第九章 光学检测技术
光学检测技术原理
光学检测技术原理
光学检测技术利用光或电磁波在物体表面与光学元件之间的相互作用原理来检测和分析物体的性质和特征。
该技术广泛应用于工业、医学、环境监测、生物科学等领域。
光学检测技术的原理主要包括以下几个方面：
1. 反射和折射：当光束从一个介质进入另一个介质时，会发生反射和折射现象。
利用光的反射和折射原理，可以通过测量光的入射角度、反射角度和折射角度来确定物体的界面特性，例如表面粗糙度、光学透明度等。
2. 散射：当光束通过一个物体时，会发生散射现象。
利用光的散射原理，可以通过测量散射光的角度、能量分布等信息来分析物体的形状、粒径、浓度等。
3. 吸收和发射：物体对特定波长的光会产生吸收和发射现象。
利用光的吸收和发射原理，可以通过测量光的吸收强度、发射光谱等来确定物体的化学成分、浓度、温度等。
4. 干涉和衍射：当光束通过一组光学元件时，会产生干涉和衍射现象。
利用光的干涉和衍射原理，可以通过测量干涉图样、衍射光的波前形态等来分析物体的形状、厚度、折射率等。
5. 偏振：光束中的光波可以具有不同的偏振状态。
利用光的偏振原理，可以通过测量光的偏振状态来分析物体的晶体结构、应力状态等。
总之，光学检测技术利用光的各种相互作用原理，通过对光的测量和分析，可以实现对物体性质和特征的检测和表征。
光学检测技术及其应用研究
光学检测技术及其应用研究一、光学检测技术概述光学检测技术是指利用光学原理、光学器件以及图像处理方法进行物体的检测和分析的一种方法。
它以光学成像、物体测量、表面缺陷检测、非接触性测量等为基础，应用于各个领域，如电子、石油、医疗等多个领域。
现在光学检测技术越来越成熟，应用也越来越广泛。
二、光学检测技术种类1. 光学成像技术光学成像技术是一种常见的光学检测技术，主要应用于对物体形态、尺寸的检测和分析。
它是利用光学原理，通过光学器件将物体的光学图像旋转成人眼可以识别的二维空间内的图像，来达到检测物体大小、形态、颜色等信息的目的。
在半导体制造、医疗、汽车、工业等领域中得到了广泛应用。
2. 光学测量技术光学测量技术是测量物体特定尺寸等物理量的技术。
通过光路设计，利用光学原理对物体进行快速精准的测量。
相对于传统的测量技术，光学测量技术有很多优势，如高测量精度、速度快、非接触、无磨损等。
在汽车、机器人、电子、医疗等领域中得到了广泛应用，提高了生产的效率及质量。
3. 表面缺陷检测技术表面缺陷检测技术是利用光学原理对物体表面缺陷进行检测和分析的技术。
它主要应用于制造业中的质量控制，保证产品的合格率。
目前已经应用到了机械、印刷、电子、医疗等多个领域中。
相比传统的检测方法，光学检测方法可以进行精细的缺陷检测和统计的分析，大大提高了检测效率和准确度。
三、光学检测技术应用1. 工业制造在工业制造中，光学检测技术已经成为必不可少的工具。
比如，在汽车制造中，通过激光测量Fender等外部元件的形状，可以检查其是否符合设计要求。
同时，光学测量技术也可以用于大规模金属构件的测量，如航空发动机叶盘的制造过程控制、船体、车身等的形状检测。
2. 医疗健康光学检测技术在医疗行业中也有广泛的应用，如，在眼科领域可以利用光学成像技术对眼底、视网膜进行检测；在口腔领域中，可以利用激光测量技术进行口腔牙齿病原菌检测等等。
3. 环境探测光学检测技术也在环境探测中得到了广泛应用。
光学检测技术
光学检测技术引言光学检测技术是一种基于光学原理的检测方法，通过利用光的传播特性和相互作用来实现对物体性质和参数的测量。
在许多领域中，光学检测技术被广泛应用于材料分析、生物医学、环境监测等。
