实验项目4 光电式传感器原理与应用（基于Matlab）
一． 实验目的
建立CCD图像传感器的数学模型与图像处理流程
理解光纤传感器的调制原理与信号解调方法
掌握光电式传感器的系统设计与性能分析方法
二． 实验设备与环境
MATLAB R2020a或更高版本
Simulink仿真环境
Image Processing Toolbox（用于图像处理）
Communications Toolbox（用于光纤通信仿真）
Signal Processing Toolbox（用于信号处理）
三． 实验内容与步骤
第一部分：CCD图像传感器建模与图像处理
- 主图形窗口布局
将显示一个2行×3列的子图布局，总标题为"CCD图像传感器仿真分析"。
- 各子图具体内容：
子图1 (左上)：原始场景
显示同心圆组成的分辨率测试卡
10个不同半径的灰色同心圆环
叠加随机纹理噪声
整体呈现灰度图像，中心最亮，向外逐渐变暗
子图2 (中上)：光学系统后场景
原始场景经过光学模糊后的效果
图像边缘变得柔和模糊
同心圆环的边界不再锐利
整体对比度降低，细节减少
呈现典型的光学系统点扩散函数(PSF)效应
子图3 (右上)：CCD原始输出
数字化的12位灰度图像 (0-4095灰度级)
包含所有噪声效应：
暗电流噪声（均匀背景噪声）
读出噪声（随机高斯噪声）
固定模式噪声（像素间增益和偏置差异）
可能显示一些坏点（异常亮或暗的像素）
图像相对较暗，需要后续增强
子图4 (左下)：增强后图像
经过处理的图像，包含：
坏点校正（去除异常像素）
数字增益（1.5倍）和偏置调整（+100）
伽马校正（γ=2.2）
图像对比度增强
暗部细节提升
色彩映射更符合人眼感知
子图5 (中下)：点扩散函数 (PSF)
蓝色曲线，显示PSF的横截面
典型的Airy斑分布：
中心主瓣（最高峰）
旁瓣振荡（逐渐衰减的次级峰）
图形具有以下特征：
X轴：像素位置
Y轴：归一化强度
有网格线
主瓣宽度反映光学系统分辨率
子图6 (右下)：调制传递函数 (MTF)
红色曲线，显示MTF随空间频率的变化
典型的MTF曲线特征：
起始于1.0（归一化）
随频率增加而衰减
X轴限制在0-100线对/mm
曲线单调递减
反映光学系统和传感器的综合频率响应
第二部分：光纤传感器建模与信号处理
子图1 (左上)：强度调制特性曲线
坐标轴：
X轴：距离 (mm)，范围 0-2 mm
Y轴：归一化光强
曲线特征：
蓝色实线：理想响应曲线，呈现先上升后下降的双峰特性
红色点：带噪声测量数据，在理想曲线上方添加随机扰动
视觉效果：
曲线从原点开始上升，在约0.5-1.0mm处达到峰值
随后因几何损耗和菲涅尔反射呈指数衰减
红点随机分布在蓝线周围
子图2 (中上)：灵敏度曲线
坐标轴：
X轴：距离 (mm)，范围 0.01-2 mm
Y轴：灵敏度 (/mm)
曲线特征：
绿色实线：灵敏度随距离变化曲线
呈现双极性特征（正负值）
视觉效果：
在响应曲线的拐点处灵敏度最大
曲线在零点附近交叉
子图3 (右上)：马赫-曾德干涉仪输出
坐标轴：
X轴：时间 (s)，范围 0-1秒
Y轴：干涉信号强度
曲线特征：
蓝色实线：理想余弦干涉信号，频率100Hz
红色点：带噪声信号，添加高斯白噪声
视觉效果：
清晰的余弦波形，约100个完整周期
红点密集分布在蓝线周围形成"带状"
子图4 (左下)：锁相放大解调结果
坐标轴：
X轴：时间 (s)，范围 0-1秒
Y轴：解调相位 (rad)
曲线特征：
品红色实线：解调出的相位随时间变化
呈现线性斜坡（反映温度/应变引起的相位漂移）
视觉效果：
相位从初始值开始线性增加
可能叠加微小波动（来自噪声）
子图5 (中下)：光纤光栅反射谱
坐标轴：
X轴：波长 (nm)，范围 1549-1551 nm
Y轴：反射率 (0-1)
