(biāo)面上的點(diǎn)無(wú)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(cè)器上得到清晰的像，照明光軸、物鏡光軸和光電檢測(cè)器的光敏面位置應(yīng)滿(mǎn)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(cè)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(cè)R-PSD阻值L-PSD長(zhǎng)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(cè)量情況四、幾何光學(xué)方法的光電信息變換光電開(kāi)關(guān)測(cè)速a）透過(guò)型光電開(kāi)關(guān)

b)反射型光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)示意圖被測(cè)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(hào)，起到編碼作用。需解決問(wèn)題:光線(xiàn)的對(duì)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(kāi)關(guān)測(cè)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(guò)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(kāi)關(guān)測(cè)量轉(zhuǎn)速和方向旋轉(zhuǎn)光閘測(cè)速（略）1—輻射光源2—聚光鏡3—調(diào)制盤(pán)4—調(diào)制盤(pán)電動(dòng)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(cè)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(jué)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(cè)轉(zhuǎn)速相等或成整數(shù)倍數(shù)時(shí),被測(cè)軸上的標(biāo)志看上去是靜止的,由此可以測(cè)得被測(cè)轉(zhuǎn)速。這種轉(zhuǎn)速表是非接觸式測(cè)量?jī)x表，因而特別適用于低功率的被測(cè)對(duì)象；另外，它的測(cè)量精確度高,所以可作為基準(zhǔn)儀器使用。它的測(cè)量范圍為300～21000轉(zhuǎn)/分，測(cè)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(hào)-幅值法、頻率法、相位法、時(shí)間法隨空間變化的光電信號(hào)-幾何中心和幾何形狀檢測(cè)、亮度中心檢測(cè)、掃描與跟蹤測(cè)量同時(shí)隨時(shí)間和空間變化-F（x，y，z，t）光電信號(hào)：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(zhǎng)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(cè)對(duì)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(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)＆復(fù)雜圖形景物。簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)測(cè)量應(yīng)用：

大尺寸工件的安裝與加工、高速公路＆鋼軌的自動(dòng)鋪設(shè)、地下隧道的自動(dòng)掘進(jìn)等工程的自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量；小尺寸測(cè)量中的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)＆位置偏移測(cè)量；激光制導(dǎo)等。五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法一、幾何中心檢測(cè)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(chēng)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(hào)的檢測(cè)方法

通過(guò)測(cè)量物體的輪廓分布確定物體中心位置的方法，稱(chēng)作幾何中心檢測(cè)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(guò)分析被測(cè)物體在像面上的幾何中心相對(duì)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(cè)物體的光學(xué)像相對(duì)于像面基準(zhǔn)的幾何坐標(biāo)變換為通過(guò)該基準(zhǔn)某一取樣窗口的光通量，通過(guò)檢測(cè)該光通量的變化來(lái)解調(diào)出物體的坐標(biāo)位置。五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法二、亮度中心檢測(cè)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(chēng)作亮度中心。通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物空間的亮度分布相對(duì)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(chēng)作亮度中心檢測(cè)法。五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法（二）原理將來(lái)自被測(cè)目標(biāo)的光輻射通量相對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)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(cè)出目標(biāo)的亮度中心位置。確定目標(biāo)空間位置的方法稱(chēng)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(cè)器。五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法一、幾何中心檢測(cè)法1、單通道像空間分析器舉例：確定精密線(xiàn)紋尺刻線(xiàn)定位的靜態(tài)光電顯微鏡原理圖五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法光源

聚光鏡

分光鏡

物鏡

照亮被測(cè)線(xiàn)紋尺上的刻線(xiàn)?？叹€(xiàn)尺上的刻線(xiàn)被物鏡成像到狹縫所在的平面上，由光電檢測(cè)器檢測(cè)光通量的變化，通過(guò)光通量的變化進(jìn)行線(xiàn)紋尺定位?？叹€(xiàn)中心位于光軸上時(shí)，刻線(xiàn)像剛好與狹縫對(duì)齊，透過(guò)的光通量為0，透過(guò)率為0?？叹€(xiàn)未對(duì)準(zhǔn)光軸上時(shí)，刻線(xiàn)像中心亦偏離狹縫中心，有光通過(guò)，透過(guò)率不為0。當(dāng)刻線(xiàn)偏離光軸較大時(shí)，其像完全偏離狹縫，光通量透過(guò)率最大。--光通量輸出為零對(duì)應(yīng)刻線(xiàn)的正確定位位置。四、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法取儀器的狹縫寬l與刻線(xiàn)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(hào)的檢測(cè)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(dòng)反射鏡，實(shí)現(xiàn)像在狹縫上作周期性?huà)呙柽\(yùn)動(dòng)，使透過(guò)狹縫的光通量變成連續(xù)時(shí)間調(diào)制信號(hào)，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(xiàn)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(hào)的檢測(cè)方法掃描調(diào)制式像分析器波形圖五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法3、差動(dòng)式像分析器與動(dòng)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(cè)器的差分輸出比原來(lái)擴(kuò)大一倍，光源波動(dòng)影響減小，曲線(xiàn)斜率也增加一倍。五、空間分布光信號(hào)的檢測(cè)方法

在像面上共軛地放置兩個(gè)狹縫1和2，通過(guò)分光元件3得到的兩個(gè)線(xiàn)像分別成像于狹縫面上，狹縫中心距等于線(xiàn)像寬，兩個(gè)狹縫的定位特性具有類(lèi)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(cè)器的差分輸出可利用非線(xiàn)性圖解法得到。在線(xiàn)性區(qū)內(nèi)，定位特性可表示為

其中，E0為照明光強(qiáng)，