本文将介绍光学检测技术的原理及其在不同领域中的应用。
光学检测技术的原理光学检测技术基于光与物质的相互作用，利用光的传播特性和信息传递能力进行测量和分析。
其原理主要包括光的散射、吸收、反射和透射等。
光的散射光的散射是光在物质中发生偏转和扩散的现象。
当光线遇到物体表面或介质内部的不均匀性时，会发生散射现象。
根据散射颗粒的尺寸和波长的比值，可以将散射分为Rayleigh散射、Mie散射和非弹性散射等。
光的吸收光的吸收是指光线在物质中被吸收一部分能量而丧失其原有的能量和强度。
当光通过物质时，被物质中的原子、分子或团簇吸收，产生热能或激发电子跃迁等。
光的反射光的反射是光线遇到物体表面时发生反射的现象。
根据物体表面的特性，反射光可以分为镜面反射、漫反射和散射反射等。
反射光的强度和角度与入射光的强度和角度之间存在一定的关系。
光的透射光的透射是光线穿过物体而传播的现象。
在透射过程中，光的强度和频率会发生变化，与物体的性质和结构有关。
透射光的特性可以用于材料分析、透射成像等应用。
光学检测技术的应用光学检测技术在各个领域中具有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：材料分析光学检测技术在材料分析中扮演着重要的角色。
通过测量和分析样品吸收、散射、透射等光学特性，可以获取样品的成分、结构和性质等信息。
例如，荧光光谱分析、拉曼光谱分析、红外光谱分析等都是常见的光学检测技术在材料分析中的应用。
生物医学光学检测技术在生物医学领域中有着广泛的应用。
例如，蛋白质分析、细胞成像、荧光探针检测等都是基于光学原理的技术。
光学显微镜、光学相干断层扫描等器械也是常见的光学检测技术在生物医学中的应用。
环境监测光学检测技术在环境监测领域中发挥着重要的作用。
通过测量环境中的光线散射、吸收、反射等参数，可以对大气、水质等环境参数进行监测。
光学检测技术在工业自动化中的应用有哪些
光学检测技术在工业自动化中的应用有哪些在当今高度发达的工业领域，自动化技术的不断进步为生产效率和质量的提升注入了强大动力。
其中，光学检测技术作为一种非接触式、高精度、高速度的检测手段，在工业自动化中发挥着越来越重要的作用。
本文将详细探讨光学检测技术在工业自动化中的多种应用。
一、尺寸测量与几何形状检测在工业生产中，零部件的尺寸精度和几何形状的准确性至关重要。
光学检测技术可以实现对物体尺寸的高精度测量，包括长度、宽度、高度、直径等。
例如，利用激光三角测量法，通过激光束照射物体表面，根据反射光的角度和位置变化来计算物体的高度和轮廓。
同时，光学检测技术还能够检测物体的几何形状偏差，如平面度、圆度、圆柱度等。
通过机器视觉系统对物体进行图像采集和处理，与标准模板进行对比，从而快速准确地判断出物体的几何形状是否符合要求。
二、表面缺陷检测产品表面的缺陷会严重影响其质量和性能。
光学检测技术在表面缺陷检测方面表现出色。
例如，采用光学显微镜可以检测到微小的划痕、裂纹、气孔等缺陷。
此外，基于机器视觉的表面缺陷检测系统能够对大面积的产品表面进行快速扫描和分析。
通过对图像的灰度、纹理等特征进行提取和分析，自动识别出缺陷的位置、大小和类型。
这种检测方式不仅提高了检测效率，还能够避免人工检测的主观性和疲劳导致的误判。
三、材料成分分析在工业生产中，需要对原材料和产品的成分进行准确分析。
光学检测技术中的光谱分析方法在此方面发挥了重要作用。
例如，红外光谱可以用于分析有机物的分子结构和成分，确定材料中的各种官能团。
而激光诱导击穿光谱技术（LIBS）则能够对金属材料进行快速成分分析，检测其中的元素种类和含量。
