chapter4深圳大學(xué)光電檢測技術(shù)課件

光電空間信息檢測技術(shù)與系統(tǒng)文僑E-mail:wenqiao@深圳大學(xué)光電工程學(xué)院344房間《光電檢測技術(shù)》課程2光電檢測系統(tǒng)被測量光電變換所需信息光學(xué)量電學(xué)量光電檢測系統(tǒng)被測量光電變換所需信息光學(xué)量電學(xué)量光源信號放大控制系統(tǒng)光匹配處理光電檢測系統(tǒng)3光電空間信息檢測技術(shù)用途利用光位置傳感器，直接測定物體的形狀、尺寸、位置CCD、PSD用于圖形微細結(jié)構(gòu)的測定顯微鏡、X射線、CT、OCT利用固體成像器件對光學(xué)條紋信息進行檢測莫爾條紋、干涉條紋、散斑條紋利用空間頻率信息對空間信息進行檢測傅里葉變換、空間頻率濾波相關(guān)運算對空間信息進行檢測自相關(guān)、互相關(guān)運算4像傳感檢測技術(shù)用途：測定物體的形狀、尺寸、位置使用器件：非接觸檢測在線檢測快速檢測CCDPSD技術(shù)特點：5L像傳感檢測技術(shù)(例:微小尺寸的檢測)1θ023XkSdL透鏡細絲線陣CCD信號讀出信號處理計數(shù)顯示器時鐘發(fā)生控制器He-Ne遠場條件:L>>d2/λ

d=Kλ/Sinθ6信號處理計數(shù)顯示控制器Ln·p

L==(

+1)·np

例子：鋼珠直徑，小軸承內(nèi)外徑，小軸徑、孔徑，小玻璃管直徑，微小位移測量，機械振動測量。像傳感檢測技術(shù)(例:小尺寸的檢測)7CCD2公稱尺寸L0右誤差LXCCD1ββ像傳感檢測技術(shù)(例:大尺寸的檢測)左誤差LL總長度：L=L0+LL+LX8像傳感檢測技術(shù)(例:光學(xué)三角測量法)

原理：光學(xué)三角測法用PSD將位移量變換成電流信號；若被測物從圖中的基準(zhǔn)位置移動到A處，則PSD上的像將移動到a點；反之，若反方向移動到B處，則PSD上的像將移動到b點；電流與位置之間變化為非線性，需要進行線性校正。PSD位移測量示意圖9空間信息掃描檢測技術(shù)用途：測定物體的形狀、尺寸、位置、三維輪廓形貌、人體醫(yī)學(xué)掃描使用器件：非接觸檢測在線檢測可獲得三維空間信息因掃描而速度降低CCDPSD技術(shù)特點：10空間信息掃描檢測技術(shù)(例：圖像掃描信息)圖像掃描技術(shù)是圖像輸入的經(jīng)典手段由光源照明、光學(xué)成像、紅綠藍色光分解、光電轉(zhuǎn)換逐點或逐行采集圖像信息并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像圖像掃描的基本流程11平面型圖像掃描平面型圖像掃描系統(tǒng)：原稿平臺與光源相對運動掃描，一般原稿平臺靜止、光源移動平面型圖像掃描結(jié)構(gòu)圖12滾筒型圖像掃描滾筒型圖像掃描系統(tǒng)：原稿貼附在掃描滾筒上，隨滾筒高速旋轉(zhuǎn)13空間信息掃描檢測技術(shù)(例：醫(yī)用信息掃描)醫(yī)用信息掃描技術(shù)原理：根據(jù)人體各種組織的光學(xué)特性差異，來獲得斷層像。使用與人體、生物檢測斷層成像CT(ComputedTomogrphy,計算機X射線斷層掃描)OCT(OpticalCoherencTomogrphy,光學(xué)相干斷層掃描)技術(shù)特點：使用設(shè)備：14CT光源—X射線X射線：也稱為倫琴射線

1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)

