第10章光电信息变换技术的典型应用上

1、主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛2012.2贾湛制作10.1.1 钢板宽度的非接触自动测量钢板宽度的非接触自动测量 如图如图10-1所示为采用所示为采用两个线阵两个线阵CCD图像传感器图像传感器对钢板宽度进行非接触自对钢板宽度进行非接触自动测量系统原理图。探测动测量系统原理图。探测器器1与探测器与探测器2分别安装在分别安装在同一个支撑架的两端，它同一个支撑架的两端，它们的中心距们的中心距(如图所示如图所示)为为l0。 CCD1与与CCD2在同步脉在同步脉冲的驱动下分别输出如冲的驱动下分别输出如图图10- 3所示的信号所示的信号U1与与U2。输出信号经二值化输出信号经二值化处理或处理或A/D

2、转换在提取边转换在提取边界界(软件二值化处理软件二值化处理)，得，得到如图到如图10-3所示的二值化所示的二值化信号信号D1与与D2。D1的下降的下降沿对应于沿对应于CCD1的第的第N1个个像敏单元，像敏单元，D2的上升沿的上升沿对应于对应于CCD2的第的第N2个像个像敏单元，它们又分别表敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在示钢板边缘的像在CCD1与与CCD2像敏面上的位置。像敏面上的位置。因此，可以推导出钢板宽度的计算公式，为因此，可以推导出钢板宽度的计算公式，为 )(2021010 SNSNlL 式中，式中，1与与2分别为两个探测器光学成像物镜的横分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率

3、，向放大倍率，S0为为CCD像敏单元长，式中的正负号像敏单元长，式中的正负号要根据要根据CCD的安装方向确定。的安装方向确定。 (1) 测量范围测量范围 钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距l0有关，有关，即与探测器安装架的调整与锁定方式有关。即与探测器安装架的调整与锁定方式有关。2. 测量范围与测量精度测量范围与测量精度 由式由式( (10-1) )可见，钢板的宽度可见，钢板的宽度L直接与直接与l0有关，有关，若若l0可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。另外，宽度的测量范围还与两探测器成像会很大。另外，宽

4、度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率物镜的横向放大倍率1 1与与2 2有关，与所选用的有关，与所选用的CCD像敏单元长及像元数像敏单元长及像元数N等参数有关等参数有关。 对式对式( (10-1) )取微分，由于系统确定后除像元数取微分，由于系统确定后除像元数N1与与N2外的其他参数均为常数，因此外的其他参数均为常数，因此 220110NSNSL (10-2) 显然，测量精度与显然，测量精度与CCD的像元长度的像元长度S0、光学、光学系统的放大倍率系统的放大倍率等参数有关。等参数有关。 (2) 测量精度测量精度3. 测量速度测量速度 线阵线阵CCD测量周期为其转移脉冲测量周期为其转移脉

5、冲SH的周期的周期T，它由所选线阵它由所选线阵CCD的像元数的像元数N及驱动频率及驱动频率f决定，决定，fNNT)(d ( (10-3) )式中，式中，Nd为大于线阵为大于线阵CCD虚设单元的任意数虚设单元的任意数( (由设由设计驱动器者决定计驱动器者决定) )。显然，。显然，N与与Nd值越大，值越大，SH的周的周期期T越长，而提高驱动频率越长，而提高驱动频率f，提高测量速度。，提高测量速度。 一般驱动频率一般驱动频率f为数为数MHz，N与与Nd之和为几千之和为几千单元单元,为此，测量周期常为为此，测量周期常为ms量级。量级。10.1.2 10.1.2 板材定长剪切系统板材定长剪切系统采用光电

6、非接触测量系统可以使板材定长加工自采用光电非接触测量系统可以使板材定长加工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。 当板材进入光电系当板材进入光电系统，遮挡光路到一统，遮挡光路到一定程度时，光电器定程度时，光电器件输出的光电流减件输出的光电流减小，输出电压降低。小，输出电压降低。经处理系统后，发经处理系统后，发出执行命令信号裁出执行命令信号裁剪。剪。 带材走偏带材走偏时，边缘经常时，边缘经常与传送机械发与传送机械发生碰撞，易出生碰撞，易出现卷边，造成现卷边，造成废品。废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电当带材处于正确位置（中间

7、位置）时，放大器输出电压压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。了带材跑偏的方向及大小。 光电传感器光电传感器1 被测带材被测带材 2卷取电机卷取电机 3卷取辊卷取辊 4液压缸液压缸 5活塞活塞 6滑台滑台 7光电检测装置光电检测装置 8光源光源 9、10透镜透镜 11-光敏电阻光敏电阻R1 12遮光罩遮光罩 首先，利用首先，利用傅立叶光学傅立叶光学来研究光学系统的成像特来研究光学系统的成像特性，产生了性，产生了传递函数的概念传递函数的概念。光学成像系统的光瞳反映了系统对光束的限制。光学成像系统的光瞳反映了系统对

8、光束的限制。因此，即使不考虑几何光学像差的情况下，系统由于因此，即使不考虑几何光学像差的情况下，系统由于存在衍射效应，它也不可能理想成像存在衍射效应，它也不可能理想成像点物成点像。点物成点像。从傅立叶光学的观点来看，系统的光瞳限制了物面的从傅立叶光学的观点来看，系统的光瞳限制了物面的频谱向像面的传递，因此系统不可能理想成像。频谱向像面的传递，因此系统不可能理想成像。传递函数就是用来表示物面频谱向像面传递状况传递函数就是用来表示物面频谱向像面传递状况（好坏）的一个物理量，用传递函数可以更好地评价（好坏）的一个物理量，用传递函数可以更好地评价光学系统的成像质量。用光学系统的成像质量。用W（F）表示

