第九章 现代光电检测技术课件

光电检测技术9-1第九章现代光电检测技术光电检测技术9-1主要内容一、视觉检测技术二、光纤测量技术三、激光测量技术**四、衍射测量技术**光电检测技术9-1视觉检测技术1、什么是视觉检测技术?2、视觉检测系统的组成?3、视觉检测系统的应用?4、视觉检测系统涉及的技术?5、视觉检测技术的现状和发展前景?光电检测技术9-1光纤测量技术1、什么是光纤?2、光纤传输光的原理和主要特性？3、光纤有哪些主要的应用？4、光纤在测量方面有哪些主要的技术？其基本的操作原理是什么？光电检测技术9-1激光测量技术1激光干涉测长技术2共光路激光干涉测量技术3激光外差干涉测量4激光扫描测量、扫描定位和扫描跟踪光电检测技术9-120世纪激光、光纤、全息、光存储、光记录、光显示等的发明，给我们带来光通信、因特网、光盘等技术，使我们在21世纪迈向光子时代。如果没有20世纪光学的巨大进步，也就没有今天信息社会的到来。激光器激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明计算机延伸了人的大脑而激光延伸了人的五官是探索大自然奥秘的超级“探针”激光开始了光学一场新的革命它使近代光学和电子学联姻，诞生了光电子学，使传统光学、近代光学进入现代光学和光子学的新世纪；激光已经改变和正在改变我们的生活。光电检测技术9-1激光的基本物理性质激光的方向性激光的高亮度激光的单色性激光的相干性光电检测技术9-1激光测距系统3）激光三角法---大范围远距离测距（几千/几十千米）1）脉冲测距法2）相位差测距法激光短脉冲信号（激光器被测目标）测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）远距离---固体/二氧化碳；近距离---半导体巨脉冲激光器---地球—月球距离（分辨力：1m）激光束调制---相位差---时间---距离距离特点：测量精度高、分辨力强光电检测技术9-1原理：y=f(x)xy光电检测技术9-1Keyence激光测距传感器激光测距产品光电检测技术9-1§7-2三角法测试技术2.1三角法测试技术基础在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值，或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示有下列关系:zbβ图7-16三角法原理示意图激光器f′x′光电检测技术9-1特点：

非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征光电检测技术9-1应用：光电检测技术9-1厚度测量(a)参考表面：两传感器同向---减小偏心误差(b)相对测量：两传感器反向，无参考表面

---克服钢板本身上下起伏造成的误差光电检测技术9-1测量范围：16mm左右；相对测量精度：

0.1%~0.2%

适用：在线测量钢板/铝板等板材厚度

特点：测头对表面颜色和纹理变化以及背景光的影响不敏感不能测量镜面---漫反射原理光电检测技术9-1激光测距光电检测技术9-1地—月距离测量光电检测技术9-1激光陀螺——角速度传感器

1、光学陀螺的工作原理（Sagnac效应）图1Sagnac原理图在圆形环路（周长

）中

光程差（或时间差）

因有时间差光电检测技术9-1在光学谐振型陀螺中，与相应的非互易相移（频率差）为：

（2）

由于环路面积，则亦即有光程差：在光学干涉型陀螺中，与相应的非互易相移（相位差）为：（1）

即顺时针行波和逆时针行波的频率差光电检测技术9-1光学陀螺的优势1)

性能稳定，抗干扰能力强，不受载体运动加速度的影响；2)

测量动态范围（比机械陀螺仪）宽；3)标定因数线性度和稳定性高；4)输出信号数字化，与计算机结合方便；5)无高速转动部件，可直接附着于运动载体上。光电检测技术9-1气体激光陀螺光电检测技术9-1LD泵浦的固体激光陀螺的优点1)

增益大，易小型化；2)

LD工艺成熟，性能稳定，电光转化效率高；3)

全固态陀螺，宜长期贮存，温度效应弱；4)

对反射镜的镀膜工艺要求低，生产成本低；5)

激光谐振腔内可以加入锁模光学元件，工作于短脉冲模式，从而消除“闭锁”产生的根源；6)属有源谐振型激光陀螺，具有气体激光陀螺精度高的优点。光电检测技术9-1气体激光陀螺环型谐振腔合光棱镜光电检测技术9-1

