光学检测技术及其应用研究

光学检测的综述

光学检测的综述

摘要

随着科学技术和⼯业的发展，测量检测技术在⾃动化⽣产、质量控制、机器⼈视觉、反求⼯程、CAD/CAM以及⽣物医学⼯程等⽅⾯的应⽤⽇益重要。传统的接触式测量技术存在测量⼒、测量时间长、需进⾏测头半径的补偿、不能测量弹性或脆性材料等局限性，因⽽不能满⾜现代⼯业发展的需要。

近年来由于光学⾮接触式测量技术克服了上述缺陷，其⾮接触、⾼效率、⾼准确度和易于实现⾃动化的特点，成为近年来测量技术研究的热点。本⽂介绍了多种基于各种测量原理的光学检测⽅法。

关键词:光学检测；三维测量; 数字相移;1.光电检测技术

光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、衍射、折射、透射等）进⾏检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输⼊电路、放⼤滤波等检测电路提取有⽤的信息，再经过A/D变换接⼝输⼊微型计算机运算、处理，最后显⽰或打印输出所需检测物体的⼏何量或物理量[1]。如图1所⽰光电检测系统的组成。

图1 光电检测系统

光电检测技术的特点：–⾼精度：从地球到⽉球激光测距的精度达到1⽶。

–⾼速度：光速是最快的。

–远距离、⼤量程：遥控、遥测和遥感。

–⾮接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进⾏测量。

–寿命长：光电检测中通常⽆机械运动部分，故测量装置寿命长。

–数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能⼒。

光电检测的⽅法：直接作⽤法差动测量法

补偿测量法

脉冲测量法

光电检测系统◆主动系统/被动系统(按信息光源分)

–主动系统

通过信息调制光源,或者光源发射的光受被测物体调制。如图2所⽰

图2 主动系统的组成框图–被动系统

光信号来⾃被测物体的⾃发辐射。如图3所⽰图3 被动系统的组成框图◆红外系统/可见光系统(按光源波长分)[2]

–红外系统多⽤于军事,有⼤⽓窗⼝,需要特种探测器。

–可见光系统多⽤于民⽤

◆点探测/⾯探测系统(按接受系统分)

–⽤单元探测器接受⽬标的总辐射功率。

󰂳新世纪献辞󰂳光学・激光是知识创新体系的重要一环李景镇(深圳大学科技研究院,深圳　518060)1　20世纪的光学创新在人类知识创新上有特殊重要的地位 ・普朗克从黑体辐射的研究中提出了辐射能量子化理论,随之出现的量子力学、量子物理、量子化学、量子生物学,等等,是人类认识微观世界的基础。・爱因斯坦明确提出了光量子理论,光量子的能量E=ν,根据迈克尔逊光干涉实验导致了狭义相对论的出现,形成了新的时空概念及推导出质能互换定律E=mc2;玻尔在光谱学的成就和量子理论的指导下,提出子氢原子的光谱理论,导致了对原子、分子结构的了解;・爱因斯坦1917年提出原子系统中不仅有自然辐射,而且有受激辐射,受激光辐射是激光的理论基础;1954年,T.H.Townes发明了NH3受激辐射的微波放大器;1960年,T.H.Maiman做出了红宝石激光器。激光的发现,是人类科学技术发展史上的一次重大突破;・半导体物理在导致科技进入信息时代的同时,也为光电器件及光信息技术开辟了途径;・光纤通信,是人们进入信息时代的重大突破;・超分辩显微术,特别是扫描探针技术,使人们进入观察、操纵,重组原子成为现实;・超大天文望远镜,特别是哈勃空间望远镜,大大提高了人们认识宇宙的深度、广度;・光合作用的研究,等等。这些重大的突破和创新,正是知识创新体系中最重要的源泉,在创新体系中属于最高层次。2　光学知识本身的知识创新主要体现在光学到光子学的飞跃,正像电学到电子学的飞跃。光子学是研究光子的产生,运动和转化的科学,侧重于从微观的角度来研究它的属性。完成光学到光子学飞跃的重大突破和进展主要有:・半导体超晶格概念和理论的提示,半导体超晶格激光器、量子阱、量子线和量子点激光器的出现;・微腔量子电动力学效应的发现和垂直腔面发射激光器的问世,是光子学理论和器件的重大突破,是光集成的基础;・非线性导波光学的发展,导致了光通信技术上的三大突破;孤子激光器和光孤子传输,光纤放大器,和波分复用技术;・光子材料和光子器件的发展,光子晶体的研究正出现突破,光子晶体的研究与上个世纪半导体的研究有着同样重大的意义;・光存储和广义三维光存储的进展;・光双稳、光互联和光子计算机的进展;・量子光学的进展,量子纠缠态、量子通信和量子计算机已初见端倪,等等;3　激光在知识和技术创新体系中居于重要地位和光纤技术一道是光子学的主要依托,将在下世纪———光子世纪担纲重要的角色,关于激光的历史作用,王大珩院士有一段精辟的论述:“60年代激光的问世,堪称本世纪物理学重大进展之一,是光学方面具有革命意义的重大突破。基于它所具有的前所未有的性质,对于光的本质,以及光与物质相互作用都具有划时代的认识。我们知道,X光在研究物质上将近一个世纪,还有其生命力,还用以研究较复杂的分子(生物分子),而激光所开辟的研究物质动态及反应的手段,它的生命力将更长,必将成为即将到来的下个世纪(21世纪)的重要科学研究对象”。激光是创新体系中的重要一环。光电检测技术的发展及应用钟丽云(昆明理工大学激光研究所,昆明　650051) 检测技术在国民经济的各个行业中,起着举足轻重的作用,无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测,利用现代光电子技术作为检测手段,具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性,是当今检测技术发展的主要方向。利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史,由台曼干涉仪到莫尔条纹,然后到散斑,再到全息干涉,出现了一个个干涉场,物理量(如位移、温度、压力、速度、折射率等)的测量不再需要一个个的测量,而是整个物理量场一起进行。自从激光出现以后,电子学领域的许多探测方法(如外差、相关、取样平均、光子计数等)被引入,使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。光纤技术的出现,由于光纤能控制光束的传播路径,使调制的方法增多,接收更为方便,同时它能进入物体内部,扩大了测量范围,提高了测量精度,甚至可以事先铺设在各种建筑物内部,作实时监测和自动控制等。CCD固体摄像头的出现