曲线特征：
蓝色实线：原始FBG反射谱（中心1550nm）
红色虚线：温度/应变作用后的偏移光谱
视觉效果：
典型的高斯型反射谱，半高宽约0.1-0.2nm
红虚线相对蓝实线向右偏移约0.1-0.2nm
峰值反射率接近1
子图6 (右下)：温度-应变交叉敏感
坐标轴：
X轴：应变 (με)，范围 -200 到 200 με
Y轴：温度 (°C)，范围 -20 到 80 °C
图形特征：
等高线图，20条等高线
色标显示波长漂移量 (nm)
视觉效果：
等高线呈对角线分布
显示温度与应变的耦合效应（交叉敏感）
右下角有色标，显示波长漂移范围约0-0.3nm
第三部分：综合应用 - 机器视觉测量系统
子图1 (左上)：CCD采集图像
显示内容：512×640像素的灰度图像
图像特征：
中心区域有一个明亮的矩形物体（模拟机械零件）
物体中心有一个圆形暗区（模拟孔洞）
表面有轻微噪声纹理
背景为暗灰色（接近0值）
对比度范围：0-4095（12位ADC）
视觉效果：类似工业相机拍摄的零件图像
子图2 (中上)：边缘检测结果
显示内容：二值边缘图像
图像特征：
白色边缘勾勒出物体轮廓
可能检测到4条主要直线边界
物体内部的圆形孔洞边缘可能可见
图像上有4条红色直线叠加（霍夫变换检测结果）
视觉效果：黑白二值图，红色直线覆盖
子图3 (右上)：结构光图案
显示内容：正弦条纹图案
图像特征：
垂直方向的余弦条纹
明暗相间的周期性图案
亮度范围：0-1（归一化）
条纹频率：10个周期跨越图像宽度
视觉效果：类似干涉条纹的灰度图案
子图4 (左下)：包裹相位分布
显示内容：相位编码的彩色图像
图像特征：
彩色编码的相位图（使用jet色图）
相位值范围：-π到π
中心区域有明显的相位变化（对应物体形状）
显示分辨率降低（256×320，因降采样）
视觉效果：彩虹色的相位分布图，有色带跳变
子图5 (中下)：三维重建表面
显示内容：3D曲面图
图像特征：
曲面显示物体的三维形状
中心有凹陷（模拟孔洞）
表面有轻微起伏（模拟粗糙度）
显示分辨率降低（128×160，因降采样）
使用jet色图表示高度
视觉效果：3D网格曲面，无边缘线，平滑着色
子图6 (右下)：测量重复性分析
显示内容：误差条形图
图像特征：
两个数据点：宽度和高度
蓝色误差条表示测量值的±重复性
红色虚线表示理论值（30mm和20mm）
X轴标签："宽度"和"高度"
Y轴标签："尺寸 (mm)"
网格线
图例："测量值±重复性"和"理论值"
视觉效果：标准的误差条形图，有参考线
1. CCD传感器的量子效率对系统性能有哪些影响？
量子效率（Quantum Efficiency, QE） 定义为CCD将入射光子转换为电子的效率。其对系统性能的影响包括：
1.1 直接影响指标：
· 信噪比（SNR）：QE越高，光电转换效率越高，信号越强，信噪比越好
SNR \propto \sqrt{QE \cdot N_{photon}}
· 灵敏度：高QE意味着对弱光更敏感，可降低照明功率要求
· 动态范围：高QE可提高信号电平，从而扩大动态范围
1.2 光谱响应特性：
· 光谱匹配：QE随波长变化，需与光源波长匹配
· 典型硅基CCD：峰值QE约60-90%（400-700nm）
· 红光（630nm）：QE通常为50-70%
· 红外/紫外响应：普通CCD对近红外敏感（可达1000nm），但需注意热噪声
1.3 系统设计影响：
· 曝光时间：QE高可缩短曝光时间，提高测量速度
· 照明要求：QE每提高10%，所需照明功率可降低约10%
· 光学系统f/#：高QE可允许使用更小的光圈（更大f/#），增加景深
1.4 实际应用考虑：
高QE优势： 低QE限制：
├─ 弱光环境下仍能工作 ├─ 需要更强照明
├─ 可提高测量速度 ├─ 可能产生更多热量