9、，其中）表示，其中F表示空表示空间频率。间频率。 对于非相干光照明下的衍射受限系统，对于非相干光照明下的衍射受限系统，非相干成像系非相干成像系统是强度的线性空不变系统（统是强度的线性空不变系统（LSI）。光学成像系统的分析）。光学成像系统的分析可以在空间域中进行，也可以在时间域中进行。可以在空间域中进行，也可以在时间域中进行。1. 空间域中空间域中 输入图象可以表示为任意二维输入函数输入图象可以表示为任意二维输入函数O（x,y）的）的函数卷积函数卷积 ddyxOyxO,将光学成像系统对单位脉冲函数的响应（物像函数将光学成像系统对单位脉冲函数的响应（物像函数变换关系）称为点扩散函数变换关系）称为

10、点扩散函数P（x,y）,则像函数为则像函数为 dxdyyyxxOPyxI, 2. 空间频域中空间频域中 根据傅里叶变换，输入图象的频率函数为根据傅里叶变换，输入图象的频率函数为),(,2yxOfdxdyeyxOffOyfxfjyxyx物像频率函数的变换关系用光学传递函数物像频率函数的变换关系用光学传递函数W（F）表示。）表示。平行光源待测透镜狭缝CCD摄象机全自动光学传递函数测量系统全自动光学传递函数测量系统OTF可以通过计算可以通过计算获得，但常常计算获得，但常常计算非常复杂，所以许非常复杂，所以许多情况下可以通过多情况下可以通过实验获得实验获得测试仪的结构构成及原理测试仪的结构构成及原理被

11、非相干光均匀照明的无被非相干光均匀照明的无穷远的狭缝通过被测物镜穷远的狭缝通过被测物镜在扫描光栅上形成扩散像。在扫描光栅上形成扩散像。扫描光栅是亮暗不等宽的扫描光栅是亮暗不等宽的举行格子板，它在恒速电举行格子板，它在恒速电机带动下连续扫描狭缝像，机带动下连续扫描狭缝像，实现光强分布的调制。被实现光强分布的调制。被调制的光强经过调制的光强经过PMT光电光电倍增管进行光电变换，然倍增管进行光电变换，然后输往电气部分进行信号后输往电气部分进行信号窄带滤波，显示出相应空窄带滤波，显示出相应空间频率的间频率的MTF值。值。原理示意图由于狭缝扩散像的弥散程度反映了被测物镜的像差衍射情况，这样，由于狭缝扩散

12、像的弥散程度反映了被测物镜的像差衍射情况，这样，被测物镜的光学特征北调制在扩散像上而经过空间时间变换光电变被测物镜的光学特征北调制在扩散像上而经过空间时间变换光电变换通过电信号的处理被检测出来。换通过电信号的处理被检测出来。PMT选频检测狭缝被测物镜扫描光栅光源光学目标发生器光学目标发生器目标像检测器目标像检测器目标像频谱分析器目标像频谱分析器光学传递函数光学传递函数 与与 分辨分辨率率 激光准直仪具有直观性、简单性和普通光学激光准直仪具有直观性、简单性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制。激光准直仪主准直的精度，并可实现自动控制。激光准直仪主要由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电要由激

13、光器、光束准直系统和光电接收及处理电路三部分组成。激光准直仪还可以按工作原理可路三部分组成。激光准直仪还可以按工作原理可分为振幅测量法、干涉测量法和偏振测量法等。分为振幅测量法、干涉测量法和偏振测量法等。下面仅介绍振幅下面仅介绍振幅(光强光强)测量法。测量法。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准更方便，精度上也有一定这种方法比用人眼通过望远镜瞄准更方便，精度上也有一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动的影响。为克服这些问题，常

14、采用了以下几种方法来提高动的影响。为克服这些问题，常采用了以下几种方法来提高激光准直仪的对准精度。激光准直仪的对准精度。 振幅测量型准直仪的特征是以激振幅测量型准直仪的特征是以激光束的强度中心作为直线基准，光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器在需要准直的点上用光电探测器接收它。光电探测器一般采用光接收它。光电探测器一般采用光电池或电池或PSD(位置敏感探测器位置敏感探测器)。将四象限光电池固定在靶标上，将四象限光电池固定在靶标上，靶标放在被准直的工件上靶标放在被准直的工件上,当激光当激光束照射在光电池上时，产生电压束照射在光电池上时，产生电压U1，U2，U3和和U4。用两对

15、象限。用两对象限(1和和3)与与(2和和4)输出电压的差值就输出电压的差值就能决定光束中心的位置。能决定光束中心的位置。 利用激光的相干性，采用方形菲涅耳波带片来获得准利用激光的相干性，采用方形菲涅耳波带片来获得准直基线。当激光束通过望远镜后，均匀地照射在波带片上，直基线。当激光束通过望远镜后，均匀地照射在波带片上，并使其充满整个波带片。于是在光轴上的某一位置出现一并使其充满整个波带片。于是在光轴上的某一位置出现一个很细的个很细的十字亮线十字亮线，当用一个屏放在该位置上时，可以清，当用一个屏放在该位置上时，可以清晰地看到如图晰地看到如图10-12所示的十字亮线。调节望远镜的焦距，所示的十字亮线

