chapter4深圳大学光电检测技术课件

光电空间信息检测技术与系统文侨E-mail:wenqiao@深圳大学光电工程学院344房间《光电检测技术》课程2光电检测系统被测量光电变换所需信息光学量电学量光电检测系统被测量光电变换所需信息光学量电学量光源信号放大控制系统光匹配处理光电检测系统3光电空间信息检测技术用途利用光位置传感器，直接测定物体的形状、尺寸、位置CCD、PSD用于图形微细结构的测定显微镜、X射线、CT、OCT利用固体成像器件对光学条纹信息进行检测莫尔条纹、干涉条纹、散斑条纹利用空间频率信息对空间信息进行检测傅里叶变换、空间频率滤波相关运算对空间信息进行检测自相关、互相关运算4像传感检测技术用途：测定物体的形状、尺寸、位置使用器件：非接触检测在线检测快速检测CCDPSD技术特点：5L像传感检测技术(例:微小尺寸的检测)1θ023XkSdL透镜细丝线阵CCD信号读出信号处理计数显示器时钟发生控制器He-Ne远场条件:L>>d2/λ

d=Kλ/Sinθ6信号处理计数显示控制器Ln·p

L==(

+1)·np

例子：钢珠直径，小轴承内外径，小轴径、孔径，小玻璃管直径，微小位移测量，机械振动测量。像传感检测技术(例:小尺寸的检测)7CCD2公称尺寸L0右误差LXCCD1ββ像传感检测技术(例:大尺寸的检测)左误差LL总长度：L=L0+LL+LX8像传感检测技术(例:光学三角测量法)

原理：光学三角测法用PSD将位移量变换成电流信号；若被测物从图中的基准位置移动到A处，则PSD上的像将移动到a点；反之，若反方向移动到B处，则PSD上的像将移动到b点；电流与位置之间变化为非线性，需要进行线性校正。PSD位移测量示意图9空间信息扫描检测技术用途：测定物体的形状、尺寸、位置、三维轮廓形貌、人体医学扫描使用器件：非接触检测在线检测可获得三维空间信息因扫描而速度降低CCDPSD技术特点：10空间信息扫描检测技术(例：图像扫描信息)图像扫描技术是图像输入的经典手段由光源照明、光学成像、红绿蓝色光分解、光电转换逐点或逐行采集图像信息并将其转换成数字图像图像扫描的基本流程11平面型图像扫描平面型图像扫描系统：原稿平台与光源相对运动扫描，一般原稿平台静止、光源移动平面型图像扫描结构图12滚筒型图像扫描滚筒型图像扫描系统：原稿贴附在扫描滚筒上，随滚筒高速旋转13空间信息扫描检测技术(例：医用信息扫描)医用信息扫描技术原理：根据人体各种组织的光学特性差异，来获得断层像。使用与人体、生物检测断层成像CT(ComputedTomogrphy,计算机X射线断层扫描)OCT(OpticalCoherencTomogrphy,光学相干断层扫描)技术特点：使用设备：14CT光源—X射线X射线：也称为伦琴射线

1895年德国物理学家伦琴发现

伦琴因此获得首届诺贝尔奖

X射线：一种频率比紫外线更高的电磁波，也是一种光子——X光子什么是X射线？15CT光源—X射线X射线特点：具有很强的穿透性16CT扫描原理

CT扫描原理：人体各种组织疏密程度不同X射线的穿透能力也就不同探测器接收到射线就有差异对这些数据以特定的算法（CT算法）利用计算机求解后构成断层像。CT扫描原理17CT原理18OCT基础——光在生物组织中传播光从A点入射到生物体内，在点B上观察透射光透射光中包含着三种光线，①受到散射后向任意方向散射光；②具有较小的散射角且向前传播的光线；③向前透射直线传播的光线。为了实现光学OCT必须检测出第三种直线传播的透射成分的光。

光在在生物组织中传播示意图19直线传播光的透射光强非常小，因此问题在于如何将这样的信号选择出来进行高灵敏的检测。外差法OCT检测装置原理图利用外差法检测，将激光束分为参考光与入射到生物体试样的信号光。合光后，多次散射得到的光与参考光偏振方向不一致，不会产生拍频信号，因此检测出的拍频信号是直线传播光与参考光干涉的结果。OCT20迈克尔逊OCT装置把光分成两束——信号光与参考光，其中信号光聚焦后照射到组织内得到向后散射光，参考光在压电陶瓷等器件调制的反射镜上反射回来得到光程调制，然后对两束光进行合光干涉检测。迈克耳逊OCT装置示意图OCT21利用光纤传干涉仪的OCT，可用导管等得到生物体内部组织的断层图像。利用光纤干涉仪的OCT装置示意图

