現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容1.光譜儀器光譜儀器2.光度量和輻射度量檢測(cè)技術(shù)光度量和輻射度量檢測(cè)技術(shù)3.莫爾形貌測(cè)試技術(shù)莫爾形貌測(cè)試技術(shù)4.條形碼技術(shù)條形碼技術(shù)5.三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)6.光電圖像檢測(cè)技術(shù)光電圖像檢測(cè)技術(shù)第1頁(yè)/共67頁(yè)9.1.1 單色光的產(chǎn)生單色光的產(chǎn)生 色儀用來將具有寬譜段輻射的光源分成一系列譜線很窄的單色光，因而它既可作為一個(gè)可調(diào)波長(zhǎng)的單色光源，也可作為分光器； 按其作用原理可分為：物質(zhì)色散、多縫衍射 、濾光片 第2頁(yè)/共67頁(yè)單色儀的主要性能指標(biāo)有：色散率和光譜分辨率1. 色散率色散率 色散率表明從色散系統(tǒng)中射出的不同波長(zhǎng)的光線在空間彼此分開的程度（角色散率

2、），或者匯聚到焦平面上時(shí)彼此分開的距離（線色散率）。2. 光譜分辨率光譜分辨率 分辨率是表明單色儀分開波長(zhǎng)極為接近的兩條譜線的能力。 理論分辨率等于角色散率與有效孔徑在色散平面內(nèi)寬度的乘積。ddDR第3頁(yè)/共67頁(yè)9.1.2 光譜儀器的分類光譜儀器的分類 根據(jù)光譜儀器所采用的分解光譜的工作原理，它可以分成兩大類：經(jīng)典光譜儀器和新型光譜儀器。 根據(jù)接收和記錄光譜的方法不同，光譜儀器可分為：看譜儀、攝譜儀、光電光譜儀。 根據(jù)光譜儀器所能正常工作的光譜范圍，光譜儀器可分為：真空紫外(即遠(yuǎn)紫外)光譜儀、紫外光譜儀、可見光光譜儀、近紅外光譜儀、紅外光譜儀、遠(yuǎn)紅外光譜儀。 根據(jù)儀器的功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，光譜儀

3、器也可以分為：?jiǎn)紊珒x、發(fā)射光譜儀、吸收光譜儀器、熒光光譜儀器、調(diào)制光譜儀、其他光譜儀器（如激光喇曼光譜儀、光聲光譜儀、成像光譜儀、多光譜掃描儀等）。第4頁(yè)/共67頁(yè)9.1.3 分光光度計(jì)分光光度計(jì) 分光光度計(jì)主要用于測(cè)量物質(zhì)的光譜反射比或光譜透射比。圖9-1是美國(guó)通用電器公司生產(chǎn)的一種由雙單色儀系統(tǒng)和工作在零讀數(shù)下的偏光光度計(jì)組成的分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。圖9-1 美國(guó)GE公司生產(chǎn)的一種分光光度計(jì) I1可否去掉?第5頁(yè)/共67頁(yè)9.1.4 傅立葉變換光譜儀傅立葉變換光譜儀 如圖9-2是邁克爾遜干涉儀的工作原理。圖9-2 邁克爾遜干涉儀的光學(xué)系統(tǒng) 第6頁(yè)/共67頁(yè) FT光譜輻射計(jì)和邁克爾遜干涉儀的差

4、別在于：平面鏡M2以一恒速V運(yùn)動(dòng)，位移量X=Vt；光源不只是單色光，可以是連續(xù)光譜 與棱鏡、光柵單色儀相比，F(xiàn)T光譜輻射計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)高的能量傳輸;(2)高的信噪比；(3)高的分辨率第7頁(yè)/共67頁(yè)1. 場(chǎng)景掃描模式場(chǎng)景掃描模式 成像光譜儀場(chǎng)景掃描常用的模式包括撣帚式、推帚式和凝視三種，如圖9-4所示。圖9-4 成像光譜儀場(chǎng)景掃描模式第8頁(yè)/共67頁(yè)2. 光譜接收模式光譜接收模式 成像光譜儀的光譜接收模式有色散型、干涉型和濾光片型，模式的最終選擇取決于靈敏度、空間分辨率、光譜分辨率、視場(chǎng)之間的折衷。目前常見的成像光譜儀大多為基于分光棱鏡、色散棱鏡和衍射光柵的色散型成像光譜儀，其中又以采用

