第10章光电信息变换技术的典型应用上.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,10.1,长度量光电测量,10.1.1,钢板宽度的非接触自动测量,如图10-1所示为采用两个线阵CCD图像传感器对钢板宽度进行非接触自动测量系统原理图。探测器1与探测器2分别安装在同一个支撑架的两端，它们的中心距(如图所示)为,l,0,。,10/20/2025,1,CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图10-3所示的信号,U,1与,U,2。,输出信号经二值化处理或A/D转换在提取边界(软件二值化处理)，得到如图10-3所示的二值化信号,D,1,与,D,2,。,D,1,的下降沿对应于CCD1的第,N,1,个像敏单元，,D,2,的上升沿对应于CCD,2,的第,N,2,个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在CCD1与CCD2像敏面上的位置。,宽度测量原理,10/20/2025,2,因此，可以推导出钢板宽度的计算公式，为,式中，,1,与,2,分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率，,S,0,为,CCD,像敏单元长，式中的正负号要根据,CCD,的安装方向确定。,(1)测量范围,钢板宽度的测量范围与两探测器的中心距,l,0,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,10/20/2025,3,10.1.2 板材定长剪切系统,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。,当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输出的光电流减小，输出电压降低。经处理系统后，发出执行命令信号裁剪。,10/20/2025,6,光电式带材跑偏检测器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压,U,o,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。,光电传感器,10/20/2025,7,光电式带材跑偏检测控制器原理,1 被测带材 2卷取电机 3卷取辊,4液压缸 5活塞 6滑台,7,光电检测装置,8,光源,9,、,10,透镜,11-,光敏电阻,R,1,12,遮光罩,10/20/2025,8,带材纠偏系统,10/20/2025,9,10.2 光学传递函数检测技术,首先，利用,傅立叶光学,来研究光学系统的成像特性，产生了,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。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（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W（F）表示，其中F表示空间频率。,10/20/2025,10,对于非相干光照明下的衍射受限系统，,非相干成像系统是强度的线性空不变系统（LSI）。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。,空间域中,输入图象可以表示为任意二维输入函数,O,（,x,y,）的,函数卷积,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P（x,y）,则像函数为,2.空间频域中,根据傅里叶变换，输入图象的频率函数为,物像频率函数的变换关系用光学传递函数W（F）表示。,10/20/2025,11,三个传递函数,调制传递函数（,MTF,）：表示系统对不同空间频率光分布的传输函数；,A（F）,相位传递函数（,PTF,）：表示系统对不同空间频率光分布的相位推移；,（F）,光学传递函数,（,OTF,）：表征滤波器对其中的光学信息进行滤波变换的能力。,W（F）,W（F）=A（F）e,j（F）,I（F）=W（F）O（F）,三者关系,象频谱函数,传递函数,物频谱函数,10/20/2025,12,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,OTF可以通过计算获得，但常常计算非常复杂，所以许多情况下可以通过实验获得,10/20/2025,13,测试仪的结构构成及原理,被非相干光均匀照明的无穷远的狭缝通过被测物镜在扫描光栅上形成扩散像。扫描光栅是亮暗不等宽的举行格子板，它在恒速电机带动下连续扫描狭缝像，实现光强分布的调制。被调制的光强经过PMT光电倍增管进行光电变换，然后输往电气部分进行信号窄带滤波，显示出相应空间频率的MTF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，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。