16、。调节望远镜的焦距，十字亮线十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线为干涉的结由于十字亮线为干涉的结果，所以具有良好的抗干果，所以具有良好的抗干扰特性。同时，还可以克扰特性。同时，还可以克服光强分布不对称的影响。服光强分布不对称的影响。 在激光束中放置一块二维对称的相位板，它由四块扇形涂层组成，在激光束中放置一块二维对称的相位板，它由四块扇形涂层组成，相邻涂层光程差为相邻涂层光程差为/2 (即位相差为即位相差为)。在相位板后面的

17、光束任何截面上。在相位板后面的光束任何截面上都出现都出现暗十字暗十字条纹。暗十字线中心的连线是一条直线，利用这条线作基条纹。暗十字线中心的连线是一条直线，利用这条线作基准可直接进行准直测量。准可直接进行准直测量。若在暗十字中心处插入一若在暗十字中心处插入一方孔方孔PA，中心精确与光轴，中心精确与光轴重合，在孔后的屏幕重合，在孔后的屏幕PB上上可观察到第二衍射图像将可观察到第二衍射图像将出现四个对称的亮点，并出现四个对称的亮点，并被两条暗线被两条暗线(十字线十字线)分开。分开。若方孔中心与光轴有偏移，那么，在若方孔中心与光轴有偏移，那么，在PB上的衍射图像就不对称。这些上的衍射图像就不对称。这些

18、亮点强度的不对称随着孔的偏移而增加。因此，这个偏移的大小和方亮点强度的不对称随着孔的偏移而增加。因此，这个偏移的大小和方向可以通过测量向可以通过测量PB上的四个亮点的强度得到。上的四个亮点的强度得到。 该准直法使用一个复合棱镜将光束分为两束，该准直法使用一个复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准光束的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动的影直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动的影响。响。 激光准直仪可用在各种工业生产中，其中以大激光

19、准直仪可用在各种工业生产中，其中以大型机床、飞机及轮船等制造工业的应用最为典型。型机床、飞机及轮船等制造工业的应用最为典型。光电探测靶标选用四象限光电池或光电探测靶标选用四象限光电池或PSD。 滑板沿机床导轨运动，光电探测器输出的信号经放大、滑板沿机床导轨运动，光电探测器输出的信号经放大、运算处理后，输入到记录器或计算机，记录不直度曲线。运算处理后，输入到记录器或计算机，记录不直度曲线。2. 不直度的测量不直度的测量 大型柴油机轴承孔的不同轴度，以及轮船轴系的不同大型柴油机轴承孔的不同轴度，以及轮船轴系的不同轴度等的测量均可以采用激光准直仪和定心靶来进行。其轴度等的测量均可以采用激光准直仪和定

20、心靶来进行。其测量原理如图测量原理如图10-15所示。在轴承座两端的轴承孔中所示。在轴承座两端的轴承孔中各置一各置一定心靶，并调整激光准直仪使其光束通过两定心靶的中心，定心靶，并调整激光准直仪使其光束通过两定心靶的中心，即建立了直线度基准。即建立了直线度基准。再将测量靶再将测量靶(与定心与定心靶同靶同)依次放入各轴依次放入各轴承孔，测量靶中心承孔，测量靶中心相对于激光束基准相对于激光束基准的偏移值。的偏移值。3. 不同轴度的测量不同轴度的测量 搜索与跟踪仪器的任务是发现能量辐射目标，确定它搜索与跟踪仪器的任务是发现能量辐射目标，确定它的空间位置并对它的运动进行跟踪。即先确定在视场中的目的空间位

21、置并对它的运动进行跟踪。即先确定在视场中的目标，并使目标与仪器跟踪线重合。跟踪线的偏移产生偏差信标，并使目标与仪器跟踪线重合。跟踪线的偏移产生偏差信号，可用该信号驱动伺服系统使跟踪与目标重合。号，可用该信号驱动伺服系统使跟踪与目标重合。两类：有调制器的跟踪系统和非调制器的跟踪系统。两类：有调制器的跟踪系统和非调制器的跟踪系统。有调制盘的跟踪系统有调制盘的跟踪系统可以在很高的扫描频率下产生大的跟踪可以在很高的扫描频率下产生大的跟踪偏差，因而能精确地提供系统轴心与目标的偏差信息。常用偏差，因而能精确地提供系统轴心与目标的偏差信息。常用于光圈数于光圈数F较小的光学系统，且通过适当的调制方法可以大较小

22、的光学系统，且通过适当的调制方法可以大大地降低背景的干扰。大地降低背景的干扰。非调制器的跟踪系统非调制器的跟踪系统工作弱背景辐射下，背景辐射较强且不工作弱背景辐射下，背景辐射较强且不均匀情况下，不能使用。均匀情况下，不能使用。10.4 光电信息变换技术在搜索、跟踪光电信息变换技术在搜索、跟踪与制导中的应用与制导中的应用被动式寻的制导被动式寻的制导D导弹导弹 M目标目标主动式寻的制导主动式寻的制导 波束导引导弹示意图波束导引导弹示意图1捕获波（宽、低能）；捕获波（宽、低能）；2制导制导波（狭、高能）；波（狭、高能）；3追踪波追踪波直角坐标控制直角坐标控制电视自动寻的制导系统，属于电视自动寻的制导