5、光柵的色散型成像光譜儀最為突出。第9頁(yè)/共67頁(yè)(1) 色散型成像光譜儀色散型成像光譜儀 圖9-5為基于反射光柵的色散超光譜系統(tǒng)，它原理簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定，可同時(shí)獲得每一譜線且光譜分辨力高圖9-5 基于光柵的色散系統(tǒng) 第10頁(yè)/共67頁(yè) 在光柵色散系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式上，凹面光柵由于兼具色散和成像作用，比起平面光柵系統(tǒng)來結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，所有外場(chǎng)應(yīng)用時(shí)經(jīng)常得到實(shí)際應(yīng)用。凹面光柵的原理圖及效果圖如圖9-6所示。圖9-6 凹面光柵的原理效果圖 第11頁(yè)/共67頁(yè)(2) 干涉型成像光譜儀干涉型成像光譜儀 時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀，將入射光分裂成兩部分，并通過一種可變光程差將這兩束光復(fù)合，從

6、而產(chǎn)生一幅場(chǎng)景光譜干涉圖（如圖9-7)圖9-7 時(shí)間調(diào)制干涉成像光譜儀 第12頁(yè)/共67頁(yè)(3) 濾光片型成像光譜儀濾光片型成像光譜儀 包括可調(diào)諧濾光片系統(tǒng)和空間可變?yōu)V光片系統(tǒng)，通過光學(xué)帶通濾光片把來自場(chǎng)景光譜的一個(gè)窄波段透射到單個(gè)探測(cè)器或者整個(gè)焦平面探測(cè)器列陣上，可采用可調(diào)諧濾光片、分立濾光片或空間可變?yōu)V光片?？烧{(diào)諧濾光片包括聲光和液晶兩種，聲光可調(diào)諧濾光片通過改變聲波頻率而改變有效間隔，并將濾光片調(diào)到不同波長(zhǎng)，對(duì)于給定的聲頻只有很窄的光波范圍滿足相位匹配條件。液晶可調(diào)諧濾光片利用雙折射效應(yīng)，通過改變尋常入射光線和非常入射光線之間的光程差選擇波長(zhǎng)，但其調(diào)諧速度慢。采用調(diào)諧濾光片的成像光譜儀譜

7、段可任意選擇，控制方便，但很難同時(shí)獲得多譜段的圖像。空間可變?yōu)V光片的典型是劈形濾光片。第13頁(yè)/共67頁(yè)采用劈式濾光片的成像光譜儀（圖9-8）原理十分簡(jiǎn)單，但工藝復(fù)雜。圖9-8 劈式濾光片原理的成像光譜儀 第14頁(yè)/共67頁(yè)幾種光譜接收模式比較如下：幾種光譜接收模式比較如下：（1）由于色散型成像光譜儀中均含有入射狹縫，狹縫越窄，光譜分辨率越高，而進(jìn)入系統(tǒng)的光通量就越少，即光譜分辨率和光通量成為色散型成像光譜儀中相互制約的一對(duì)矛盾。而在干涉型成像光譜儀中同時(shí)測(cè)量的卻是所有譜元均有貢獻(xiàn)的干涉強(qiáng)度，空間調(diào)制型干涉成像光譜儀雖然也有狹縫，但狹縫寬度不影響光譜分辨率，只決定于空間分辨率的要求。在滿足空間

8、分辨率的前提下，狹縫可以較寬，從而使狹縫面積和視場(chǎng)角較大。（2）光柵比棱鏡、楔型濾光片和干涉技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)。其中較濾光片的主要優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)獲得每一譜線且光譜分辨力高，極大簡(jiǎn)化了飛行后數(shù)據(jù)的處理。由于透射全息光柵難以解決低失真和雜散光，反射式光柵成為許多系統(tǒng)優(yōu)選的對(duì)象。光柵主要的局限是傳統(tǒng)的光柵系統(tǒng)存在光學(xué)失真、多衍射級(jí)雜散光及對(duì)入射光極性靈敏度問題，但通過使用具有散光修正反射衍射光柵可回避這些問題，如選擇鏡子的斜度和光柵全息構(gòu)造點(diǎn)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，平衡第三、四級(jí)雜散光。第15頁(yè)/共67頁(yè) 目前在實(shí)際工作中主要采用客觀法測(cè)量照度，即將照度計(jì)的光輻射探測(cè)器放在待測(cè)平面，光照引起探測(cè)器的光電流，放大后通過