,PMT,选频检测,狭缝,被测物镜,扫描光栅,光源,10/20/2025,14,测量OTF的基本环节：,光学目标发生器,：以典型激励图形为单元，组成空间变化的物面标准图形。通过合适的光路投射到被测系统上作为理想的物函数；,目标像检测器,：利用光检测器测量被待测系统空间调制了的目标物函数，得到反映像面光强分布的时序信号；,目标像频谱分析器,：对表示像面光强分布的实现电信号进行频谱分析，解调出待测的光学传递函数。,10/20/2025,15,光学传递函数 与 分辨率,分辨率虽然简单方便,可以有数量的表示,可以比较系统的优劣,而无法对线条的清晰程度作出定量评价,通常使用的摄影物镜是一个低通滤波器,当用传递函数对其进行测量时,一般只考虑 0100mm,-1,或050mm,-1,空间频率范围内的像质情况。,对普通的摄影物镜,它的选择频率一般定为20mm,-1,、30mm,-1,或40mm,-1,用光学传递函数法可测出这些频率的MTF特性曲线,这样就可以选某一特征频率进行镜头之间的比较。而用分 辨率法测量时,由于受人眼对比灵敏阈（一般为0.03）的限制,对某一成像系统而言,实测的分辨力相当于调制传递函数 MTF值等于0.03 所对应的频率值,因此它所能反映的只是在接近截止 频率附近一个定 向频率点的成像特性。按理论截止频率的计算可得,摄影物镜F/8 孔径的截止频率约为227mm,-1,F/4 孔径的截止频率则为454mm,-1,。显然,人眼对比灵敏阈0.03 所对应的定向频率点并非摄影物镜所需的频率。,由此可见,分辨率法不能真实地反映镜头在使用中的成像特性,从而也无法全面地评价系统的成像质量。,光学传递函数包含分辨率,而仅以分辨力的高低无法判断传递函数的好坏。,一个镜头的传递函数好,分辨率则也较好。但分辨率好不等于传递函数好。,10/20/2025,16,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。激光准直仪主要由激光器、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(光强)测量法。,1.激光准直测量原理,10.3 利用激光准直技术测量物体的直线度与同轴度,10/20/2025,17,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，常采用了以下几种方法来提高激光准直仪的对准精度。,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，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电池或PSD(位置敏感探测器)。将四象限光电池固定在靶标上，靶标放在被准直的工件上,当激光束照射在光电池上时，产生电压U,1,，U,2,，U,3,和U,4,。用两对象限(1和3)与(2和4)输出电压的差值就能决定光束中心的位置。,10/20/2025,18,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，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,十字亮线,，当用一个屏放在该位置上时，可以清晰地看到如图,10-12,所示的十字亮线。调节望远镜的焦距，十字亮线,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。,由于十字亮线为干涉的结,果，所以具有良好的抗干,扰特性。同时，还可以克,服光强分布不对称的影响。,（1）菲涅耳波带片法,10/20/2025,19,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,/2(即位相差为,)。在相位板后面的光束任何截面上都出现,暗十字,条纹。暗十字线中心的连线是一条直线，利用这条线作基准可直接进行准直测量。,若在暗十字中心处插入一,方孔P,A,，中心精确与光轴重合，在孔后的屏幕P,B,上可观察到第二衍射图像将出现四个对称的亮点，并被两条暗线(十字线)分开。,若方孔中心与光轴有偏移，那么，在P,B,上的衍射图像就不对称。这些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P,B,上的四个亮点的强度得到。,（2）相位板法,10/20/2025,20,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响。,激光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。,(3)双光束准直法,10/20/2025,21,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、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,10/20/2025,22,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。其测量原理如图,10-15,所示。