倫琴因此獲得首屆諾貝爾獎

X射線：一種頻率比紫外線更高的電磁波，也是一種光子——X光子什么是X射線？15CT光源—X射線X射線特點：具有很強的穿透性16CT掃描原理

CT掃描原理：人體各種組織疏密程度不同X射線的穿透能力也就不同探測器接收到射線就有差異對這些數(shù)據(jù)以特定的算法（CT算法）利用計算機求解后構(gòu)成斷層像。CT掃描原理17CT原理18OCT基礎(chǔ)——光在生物組織中傳播光從A點入射到生物體內(nèi)，在點B上觀察透射光透射光中包含著三種光線，①受到散射后向任意方向散射光；②具有較小的散射角且向前傳播的光線；③向前透射直線傳播的光線。為了實現(xiàn)光學(xué)OCT必須檢測出第三種直線傳播的透射成分的光。

光在在生物組織中傳播示意圖19直線傳播光的透射光強非常小，因此問題在于如何將這樣的信號選擇出來進行高靈敏的檢測。外差法OCT檢測裝置原理圖利用外差法檢測，將激光束分為參考光與入射到生物體試樣的信號光。合光后，多次散射得到的光與參考光偏振方向不一致，不會產(chǎn)生拍頻信號，因此檢測出的拍頻信號是直線傳播光與參考光干涉的結(jié)果。OCT20邁克爾遜OCT裝置把光分成兩束——信號光與參考光，其中信號光聚焦后照射到組織內(nèi)得到向后散射光，參考光在壓電陶瓷等器件調(diào)制的反射鏡上反射回來得到光程調(diào)制，然后對兩束光進行合光干涉檢測。邁克耳遜OCT裝置示意圖OCT21利用光纖傳干涉儀的OCT，可用導(dǎo)管等得到生物體內(nèi)部組織的斷層圖像。利用光纖干涉儀的OCT裝置示意圖

OCT22空間信息掃描檢測技術(shù)(例：三維信息掃描)三維信息掃描技術(shù)方法：利用莫爾法、激光掃描法、數(shù)字全息法速度慢信息更全面、豐富獲取三維信息應(yīng)用于逆向工程技術(shù)特點：目的：23正向工程：產(chǎn)品功能需求繪制設(shè)計圖制造裝配完整產(chǎn)品什么是逆向工程？正向工程逆向工程(ReverseEngineering),又稱為反求工程等逆向工程定義:將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù),幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱將已有產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型,在此基礎(chǔ)上進行解剖,深化和再創(chuàng)造的過程24汽車造型油模外形測量25設(shè)計草圖油土石膏模型測繪特征線三角嵌片涂彩細膩涂彩26鞋揎的掃描汽車造型的掃描牙齒的重建逆向工程的應(yīng)用藝術(shù)品的掃描27機械式三坐標(biāo)測量機——CMM懸臂式三坐標(biāo)測量機28機械式三坐標(biāo)測量機——CMM29Chameleon7107

三坐標(biāo)測量機美國布朗·夏普公司制造測量范圍:650×1000×650mm機械式三坐標(biāo)測量機——CMM30光學(xué)三坐標(biāo)測量機原理基礎(chǔ)知識——莫爾條紋莫爾（Moire）:法語中的原意是水波紋或波狀花紋莫爾條紋的位移放大作用任何兩組（或多組）幾何線族的疊合均能產(chǎn)生按新規(guī)律分布的莫爾條紋31橫向莫爾條紋的生成：橫向莫爾條紋的放大作用：q光柵2光柵1wBωBθ節(jié)距B紋距ω莫爾條紋32莫爾條紋特性方向性：垂直于角平分線→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距準(zhǔn)確性：誤差平均效應(yīng)→克服個別/局部誤差→提高精度放大性：夾角θ很小→B>>W→光學(xué)放大→提高靈敏度33當(dāng)光柵相對移動一個節(jié)距W時，條紋移動一個寬度周期B。莫爾條紋的位移放大作用34縱向莫爾條紋：縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋的形成：兩光柵平行，但其紋距有微小差異

主光柵指示光柵(1+ε)WBW35播放中……圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動畫36光閘莫爾條紋播放動畫播放中……37環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準(zhǔn)備演示38單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動畫39傅里葉

Fourier對自然界的深刻研究是數(shù)學(xué)最富饒的源泉讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅立葉（法文：JeanBaptisteJosephFourier,1768年3月21日－1830年5月16日），也譯作傅立葉，法國數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。