9、儀表或數(shù)字讀出。對(duì)于標(biāo)定過的照度計(jì)，讀出的數(shù)據(jù)代表了所測(cè)平面的照度值。照度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是光電測(cè)量頭及其示數(shù)裝置。光電測(cè)量頭包括光電探測(cè)元件、光譜修正濾光片以及擴(kuò)大測(cè)量量程的光衰減器(中性濾多片等)，如圖9-9所示。圖9-9 照度計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖 光度量和輻射度量檢測(cè)技術(shù)光度量和輻射度量檢測(cè)技術(shù)第16頁(yè)/共67頁(yè) 為了可靠地測(cè)量照度，照度計(jì)必須滿足以下條件為了可靠地測(cè)量照度，照度計(jì)必須滿足以下條件:(1) 光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)應(yīng)符合照度測(cè)量的要求；(2) 探測(cè)器的余弦校正;(3) 照度示值與所測(cè)照度有正確的比例關(guān)系；(4) 照度計(jì)要定期進(jìn)行精確標(biāo)定；(5) 照計(jì)計(jì)要有較多強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性;第17頁(yè)/共

10、67頁(yè)9.2.2 亮度的測(cè)量亮度的測(cè)量 常用的亮度計(jì)用一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)把待測(cè)光源表面成像在放置光輻射探測(cè)器的平面上。圖9-11給出一種亮度計(jì)的結(jié)構(gòu) 。圖9-11 亮度計(jì)結(jié)構(gòu)圖 第18頁(yè)/共67頁(yè)圖9-12是一種用途廣泛的亮度計(jì)(Spectra Pritchard光度計(jì))的結(jié)構(gòu)圖 圖9-12 某亮度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 第19頁(yè)/共67頁(yè)9.2.3 輻射測(cè)量與測(cè)溫輻射測(cè)量與測(cè)溫1. 總輻射度量的測(cè)量總輻射度量的測(cè)量 總輻射度量的測(cè)量是對(duì)待測(cè)光源在整個(gè)輻射譜段內(nèi)總輻射能的測(cè)量，具有一些特點(diǎn)： 由于待測(cè)光源一般包含相當(dāng)寬光譜范圍的輻射能，信號(hào)較強(qiáng)，在測(cè)量時(shí)一般可不需用光學(xué)系統(tǒng)聚光，從而可避免光學(xué)系統(tǒng)吸收、反射等

11、所引入的輻射能損失使測(cè)量不精確。在輻亮度測(cè)量中，光學(xué)系統(tǒng)則是為了使測(cè)量有確定的視場(chǎng)大小。 由于要適應(yīng)測(cè)量光譜范圍的光輻射能，探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍應(yīng)足夠?qū)挘S之也帶來背景輻射對(duì)測(cè)量值有較大影響的問題。 在寬譜段內(nèi)測(cè)量時(shí)，應(yīng)考慮光輻射能傳輸介質(zhì)可能出現(xiàn)的吸收對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。介質(zhì)中水蒸汽，二氧化碳等過量及其變化，都會(huì)在測(cè)量結(jié)果中引入誤差，所以，除了平方反比定律等對(duì)測(cè)量距離的限制外，測(cè)量距離不宜過大，也可用強(qiáng)迫通風(fēng)、充入惰性氣體、局部抽真空等方法，使介質(zhì)的吸收、散射對(duì)測(cè)量的影響減小。第20頁(yè)/共67頁(yè)2. 輻射體的溫度輻射體的溫度(1) 亮溫 實(shí)際發(fā)射體在某一波長(zhǎng)(窄譜段范圍內(nèi))的光譜輻亮度和黑體在

12、某一溫度同一波長(zhǎng)下的光譜輻亮度相等時(shí)，黑體溫度稱為發(fā)射體的輻亮度溫度。如果波長(zhǎng)在可見光譜范圍內(nèi)用人眼(或具有人眼光譜光視效率響應(yīng)的探測(cè)器)來判斷其間亮度相等時(shí)，則稱為亮度溫度，簡(jiǎn)稱亮溫；(2) 色溫和相關(guān)色溫 色溫是顏色溫度的簡(jiǎn)稱，在可見譜段內(nèi)，當(dāng)發(fā)射體和某溫度的黑體有相同的顏色時(shí)，那末黑體溫度就稱為發(fā)射體的色溫。相關(guān)色溫就是發(fā)射體和某溫度的黑體有最相近的色時(shí)黑體的溫度；(3)輻射溫度 輻射體的輻射溫度是在整個(gè)光輻射的譜段范圍內(nèi)的輻亮度與某溫度黑體輻亮度相等時(shí)黑體的溫度，即 4/( )bTTT 式中， (T)是材料的平均發(fā)射率；T是輻射體的真實(shí)溫度；Tb是其等效黑體溫度 第21頁(yè)/共67頁(yè)3.