在轴承座两端的轴承孔中,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，即建立了直线度基准。,再将测量靶,(,与定心靶同,),依次放入各轴承孔，测量靶中心相对于激光束基准的偏移值。,3.不同轴度的测量,10/20/2025,23,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。,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,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大地降低背景的干扰。,非调制器的跟踪系统,工作弱背景辐射下，背景辐射较强且不均匀情况下，不能使用。,10.4 光电信息变换技术在搜索、跟踪与制导中的应用,10/20/2025,24,被动式寻的制导,D导弹 M目标,主动式寻的制导,主动式被动式寻的制导,10/20/2025,25,波束导引导弹示意图,1捕获波（宽、低能）；2制导波（狭、高能）；3追踪波,直角坐标控制,10/20/2025,26,半主动式微波雷达自寻的制导,半主动式雷达寻的制导系统中有用于跟踪和照射的两部雷达。导弹上的雷达接收机用前部天线接收目标反射的雷达波束能量，用后部天线接收雷达直接照射信号，提取目标的角位置和距离信息，计算机计算出飞行偏差，控制导弹击中目标。,10/20/2025,27,电视自动寻的制导系统，属于,被动式自动寻,的系统。,电视自动寻的制导系统具有被动式自动寻的系统的优点，抗干扰性较强，隐蔽性好。它也便于驾驶员识别和选择目标。但是它易受天气影响。,电视自动寻的系统,10/20/2025,28,10/20/2025,29,“幼畜”空地反坦克导弹电视制导系统简图,10/20/2025,30,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。,平台惯导系统,10/20/2025,31,特性：,定轴性陀螺转子主轴在惯性空间方位保持不变；,进动性如在主轴垂直的方向上，加一外力矩M，则,陀螺仪主轴要围绕与外力矩垂直的轴转动；,使矢量以最短距离转向矢量M,陀螺仪,转子,内环,外环,10/20/2025,32,目标辐射,调制盘,探测器,电子线路,陀螺跟踪系统,光学系统,红外导引头光学系统结构和原理,10/20/2025,33,二、调制盘基本功用,1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,3空间滤波抑制背景的干扰,光的调制,调相式调制盘,调频型调制盘,调幅型调制盘,10/20/2025,34,调制盘按调制方式来分类，可以分为,调幅、调频,和,脉冲编码式,调制盘。前两种与电学上的调幅和调频是一致的，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反映目标的方位。,近轴,远轴,脉冲调制,近轴,远轴,频率调制,10/20/2025,35,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,在一些小型空空弹和地空弹上都采用了,调幅式,调制盘,。,U,t,U,t,U,t,U,t,2,10/20/2025,36,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,反射激光,。所以，这种导引头多用于,半主动式自寻制导系统,。,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。,缺点：激光制导系统的正常工作容易受云、雾和烟尘的影响。,10/20/2025,37,激光制导航弹及引导头示意图,2,4,2,4,1,3,10/20/2025,38,偏离,给出导引信号,激光波束制导,激光束,激光,接收器,利用导引站发射激光束,照射目标，弹上导引装置控,制导弹沿激光波束中心线飞,向目标的制导。,特点：,激光波束发散角小，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（烟尘污染等）和气象条件（云、雾、雨）的影响。,10/20/2025,39,精确制导弹药,末制导弹药,末,敏,弹药,有寻的器和控制系统，在其弹道末段能根据目标和弹药本身的位置自行修正或改变弹道，直至命中目标。,不能自动跟踪目标，也不能改变飞行弹道，只能在被撒布的范围内利用其自身的探测器(寻的器)探测和攻击目标。,制导炸弹,制导鱼雷,制导炮弹,制导地雷,10/20/2025,40,按发射点和目标位置分,地面,空中,水面,水下,随着高技术的发展，还有可能出现以天基作战平台为发射点和攻击目标的精确制导武器（如：反卫星武器、卫星反导弹武器、天基拦截器等）,。,10/20/2025,41,10.5光学系统透过率测试技术,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。,所谓“泛黄”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。所以透过率是成像质量的重要指标之一。