7.2空间变光信号

1、非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 空间变化光信号空间变化光信号 光学图像的扫描光学图像的扫描 光度变换光度变换 几何参量的检测几何参量的检测 空间编码空间编码 线值测量线值测量 轴向测距轴向测距 图像扫描图像扫描 机械法机械法 光束式光束式 电子式电子式 实体扫描实体扫描 运动物体运动物体 静止物体静止物体 空间搜索空间搜索 简单光学目标空间定位简单光学目标空间定位 像分析像分析 几何中心检测法几何中心检测法 亮度中心定位法亮度中心定位法 光学像分解光学像分解 扫描调制扫描调制 象限检测器象限检测器 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 一、简单光学目标

2、的形位检测 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园及工业规则图形等。线、光斑、成像系统得到的远处物体的弥散园及工业规则图形等。 测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差。在实际的光电工程中很测量的目的是确定目标相对基准坐标的角度或位置偏差。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

3、缘轮廓。而大多数的物体轮廓，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。测定目标相对基准的角度偏差和位置偏差在生产、科研和军事中有广重

4、要方面。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。等都是这些方面的典型应用。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇

5、何勇 )( 2 1 21 0 xxxG dxxBdxxB B B x x 0 0 )()( 0 光学目标的几何中心 和亮度中心 光学目标和其衬底间的光光学目标和其衬底间的光 学反差构成了物体的外形学反差构成了物体的外形 轮廓，轮廓尺寸的中心位轮廓，轮廓尺寸的中心位 置称作它的几何中心置称作它的几何中心 光学目标的亮度分布是光辐射能量沿光学目标的亮度分布是光辐射能量沿 空间的分布。将物体按辐射能量相等空间的分布。将物体按辐射能量相等 的标准分割为两部分，其中心位置称的标准分割为两部分，其中心位置称 作亮度中心作亮度中心 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (一)几何中心检测法

6、 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称作像分析 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n 1双通道差分调制式像分析器 21 UUU )( 00 xhExhE xhE 0 2 txhEU m sin2 txx m sin ttxhEU mm sinsin2 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n 2单通道扫描调制式像分析器 成像光路增设了周期振动的光 学零件(如棱镜反射镜、光楔等) 或振动狭缝，使像面上的目标 像相对狭缝作周期振动。这时 透过狭缝的光通量形成随时间 周期性变化的光载波。目标像 的位移

7、信息将由于像分析而调 制到载波上去，从而产生各种 调制的光信号。这种使目标像 和测光窗口之间相对扫描运动 的像分析器称作扫描调制型像 分析器。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n1.光度式光电 显微镜 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n（1）单管对 准原理 设狭缝宽设狭缝宽a与刻线像宽与刻线像宽e相等，当刻线像相等，当刻线像 中心与狭缝中心相对位置不同时，穿过中心与狭缝中心相对位置不同时，穿过 狭缝进入光电管的光通量分别为狭缝进入光电管的光通量分别为min、 a、 max

8、,由于光电元件的输出取由于光电元件的输出取 决于光通量，故上述不同位置的相应输决于光通量，故上述不同位置的相应输 出电压为出电压为Umin、Ua、Umax,经放大后经放大后 由电表读出。取电压的最小值为零点，由电表读出。取电压的最小值为零点， 即当电表指示即当电表指示Umin时，认为刻线像中时，认为刻线像中 心与狭缝中心重合，此即对准位置。但心与狭缝中心重合，此即对准位置。但 实际上在测量过程中由于各种因累的影实际上在测量过程中由于各种因累的影 响，如：刻线质量不一致、成像质量、响，如：刻线质量不一致、成像质量、 电源电压的波动、电子元件的老化等，电源电压的波动、电子元件的老化等， 使使值与相

9、应的电压值与相应的电压U不稳定，因而导不稳定，因而导 致对准误差。致对准误差。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n（2）双管差动式 的原理 两狭缝的长度和宽度应相等，且等于刻两狭缝的长度和宽度应相等，且等于刻 线像的宽度。这样当刻线像未进入狭缝线像的宽度。这样当刻线像未进入狭缝 时，通过两狭缝的光通量应相等，两光时，通过两狭缝的光通量应相等，两光 电管输出的电压相等。两狭缝有一相位电管输出的电压相等。两狭缝有一相位 差，即两狭缝的空间位置应是并排的，差，即两狭缝的空间位置应是并排的， 它们的中心距一般应等于缝宽。这样，它们的中心距一般应等于缝宽。这样， 当到线