13、 亮度的測(cè)量亮度的測(cè)量測(cè)量亮溫最常用的儀器是光學(xué)高溫計(jì)，圖9-14是其結(jié)構(gòu)原理圖圖9-14 光學(xué)高溫計(jì)的結(jié)構(gòu) 第22頁(yè)/共67頁(yè) 光學(xué)高溫計(jì)紅色遮光片和人眼光譜光視效率曲線的組合，構(gòu)成了中央波長(zhǎng)約0.65 m，譜段寬度約80nm的響應(yīng)特性(見圖9-15中帶剖面線部分)。 圖9-15 光學(xué)高溫計(jì)的光譜響應(yīng) 第23頁(yè)/共67頁(yè) 光學(xué)高溫計(jì)的觀察視場(chǎng)內(nèi)，人眼可看到待測(cè)輻射源和高溫計(jì)燈泡燈絲像(圖9-16)圖9-16 高溫計(jì)燈泡燈絲的消隱 第24頁(yè)/共67頁(yè)4. 色溫的測(cè)量色溫的測(cè)量 最常用的測(cè)量色溫的方法有兩種： 測(cè)量待測(cè)光源的相對(duì)光譜能量分布，利用色度計(jì)算公式，求出光源在色度圖上的色坐標(biāo)，從而由色

14、度圖上等溫相關(guān)色溫線確定光源在給定工作電壓下的色溫或相關(guān)色溫； 雙色法，這是最常用的色溫測(cè)量或標(biāo)定的方法；測(cè)量需要已標(biāo)定色溫值的標(biāo)準(zhǔn)光源，再用待測(cè)光源和標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行雙色比對(duì)測(cè)量，求出待測(cè)光源的色溫值。測(cè)量原理是：選定兩個(gè)窄譜段(原則上是任意的，例如在可見譜段，常在藍(lán)色和紅色各選一個(gè)譜段)，如果待測(cè)光源在這兩個(gè)譜段探測(cè)器輸出信號(hào)的比值與某色溫的標(biāo)準(zhǔn)光源相同，那么標(biāo)準(zhǔn)光源的色溫值就是待測(cè)光源的色溫值(圖9-17)，測(cè)量裝置如圖9-18所示。 第25頁(yè)/共67頁(yè)圖9-17 雙色法測(cè)色溫 圖9-18 雙色法測(cè)色溫的裝置第26頁(yè)/共67頁(yè)5. 輻射溫度的測(cè)量輻射溫度的測(cè)量圖9-19是加了鍍金半球前置反射

15、器的輻射測(cè)溫計(jì)結(jié)構(gòu) 圖9-19 全輻射測(cè)溫計(jì) 第27頁(yè)/共67頁(yè)9.3 莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù)莫爾形貌（等高線）測(cè)試技術(shù) 9.3.1 照射型莫爾法照射型莫爾法 (1) 幾何原理幾何原理圖9-20 照射型莫爾法幾何原理圖 tantanNPNPNPNPhdNPadNPOBDFlll第28頁(yè)/共67頁(yè)(2) 視差修正視差修正 在圖9-20中，像機(jī)所攝莫爾條紋在點(diǎn)，坐標(biāo)為（，），而實(shí)際上此條紋應(yīng)代表試件表面上點(diǎn)的高度，點(diǎn)坐標(biāo)為（，）。因此，應(yīng)對(duì)坐標(biāo)的視差進(jìn)行修正。由圖9-20可知()()hxxdxlhyydyl獲得莫爾條紋圖后，應(yīng)根據(jù)式（9-15）進(jìn)行坐標(biāo)修正。 ( 9-15 )第29頁(yè)/共67頁(yè)