40傅里葉變換1822年，法國數(shù)學(xué)家傅里葉在研究熱傳導(dǎo)理論時發(fā)表了“熱的分析理論”，提出并證明了將周期函數(shù)展開為正弦級數(shù)的原理，奠定了傅里葉級數(shù)的理論基礎(chǔ)。泊松(Poisson)、高斯(Guass)等人把這一成果應(yīng)用到電學(xué)中去，得到廣泛應(yīng)用。在通信與控制系統(tǒng)的理論研究和工程實際應(yīng)用中，傅里葉變換法具有很多的優(yōu)點?！癋FT”快速傅里葉變換為傅里葉分析法賦予了新的生命力。41函數(shù)的傅立葉變換函數(shù)f（x）的一維傅立葉變換定義為：其逆變換定義為：42傅立葉變換的幅值和相角傅立葉變換結(jié)果常常是虛數(shù)，可用復(fù)數(shù)形式表示為：則其幅值為：其相位為：43信號與頻譜信號：以時間為自變量的有用函數(shù)，屬時域描述頻譜：以頻率為自變量，屬頻域描述AmplitudeFrequency44信號與頻譜時間域頻率域時間域頻率域45信號與頻譜聲音信號在時間域聲音信號在頻率域

46傅里葉變換對原函數(shù)傅里葉變換47傅里葉變換對48SpatialDomain(x)FrequencyDomain(u)LinearityScalingShiftingSymmetryConjugationConvolutionDifferentiation傅里葉函數(shù)特性49信號的時域與頻域的對應(yīng)關(guān)系：連續(xù)非周期離散周期時域連續(xù)非周期信號頻域非周期連續(xù)時域連續(xù)周期信號頻域非周期離散時域離散非周期信號頻域周期連續(xù)時域離散周期信號頻域周期離散時域和頻率與之間的關(guān)系50空間域的傅立葉變換空間域的二維傅里葉變換其中空間域的二維逆傅里葉變換51原圖幅值相位空間域二維傅立葉變換的幅值和相角52原圖像

幅度譜相位譜空間域二維傅立葉變換的幅值和相角原圖像幅度譜相位譜53幅度譜告訴我們圖像中某種頻率的成份有多少相位譜告訴我們頻率成份位于圖像的什么位置通常我們只關(guān)心幅度譜下面兩個圖對應(yīng)的幅度

譜是一樣（這里只顯示

了其幅度譜，當(dāng)然相位

譜是不一樣的）幅度譜和相位譜的物理意義54請觀察原圖與幅度譜之間的聯(lián)系55圖像中的顆粒狀對應(yīng)的幅度譜呈環(huán)狀如果只有一顆顆粒，其幅度譜是否呈現(xiàn)環(huán)狀？請觀察原圖與幅度譜之間的聯(lián)系56