这种非接触式的成分分析方法能够在不破坏样品的情况下，实现实时、在线检测，为生产过程中的质量控制提供了有力支持。
四、颜色检测对于一些对颜色有严格要求的产品，如纺织品、印刷品、涂料等，颜色的准确性至关重要。
光学检测技术中的颜色测量系统可以精确测量物体的颜色参数，如色相、饱和度、明度等。
光学测量原理和技术
光学测量原理和技术光学测量是利用光的特性进行测量的一种方法，广泛应用于工程领域、科学研究和医学等领域。
它通过利用光的传播速度、衍射、干涉、折射等原理，获得被测物体的各种参数，如尺寸、形状、速度、光学性质等。
本文将对光学测量的原理和常用的技术进行详细介绍。
光学测量的原理主要包括光的传播速度、干涉、衍射和折射等。
首先是光的传播速度原理。
光的传播速度是一个常数，通常在空气中为光速的近似值。
利用这一特性，可以通过测量光的传播时间来求得被测物体的距离。
这种方法常用于测量地理位置、道路长度等。
其次是干涉原理。
干涉是指两束或多束光相遇而产生干涉条纹的现象，常用于测量光的波长、被测物体的薄膜厚度等。
例如，杨氏干涉仪利用光的干涉原理测量光的波长。
Michelson干涉仪可以测量被测物体的位移。
再次是衍射原理。
衍射是指光通过物体边缘或孔隙时发生弯曲和散射的现象。
利用衍射原理，可以测量光的孔径、散斑、物体的形状等。
例如，通过测量衍射现象的图案特征可以推断物体的形状和大小。
最后是折射原理。
折射是指光从一种介质进入另一种介质时发生的方向变化。
利用折射原理，可以测量介质的折射率、曲率半径等。
例如，通过测量光经过透镜、棱镜等光学元件后的光线偏折角度可以计算出介质的折射率。
光学测量的技术主要包括激光测距、光栅测量、干涉测量、像散测量和光学断层扫描等。
激光测距技术是一种利用激光测量距离的方法。
利用激光器发射一束高度聚焦的激光束，测量激光束从发射到接收的时间差来计算出距离。
激光测距技术具有高精度、快速的特点，广泛应用于建筑测量、工业制造等领域。
光栅测量技术是利用光栅来测量物体位置和尺寸的方法。
光栅是一种具有规则周期结构的透明介质，在光线的照射下会产生明暗间断交替的光斑。
通过测量光栅上的光斑变化的位置和间距，可以计算出被测物体的位置和尺寸。
干涉测量技术是利用干涉现象进行测量的方法。
常见的干涉测量技术包括干涉仪、干涉计、Michelson干涉仪等。
应用于定心车削的光学检测技术
应用于定心车削的光学检测技术应用于定心车削的光学检测技术在制造工业中，高精度和高质量的产品是至关重要的。
而在车削加工中，定心车削是一种高精度、高效率的加工方式，它需要使用先进的检测技术来确保加工过程的精准度和质量。
光学检测技术作为一种非接触式检测手段，在定心车削中具有广泛的应用，并且在实践中表现出了良好的效果。
光学检测技术可以应用于定心车削的多个环节，包括工件的定心、刀具的定心、切削过程的实时监测等。
下面将从这些环节展开，深入探讨光学检测技术在定心车削中的应用。
1. 工件的定心在定心车削中，工件的定心是至关重要的。
传统的工件定心方式通常是依靠机械测量仪器进行检测，这种方式比较繁琐，并且不够精准。
而光学检测技术则可以通过高分辨率的光学设备，实时地对工件的定心进行监测。
光学检测技术可以利用工件表面的几何特征进行定心测量，通过图像处理算法，可以精确地获取工件的几何中心和轴线位置，从而实现工件定心的精准度和快速度的提升。
2. 刀具的定心在定心车削中，刀具的定心状态对加工的精度和表面质量有着直接的影响。
传统的刀具定心方式通常是通过人工测量和调整，这种方式容易受到操作者经验和技能的影响，而且效率不高。