16、9.3.2 投影型莫爾法投影型莫爾法 圖9-21所示為光柵投影系統(tǒng)和投影法的原理圖 圖9-21 投影型莫爾法光學(xué)系統(tǒng)與原理示意圖 第30頁(yè)/共67頁(yè)投影型莫爾法有下列特點(diǎn)： （1）采用小面積基準(zhǔn)光柵（通常像手掌那樣大即可），透鏡可以調(diào)換倍率； （2）同其他方法相比，可以測(cè)較大的三維物體； （3）對(duì)微小物體，采用縮小投影方法，這樣就不受光柵衍射現(xiàn)象的影響； （4）投影的莫爾圖形可在物體上直接觀察； （5）能取出變形光柵 第31頁(yè)/共67頁(yè)9.3.3 莫爾條紋級(jí)次與凹凸判斷莫爾條紋級(jí)次與凹凸判斷 在使用照射莫爾方法與投影莫爾方法時(shí)，計(jì)算莫爾條紋所代表的高度時(shí)，要知道條紋的級(jí)數(shù)。實(shí)際測(cè)量時(shí)條紋的絕對(duì)

17、級(jí)數(shù)不易確定，只能定出條紋的相對(duì)級(jí)數(shù)。確定條紋的級(jí)數(shù)前，應(yīng)先確定物體表面的凹凸。 被測(cè)定的物體是凹是凸，單從莫爾等高線是不能判斷的，這就增加了計(jì)量中的不確定性，因此需要考慮如何進(jìn)行凹凸判定問題。判定凹凸的一種方法是，當(dāng)光柵離開物體時(shí)，如果條紋向內(nèi)收縮，表明該處表面是凸的，反之是凹的；照射型中還可通過移動(dòng)光源來確定凹凸問題，如果光源同接受器之間的距離d增加，條紋向外擴(kuò)張且條紋數(shù)增加，則是凸的。此外，也可采用彩色光柵的方法來判斷凹與凸。 物體表面的凹凸一旦確定，就可用確定干涉條紋級(jí)次的方法來確定莫爾條紋的級(jí)次。第32頁(yè)/共67頁(yè)9.3.4 幾何可測(cè)深度幾何可測(cè)深度 現(xiàn)以照射型莫爾方法為例進(jìn)行分析，

18、在照射莫爾方法中，只有當(dāng)參考柵在光源照射下能在試件表面形成被調(diào)制的變形參考柵時(shí)，才有可能獲得等高莫爾條紋。當(dāng)柵線間距P較大時(shí)，可用幾何光學(xué)的方法分析可測(cè)深度，稱為幾何可測(cè)深度，如圖9-22所示。圖9-22 幾何可測(cè)深度 設(shè)光柵節(jié)距為P，柵線遮光部分寬度與節(jié)距之比為a，忽略衍射效應(yīng)時(shí)，可得maxaPlHbaP第33頁(yè)/共67頁(yè)9.4 條形碼技術(shù)條形碼技術(shù)1. 條形碼的概念及特點(diǎn)條形碼的概念及特點(diǎn) 條形碼系統(tǒng)是按特定格式組合起來的一組寬度不同的平行線條，其線條和間隔代表了某些數(shù)字或符號(hào)，用以表示某些信息。條形碼可以印刷在物品、紙包裝或其他介質(zhì)上，做成含有信息的條形碼標(biāo)簽，通過光電掃描閱讀設(shè)備，即可

19、準(zhǔn)確反映出所表示的信息。 一幅完整的條形碼標(biāo)簽，在條形碼圖形下面還常印有供人員識(shí)別的相應(yīng)文字信息，如圖9-23所示。圖9-23 典型的條形碼標(biāo)簽 第34頁(yè)/共67頁(yè)圖9-24表示了條形碼信號(hào)的閱讀和處理的工作原理 圖9-24 條形碼信號(hào)的閱讀和處理的工作原理 第35頁(yè)/共67頁(yè)3. 條形碼的識(shí)別原理及裝置條形碼的識(shí)別原理及裝置(1) 條形碼的識(shí)別原理?xiàng)l形碼的識(shí)別原理 條形碼識(shí)別的核心內(nèi)容就是通過光學(xué)掃描或成像把沿空間一維方向分布的條形碼信息傳遞到光電變換器件上，然后轉(zhuǎn)換成以時(shí)間為變量的時(shí)序脈沖串。圖9-25給出了使用He-Ne激光掃描器閱讀條形碼信息變化過程。圖9-25 激光掃描條形碼的信息變