五镜腔环形固体激光器光电检测技术9-1LD泵浦的激光陀螺的方案

LD—激光二极管C—制冷器P1、P2—整形棱镜L1—扩束镜

L2—聚焦透镜M1、M2—球面镜反射镜M3—平面反射镜O—光学延时器BS—分束片G—增益介质(Nd:YVO4晶体)D—光电探测器E1—LD驱动电路E2—制冷器电路LD

L1

M3P1

P2

M1

L2

M2ODBSC

E2

E1G光电检测技术9-1激光干涉测量系统单频激光干涉系统光电检测技术9-1激光干涉仪斐索干涉仪检验表面缺陷光电检测技术9-1球面曲率半径测量等倾条纹等厚条纹光电检测技术9-11、激光干涉测长技术光电检测技术9-1双频激光干涉测量系统光电检测技术9-1什么是”共光路干涉仪?”

干涉仪中测量光束和参考光束经过同一光路!1)斐索共路干涉仪2)米勒干涉仪3)散射板干涉仪4)错位式干涉仪2、共光路激光干涉测量技术光电检测技术9-1光电检测技术9-1光电检测技术9-1光电检测技术9-13、激光外差干涉测量技术光电检测技术9-14、激光扫描测量、扫描定位与扫描跟踪光电检测技术9-1光电检测技术9-1光电检测技术9-1相对运动视觉检测技术光电检测技术9-1(1)零件的识别与定位领域：工业、农业、航天、军事等1、工业检测例：双目立体视觉检测系统

——简单视觉的机器人系统

自动连接引线、对准芯片和封装；

自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。视觉检测技术一、应用光电检测技术9-1(2)零件尺寸的在线测量(3)零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片管脚检测钢板厚度的在线测量

木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积

(4)产品分类、分组(5)产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签光电检测技术9-1“手-眼”定位：两个摄像机---两幅平面图像---三维场景信息用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人2、机器人导航光电检测技术9-1“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片

“勇气”号火星车发回的彩色照片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人光电检测技术9-13、生物医学图像分析（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）医学影像融合分析细胞个数统计

CT图像自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象光电检测技术9-1（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片

转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别光电检测技术9-14、遥感图像分析：卫星遥感图像---气象卫星（红外成象---云图---气象状况）资源卫星（多光谱成象----地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象---海洋、海浪、海滩）航空摄影图像---（多目成象---大地测量、测绘）交通---车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全---指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视---超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：5、监控、安防、交通管理：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公设备---数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器---数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃光电检测技术9-1视觉系统的一般构成光源图像卡场景摄像机计算机典型视觉系统工作原理：光→敏感元件→电（光电元件）光源光通路光电元件测量电路光光电电yx1x2传感器：光电检测技术9-1单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构图像采集系统：可视化图像或特征数据场景镜头光源摄像机图像存储体计算机输出镜头摄像机镜头摄像机控制电缆视觉系统流程图图像质量好图像处理简单、结果理想图像质量差图象处理麻烦、结果不理想由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成光电检测技术9-1眼睛的结构及成像人类视觉—眼睛计算机视觉—图像输入系统晶状体—镜头；视网膜—像敏面；远物体—晶状体扁平—屈光能力小—距离大（最大17mm)近物体—晶状体厚—屈光能力大—距离小（最小14mm)物体光电检测技术9-1镜头的主要指标①焦距：焦距小（短），视场角大，观察范围大，但远处物体分辨不很清楚焦距大（长），视场角小，观察范围小，很远的物体也能看清楚焦距的大小决定着视场角的大小。选择焦距：观测范围—

是要观测细节，还是要较大的观测范围焦距的计算：f=vD/Vf=hD/H

选择比计算值小的固定焦距，则视角还会大一些

近距离大场面—小焦距广角；远处细节—大长焦焦距大小：几毫米—数米光电检测技术9-1②光圈：（光圈指数、光阑系数），表示光通量大小，用F表示，F数光圈指数序列的标值：1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，③安装方式：方式---C式和CS式两种，差别是镜头和CCD像面的距离不同，---螺纹连接专用接圈----C式镜头比CS式镜头多一个专用接圈的长度，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量：F=f/D(镜头标明)C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，CS式安装座从基准面到焦点距离为12.5毫米。镜头上标注---焦距、光圈——