光学检测技术可以通过高速摄像头和图像识别算法，实时监测刀具的位置和状态。
通过对刀具轨迹的实时跟踪和分析，可以及时发现刀具偏心或者振动等问题，并能够对刀具进行自动调整，从而提高刀具的定心精度和稳定性。
3. 切削过程的实时监测在定心车削的加工过程中，切削过程的实时监测也是非常关键的。
光学检测技术可以通过高速摄像头和图像处理算法，实时监测加工过程中的切削力、切削温度、刀具磨损等指标。
通过对这些指标的实时分析，可以及时调整切削参数，保证加工过程的稳定性和质量。
光学检测技术还可以实现对加工表面质量的实时监测和评估，提高产品的加工精度和表面质量。
总结回顾光学检测技术作为一种非接触式的检测手段，在定心车削中具有广泛的应用前景。
光学检测技术如何提高农业生产效率
光学检测技术如何提高农业生产效率农业作为人类生存和发展的基础产业，其生产效率的提升对于保障粮食安全、促进经济增长和社会稳定具有至关重要的意义。
在现代科技的推动下，光学检测技术正逐渐成为提高农业生产效率的有力工具。
本文将详细探讨光学检测技术在农业生产中的应用以及其如何显著提升农业生产效率。
一、光学检测技术在农业种子筛选中的应用种子的质量直接关系到农作物的生长和产量。
传统的种子筛选方法主要依靠人工观察和简单的物理手段，不仅效率低下，而且准确性难以保证。
而光学检测技术的出现为种子筛选带来了革命性的变化。
例如，利用近红外光谱技术，可以快速、无损地检测种子的水分含量、蛋白质含量、淀粉含量等重要指标。
通过对大量种子样本的光谱数据进行分析，建立准确的预测模型，能够在短时间内筛选出优质的种子，提高种子的整体质量和发芽率。
此外，机器视觉技术在种子外观筛选方面也发挥着重要作用。
通过高分辨率的摄像头和图像分析算法，可以精确检测种子的形状、大小、颜色和表面缺陷等特征。
将不符合标准的种子剔除，确保播种的种子具有良好的一致性和健康状况，为后续的生长和丰收奠定基础。
二、光学检测技术在土壤养分检测中的应用土壤是农作物生长的根基，了解土壤中的养分状况对于合理施肥和优化种植方案至关重要。
传统的土壤养分检测方法通常需要采集土壤样本并送到实验室进行化学分析，过程繁琐、耗时且成本较高。
光学检测技术的应用有效地解决了这些问题。
例如，激光诱导击穿光谱技术（LIBS）可以在现场快速检测土壤中的多种元素含量，包括氮、磷、钾等主要养分以及微量元素。
该技术通过激光脉冲激发土壤样本产生等离子体，然后分析等离子体发射的光谱来确定元素的种类和含量。
另外，荧光光谱技术也可用于土壤有机碳和氮的检测。
通过激发土壤中的有机物质产生荧光信号，从而实现对土壤肥力的快速评估。
这些光学检测技术能够及时为农民提供准确的土壤养分信息，帮助他们制定精准的施肥计划，避免过度施肥或施肥不足，提高肥料利用率，降低农业生产成本，同时减少对环境的污染。
光学检测技术教学大纲
《光学检测技术》课程教学大纲课程代码：090642003课程英文名称：optical detection technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的一门专业选修课，通过本课程的学习，可以使学生掌握光学测试技术的相关原理和方法，培养学生解决实际问题的能力。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．各种光学测试技术的原理。
2．各种光学测试技术的系统结构和特性。
3．各种光学测试技术的使用方法。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高运用光学检测技术的能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。