OCT22空间信息扫描检测技术(例：三维信息扫描)三维信息扫描技术方法：利用莫尔法、激光扫描法、数字全息法速度慢信息更全面、丰富获取三维信息应用于逆向工程技术特点：目的：23正向工程：产品功能需求绘制设计图制造装配完整产品什么是逆向工程？正向工程逆向工程(ReverseEngineering),又称为反求工程等逆向工程定义:将实物转变为CAD模型相关的数字化技术,几何模型重建技术和产品制造技术的总称将已有产品转化为工程设计模型,在此基础上进行解剖,深化和再创造的过程24汽车造型油模外形测量25设计草图油土石膏模型测绘特征线三角嵌片涂彩细腻涂彩26鞋揎的扫描汽车造型的扫描牙齿的重建逆向工程的应用艺术品的扫描27机械式三坐标测量机——CMM悬臂式三坐标测量机28机械式三坐标测量机——CMM29Chameleon7107

三坐标测量机美国布朗·夏普公司制造测量范围:650×1000×650mm机械式三坐标测量机——CMM30光学三坐标测量机原理基础知识——莫尔条纹莫尔（Moire）:法语中的原意是水波纹或波状花纹莫尔条纹的位移放大作用任何两组（或多组）几何线族的叠合均能产生按新规律分布的莫尔条纹31横向莫尔条纹的生成：横向莫尔条纹的放大作用：q光栅2光栅1wBωBθ节距B纹距ω莫尔条纹32莫尔条纹特性方向性：垂直于角平分线→与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距→莫尔条纹移动一个间距准确性：误差平均效应→克服个别/局部误差→提高精度放大性：夹角θ很小→B>>W→光学放大→提高灵敏度33当光栅相对移动一个节距W时，条纹移动一个宽度周期B。莫尔条纹的位移放大作用34纵向莫尔条纹：纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹的形成：两光栅平行，但其纹距有微小差异

主光栅指示光栅(1+ε)WBW35播放中……圆弧莫尔条纹单击准备演示播放动画36光闸莫尔条纹播放动画播放中……37环形莫尔条纹播放动画播放中……单击准备演示38单击准备演示辐射形莫尔条纹播放动画39傅里叶

Fourier对自然界的深刻研究是数学最富饶的源泉让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶（法文：JeanBaptisteJosephFourier,1768年3月21日－1830年5月16日），也译作傅立叶，法国数学家、物理学家。

40傅里叶变换1822年，法国数学家傅里叶在研究热传导理论时发表了“热的分析理论”，提出并证明了将周期函数展开为正弦级数的原理，奠定了傅里叶级数的理论基础。泊松(Poisson)、高斯(Guass)等人把这一成果应用到电学中去，得到广泛应用。在通信与控制系统的理论研究和工程实际应用中，傅里叶变换法具有很多的优点。“FFT”快速傅里叶变换为傅里叶分析法赋予了新的生命力。41函数的傅立叶变换函数f（x）的一维傅立叶变换定义为：其逆变换定义为：42傅立叶变换的幅值和相角傅立叶变换结果常常是虚数，可用复数形式表示为：则其幅值为：其相位为：43信号与频谱信号：以时间为自变量的有用函数，属时域描述频谱：以频率为自变量，属频域描述AmplitudeFrequency44信号与频谱时间域频率域时间域频率域45信号与频谱声音信号在时间域声音信号在频率域

46傅里叶变换对原函数傅里叶变换47傅里叶变换对48SpatialDomain(x)FrequencyDomain(u)LinearityScalingShiftingSymmetryConjugationConvolutionDifferentiation傅里叶函数特性49信号的时域与频域的对应关系：连续非周期离散周期时域连续非周期信号频域非周期连续时域连续周期信号频域非周期离散时域离散非周期信号频域周期连续时域离散周期信号频域周期离散时域和频率与之间的关系50空间域的傅立叶变换空间域的二维傅里叶变换其中空间域的二维逆傅里叶变换51原图幅值相位空间域二维傅立叶变换的幅值和相角52原图像