23、系统，属于被动式自动寻被动式自动寻的系统。的系统。 电视自动寻的电视自动寻的制导系统具有被动制导系统具有被动式自动寻的系统的式自动寻的系统的优点，抗干扰性较优点，抗干扰性较强，隐蔽性好。它强，隐蔽性好。它也便于驾驶员识别也便于驾驶员识别和选择目标。但是和选择目标。但是它易受天气影响。它易受天气影响。电视自动寻的系统电视自动寻的系统“幼畜幼畜”空地反坦克空地反坦克导弹电视制导系统简导弹电视制导系统简图图 由于导弹在飞行过程中姿态是在不断变化的，如果直接将加速由于导弹在飞行过程中姿态是在不断变化的，如果直接将加速度计安装在弹体上，则加速度计敏感轴的方向将随之变化，这样一度计安装在弹体上，则加速度计

24、敏感轴的方向将随之变化，这样一来，测量出的加速度就不再是原定方向上的加速度。为此将加速度来，测量出的加速度就不再是原定方向上的加速度。为此将加速度计安装在陀螺稳定平台上。计安装在陀螺稳定平台上。平台惯导系统平台惯导系统特性：特性：定轴性定轴性陀螺转子主轴在惯性空间方位保持不变；陀螺转子主轴在惯性空间方位保持不变；进动性进动性如在主轴垂直的方向上，加一外力矩如在主轴垂直的方向上，加一外力矩M M，则，则 陀螺仪主轴要围绕与外力矩垂直的轴转动；陀螺仪主轴要围绕与外力矩垂直的轴转动； 使矢量使矢量以最短距离转向矢量以最短距离转向矢量M M陀螺仪陀螺仪转子转子内环内环外环外环目标辐射目标辐射调制盘调制

25、盘探测器探测器电子线路电子线路陀螺跟踪系统陀螺跟踪系统光学系统光学系统红外导引头红外导引头光学系统结光学系统结构和原理构和原理二、调制盘基本功用二、调制盘基本功用1使恒稳的光能转变成交变的光能使恒稳的光能转变成交变的光能2产生目标所在空间位置的信号编码产生目标所在空间位置的信号编码3空间滤波空间滤波抑制背景的干扰抑制背景的干扰光的调制光的调制调相式调制盘调相式调制盘 调频型调制盘调频型调制盘调幅型调制盘调幅型调制盘 调制盘按调制方式来分类，可以调制盘按调制方式来分类，可以分为分为调幅、调频调幅、调频和和脉冲编码式脉冲编码式调调制盘。前两种与电学上的调幅和制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的

26、，即它们分别用调调频是一致的，即它们分别用调制信号幅度、频率的变化来反映制信号幅度、频率的变化来反映目标的位置。脉冲编码式调制盘目标的位置。脉冲编码式调制盘是用一组组脉冲的频率和相位来是用一组组脉冲的频率和相位来反映目标的方位。反映目标的方位。近轴近轴远轴远轴脉脉冲冲调调制制近轴近轴远轴远轴频频率率调调制制由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能由于调幅式调制盘的信号处理系统较简单、可靠，其性能可以满足导引系统的要求，因此可以满足导引系统的要求，因此在一些小型空空弹和地空在一些小型空空弹和地空弹上都采用了弹上都采用了调幅式调幅式调制盘调制盘。UtUtUtUt2n激光自动导引头的作用原

27、理和结构与红外自动导激光自动导引头的作用原理和结构与红外自动导引头基本上相同。两者的差别仅在于感受目标发射引头基本上相同。两者的差别仅在于感受目标发射出来的光波频段以及所用的光敏元件不同。激光导出来的光波频段以及所用的光敏元件不同。激光导引头接受的是来自激光发射器照射目标的引头接受的是来自激光发射器照射目标的反射激光反射激光。所以，这种导引头多用于所以，这种导引头多用于半主动式自寻制导系统半主动式自寻制导系统。n优点：由于激光具有方向性强，单色性好，强度优点：由于激光具有方向性强，单色性好，强度高的特点，激光寻的制导系统具有制导精度高，目高的特点，激光寻的制导系统具有制导精度高，目标分辨率高，

28、抗干扰能力强，可以与其他寻的系统标分辨率高，抗干扰能力强，可以与其他寻的系统兼容，结构简单，成本较低的特点。兼容，结构简单，成本较低的特点。n缺点：激光制导系统的正常工作容易受云、雾和缺点：激光制导系统的正常工作容易受云、雾和烟尘的影响。烟尘的影响。激光束炸弹目标散射光目标激光制导航弹及引导头示意图24四棱锥只光电管4滤波片透镜组2413偏离偏离给出导给出导引信号引信号激光束激光束激光激光接收器接收器 利用导引站发射激光束利用导引站发射激光束照射目标，弹上导引装置控照射目标，弹上导引装置控制导弹沿激光波束中心线飞制导弹沿激光波束中心线飞向目标的制导。向目标的制导。 特点：特点：激光波束发散角小