确定镜头光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。

摄影镜头---螺距为1英寸32牙，直径为1英寸（英制）照相镜头---M42×1(直径为42mm，螺距为1mm

）单板式CCD镜头---M12×0.5(直径为12mm，螺距为0.5mm）光电检测技术9-1镜头的种类①按焦距大小分类：②按变焦方式分类：③按光圈方式分类：固定光圈镜头、手动变光圈镜头、自动变光圈镜头⑤按安装方式分类：分为普通安装镜头、隐蔽安装镜头（针孔镜头）分为广角镜头、标准镜头、长焦距镜头固定焦距镜头、手动变焦距镜头、电动变焦距镜头固定焦距镜头--固定视场大小和距离，手动变焦镜头--偶尔改变观察范围和目标大小电动变焦镜头--经常性改变观察范围，变焦范围大，既可以看大范围，也可以聚焦某个细节。固定光圈镜头--固定场景和目标，亮度不变，用于光线变化大且频繁的场合。

手动变光圈镜头--适合亮度变化不大的场合（光圈环）一次性调整合适为止，不变自动变光圈镜头--会随着光线的变化而自动调整，④按变焦倍数：2倍变焦、6倍变焦、10倍变焦、20倍变焦等。⑥按用途分类：照相镜头、摄影镜头、单板式CCD镜头光电检测技术9-1(1)CCD的种类：CCD摄像机①按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD②按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机④按输出信号分类：模拟式、数字式

黑白摄像机：信息量小，时间、空间少彩色摄像机：信息量大，时间、空间多线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:

整幅图像；直观；价格高，体积大；③按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描

逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊数字摄像机----电子快门曝光时间:1/50s、1/125s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、1/8000s、1/16000s、1/32000s…

⑤按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形

光电检测技术9-1摄像机的主要参数①制式：②CCD芯片尺寸：PAL制式---标准为625行，50场，中国采用隔行扫描（黑白为CCIR）（西欧、亚洲、澳大利亚）NTSC制式---标准为525行，60场（黑白为EIA）（美加、日本）非标准制式---只有医疗或其它专业领域才用到

面阵CCD芯片相位交替行（PhaseAlternatingLine）---逐行倒相国家电视委员会（NationalTelevisionSystemsCommittee)光电检测技术9-1③CCD分辨率：是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。像素

--CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰

44万（768*576）、100万（1024*1024）

200万（1600*1200）、600万（2832*2128）电视线

--简称线(TVLINES)，彩色摄像头一般330~500线，

黑白可以达到600线。电视线与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。灰度级--灰度分辨率、色彩分辨率，1/2n

位数：8位（bit）、10位、11位、12位、位数越多，图像越清晰。摄像机的主要参数光电检测技术9-1天气

照度LUX室内场所

照度LUX晴天

30000~300000生产车间

10~500阴天

3000办公室

30~50日出日落

300餐厅

10~30

月圆

0.3~0.03走廊

5~10星光

0.0002~0.00002停车场

1~5阴暗夜晚

0.003~0.0007

照度参考表：

普通型

正常工作所需照度1~3LUX月光型

正常工作所需照度0.1LUX左右

星光型

正常工作所需照度0.01LUX以下

红外型

采用红外灯照明，在没有光线的情况下也可以成像

根据照度划分，CCD又分为：

④最低照度：也称灵敏度，是CCD对环境光线的敏感程度（最暗光线）。单位---勒克斯，LUX，数值越小，需要的光线越少，越灵敏。摄像机的主要参数光电检测技术9-1⑤信噪比：典型值为46分贝，如果为50分贝，则图像有少量噪声，但图像质量较好；如果能达到60分贝，就不会出现噪声。⑦电源：交流220伏、24伏；直流12伏和9伏。⑥光谱：选择摄像机：芯片尺寸、像素数、线数、灵敏度、光谱响应感光范围—

可见光、红外、超声波等摄像机的主要参数光电检测技术9-1

离焦—不清晰、对比度不好

聚焦—清晰、对比度好光电检测技术9-1夜晚景物图像对比夜间模式延长曝光时间光积分时间短---曝光量小---景物亮度低---对比度差光积分时间长---曝光量大---景物亮度高---对比度好光电检测技术9-1F=8傍晚景物图像对比F=5.6光电检测技术9-1阴天景物图像对比F=11F=5.6光电检测技术9-1图像存储体(1)图像存储体的作用：①接收来自摄像机的图像信号：模拟摄像机---标准电视信号数字摄像机---数字信号