新型光学传感器的研究和应用

光学传感器是一种用于检测物体的位置、运动、颜色、形状、温度等参数的设备。它的原理是利用光电效应，将被测物体的光信号转化为电信号，通过信号处理后得到所测量的参数值。光学传感器具有精度高、速度快、响应灵敏、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于测量、控制、自动化等领域。本文将介绍一些新型光学传感器的研究和应用。

一、 光纤传感器

光纤传感器是利用光纤对光信号进行传输和检测的传感器。它具有短响应时间，抗干扰能力强，测量范围大等优点。目前，光纤传感器主要被应用于地震监测、建筑物结构监测、温度、压力、位移、加速度等参数的监测。

在地震监测方面，利用光纤传感器可以实现对地表位移的高精度、实时监测，从而提高地震预警的准确性。在建筑物结构监测方面，利用光纤传感器可以实现对建筑物内部应力、变形等参数的高精度、实时监测，从而提高建筑物的安全性和耐久性。

二、 三维视觉传感器

三维视觉传感器是一种能够获取物体三维信息的传感器。它通过对物体表面进行光学扫描，得到物体的三维形状和位置信息。与传统的二维视觉传感器相比，三维视觉传感器具有测量精度高、测量速度快、测量范围广等优点。

三维视觉传感器被广泛应用于工业生产、机器人导航、医疗影像等领域。在工业生产方面，利用三维视觉传感器可以实现对产品的检测和质量控制，从而提高产品的质量和生产效率。在机器人导航方面，利用三维视觉传感器可以实现机器人的精确定位和避障导航，从而提高机器人的自主性和应用范围。在医疗影像方面，利用三维视觉传感器可以实现对患者体表的三维扫描，从而提高医疗诊断的精度和效率。

三、 光子晶体传感器

光子晶体传感器是一种利用光子晶体结构进行检测的传感器。它具有高灵敏度、高选择性、低检测极限等优点。利用光子晶体传感器可以实现对溶液浓度、气体浓度、温度、湿度等参数的高灵敏度检测。

光子晶体传感器被广泛应用于环境监测、生物医学、食品安全等领域。在环境监测方面，利用光子晶体传感器可以实现对空气中的有毒气体、水中的污染物等的高灵敏度检测，从而提高环境监测的准确性和效率。在生物医学方面，利用光子晶体传感器可以实现对生物分子的高灵敏度检测，从而提高生物医学研究的精度和效率。在食品安全方面，利用光子晶体传感器可以实现对食品中的有害物质、营养成分等的高灵敏度检测，从而提高食品安全的保障性和监管效率。

光学元件表面的光学检测技术研究

在现代科技发展的背景下，光学元件在各个领域都扮演着重要的角色。光学元件表面的质量直接关系到其性能和使用寿命，因此需要进行光学检测来确保其质量和精度。本文将探讨光学元件表面的光学检测技术研究。

一、光学元件表面的缺陷检测技术

光学元件表面的缺陷对其性能和使用寿命有着直接的影响。传统的检测方法主要依赖于人工目视检查，这种方法耗时耗力且易产生误判。随着科技的发展，各种更加精准的光学缺陷检测技术被提出和应用。

一种常用的光学缺陷检测技术是利用显微镜观察。显微镜具有高分辨率和高放大倍数的特点，可以清晰地观察到光学元件表面的微小缺陷，如瑕疵、刮痕等。此外，还可以利用光学显微镜的成像功能对光学元件表面的缺陷进行数字化分析和记录，以便后续的研究和优化。

另一种常见的光学缺陷检测技术是利用干涉仪。干涉仪通过测量光波的干涉现象来检测光学元件表面的缺陷。其中，常用的干涉技术包括白光干涉法、雷电法、中性密度方法等。这些方法可以通过测量光波的强度和相位差来确定光学元件表面的小尺寸缺陷，如微观凹坑和微裂纹等。

二、光学元件表面的形貌检测技术

光学元件表面的形貌对其光学性能有着重要的影响。形貌测量是光学元件表面光学检测的重要环节，广泛应用于光学元件的制造和质量控制过程中。

常用的形貌检测技术包括激光干涉测量法、扫描探针显微镜法、电子显微镜法等。其中，激光干涉测量法是一种非接触式的形貌测量技术，其原理是通过测量光波的相位差来确定光学元件表面的形貌特征。这种方法具有高分辨率、高精度和快速测量的特点，广泛应用于光学元件表面的形貌检测。 扫描探针显微镜法是一种通过扫描式的方式对光学元件表面进行形貌测量的技术。该方法利用微小的探针扫描测量表面的形貌特征，并通过建立二维或三维的形貌图像来描述光学元件的精度和平整度。电子显微镜法则是利用电子束对光学元件表面进行显微观察和形貌测量的技术。电子显微镜具有高分辨率和高放大倍数的特点，可以直接观察到光学元件表面的微观形貌特征，如晶体缺陷、晶界等。