,透过率定义：系统出射光通量与入射的光通量的百分比即：,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40%，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90%,10/20/2025,42,10.6光电信息变换技术在印刷出版工业中的应用,10.6.1激光照排系统,硬件中包括：扫描仪、电子计算机、照排控制机、激光印字机或,激光照排机,。软件的种类就比较多了，根据工作目的可分别选取，例如书版组版软件、绘图软件等等。,汉字激光照排之父,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。,10/20/2025,43,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文件，通过照排软件负责将其传送到照排控制机，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。,激光照排过程,10/20/2025,44,二、激光照排机,激光照排机是在胶片或相纸上输出高精度、高分辨率图像和文字的打印设备。,它的特点是输出精度要求高，输出幅面大，因此设备的制造难度也大，价格贵。,照排机从扫描方式不同来看可分为：,棱镜扫描,、,机械式外圆滚筒扫描,和,内滚筒扫描,等,10/20/2025,45,10/20/2025,46,棱镜扫描,10/20/2025,47,机械式外圆滚筒扫描,拖板上安放光导纤维和透镜，在步进电机和滚珠丝杠的带动下，按指令轻快地往返移动。为了提高扫描速度，将激光分成四条等效的扫描光速，同时成像在扫描滚筒上。照排时，在排版指令的控制下，调制器按要求将需要曝光的激光束，通过光学系统传送到贴在扫描滚筒上的感光材料表面上成像曝光。当在感光材料上曝光完一行(滚筒旋转一周)后，拖板即刻带动光纤移动四条扫描线的距离，再进行下一次扫描曝光，依此循环直至扫描曝光完整个版面。,10/20/2025,48,内圆滚筒扫描式,主要特点是，感光材料被吸附在滚筒的内壁上，照排时，滚筒并不转动，而是靠扫描头一面旋转，一面移动在感光材料上曝光成像。,10/20/2025,49,10/20/2025,50,10.6.2 激光雕刻凸版机和凹版机,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，达到加工的目的。当激光功率密度为10,5,10,6,W/cm,2,时，所有材料都要被熔化或汽化。而中等强度的激光束，经过透镜聚焦后，就可以大于此值。,凹印机（打样机）原理,激光加工特点：与材料表面没有接触，不受机械运动影响，表面不会变形，一般无需固定。不受材料的弹性、柔韧影响，方便对软质材料。加工精度高，速度快。,10/20/2025,51,10.6.3 激光打印机和复印机,1.激光打印机,充电,曝光,显影,转印,定影,清洁,打印机六过程,10/20/2025,52,激光扫描系统,Laser/Scanner System（激光扫描系统）,激光扫描系统的主要作用是激光在OPC（感光鼓）表面曝光，形成电子潜象。,10/20/2025,53,充电和清除,粉盒的充电辊通过与机器的电晕丝接触,机器在接到要打印信息时,充电辊给旋转中的感光鼓表面布上一层均匀负电荷,充电（Charging）:,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（,Cleaning,）,:,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,感光鼓,10/20/2025,54,曝光（Imaging）,携带数字信号的激光束扫描感光鼓的表面，接受激光照射的部位变为导体，静电荷消失，未经激光照射的地方保持原来的电荷，这样鼓的表面就形成了静电潜像。,感光鼓,充电滚轴,10/20/2025,55,显影（,Development,）,出粉刀,充电滚轴,感光鼓,磁辊,磁辊因磁性将一定量的碳粉吸附在表面,在出粉刀的控制下，在磁辊表面形成一特定厚度的均匀碳粉层，再充上,负电,，使碳粉颗粒带上,负电荷,。这样，碳粉颗粒会在电场的作用下，吸附在感光鼓上没有负电的区域，从而使图像变的清晰可见,10/20/2025,56,转印（Transfer）,携带碳粉图像的,感光,鼓转动，并与同样速度的纸相遇。转印辊给纸背面施以正的电压，使带负电的碳粉被吸引到纸上。,感光鼓,磁辊,转印辊,10/20/2025,57,定影（,Fusing,）,携带碳粉图像的纸进入定影组件，定影组件由一个加热辊 和一个压力辊组成。纸张经过组件,在热和压力的作用下，碳粉粒子经过高温把碳粉熔进纸纤维中，最终形成我们所看到的打印稿。,压力辊,加热辊,10/20/2025,58,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,单元,纸张,电子成像过程,电子充电,1,激光照射,2,清洁,6,转印,4,加热,定影,5,显影,3,10/20/2025,59,HP colour LaserJet 4600,10/20/2025,60,10/20/2025,61,2.复印机,模拟复印机,利用原稿的反射光，直接在感光鼓上曝光。