請觀察原圖與幅度譜之間的聯(lián)系圖像發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，幅度譜也相應(yīng)的進行了旋轉(zhuǎn)57傅里葉光學(xué)的應(yīng)用空間濾波圖像處理圖像識別非相干光學(xué)信息處理58光學(xué)傅里葉變換的實現(xiàn)焦距為f的透鏡產(chǎn)生的相位調(diào)制為物體在前焦面上在透鏡后焦面上得到的是準(zhǔn)確的傅里葉變換（其它的情況）ff物平面透鏡頻譜面59物平面頻譜面透鏡光源光學(xué)傅里葉變換的實現(xiàn)物平面頻譜面透鏡光源物平面頻譜面透鏡光源無論物體位于透鏡的前方，后方還是緊靠透鏡，在透鏡的后焦面都可以得到物體的頻譜60阿貝成像原理與空間濾波透鏡成像觀點:幾何光學(xué)成像、阿貝成像幾何光學(xué)：自物點Ａ，Ｂ，Ｃ發(fā)出的球面波,經(jīng)透鏡折射后,各自會聚到它們的像點Ａ,Ｂ,Ｃ。透鏡像面圖中光線不同的顏色表示發(fā)自不同的物點61F阿貝成像原理:物是一系列不同空間頻率的集合。物平面光經(jīng)透鏡后，在其焦面（頻譜面）上形成一系列衍射光斑,各衍射光斑發(fā)出的球面次波在相面上相干疊加,形成像。ABCB’A’C’阿貝成像原理將成像過程分為兩步:第一步“分頻”第二步“合成”阿貝成像真正意義：提供了一種新的頻譜語言描述信息，啟發(fā)人們用改變頻譜的手段來改造信息。62用空間濾波法進行空間信息處理63振幅濾波：改變各種空間頻率成分的相對振幅分布相位濾波：改變傅里葉頻譜的位相分布，不改變它的振幅分布，功能：觀察位相物體微分濾波：利用傅里葉變換對的微分特性，獲得光強輪廓在某一方向上的變化量匹配濾波：利用傅里葉變換對的相關(guān)特性，根據(jù)函數(shù)頻譜共軛復(fù)數(shù)的乘積實現(xiàn)空間相關(guān)運算?？臻g濾波法低通濾波高通濾波帶通濾波方向濾波64FTIFT傅里葉變換與逆傅里葉變換65IFTIFTLPFHPF用空間濾波法（振幅）進行空間信息處理66空間濾波頻譜面高頻信息物面許多成像光學(xué)儀器就是一個低通濾波器,物平面包含從低頻到高頻的信息,透鏡口徑限制了高頻信息通過,只許一定的低頻通過,因此,丟失了高頻信息的光束再合成,圖象的細節(jié)變模糊。

孔徑越大,丟失的信息越少,圖象越清晰。67物平面像平面頻譜面用空間濾波法進行空間信息處理68uv原圖DetailGeneralappearance頻譜用空間濾波法進行空間信息處理69用空間濾波法進行空間信息處理704f系統(tǒng).光光物平面像平面頻譜面ffff71用空間濾波法（振幅）進行圖像識別和比較把標(biāo)準(zhǔn)圖象放在物平面上，在頻譜平面上放一張照相底片，以單色相干光照明而獲得頻譜圖的負片，把負片放在原來頻譜的位置上，由于原來頻譜圖的亮斑恰好為負片的暗處，而原來的頻譜圖的暗處正好為負片的亮斑。把待檢測的圖樣放在物平面上，如果待檢測圖樣和標(biāo)準(zhǔn)圖象完全一樣，頻譜圖和負片互補，這樣在像平面出現(xiàn)一片黑暗。如果兩個圖樣有一點不圖，則在像面上出現(xiàn)亮點。72相襯法怎么觀察透明標(biāo)本？*簡單染色法*革蘭氏染色法*莢膜染色*負染色法*抗酸性染色法*芽胞染色法*熒光法細胞染色73相襯法怎么觀察透明標(biāo)本？細胞染色澤尼克提出相襯法：將樣品的相位信息通過一種特殊的濾波器，轉(zhuǎn)化為輸出像面上的光強分布。相襯法的優(yōu)點：不需要對標(biāo)本進行染色，這就避免了在染色過程中由于化學(xué)作用可能引起的標(biāo)本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。74澤尼克

（FritsFrederikZernike,1888-1966）

諾貝爾獎物理學(xué)教授首位女性神職人員荷蘭一流的文學(xué)大師因論證相襯法，特別是發(fā)明相襯顯微鏡，獲得了1953年度諾貝爾物理學(xué)獎。

用空間濾波法（相位）進行空間信息處理

生于荷蘭阿姆斯特丹一個數(shù)學(xué)教師的家庭里，他父母都是數(shù)學(xué)教師,熱衷教育，6個孩子，4人成績顯著。75①弱相位物體：

澤尼克相襯法③位相濾波器：在顯微鏡物鏡的頻譜面中心涂一小滴透明的電解質(zhì)，其厚度為h，折射率為n。②頻譜面上原相位物體的頻譜為：④物體的頻譜經(jīng)過位相濾波器后：⑤在像平面上得到復(fù)振幅和光強分別為：正相襯負相襯其中，常數(shù)76另一種相位濾波技術(shù)—紋影儀光源S測試流體紋影頭