29、，激光波束发散角小，方向性好，精度高。但激光波束方向性好，精度高。但激光波束易被吸收和散射，易受空间环境易被吸收和散射，易受空间环境（烟尘污染等）和气象条件（云、（烟尘污染等）和气象条件（云、雾、雨）的影响。雾、雨）的影响。末制导弹药末制导弹药 末末敏敏弹药弹药 有寻的器和控制系统，有寻的器和控制系统，在其弹道末段能根据目标和在其弹道末段能根据目标和弹药本身的位置自行修正或弹药本身的位置自行修正或改变弹道，直至命中目标。改变弹道，直至命中目标。 不能自动跟踪目标，也不能自动跟踪目标，也不能改变飞行弹道，只能在不能改变飞行弹道，只能在被撒布的范围内利用其自身被撒布的范围内利用其自身的探测器的探测

30、器( (寻的器寻的器) )探测和攻探测和攻击目标。击目标。制导炸弹制导炸弹制导鱼雷制导鱼雷制导炮弹制导炮弹制导地雷制导地雷按 发 射 点 和 目 标 位 置 分按 发 射 点 和 目 标 位 置 分空中空中光学系统的透过率反映了经过光学系统之后光能量的损失光学系统的透过率反映了经过光学系统之后光能量的损失程度。程度。所谓所谓“泛黄泛黄”现象就是某些波长的光透过率很低造成的。现象就是某些波长的光透过率很低造成的。显然某些波长的透过率小会影响摄影的还原效果。所以透显然某些波长的透过率小会影响摄影的还原效果。所以透过率是成像质量的重要指标之一。过率是成像质量的重要指标之一。透过率透过率定义：系统出射

31、光通量定义：系统出射光通量与入射的光通量与入射的光通量的百分的百分比即：比即：%100光学系统随复杂程度和表面镀膜情况不同有很大不同。一光学系统随复杂程度和表面镀膜情况不同有很大不同。一般常低于般常低于40%，照相系统透过率分在轴上和轴外两种，目，照相系统透过率分在轴上和轴外两种，目前照相物镜上摄影透过率已高达前照相物镜上摄影透过率已高达90%10.6.1激光照排系统激光照排系统硬件中包括：扫描仪、电子计算机、硬件中包括：扫描仪、电子计算机、照排控制机、激光印字机或照排控制机、激光印字机或激光照激光照排机排机。软件的种类就比较多了，根。软件的种类就比较多了，根据工作目的可分别选取，例如书版据工

32、作目的可分别选取，例如书版组版软件、绘图软件等等。组版软件、绘图软件等等。 汉字激光照汉字激光照排之父排之父王选王选活字印刷术是人类历史上最伟大的发明之一。汉字字形是由以数字信活字印刷术是人类历史上最伟大的发明之一。汉字字形是由以数字信息构成的点阵形式表示的，汉字字体、字数比西方字母多，如一个一息构成的点阵形式表示的，汉字字体、字数比西方字母多，如一个一号字要由八万多个点组成。因此全部汉字字模的数字化存贮量高得惊号字要由八万多个点组成。因此全部汉字字模的数字化存贮量高得惊人。目前汉字激光照排比古老的铅字排版工效至少提高人。目前汉字激光照排比古老的铅字排版工效至少提高5倍。倍。 首先要将文件输入

33、到电脑中。第二步是要借助首先要将文件输入到电脑中。第二步是要借助于排版软件，将已录入的文字进行排版，这里将要于排版软件，将已录入的文字进行排版，这里将要用许多排版指令来确定整个文件的全貌，如标题的用许多排版指令来确定整个文件的全貌，如标题的设置、字体字号的选择、行间距离等。第三步是在设置、字体字号的选择、行间距离等。第三步是在计算机屏幕上将排好版的文件显示出来，编辑人员计算机屏幕上将排好版的文件显示出来，编辑人员可直接对其进行校对修改。第四步是将准确无误的可直接对其进行校对修改。第四步是将准确无误的文件，通过照排软件负责将其传送到照排控制机，文件，通过照排软件负责将其传送到照排控制机，最后在激

34、光照排机上输出，形成像纸或软片。至此最后在激光照排机上输出，形成像纸或软片。至此电子照排系统所担负的工作就完成了。下一步将通电子照排系统所担负的工作就完成了。下一步将通过晒版、上版、胶印等一系列印刷工艺流程将文件过晒版、上版、胶印等一系列印刷工艺流程将文件转化成精美的书刊或报纸。转化成精美的书刊或报纸。 激光照排过程激光照排过程激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。激光雕刻加工是利用数控技术为基础，激光为加工媒介。加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达加工材料在激光照射下瞬间的熔化和气化的物理变性，达到加工的目的。当激光功率密度为到加工的目的。当激光功率密度为10510

35、6W/cm2时，所有时，所有材料都要被熔化或汽化。而中等强度的激光束，经过透镜材料都要被熔化或汽化。而中等强度的激光束，经过透镜聚焦后，就可以大于此值。聚焦后，就可以大于此值。凹印机凹印机（打样机）（打样机）原理原理激光加工特点：与材料激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快。加工精度高，速度快。l充电充电l曝光曝光l显影显影l转印转印l定影定影l清洁清洁打印机打印机六过程六过程 充电（Char