本课程主要的先修课程有《现代应用光学》。
（五）对习题课、实践环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
（六）课程考核方式1．考核方式：考查2．考核目标：考核学生对光学测试技术基本知识、原理和方法的掌握，及综合运用、分析解决问题的能力。
3．成绩构成：本课程的总成绩主要由两部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占30%，期末考试成绩占70%。
（七）参考书目《光电测试技术》（第三版），范志刚、张旺等编著，电子工业出版社，2015；《光学测试技术》，刘承、张登伟等编著，电子工业出版社，2013；《现代光学测试技术》，王文生等编著，机械工业出版社，2013；二、中文摘要本课程是光电信息科学与工程专业的一门专业课程，课程通过对光学测试技术的相关原理和方法的讲授，使学生掌握光学测试技术的基本原理和方法，培养学生分析、解决光学测试所涉及的实际问题的能力。
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外差扫描法
一束细的激光束扫描有振动的物体表面 反射光的位相对应于物体表面的形状 设法组合参考光（扫描入射光）与反射的相位调制光
用外差技术检测 z ( x(t) )
9.2.3 表面特征抽取的扫描技术
应用：表面的瑕疵弊病检查、表面异物探测、形 状规则度检查； 1 反射光检测法
第九章
光学检测技术
引言
光学方法的主要优势： 非接触性 高灵敏度 高精密性 光学图像的二维计量性
主要内容 衍射法 扫描法 全息法 散斑法 莫尔法 激光测距 多普勒测速
光传感与光检测技术
9.1 激光衍射法
特点：简单、快速、精密、廉价、性能可靠。
9.1.1 激光衍射传感的基本原理 衍射计量的基本原理：检测单缝的远场衍射，即夫 朗和费衍射。
对衍射条纹的测量 ➢ 记录固定的衍射强度 ➢ 记录衍射分布特征尺寸——衍射分布极 点之间的距离
9.1.2 激光衍射技术 （一）间隙计量法
尺寸比较测量 工件形状轮廓测量 应变的感应器
衍射条纹间隔 间隙
两种计量方法
W W
nR
1 xn
1 xn
n n sin
❖ （1）绝对法：测量位移前后n 级条纹距中央零级条纹中心位 置xn及xn'就可求出位移量δ。
➢9.2.1 激光光点扫描技术
利用激光束的扫描运动来测定物体的尺寸。 特点：非接触、动态、远距离（>1m）
D 1 t
2
➢为保证测量精度，三点要求
（1）激光束垂直照射被测表面 （2）光束对物面作匀速直线扫描运动 （3）精确测定扫描时间
（a）转镜扫描
y R tan 2
光束在物面上的运动速 度是非均匀的，而且光 束不垂直物面。因此这 种扫描方式不能满足基 本要求（1）和（2）。
全息术要求
相干性很高的光源：激光 被摄物均匀照射：扩束镜 获得明显的干涉条纹：参考光与物光的分束 比：2:1—10:1 记录介质要求有较高的分辨本领：溴化银照 相乳胶 曝光期间要求实验装置有很高的机械稳定性
（a）透明物透射光作为物光； （b）非透明物反射光作为物光
9.3.2 全息干涉技术
应用：高精度传感测量物体的位移或形变。 基本原理：
❖ （2）计数法：测得条纹计数值 △N（n-n ' ），就可求出试件 的位移或应变值δ。
两个例子
（二）爱里圆斑法
作用：精确测定微小内孔的尺 寸 基本原理：基于圆孔远场衍射
第一暗环直径 d 1.22 f a