20、換過程 第36頁(yè)/共67頁(yè)圖9-26為CCD條形碼識(shí)別工作原理 圖9-26 CCD條形碼識(shí)別工作原理 第37頁(yè)/共67頁(yè)(2) 條形碼識(shí)別器條形碼識(shí)別器 條形碼的識(shí)別首先要求利用某些光電掃描裝置沿某一軌跡對(duì)所有條碼條符進(jìn)行掃描，需要經(jīng)過以下幾個(gè)環(huán)節(jié)： 要求建立一個(gè)光學(xué)系統(tǒng) 要求一個(gè)接受系統(tǒng)能夠采集到光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)打在條形碼條符上反射回來的反射光 要求一個(gè)電子電路將接受到的光信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為電脈沖 第38頁(yè)/共67頁(yè)下面介紹幾種常用的條形碼掃描閱讀器 手持裝置 一種是由透鏡、光導(dǎo)纖維、光敏元件、放大整形電路和接觸開關(guān)組成，其結(jié)構(gòu)如圖9-27所示。圖9-27 光筆的一種結(jié)構(gòu) 固定光束的光學(xué)掃描閱讀器

21、 這種掃描器通常安裝在某個(gè)特定的位置，例如裝在緊靠傳送帶的地方。掃描器只能對(duì)它面前的條形碼作單路或多光路的一次性掃描。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與光筆類似，也使用白熾燈或發(fā)光二極管作光源，用光電三極管作為光敏接收元件，只是傳輸光信號(hào)的光學(xué)系統(tǒng)略為復(fù)雜些。第39頁(yè)/共67頁(yè) 移動(dòng)光束的光學(xué)掃描閱讀器 圖9-28給出兩種有代表性的激光掃描器光路圖以及應(yīng)用示意圖。 圖9-28 激光掃描器光路圖 第40頁(yè)/共67頁(yè)圖9-28 激光掃描器光路圖 第41頁(yè)/共67頁(yè)9.5 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù) 9.5.1 三角法測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)三角法測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ) 單點(diǎn)式激光三角法測(cè)量常采用直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)，如圖9-29所示。

22、 圖9-29 三角法測(cè)量原理示意圖 第42頁(yè)/共67頁(yè) 在圖9-29(a)中，激光器發(fā)出的光線，經(jīng)會(huì)聚透鏡聚焦后垂直入射到被測(cè)物體表面上，物體移動(dòng)或其表面變化，導(dǎo)致入射點(diǎn)沿入射光軸的移動(dòng)。入射點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電位置探測(cè)器（PSD或CCD）上。若光點(diǎn)在成像面上的位移為x，則被測(cè)面在沿軸方向的位移為sincosaxxbx 圖9-29(b)所示為斜射式三角法測(cè)量原理圖。激光器發(fā)出的光線和被測(cè)面的法線成一定角度入射到被測(cè)面上，同樣地，物體移動(dòng)或其表面變化，將導(dǎo)致入射點(diǎn)沿入射光軸的移動(dòng)。入射點(diǎn)處的散射光經(jīng)接收透鏡入射到光電位置探測(cè)器上。若光點(diǎn)在成像面上的位移為x，則被測(cè)面在沿法線方向的移動(dòng)

23、距離為 11212cossin()cos()axxbx第43頁(yè)/共67頁(yè)9.5.2 三角法測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用三角法測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用1. 測(cè)距儀及其在自動(dòng)測(cè)焦照相機(jī)中的應(yīng)用測(cè)距儀及其在自動(dòng)測(cè)焦照相機(jī)中的應(yīng)用 實(shí)際的測(cè)距儀系統(tǒng)如圖9-31所示。 圖9-31 測(cè)距儀原理圖 第44頁(yè)/共67頁(yè) 實(shí)際裝置在測(cè)定時(shí)，為提高測(cè)試準(zhǔn)確度可以采用像符合法（零位法）。即在的后面插入一個(gè)棱鏡，通過調(diào)節(jié)棱鏡的位置來使像B重疊在A上，由棱鏡所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度就可以求出x，繼而求出被測(cè)距離，如圖9-32所示 圖9-32 像符合法示意圖 第45頁(yè)/共67頁(yè) 像符合法在照相機(jī)的自動(dòng)測(cè)焦裝置中被廣泛地采用。自動(dòng)測(cè)焦照相機(jī)是采用兩個(gè)圖像傳感