幅度谱相位谱空间域二维傅立叶变换的幅值和相角原图像幅度谱相位谱53幅度谱告诉我们图像中某种频率的成份有多少相位谱告诉我们频率成份位于图像的什么位置通常我们只关心幅度谱下面两个图对应的幅度

谱是一样（这里只显示

了其幅度谱，当然相位

谱是不一样的）幅度谱和相位谱的物理意义54请观察原图与幅度谱之间的联系55图像中的颗粒状对应的幅度谱呈环状如果只有一颗颗粒，其幅度谱是否呈现环状？请观察原图与幅度谱之间的联系56

请观察原图与幅度谱之间的联系图像发生旋转时，幅度谱也相应的进行了旋转57傅里叶光学的应用空间滤波图像处理图像识别非相干光学信息处理58光学傅里叶变换的实现焦距为f的透镜产生的相位调制为物体在前焦面上在透镜后焦面上得到的是准确的傅里叶变换（其它的情况）ff物平面透镜频谱面59物平面频谱面透镜光源光学傅里叶变换的实现物平面频谱面透镜光源物平面频谱面透镜光源无论物体位于透镜的前方，后方还是紧靠透镜，在透镜的后焦面都可以得到物体的频谱60阿贝成像原理与空间滤波透镜成像观点:几何光学成像、阿贝成像几何光学：自物点Ａ，Ｂ，Ｃ发出的球面波,经透镜折射后,各自会聚到它们的像点Ａ,Ｂ,Ｃ。透镜像面图中光线不同的颜色表示发自不同的物点61F阿贝成像原理:物是一系列不同空间频率的集合。物平面光经透镜后，在其焦面（频谱面）上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加,形成像。ABCB’A’C’阿贝成像原理将成像过程分为两步:第一步“分频”第二步“合成”阿贝成像真正意义：提供了一种新的频谱语言描述信息，启发人们用改变频谱的手段来改造信息。62用空间滤波法进行空间信息处理63振幅滤波：改变各种空间频率成分的相对振幅分布相位滤波：改变傅里叶频谱的位相分布，不改变它的振幅分布，功能：观察位相物体微分滤波：利用傅里叶变换对的微分特性，获得光强轮廓在某一方向上的变化量匹配滤波：利用傅里叶变换对的相关特性，根据函数频谱共轭复数的乘积实现空间相关运算。空间滤波法低通滤波高通滤波带通滤波方向滤波64FTIFT傅里叶变换与逆傅里叶变换65IFTIFTLPFHPF用空间滤波法（振幅）进行空间信息处理66空间滤波频谱面高频信息物面许多成像光学仪器就是一个低通滤波器,物平面包含从低频到高频的信息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过,因此,丢失了高频信息的光束再合成,图象的细节变模糊。

孔径越大,丢失的信息越少,图象越清晰。67物平面像平面频谱面用空间滤波法进行空间信息处理68uv原图DetailGeneralappearance频谱用空间滤波法进行空间信息处理69用空间滤波法进行空间信息处理704f系统.光光物平面像平面频谱面ffff71用空间滤波法（振幅）进行图像识别和比较把标准图象放在物平面上，在频谱平面上放一张照相底片，以单色相干光照明而获得频谱图的负片，把负片放在原来频谱的位置上，由于原来频谱图的亮斑恰好为负片的暗处，而原来的频谱图的暗处正好为负片的亮斑。把待检测的图样放在物平面上，如果待检测图样和标准图象完全一样，频谱图和负片互补，这样在像平面出现一片黑暗。如果两个图样有一点不图，则在像面上出现亮点。72相衬法怎么观察透明标本？*简单染色法*革兰氏染色法*荚膜染色*负染色法*抗酸性染色法*芽胞染色法*荧光法细胞染色73相衬法怎么观察透明标本？细胞染色泽尼克提出相衬法：将样品的相位信息通过一种特殊的滤波器，转化为输出像面上的光强分布。相衬法的优点：不需要对标本进行染色，这就避免了在染色过程中由于化学作用可能引起的标本内部结构的变化。74泽尼克