不可以与其它机器联网使用。,数码复印机,利用原稿的反射光在,CCD上成像，转换成数字信号。使影像可以编辑，加工。通过增加打印附件以及FAX附件，可与其它机器联网使用。,复印机与打印机原理基本相同，区别在于图像信息产生的方式不同。打印机的信息是计算机产生的图像数据，而复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上。,数码彩色复印机,CF1501/2001,CF9001,原稿,反光镜,2,反光镜,3,反光镜,1,透镜,光源,CCD,传感器,彩色成像板,R,G,B,C,M,Y,K,影像读取,成像原理,激光,墨粉,感光鼓,转印,彩色复印机显影方式,固定转印,黑色色粉转印,机型：,CF900/910/9001,C,M,B,PC,感光鼓,Y,提升转印,机型：,CF70/80,B,C,M,Y,PC,感光鼓,彩色色粉转印,彩色复印机显影方式,旋转方式,显影辊,PC,感光鼓,机型：,CF30,Y,B,C,M,PC,感光鼓,串联方式,Y,M,C,K,显影辊,机型：CF1501,/2001,彩色复印机转印方式,多重转印方式,机型：,CF70/80/900/910/9001,转印辊,C,M,B,纸张,Y,感光鼓重复吸粉方式,感光鼓,Y,B,C,M,纸张,彩色复印机转印方式,中继转印方式,机型：,CF30,Y,B,C,M,纸张,机型：,CF1501/2001,感光带方式中的中继转印方式,光,OHP平滑,光,定影,纸张张,加热，加压,加热，加压,10/20/2025,69,墨粉收集,管道,墨粉槽,清洁辊,墨粉盒,上分离爪,下分离爪,下定影辊,上定影辊,墨粉回收槽,墨粉回收刮板,废粉收集辊,转运辊,墨粉汲取,10/20/2025,70,10.6.4光盘存储,光存储器用激光读取存储在媒质中的数据.凹面表示1,凸面表示0。因为需要机械电气部件,所以光存储器单元比起半导体存储来读写速度慢,体积大,但它们比较便宜而且存储容量大。,常用的光盘系统有：CD(光盘),CD-ROM(光盘只读存储器),CD-R(可刻录光盘),CD-RW(可重写光盘),DVD(数字视盘),DVD-R(可刻录DVD),DVD-RW(可重写DVD)。,VCD的盘基是用聚碳酸酯塑料做的，因此大多数大批量复制设备是用塑料注射成型机,特点：,10/20/2025,71,CD光盘结构,坑宽0.4m,深为/4约0.11m,10/20/2025,72,数据记录原理,坑宽0.4m,深为/4约0.11m,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据,相变光盘,(phase change disc，PCD),利用激光特殊材料在加热前后的反射率不同记忆1和0只读,CD光盘,（Compact Disc Read-Only Memory）,在盘上压制凹坑的机械办法记录数据，凹坑的边缘记录的是1，凹坑和非凹坑的平坦部分记录的是0。,光刻：,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时受到串行数据的控制，如数据“0”就不让激光束通过，光敏电阻就不曝光；数据“1”就让激光束通过，光敏电阻就曝光。,化学处理：,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。,10/20/2025,73,CD盘的读出原理,光刻系统示意图,10/20/2025,74,DVD光盘,DVD盘和CD盘之间的差别,增加记录面积,1.使用波长较短的激光是提高容量的关键。,CD采用波长为780 nm的红外光。DVD采用波长为635/650 nm的激光源,总的容量可提高到4.486倍,2.加大光盘的记录区域,加大光盘的数据记录区域。DVD盘的记录区域从CD盘的86 cm,2,提高到86.6 cm,2,。总容量提高了1.9%,10/20/2025,75,单面单层光盘的结构,单面双层光盘的结构,使用双面和多层记录,改进调制和纠错方法,采用效率较高的8-16(EFM PLUS)调制，由17位变成16位,采用里德-索洛蒙乘积码(Reed Solomon Productlike Code，RSPC),10/20/2025,76,10/20/2025,77,10/20/2025,78,10.7 表面粗糙度的检测方法,用,光纤测量,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，根据散射场的统计特性与表面粗糙度的特性之间的关系，,通过对散射(1514210场)的测定来计算或评定表面粗糙度。,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量等优点，因此这种方法发展很快。,10/20/2025,79,根据,P,.,Beakmann,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，其漫反射光强的表达式为,镜面反射光强I,s,散射光强I,d,I,s,和,I,d,中都含有,R,q，可见，通过测量,I,s可以来计算或评定表面粗糙度，这就是,镜反射法,。