24、器來判定像的重合，其光學(xué)系統(tǒng)如圖9-33所示。 圖9-33 自動(dòng)調(diào)焦照相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦光學(xué)系統(tǒng) 第46頁(yè)/共67頁(yè)圖9-34所示為應(yīng)用激光三角法測(cè)量汽車車身曲面裝置的原理圖。 圖9-34 激光三角法測(cè)量汽車車身曲面裝置的原理圖 2. 計(jì)算機(jī)視覺三維測(cè)試計(jì)算機(jī)視覺三維測(cè)試 第47頁(yè)/共67頁(yè)9.6.1 圖像的預(yù)處理技術(shù)圖像的預(yù)處理技術(shù) 1. 灰度直方圖灰度直方圖 灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，描述的是一幅圖像中的灰度級(jí)與出現(xiàn)這種灰度的概率之間的關(guān)系的圖形，其橫坐標(biāo)是灰度級(jí)，縱坐標(biāo)是該灰度出現(xiàn)的概率（像素的個(gè)數(shù)）。當(dāng)一幅圖像被壓縮為直方圖后，所有的空間信息都丟失了。直方圖描述了每個(gè)灰度級(jí)具有的像素的個(gè)數(shù)，

25、但不能為這些像素在圖像中的位置提供任何線索。因此，任一特定的圖像有唯一的直方圖，但反之并不成立，即不同的圖像可以有著相同的直方圖，如在圖像中移動(dòng)物體一般對(duì)直方圖沒有影響。9.6 光電圖像檢測(cè)技術(shù)光電圖像檢測(cè)技術(shù) 第48頁(yè)/共67頁(yè)2. 圖像增強(qiáng)處理圖像增強(qiáng)處理 圖像增強(qiáng)是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)削弱或去除某些不需要的信息的處理方法。(1) 灰度直方圖均衡化處理灰度直方圖均衡化處理 圖9-35（a）所示為原始圖像的直方圖,從圖中可以知道，該圖像的灰度集中在較暗的區(qū)域，相當(dāng)于一幅曝光過強(qiáng)的照片。其概率密度函數(shù)為 2201( )0rrrP r其他圖9-35 直方圖均衡或處理的均勻

26、密度變換 ( 9-23 )第49頁(yè)/共67頁(yè) 式9-23中，r是歸一化的像素灰度級(jí)，采用累積分布函數(shù)原理可以求其變換函數(shù)為 20sT( )P ( )2rrrdrr 式中，s為變換后的像素灰度級(jí)，其變換函數(shù)曲線如圖9-35 (b)所示，可以證明，變換后的像素分布概率密度是均勻的，如圖9-35(c)所示。 ( 9-24 )第50頁(yè)/共67頁(yè)(2) 直方圖規(guī)定化處理直方圖規(guī)定化處理 直方圖均衡化的變換函數(shù)采用的是累積分布函數(shù)，只能產(chǎn)生近似均勻的直方圖效果。在某些應(yīng)用中，并不總是需要具有均勻分布直方圖的圖像，而是需要具有特定直方圖的圖像，以便能夠?qū)D像中的某些灰度級(jí)加以增強(qiáng)。 設(shè)Pr (r)是原始圖像

27、灰度分布的概率密度函數(shù)，Pz (z)是希望得到的圖像的概率密度函數(shù)。首先，對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，即有0sT( )P ( )rrrd 假設(shè)對(duì)希望得到的圖像也做直方圖均衡化處理，有 0( )( )zzuG zPd第51頁(yè)/共67頁(yè) 由于兩幅圖像同樣做了均衡化處理，那么，Ps(s)和Pu(u)具有同樣的均勻密度分布。如果用從原始圖像中得到的均勻灰度級(jí)s來代替u，則式（9-24）的逆過程的結(jié)果，其灰度級(jí)就是所要求的概率密度函數(shù)Pz(z)的灰度級(jí)。11( )( )zGuGs 用這種處理方法得到的新圖像的灰度級(jí)具有事先規(guī)定的概率密度函數(shù)Pz(z)。這種方法在連續(xù)變量的情況下涉及到求反變換函數(shù)的解