CCD接受平面刀口透鏡1透鏡2底片的共軛物平面高通濾波器等相位變化轉(zhuǎn)換成光的強度變化

77另一種相位濾波技術(shù)—紋影儀光源S紋影頭

CCD接受平面刀口透鏡1透鏡2①經(jīng)流體擾動光場

②透鏡2焦平面處為：④CCD處光場：⑤CCD處光強：其中，③由于刀口對光強的衰減：⑥CCD處相對光強：測試流體78紋影儀紋影儀：一種在空氣動力學(xué)和燃燒學(xué)方面很有用的裝置，可以應(yīng)用于火焰照相和流場顯示技術(shù)。對于弱相位的物體使用高通濾波器或擋掉一半的頻譜可以將相位轉(zhuǎn)變?yōu)閺姸鹊淖兓?。澤尼克相襯法與紋影法的區(qū)別：澤尼克相襯法：強度的變化與相位變化成線性關(guān)系紋影法：強度的變化與相位變化是非線性關(guān)系79用空間濾波法（微分濾波）進行空間信息處理傅里葉的微分性質(zhì)：將微分轉(zhuǎn)換成乘積運算微分濾波器：在頻譜平面上放置的線性濾波器，

其振幅透過率函數(shù)可表示為ffffP1P2P3L1L2g(x,y)G(u,v)g’(x’,y’)80用空間濾波法（微分濾波）進行空間信息處理微分濾波法的優(yōu)點：對每個應(yīng)變分量直接測量，無需繁雜計算應(yīng)變信號由光強直接放映測量范圍大81將這個和標(biāo)準(zhǔn)圖象的頻譜函數(shù)共軛的濾波器放置在頻譜面上。如果放在物平面的待測圖樣和標(biāo)準(zhǔn)圖樣完全相同，則像面出現(xiàn)一個亮點，如果圖樣和標(biāo)準(zhǔn)圖像不同，則在像面出現(xiàn)花樣。用空間濾波法（匹配濾波）進行空間信息處理相關(guān)函數(shù)與其功率譜密度是一對傅里葉變換82光電空間信息檢測的信號采集84抽樣定理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——卷積運算對于兩個復(fù)值函數(shù)和，其卷積定義為式中*表示卷積運算。變換變量翻褶（卷）平移相乘積分85卷移乘積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抽樣定理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——卷積運算87卷積運算性質(zhì)1、交換律2、分配律3、結(jié)合律4、δ函數(shù)的卷積----函數(shù)的平移該性質(zhì)用于對重復(fù)的物理結(jié)構(gòu)的描述，如光柵、雙縫等88抽樣

抽樣：利用抽樣脈沖序列p(t)從連續(xù)信號f(t)中“抽取”一系列的離散樣值的過程，稱之。抽樣信號

抽樣信號：經(jīng)抽取后的一系列的離散信號稱之。抽樣抽樣過程：通過抽樣脈沖序列p(t)與連續(xù)信號f(t)相乘。即：抽樣過程

89抽樣定理研究問題抽樣量化編碼抽樣過程方框圖連續(xù)信號f(t)抽樣信號數(shù)字信號fs(t)抽樣脈沖p(t)抽樣后，有兩個問題要解決：抽樣信號fs(t)的傅里葉變換？它和未經(jīng)抽樣的原連續(xù)信號f(t)的傅里葉變換有什么聯(lián)系？連續(xù)信號被抽樣后，它是否保留了原信號f(t)的全部信息？如果能，在什么條件下，可從抽樣信號fs(t)中無失真地恢復(fù)出原連續(xù)信號f(t)？90抽樣過程的時間函數(shù)及對應(yīng)頻譜圖抽樣過程的時間函數(shù)及對應(yīng)頻譜91混疊現(xiàn)象奈奎斯特抽樣間隔不發(fā)生混疊的條件：即抽樣間隔滿足奈奎斯特（Nyquist）抽樣間隔T=1/2vm時，不丟失信息92混疊現(xiàn)象奈奎斯特抽樣間隔說明不發(fā)生混疊的條件：即抽樣間隔滿足奈奎斯特（Nyquist）抽樣間隔T=1/2vm時，不丟失信息93G(v)-vmvm0原函數(shù)抽樣時,在t方向抽樣點的間隔T1/(2vm)

f(t)