如果能测得,I,s,和,I,d,求其比值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是,求比值法,。,1.测量原理,10/20/2025,80,镜面反射光强项中不含有相关长度,T,值。这样，如果单测镜反射光强Is，即可消除,T,的影响。镜面反射光强项中还含有与表面反射率,R,有关的反射函数,F,项，其表达式为,在,1,2,0情况下，,F,R,。此时有镜面反射光强为,根据这个条件，设计测量装置,Rq为与表面粗糙度相关的函数,10/20/2025,81,测量装置,如图所示,光纤1和光纤2同时以0角测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.,10/20/2025,82,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R相同。,式中，,R,q1,为已知，则,S,为只与R,q2,有关的函数，求得比值,S,，即,可以计算或评定出,R,q2,值。,实验系统中，光纤传感器用Y型同轴光纤传光束。由光纤内芯投射到试件表面，光纤外环接收反射光。信号,I,s1,和,I,s2,经光电二极管分别转换成电信号,U,s1,和,U,s2,，再经放大和A/D转换，输入到单片机系统，求得被测试件表面粗糙度值。,10/20/2025,83,10.8 医用真空图像传感器检测技术,射线图像增强器是,为避免射线辐射的危害而研制出来的。用,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1/10，为荧光板射线透视的1/50，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。,1.射线图像增强器,10/20/2025,84,入射窗：玻璃（铝和钛金属）X射线吸收率小，散射线少；,输入屏：碘化铯(CsI/Na),透明度高，X射线吸收率高；,光电阴极：,形成电子影像；,聚焦电极（电子透镜）：,光电子加速、电子聚焦；,输出屏：,电子束撞击荧光体转化为可见光。,10/20/2025,85,X 射线,人 体,图像转换器,影像增强器,光学系统,摄像管,预放器,信息处理,监视器,配有影像增强器的X射线透视,10/20/2025,86,10/20/2025,87,X射线的产生需要的基本条件是：,（1）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），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量,高压电源,10/20/2025,88,10/20/2025,89,世界上第一台4层CT扫描机,豪恩斯费尔德,1971年，世界上第一台用于颅脑的CT扫描机（计算机人体断层摄影术）由柯马克(A.M.Cormack)和郝恩斯费尔(G.N.Hounsfield)首次研制成功。1979年因此项技术的发明，柯马克、郝恩斯费尔获得了生理与医学诺贝尔奖。,X-CT,（X-ray computed tomography）,10/20/2025,90,X-CT成像原理,X射线平片与CT断层对比图,X-CT与X射线摄影相比较有很大区别，X射线摄影产生的是多器官重叠的平片图像,CT是用X射线对人体层面进行扫描，取得信息，经计算机处理而获得重建图像，显示的是断面解剖图像，其密度分辨力明显优于X线图像，可以显著的扩大人体的检查范围，提高病变的检出率和诊断的准确率,10/20/2025,91,第1代到第3代CT机的X线管和探测器都是同步旋转的，而第4代CT机与之不同，探测器呈360环状固定排列在机架内(目前有的机型多达4800个探测器)，X线管则围绕人体和机架作360旋转,把第4代称,固定/旋转型,(螺旋CT属此型),现代螺旋CT结构图,第二代16层CT,10/20/2025,92,第5代CT机与第1到第4代CT机不同，在成像过程中X线管不需环绕机架作机诫运动，它是用,电子束方法产生旋转的X线源,再穿透人体由探测器接受,这种CT机称为电子束CT,也称超高速CT，特点是扫描速度很快,50100ms/层,每秒最多可扫34层,就其扫描速度是普通CT的40倍，螺旋CT的20倍,可用于心脏一类运动器官的扫描。,10/20/2025,93,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，X射线诊断受到限制。将对比剂（,contrast medium,)引入欲检查的器官内或其周围，改变器官与周围组织的X射线影像密度，显示出器官的形态功能。,X 射线造影,10/20/2025,94,数字减影血管造影,(Digital Subtraction Angiography,DSA),A/D,存储器1,存储器2,D/A,1,2,10/20/2025,95,二次激发光,光激励发光,CR系统成像基本过程,优点：,（1）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,（3）临床应用范围广,（4）IP可重复使用,不足：时间分辨力较差，细节分辨力稍弱。