36、ging） : 恒定的电流通过充电滚轴 PCR (Primary Charge Roller) 给感光鼓OPC表面均匀充上负电荷清除（清除（） :充电滚轴PCR同样将感光鼓表面残留电荷擦去.充电滚轴充电滚轴充电滚轴充电滚轴充电滚轴充电滚轴充电滚轴磁辊因磁性将一磁辊因磁性将一定量的碳粉吸附定量的碳粉吸附在表面在表面,在出粉刀在出粉刀的控制下，在磁的控制下，在磁辊表面形成一特辊表面形成一特定厚度的均匀碳定厚度的均匀碳粉层，再充上粉层，再充上负负电电，使碳粉颗粒，使碳粉颗粒带上带上负电荷负电荷。这。这样，碳粉颗粒会样，碳粉颗粒会在电场的作用下，在电场的作用下，吸附在感光鼓上吸附在感光鼓上没有负电的区

37、域，没有负电的区域，从而使图像变的从而使图像变的清晰可见清晰可见转印辊转印辊感光鼓清洁部件碳粉显影套筒显影部件清洁刮板充电辊 转印辊加热加热单元单元纸张 电子充电电子充电 1激光照射激光照射2 清洁6 转印4 加热 定影5显影显影3HP colour LaserJet 4600原稿反光镜反光镜2 2反光镜反光镜3 3反光镜反光镜1 1透镜透镜光源光源CCDCCD传传感器感器彩色成像板彩色成像板R RG GB BC CM MY YK K激光激光墨粉墨粉感光鼓感光鼓转印转印固定转印固定转印黑色色粉转印黑色色粉转印机型：CF900/910/9001CMBPC感光鼓Y提升转印提升转印机型：CF70/8

38、0BCMYPC感光鼓彩色色粉转印彩色色粉转印旋转方式旋转方式显影辊显影辊PCPC感光鼓感光鼓机型：CF30YBCMPCPC感光鼓感光鼓串联方式串联方式YMCK显影辊显影辊机型：CF1501/2001多重转印方式多重转印方式机型：CF70/80/900/910/9001转印辊CMB纸张Y感光鼓重复吸粉方式感光鼓重复吸粉方式感光鼓YBCM纸张中继转印方式中继转印方式机型：CF30YBCM纸张机型：CF1501/2001感光带方式中的中继转印方式感光带方式中的中继转印方式光OHP平滑光纸张张 加热，加压加热，加压墨粉收集墨粉收集管道管道墨粉槽墨粉槽清洁辊清洁辊墨粉盒墨粉盒上分离爪上分离爪下分离爪下分

39、离爪下定影辊下定影辊上定影辊上定影辊墨粉回收槽墨粉回收槽墨粉回收刮板墨粉回收刮板废粉收集辊废粉收集辊转运辊转运辊墨粉汲取墨粉汲取光存储器用激光读取存储在媒质中的数据光存储器用激光读取存储在媒质中的数据.凹面表示凹面表示1,凸面凸面表示表示0。因为需要机械电气部件。因为需要机械电气部件,所以光存储器单元比起半所以光存储器单元比起半导体存储来读写速度慢导体存储来读写速度慢,体积大体积大,但它们比较便宜而且存储但它们比较便宜而且存储容量大。容量大。常用的光盘系统有：常用的光盘系统有：CD(光盘光盘),CD-ROM(光盘只读存储光盘只读存储器器),CD-R(可刻录光盘可刻录光盘),CD-RW(可重写光

40、盘可重写光盘),DVD(数字视数字视盘盘),DVD-R(可刻录可刻录DVD),DVD-RW(可重写可重写DVD)。VCD的盘基是用聚碳酸酯塑料做的，因此大多数大批量的盘基是用聚碳酸酯塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机复制设备是用塑料注射成型机特点：特点： 坑宽坑宽0.4m,深为深为/4约约0.11m数据记录原理数据记录原理坑宽坑宽0.4m,深为深为/4约约0.11m磁光盘磁光盘(magneto optical disc，MOD)利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数利用磁的记忆特性，借助激光来写入和读出数据据相变光盘相变光盘(phase change disc，PCD)利用

41、激光特殊材料在加热前后的反射率不同记利用激光特殊材料在加热前后的反射率不同记忆忆1和和0只读只读CD光盘光盘（Compact Disc Read-Only Memory）在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，凹坑的在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，凹坑的边缘记录的是边缘记录的是1，凹坑和非凹坑的平坦部分记，凹坑和非凹坑的平坦部分记录的是录的是0 。光刻：光刻：把涂有光敏电阻的玻璃盘放在旋转平台把涂有光敏电阻的玻璃盘放在旋转平台上光刻。激光源发出的激光束通过激光调制器上光刻。激光源发出的激光束通过激光调制器时受到串行数据的控制，如数据时受到串行数据的控制，如数据“0”就不让激就不让激光束通过，光敏电

42、阻就不曝光；数据光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让就让激光束通过，光敏电阻就曝光。激光束通过，光敏电阻就曝光。化学处理：化学处理：对光刻的玻璃盘进行化学处理。盘对光刻的玻璃盘进行化学处理。盘上曝了光的区域被腐蚀后形成凹坑。上曝了光的区域被腐蚀后形成凹坑。CD盘的读出原理 光刻系统示意图 DVD盘和CD盘之间的差别 增加记录面积 单面单层光盘的结构 单面双层光盘的结构 用用光纤测量光纤测量表面粗糙度是近年来发展起来的一表面粗糙度是近年来发展起来的一项新技术。它以光在粗糙表面的散射理论为基础，项新技术。它以光在粗糙表面的散射理论为基础，根据散射场的统计特性与表面粗糙度的特性之间的根据散射场