28、析式的問題，一般比較困難，但是數(shù)字圖像處理的是離散變量，一般采用近似方法繞過這個(gè)問題。 第52頁(yè)/共67頁(yè)(3) 圖像平滑化處理圖像平滑化處理 圖像平滑化處理追求的目標(biāo)是消除圖像中的各種寄生效應(yīng)又不使圖像的邊緣輪廓和線條模糊，圖像平滑化處理方法有空域法和頻域法兩大類，主要有鄰域平均法、低通濾波法、多圖像平均法等。 鄰域平均法的基本思想是用幾個(gè)像素的平均值來代替每個(gè)像素的灰度，假定有一幅MN個(gè)像素的圖像f(x，y)，平滑處理后得到一幅圖像g（x，y），則(, )1( , )( , )m nsg x yf m nM 低通濾波法是一種頻域處理法。在分析圖像的頻率特性時(shí)，圖像的邊、跳躍部分以及顆粒噪聲

29、表現(xiàn)為圖像信號(hào)的高頻分量，而大面積的背景區(qū)域則表現(xiàn)為圖像信號(hào)的低頻分量，用濾波的方法除去高頻部分，就能抑制噪聲，使圖像平滑，由卷積定理可知第53頁(yè)/共67頁(yè) 式中，F(xiàn)（u，v）是含有噪聲的圖像的傅里葉變換；G（u，v）是平滑處理后的圖像的傅里葉變換；H（u，v）是傳遞函數(shù)，選擇低通濾波特性的H（u，v）使F（u，v）的高頻分量得到衰減，得到G（u，v）后再經(jīng)反傅里葉變換就得到所希望的平滑圖像g（x，y）。常用的低通濾波器有以下幾種，其H（u，v）的剖面圖如圖9-36所示。圖9-36 低通濾波器傳遞函數(shù)剖面圖 第54頁(yè)/共67頁(yè)(4) 圖像銳化處理圖像銳化處理 圖像銳化處理主要用于增強(qiáng)圖像的邊緣

30、和灰度跳躍部分。與圖像平滑化處理一樣，圖像銳化處理方法也有空域法和頻域法兩大類 梯度微分法是最常用的圖像銳化方法。如果給定一個(gè)函數(shù)f（u，v）在坐標(biāo)（x，y）上的梯度可以定義為一個(gè)矢量( , )fxgrad f x yfy 在數(shù)字圖像處理中，數(shù)據(jù)是離散型的，通常采用差分形式代替微分運(yùn)算1222 ( , ) ( , )(1, ) ( , )( ,1)G f x yf x yf xyf x yf x y 而且在計(jì)算機(jī)計(jì)算梯度時(shí)，通常用絕對(duì)值來近似代替差分運(yùn)算 ( , ) |( , )(1, )|( , )( ,1)|G f x yf x yf xyf x yf x y第55頁(yè)/共67頁(yè) 與圖像平滑

31、方法相反，采用高通濾波法可以銳化圖像，常用的高通濾波器有以下幾種，其H（u，v）的剖面圖如圖9-38所示 圖9-38 高通濾波器傳遞函數(shù)剖面圖 第56頁(yè)/共67頁(yè)3. 失真校正失真校正 任意的幾何失真由非失真坐標(biāo)系（x，y）變換到失真坐標(biāo)系（x，y）的方程來定義，即12( , )( , )xh x yyh x y 式中，h1和h2是幾何失真系數(shù)，它們隨幾何失真的性質(zhì)而變化，例如透視失真的變換是線性的，其形式為xaxbycydxeyf 式中，a、b、c、d、e、f是線性方程系數(shù)，通常情況下，h1和h2是未知數(shù)，這時(shí)可以通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的已知失真圖形，測(cè)量失真網(wǎng)格中的網(wǎng)格點(diǎn)的位置來決定此失真變換中h1和h2的近似值。 第57頁(yè)/共67頁(yè) 如圖9-39所示為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板和其在魚眼透鏡中的成像圖形，變形極為嚴(yán)重。借助于此，可以設(shè)計(jì)一種變換方程，將透過該魚眼透鏡拍攝的圖像校正到一個(gè)矩形坐標(biāo)系中。 圖9-39 測(cè)試板和對(duì)應(yīng)的魚眼圖像 第58頁(yè)/共67頁(yè)4. 圖像坐標(biāo)變換圖像坐標(biāo)變換(1) 平移變換平移變換