,储能荧光体,激光扫描器,光电倍增管,电信号输出,间接转换探测器,荧光储能探测器,计算机X射线摄影,（,c,omputed,r,adiography，,CR,),10/20/2025,96,Direct digitized radiography,DDR,光电导体（硒）,薄膜晶体管阵列,电信号输出,0.1390.139mm,起开关作用,直接数字化x射线摄影,10/20/2025,97,影像增强器,摄像管,成像板IP,激光扫描仪,计算机,直接数字化,计算机,DDR,计算机X射线摄影CR与,直接数字化x射线摄影DDR比较,10/20/2025,98,GE 全数字PET-CT,GE 生产的 SPECT,PET 图像,20世纪90年代推出了更新、更强的放射性核素（射线）显像（RNI）。核医学影像设备ECT包括,PET,、,SPECT,等设备。PET也称正光电子成像设备，单光子发射型计算机主要的优势是超强的医学影像的识别与诊断的能力，尤其是利用注入体内的增强显影剂或示踪剂，在体内循环可以动态地、靶向目标清晰地显示被检部位形态。,10/20/2025,99,MRI成像原理,磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）是一多种特征参数、多种靶位核素的成像技术。,磁共振成像基本原理是利用特定频率的电磁波，向外在磁场中的人体进行照射，人体内各种不同组织的氢核在电磁波的作用下会发生核磁共振，并吸收电磁波的能量，随后再发射出电磁波。,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。,10/20/2025,100,图像种类 成像方式 成像依据 对人体影响 特长,X射线 直接透射成像 密度和厚度 有损 形态、全貌、精细,X-CT 数据测量重建 吸收系数 有损 高对比分辨率,超声波 同上 界面反射 无损 安全、动态、重复,核素 同上 核素含量或分布 有损 功能,磁共振 同上 氢核物理状态 无损 软组织代谢信息,几种主要成像方式的比较,10/20/2025,101,10.9 激光多普勒测速技术 LDV,1842年奥地利科学家Doppler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。1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的散射光有频率移动，证实可以用激光多普勒的频移技术确定粒子的流动速度。,1.多普勒(Doppler)测速原理,10/20/2025,102,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，LDV通常利用后一种情况。,假设波源S静止，观察者以速度,v,移动，波速为,c,，波长为,。如果和,相比，P离开S足够远，可把P处的波看成是平面波。则有：,因V引起的频率变化,已知频率变化求相对速度,10/20/2025,103,多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能量集中的激光作光源。,激光器,激光多普勒测速仪的组成,为便于连续工作，通常使用气体激光器，如He-Ne激光器或氩离子激光器。,10/20/2025,104,光学系统,光学系统由发射和接收两部分组成，发射部分由分束器F及反射器S把光线分成强度相等的两束平行光，然后通过会聚透镜L,1,聚焦到待测粒子P上，接收部分由接收透镜L,2,将散射光束收集到光电接收器PM上。为避免直接入射光及外界杂散光也进入接收器，在相应位置上设置挡光器R及小孔光阑D。,10/20/2025,105,信号处理系统的任务是从这些复杂的信号中提取反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。现在已有多种多普勒信号处理方法，如频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法及扫描干涉法等。,频率跟踪法,它能使信号在很宽的频带范围内(2.25kHz15MHz)得到均匀的放大，并能实现窄带滤波，从而提高了信噪比。它输出的频率量可直接用频率计显示平均流速。输出的模拟电压与流速速度成正比，能够给出瞬时流速以及流速随时间的变化，配合均方根电压表可测量湍流的速度。,信号处理系统,10/20/2025,106,10/20/2025,107,频率计数测频仪是计时装置，用测量已知条纹数所对应的时间来测量频率的装置。流体速度,v,由下式计算：,式中，,d,为条纹间隔，,n,为人为设定的穿越条纹数，,t,为穿越,n,条条纹所用的时间。,频率计数法,10/20/2025,108,LDV,具有极高的空间分辨力，再配置一台显微镜可用于观察毛细血管内血液的流动。图,10-60,所示为激光多普勒显微镜光路图，将,多普勒测速仪与显微镜,组合起来，显微镜用视,场照明光源照明观察对,象，用以捕捉目标。测,速仪经分光棱镜将双散,射信号投向光电接收器，,被测点可为,60,m,的粒子。,(1)血液流速的测量,3.激光多普勒测速技术的应用,10/20/2025,109,由于被测对象为生物体，光束不易直接进入生物体内部，且要求测量探头尺寸小。光纤测量仪探头体积小，便于调整测量位置，可以深入到难以测量的角落；并且抗干扰能力强，密封型的光纤探头可直接放