②存储图像数据：容量大、速度高、存取方便

③图像处理：简单预处理---滤波、二值化图像叠加---直线、圆、数字、符号

④图像输出：输出到监视器---监视、观察输出到计算机---图像处理、模式识别

(2)图像存储体的种类：①外置式：独立单元、单独供电、功能全面、容易构成视觉系统

②图像卡式：插入计算机扩展槽内---使用方便、速度快、成本低③传输式：数字摄像机---计算机接口/网络传输（串行、并行、USB）

视觉传感器模块视觉传感器—

光源、摄像头、图像处理器、控制与通讯接口光电检测技术9-1视觉检测系统光电检测技术9-1光电检测技术9-1照明系统平面光狭缝450450S’a’aHCCD或分划板SCCD视场h=aa’图象采集卡计算机图象处理程序结果光源滤光片透镜（显微系统）图象传感器IS光电检测技术9-1光电检测技术9-1视觉检测的应用光电检测技术9-1视觉检测的应用光电检测技术9-1光电检测技术9-1光电检测技术9-1三维人体扫描光电检测技术9-1光电检测技术9-1视觉检测系统的标定光电检测技术9-11.信号处理电路3）电压/电流（V/A）转换----需要电流输出时；1）信号放大2）噪声抑制----信号淹没在噪声中；电压（mV/V）；电流（

A/

mA）----运算放大电路（运算放大器）相敏检波：同步整流电路模拟滤波：低通（LPF）、高通（HPF）、带通（BPF）、带阻（BEF）、全通（APF）滤波器4）模拟/数字（A/D）转换----需要输出数字信号时光电元件信号处理图像处理光电电图像视觉检测系统的信息处理光电检测技术9-1光电器件中被物体遮住和受到光照部分的光敏单元输出有着显著区别,可以把它们的输出看成“0”、“1”信号。通过对输出为“0”的信号进行计数,即可测出物体的宽度。这就是信号的二值化处理。实际应用时,物像边缘明暗交界处,实际光强是连续变化的,而不是理想的阶跃跳变,要解决这一问题可用两种方法:

①比较整形法;②微分法。简单信号处理He-Ne信号读出信号处理时钟发生控制器计数显示器透镜细丝线阵CCDL光电检测技术9-1计数脉冲CCD低通滤波比较器计数显示参考电平+－比较整形法(域值法)光电检测技术9-1比较器输出CCD输出滤波输出参考电平tt10n个脉冲在低电平期间对计数脉冲进行计数,从而得np。比较整形法(域值法)光电检测技术9-1固定域值法+U

CCD视频信号+U

W+_电压比较器U0域值电平

二值化信号R

固定域值法是将CCD输出的视频信号送入电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端加上可调的电平就构成了固定域值二值化电路。当CCD视频信号电压的幅度稍稍大于域值电压（电压比较器的反相输入端电压）时，电压比较器输出为高电平（为数字信号“1”）；当CCD视频信号小于等于域值电压时，电压比较器输出为低电平（为数字信号“0”）。CCD视频信号经电压比较器后输出的是二值化方波信号。域值电压可调节光电检测技术9-1浮动域值法CCD视频信号+_电压比较器U0域值电平

二值化信号跟随器

S/H

W

R

浮动域值法是使电压比较器的域值电压随测量系统的光源或随CCD输出视频信号的幅值浮动。这样，当光源强度变化引起CCD输出视频信号起伏变化时，可以通过电路将光源起伏或CCD视频信号的变化反馈到域值上，使域值电位跟着变化，从而使方波脉冲宽度基本不变。光电检测技术9-1微分法低通滤波微分I绝对值微分II过零触发二值化CCD视频信号微分法原理框图可由硬件电路完成，也可由数字信号处理方法软件完成（数字信号处理）CCD直接进行A/D同步采样，再用计算机对数字处理。省去滤波及以后的环节。光电检测技术9-1滤波后CCD视频信号AA，微分I绝对值微分II过零