9.2 激光扫描法
❖ 一种动态光传感技术 ❖ 适宜对弹性体、柔性体、高温物体作精密测量
为什么一小块全息图能包含物体的整个三维 几何信息？
基本出发点：物体都是点的集合体。研究一个物点 的记录和再现过程。
记录
一组 同心 圆的 干涉 条纹
再现
假如点物放在O点，则O点散射波在a，b，c，……，f 点的相位分布和把再现光照射在全息图上时，全息图 上点a，b，c，……，f的散射波的相位分布是完全相 同的。
检测装置
（a）飞点成像式：在y 方向上用线光束照明， 反射光用旋转多面体沿y 方向扫描接收。在被测 表面的像面上设置针孔 以检测反射光的变化， 从而评定表面有否损伤 与划痕。
（b）飞点扫描式：直接 用激光束扫描表面，扫 面方向（y方向）与被检 表面行进方向垂直。反 射光由列阵光电检测器 件检测。
❖ 记录的曝光时间要大于物 体的振动周期。
❖ 全息图上记录的是许多像的总效果。再现时再现像 是各个再现波前的复振幅之和。
❖ 产生的干涉条纹将反映振动物体的极限位置。
实时法
❖ 曝光一次，曝光时间 短。
❖ 再现时，再现像叠加 在原物体上。
❖ 如果物体稍有位移或 形变，即能观察到干 涉条纹。
❖ 适合于测试透明物体 中的一些现象。
将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张 全息图上，再现此全息图时，再现的二光波就发生 干涉。通过干涉条纹的检测，就可获得被测物体在 拍摄时间间隔内发生的变化。 拍摄方法：
静态二次曝光法、动态时间平均法、实时法
静态二次曝光法
❖ 再现像中光强分布 受到物体位移后产生的位相差的调制，形成干涉条纹
❖ 动态时间平均法，又称长 时间一次曝光法。用来研 究物体振动。
远场衍射条件：R ? W 2 检测面上衍射光强分布：
I I0 sin2 2
W sin
暗条纹位置：
W sin n
W sin n
激光衍射传感器检测的 基本原理：
W Rn xn
引申：测量物体的尺寸变化
x 最后缝宽和起始缝宽 变动后衍射条纹中心
位置和起始衍射条纹 中心位置（n不变） 激光衍射测量的基本思想： 把难于测量的微小尺寸W或δ，通过远场衍射转为 大尺寸xn的测量，即利用衍射条纹的精确测量达到 精密传感。
（b）反射镜准直扫描
为保证基本条件（1） 和（2）通常采用f-θ透 镜与转镜组合的反射镜 准直扫描装置。f-θ物镜 是专用于光扫描系统的 物镜，是一种负畸变物 镜。可保证y与θ的线性 关系：
y f 2
9.2.2 位相调制扫描技术
光点扫描技术：采用时间脉冲计数测定工件尺寸。工件 边缘衍射效应，测量误差大，精度在0.01mm左右； 位相扫描技术
1948年，Gabor提出的，1960年激光出现后获得发展。
与普通照相的比较：
普通照相：透镜成像，感光胶片上只记录物体的光强分布， 平面像，胶片破碎后只能冲洗照片的一部分；
全息照相：不用透镜，借助参考光与来自物体的反射光（散 射光）在全息干板上产生干涉，记录物光的振幅和相位，可再 现立体像，干板打碎后用一碎片仍可再现全部立体像，只是清 晰度有所下降。
9.3.3 全息等高线技术
应用：物体表面三维形貌测量。 主要包括：
线投影等高技术 双频全息技术 变折射率全息技术 视频和散斑技术
2 散射光检测法
基本原理：漫反射表面的光洁 度与散射光的散射角之间有一 固定关系。 方法：激光束垂直照射待测表 面，检测垂直的反射光强和某 一角度下色散射光强，两个光 强之比确定表面光洁度。基于 边界衍射波理论，衍射波的频 谱分布反映的边界图形的特征， 可以判定表面瑕疵情况。
9.3 全息法
9.3.1 激光全息术