43、的统计特性与表面粗糙度的特性之间的关系，关系，通过对散射通过对散射(1514210场场)的测定来计算或的测定来计算或评定表面粗糙度。评定表面粗糙度。由于光纤测量表面粗糙度具有结由于光纤测量表面粗糙度具有结构简单，测量省时，精度高以及能实现快速自动测构简单，测量省时，精度高以及能实现快速自动测量等优点，因此这种方法发展很快。量等优点，因此这种方法发展很快。 根据根据P. .Beakmann等人的理论，当一束光射至金属表等人的理论，当一束光射至金属表面时，由于表面的微观不平，反射光将发生漫反射现象，面时，由于表面的微观不平，反射光将发生漫反射现象，其漫反射光强的表达式为其漫反射光强的表达式为 12

44、220sin204!)(222mxmqzRULCURUmTUemmRULTFeIeFIIqzxqz 镜面反射光强镜面反射光强Is散射光强散射光强IdIs和和Id中都含有中都含有Rq，可见，通过测量，可见，通过测量Is可以来计算或评定可以来计算或评定表面粗糙度，这就是表面粗糙度，这就是镜反射法镜反射法。如果能测得。如果能测得Is和和Id求其比求其比值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是求比值法求比值法。 1. 测量原理测量原理镜面反射光强项中不含有相关长度镜面反射光强项中不含有相关长度T值。这样，如果单值。这样，如果单测镜反射光强测镜反射光强IsIs，即可消

45、除，即可消除T的影响。镜面反射光强项的影响。镜面反射光强项中还含有与表面反射率中还含有与表面反射率R有关的反射函数有关的反射函数F项，其表达式项，其表达式为为 21221222122212211coscos2sinsincoscossinsincoscoscos1RVaVbFzx在在120情况下，情况下，FR。此时有镜面反射光强为。此时有镜面反射光强为 2222016exp qsRRII 根据这个条件，设计测量根据这个条件，设计测量装置装置 Rq为与表面粗糙度相关的函数为与表面粗糙度相关的函数测量装置测量装置,如图所示如图所示,光纤光纤1和光纤和光纤2同时以同时以0角测角测量表面已知的粗糙度的

46、标准样块和表面粗糙度未量表面已知的粗糙度的标准样块和表面粗糙度未知的被测样块的表面镜反射光强知的被测样块的表面镜反射光强. 由于标准样块和被测样块是采用同种材料经由于标准样块和被测样块是采用同种材料经相同的加工方法得到，因此，其表面反射率相同的加工方法得到，因此，其表面反射率R R相相同。同。 22120116exp qsRRII 22220216exp qsRRII 2222122116exp qqssRRIIS式中，式中，Rq1为已知，则为已知，则S为只与为只与Rq2有关的函数，求有关的函数，求得比值得比值S，即，即可以计算或评定出可以计算或评定出Rq2值。值。 实验系统中，光纤传感器用实

47、验系统中，光纤传感器用Y型同轴光纤传光束。由光纤内芯投射到型同轴光纤传光束。由光纤内芯投射到试件表面，光纤外环接收反射光。信号试件表面，光纤外环接收反射光。信号Is1和和Is2经光电二极管分别转换经光电二极管分别转换成电信号成电信号Us1和和Us2，再经放大和，再经放大和A/D转换，输入到单片机系统，求得被转换，输入到单片机系统，求得被测试件表面粗糙度值。测试件表面粗糙度值。 射线图像增强器是射线图像增强器是为避免射线辐射的危害而研为避免射线辐射的危害而研制出来的。用制出来的。用射线图像增强器进行摄影所用的射线图像增强器进行摄影所用的射线剂量仅是直接射线摄影的射线剂量仅是直接射线摄影的1/10

48、，为荧光板，为荧光板射线透视的射线透视的1/50，大大降低了病人在诊断时受射，大大降低了病人在诊断时受射线辐射的剂量。且医生可以在远离射线源的地方线辐射的剂量。且医生可以在远离射线源的地方进行遥测诊断。它还可以用在工业探伤方面，便于进行遥测诊断。它还可以用在工业探伤方面，便于发现细节缺陷，免去处理底片的时间。发现细节缺陷，免去处理底片的时间。入射窗：玻璃（铝和钛金属）入射窗：玻璃（铝和钛金属）X X射线吸收率小，散射线少；射线吸收率小，散射线少；输入屏：碘化铯输入屏：碘化铯(CsI(CsI/Na),/Na),透明度高，透明度高，X X射线吸收率高；射线吸收率高；光电阴极：光电阴极：形成电子影像

49、；形成电子影像；聚焦电极（电子聚焦电极（电子透镜）：透镜）：光电子加速、电子光电子加速、电子聚焦；聚焦；输出屏：输出屏：电子束撞击荧光体电子束撞击荧光体转化为可见光。转化为可见光。X X 射线射线人人 体体图像转换器图像转换器影像增强器影像增强器光学系统光学系统 摄像管摄像管 预放器预放器 信息处理信息处理 监视器监视器配有影像增强器的配有影像增强器的X射线透视射线透视X射线的产生需要的基本条件是：射线的产生需要的基本条件是：（1）有高速运动的电子流；）有高速运动的电子流；（2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动