10、像在狭缝面上扫描时，位于狭缝当到线像在狭缝面上扫描时，位于狭缝 平面上的两光电管产生的光电信号相位平面上的两光电管产生的光电信号相位 正好相差正好相差180。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 由于采用差值信号，所以许多影响单由于采用差值信号，所以许多影响单 管式的不稳定因素可以相互抵消，由于管式的不稳定因素可以相互抵消，由于 它们的影响相同从它们的影响相同从1变到变到2，相应的差，相应的差 值曲线也从值曲线也从1变为变为2，但是零点没有改，但是零点没有改 变，对准点不改变。差动原理是一种消变，对准点不改变。差动原理是一种消 除误差的有效方法。除误差的有效方法。

11、 光度式光电显微镜的优点是机械结构光度式光电显微镜的优点是机械结构 简单，连续工作稳定性好。简单，连续工作稳定性好。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n2.相位式光电 显微镜 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n光电信号的 波形图 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 n2.自准直望远镜 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对准 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 n1、 光度 式自 动调 焦系 统 光度式自动调焦系统光度式自动调焦系统 非相干检测

12、非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 n2、斜光束自动调焦系统 斜光束自动调焦原理图斜光束自动调焦原理图 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 n光电自动调焦光学系统光电自动调焦光学系统 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 光电复合窗视场图光电复合窗视场图 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 n3、 动 态 光 电 定 焦 系 统 像散法原理像散法原理 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 光电对焦 偏心辅助光束法偏心辅助光束法 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大

13、学 何勇何勇 光电对焦 刀口法原理刀口法原理 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （二）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。 适用于该种方法的目标可以是远处的宏观物体，如星体、飞 行物等，在经过成像系统的轻度离焦后可看作是一弥散圆， 或者是由主动照明产生的标准图形形成的规则像。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n1 光学像分解 光学像分解是在光学系统中附加 各种分光元件使入射光束分别向 确

14、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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n(1)中心孔式 x/y方向 位置偏 移 x/y方向 角度偏 移 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n(2)分光式 x/y方向 位置偏 移 x/y方向 角度偏 移 x/y方向 位置偏 移 x/y方向 角度偏 移 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n(3)反射式 x/y方向 位置偏 移 x/y方向 角度偏 移 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n(4)全息分光式 x/y方向 位置偏 移 x/y方向 角度偏 移

15、非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n2 象限探测器 多象限探测器有许多种形式。 例二象限、四象限的光电倍增管、 八象限的半导体光电探测器、能 连续给出光点二维坐标模拟信号 的半导体光电位量传感器图PSD。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 二、复杂光学图像的扫描检测 n（一）扫描的基本原理和分类 1.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

16、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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n2最简单的直线扫描 )()( 111 xfxE tvx 11 )()()( 111 tvSfxSfSEt )()()( 1t vSfKtKtU )()()( 1t vSfKKtUKtB bb tvx 22 )()(),( 122 tvSfKKKtBKtxE bEE ),(),( 2 2 1 22 x v v SfKKKtxE bE ),( 2 2 1 x v v kf 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n3扫描系统的分类和工作参 数 (1)具有

17、单一光敏面检测器的扫描； n按检测接收器类型 (2)有阵列式接收器的扫描。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (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； n按瞬时视场在空间的扫描轨迹 (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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (2)光学机械扫描，例如多面体反

18、射镜 按实现扫描的物理方法 (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 (1)机械扫描，例如转鼓和平板扫描； 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (1)图片扫描，指对二维的平面图形扫描； 按扫描的应用目标 (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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n描述扫描装置的基本参数 扫描周期扫描周期TK:扫描给定视场并使扫描线恢复初始位置所需的时间。扫描给定视场并使

19、扫描线恢复初始位置所需的时间。 扫描线密度扫描线密度d和空间分辨率和空间分辨率F：扫描装置能分辨的最小宽度称作扫描线密度。：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 辨图形细节的能力辨图形细节的能力 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。限度内的最大输入光度和输出电平。 图像信号的频带宽度：取决于扫描线宽和扫描频率。图像信号的频

20、带宽度：取决于扫描线宽和扫描频率。 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 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 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 (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，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

21、成、处理等行业中设备、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。分为：机械扫描、电子束扫描和光束扫描。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 1、机械扫描 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 2、电子束扫描 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 3、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

22、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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （1）多面反射镜转鼓 柱形多面体 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （2）检流计振 镜 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （3）声光偏转器 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何

23、勇何勇 （4）全息光栅 扫描器 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （三）、实体扫描 实体扫描大致可分为： n对直线运动物体的扫描 n对静止物体的扫描 n对空间特定目标的搜索扫描 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 n1 直线运动物体的扫描 （ 1） 光学 飞象扫 描方式 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （2）光学飞点扫描方式 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 （3）光学混合扫描方式 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 2 静 止物体的扫描 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何

24、勇何勇 3 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。 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇 1行搜索扫描 非相干检测非相干检测南京理工大学南京理工大学 何勇何勇