（FritsFrederikZernike,1888-1966）

诺贝尔奖物理学教授首位女性神职人员荷兰一流的文学大师因论证相衬法，特别是发明相衬显微镜，获得了1953年度诺贝尔物理学奖。

用空间滤波法（相位）进行空间信息处理

生于荷兰阿姆斯特丹一个数学教师的家庭里，他父母都是数学教师,热衷教育，6个孩子，4人成绩显著。75①弱相位物体：

泽尼克相衬法③位相滤波器：在显微镜物镜的频谱面中心涂一小滴透明的电解质，其厚度为h，折射率为n。②频谱面上原相位物体的频谱为：④物体的频谱经过位相滤波器后：⑤在像平面上得到复振幅和光强分别为：正相衬负相衬其中，常数76另一种相位滤波技术—纹影仪光源S测试流体纹影头

CCD接受平面刀口透镜1透镜2底片的共轭物平面高通滤波器等相位变化转换成光的强度变化

77另一种相位滤波技术—纹影仪光源S纹影头

CCD接受平面刀口透镜1透镜2①经流体扰动光场

②透镜2焦平面处为：④CCD处光场：⑤CCD处光强：其中，③由于刀口对光强的衰减：⑥CCD处相对光强：测试流体78纹影仪纹影仪：一种在空气动力学和燃烧学方面很有用的装置，可以应用于火焰照相和流场显示技术。对于弱相位的物体使用高通滤波器或挡掉一半的频谱可以将相位转变为强度的变化。泽尼克相衬法与纹影法的区别：泽尼克相衬法：强度的变化与相位变化成线性关系纹影法：强度的变化与相位变化是非线性关系79用空间滤波法（微分滤波）进行空间信息处理傅里叶的微分性质：将微分转换成乘积运算微分滤波器：在频谱平面上放置的线性滤波器，

其振幅透过率函数可表示为ffffP1P2P3L1L2g(x,y)G(u,v)g’(x’,y’)80用空间滤波法（微分滤波）进行空间信息处理微分滤波法的优点：对每个应变分量直接测量，无需繁杂计算应变信号由光强直接放映测量范围大81将这个和标准图象的频谱函数共轭的滤波器放置在频谱面上。如果放在物平面的待测图样和标准图样完全相同，则像面出现一个亮点，如果图样和标准图像不同，则在像面出现花样。用空间滤波法（匹配滤波）进行空间信息处理相关函数与其功率谱密度是一对傅里叶变换82光电空间信息检测的信号采集84抽样定理的数学基础——卷积运算对于两个复值函数和，其卷积定义为式中*表示卷积运算。变换变量翻褶（卷）平移相乘积分85卷移乘积tf1(t)201f2(t)10tf1()f2(t-)021f2(t-)10tf2(-)10f1()201t1f1(t)*f2(t)0t1t't't’tf2()10f1(-)201-1f1(t)*f2(t)0t1t’t’f1(t-)01-1t2f2()f1(t-)01-1t21t*86抽样定理的数学基础——卷积运算87卷积运算性质1、交换律2、分配律3、结合律4、δ函数的卷积----函数的平移该性质用于对重复的物理结构的描述，如光栅、双缝等88抽样

抽样：利用抽样脉冲序列p(t)从连续信号f(t)中“抽取”一系列的离散样值的过程，称之。抽样信号

抽样信号：经抽取后的一系列的离散信号称之。抽样抽样过程：通过抽样脉冲序列p(t)与连续信号f(t)相乘。即：抽样过程

89抽样定理研究问题抽样量化编码抽样过程方框图连续信号f(t)抽样信号数字信号fs(t)抽样脉冲p(t)抽样后，有两个问题要解决：抽样信号fs(t)的傅里叶变换？它和未经抽样的原连续信号f(t)的傅里叶变换有什么联系？连续信号被抽样后，它是否保留了原信号f(t)的全部信息？如果能，在什么条件下，可从抽样信号fs(t)中无失真地恢复出原连续信号f(t)？90抽样过程的时间函数及对应频谱图抽样过程的时间函数及对应频谱91混叠现象奈奎斯特抽样间隔不发生混叠的条件：即抽样间隔满足奈奎斯特（Nyquist）抽样间隔T=1/2vm时，不丢失信息92混叠现象奈奎斯特抽样间隔说明不发生混叠的条件：即抽样间隔满足奈奎斯特（Nyquist）抽样间隔T=1/2vm时，不丢失信息93G(v)-vmvm0原函数抽样时,在t方向抽样点的间隔T1/(2vm)

f(t)