50、能转变为电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量射线光子的能量高压电源高压电源世界上第一台世界上第一台4层层CT扫描机扫描机豪恩斯费尔德豪恩斯费尔德X-CT成像原理成像原理X射线平片与CT断层对比图 固定固定/旋转型旋转型现代螺旋现代螺旋CTCT结构图结构图第二代第二代1616层层CTCT软组织间密度差异小。如心脏、血管、脑、肾和胆囊等，腔软组织间密度差异小。如心脏、血管、脑、肾和胆囊等，腔道内充有的液体与软组织密度差别不大，道内充有的液体与软组织密度差别不大，X射线诊断受到限射线诊断受到限制。将对比剂（制。将对比剂（contrast medium)引入欲检查的器官内或其周引入欲检查

51、的器官内或其周围，改变器官与周围组织的围，改变器官与周围组织的X射线影像密度，显示出器官的射线影像密度，显示出器官的形态功能。形态功能。X 射线造影射线造影A/D存存储储器器1 1存存储储器器2 2D/A12二次激发光二次激发光光激励发光光激励发光CR系统成像基本过程系统成像基本过程优点：优点：（1）数字影像，易于处理，保存，传输和使用）数字影像，易于处理，保存，传输和使用（2）线性度好，动态范围（宽容度）大，对比度大）线性度好，动态范围（宽容度）大，对比度大（3）临床应用范围广）临床应用范围广（4） IP可重复使用可重复使用不足：时间分辨力较差，细节分辨力稍弱。不足：时间分辨力较差，细节分辨

52、力稍弱。储能荧光体储能荧光体激光扫描器激光扫描器光电倍增管光电倍增管电信号输出电信号输出间接转换探测器间接转换探测器荧荧光光储储能能探探测测器器计算机计算机X射线摄影射线摄影（computed radiography， CR)Direct digitized radiography, DDR光电导体光电导体（硒）（硒）薄膜晶体薄膜晶体管阵列管阵列电信号输出电信号输出0.1390.139mm起开关起开关作用作用直接数字化直接数字化x射线摄影射线摄影影像增强器影像增强器摄像管摄像管成像板成像板IP激光扫描仪激光扫描仪计算机计算机直接数字化直接数字化计算机计算机DDR计算机计算机X射线摄影射线摄影C

53、R与直接数字化与直接数字化x射线摄射线摄影影DDR比较比较GE GE 全数字全数字PET-CTPET-CTGE GE 生产的生产的 SPECTSPECTPET PET 图像图像磁共振现象MR在磁场中旋转的原子核可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波，使原子核的能量增加，当原子核恢复原状时，就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。图像种类图像种类 成像方式成像方式 成像依据成像依据 对人体影响对人体影响 特长特长X X射线射线 直接透射成像直接透射成像 密度和厚度密度和厚度 有损有损 形态、全貌、精细形态、全貌、精细X-CT X-CT 数据测量重建数据测量重建 吸收系数吸收系数 有损有损 高对比分

54、辨率高对比分辨率超声波超声波 同上同上 界面反射界面反射 无损无损 安全、动态、重复安全、动态、重复核素核素 同上同上 核素含量或分布核素含量或分布 有损有损 功能功能磁共振磁共振 同上同上 氢核物理状态氢核物理状态 无损无损 软组织代谢信息软组织代谢信息几种主要几种主要成像方式成像方式的比较的比较 1842年奥地利科学家年奥地利科学家Doppler等人首次发现，以等人首次发现，以任何形式传播的波，由于波源、接收器、传播介质任何形式传播的波，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使波的频率发生变化，即所谓的或散射体的运动会使波的频率发生变化，即所谓的多普勒频率移动。多普勒频率移动。1964

55、年，年，Yeh和和Cummins首次观察首次观察到水流中粒子的散射光有频率移动，证实可以用激到水流中粒子的散射光有频率移动，证实可以用激光多普勒的频移技术确定粒子的流动速度。光多普勒的频移技术确定粒子的流动速度。 多普勒效应可以由波源和接收器的相对运动产多普勒效应可以由波源和接收器的相对运动产生，也可以由波传输通道中的物体运动产生，生，也可以由波传输通道中的物体运动产生，LDV通常利用后一种情况。通常利用后一种情况。假设波源假设波源S静止，观察者以静止，观察者以速度速度v移动，波速为移动，波速为c，波长，波长为为。如果和。如果和相比，相比，P离开离开S足够远，可把足够远，可把P处的波看成处的波

56、看成是平面波。是平面波。 则有：则有：2sin2 v ff 2sin2 v因因V引起的引起的频率变化频率变化已知频率已知频率变化求相变化求相对速度对速度 多普勒频移相多普勒频移相对光源波动频率来对光源波动频率来说变化很小，因此，说变化很小，因此，必须用频带窄及能必须用频带窄及能量集中的激光作光量集中的激光作光源。源。 激光器激光器为便于连续工作，通常使用气体激光器，如为便于连续工作，通常使用气体激光器，如He-Ne激光器或激光器或氩离子激光器。氩离子激光器。光学系统由发射和接收两部分组成，发射部分光学系统由发射和接收两部分组成，发射部分由分束器由分束器F及反射器及反射器S把光线分成强度相等的两把光线分成强度相等的两束平行光，然后通过会聚透镜束平行光，然后通过会聚透镜L1聚焦到待测粒聚焦到待测粒子子P上，接收部分由接收透镜上，接收部分由接收透镜L2将散射光束收集将散射光束收集到光电接收器到光电接收