├─ 降低系统功耗 ├─ 限制动态范围
└─ 提高测量精度 └─ 信噪比受限
1.5 本系统（630nm红光）的具体影响：
· 如果选用标准硅CCD（QE≈60%@630nm）：
· 光电转换效率：约60%
· 10mW照明 → 有效信号功率：约6mW
· 可满足一般精度要求
· 如果选用背照式CCD（QE≈95%@630nm）：
· 信噪比可提高约√(95/60)≈1.26倍
· 测量精度可提高约20%
2. 如何解决光纤传感器的温度和应变交叉敏感问题？
光纤传感器中温度和应变都会引起光信号变化，产生交叉敏感。解决方案包括：
2.1 传感器结构设计方法：
方法 原理 优点 缺点
双参数传感器 使用FBG和FPI组合 同时测量T和ε 结构复杂
双波长法 不同波长对T和ε响应不同 简单有效 需要宽谱光源
双模光纤 LP₀₁和LP₁₁模对T/ε敏感性不同 单根光纤 模式稳定性差
参考光纤法 一根测应变，另一根只测温度 直接补偿 增加成本
2.2 信号处理与解调技术：
（1）矩阵解调法：
（2）温度补偿光纤光栅（FBG）：
· 封装补偿：采用负热膨胀材料封装
\alpha_{封装} = -\alpha_{光纤}
· 参考光栅法：自由状态FBG作温度参考
\Delta\lambda_{应变} = \Delta\lambda_{测量} - \Delta\lambda_{参考}
2.3 本系统可采用的实用方案
2.4 工程应用建议：
- 优先级顺序：
```
首选 → 双参数传感器（FBG+FPI）
次选 → 双波长解调法
备用 → 参考光纤法
- 温度范围考虑：
· 室温环境（0-40℃）：简单补偿即可
· 工业环境（-20~80℃）：需要主动补偿
· 恶劣环境（<-20或>80℃）：必须双参数测量
- 精度要求：
· 一般测量：±5με，±1℃
· 精密测量：±1με，±0.1℃（需高级补偿）
3. 在机器视觉系统中，如何选择合适的光源和照明方式？
3.1 选择流程框架：
检测需求分析 → 照明方式选择 → 光源类型选择 → 参数优化
3.2 关键因素分析表：
因素 考虑要点 对本系统的影响
检测特征 表面缺陷、尺寸、纹理 尺寸测量 → 需要均匀照明
物体特性 材质、颜色、反光性 金属零件 → 需避免镜面反射
测量精度 亚像素、微米级 10μm精度 → 需要稳定照明
环境条件 温度、振动、灰尘 工业环境 → 需防护设计
成本约束 预算、维护成本 经济型方案
3.3 照明方式选择指南：
照明方式 适用场景 优点 缺点 本系统建议
前向照明 表面特征明显 简单、均匀 有阴影 ✓ 推荐
背光照明 轮廓测量 高对比度 需透明或悬空 备用
同轴照明 镜面表面 无阴影 复杂、昂贵 考虑
结构光 3D测量 可测深度 需要解算 ✓ 已采用
多角度照明 复杂表面 减少阴影 系统复杂 可选
3.4 光源类型选择：
（1）LED光源（本系统推荐）：
· 优点：寿命长（>50,000h）、低热、可调光、响应快
· 红光（630nm）选择理由：
├─ 人眼相对不敏感 → 减少干扰
├─ CCD在红光区QE较高（50-70%）
├─ 穿透性较好（对油污不敏感）
└─ 成本较低
（2）卤素灯：
· 优点：亮度高、全光谱
· 缺点：发热大、寿命短（1,000-2,000h）
· 适用：需要白光或宽谱场合
（3）激光：
· 优点：单色性好、方向性强
· 缺点：散斑、安全要求高
· 适用：结构光投影、精确对准
3.5 本系统（机器视觉测量）的具体选择
3.6 实施方案：
一级照明（主照明）：
├─ 方式：环形LED前向照明
├─ 数量：8颗红光LED（630nm）
├─ 功率：每颗0.1W，总功率0.8W
├─ 角度：45°倾斜，减少镜面反射
└─ 控制：PWM调光，可适应不同表面
二级照明（辅助）：
├─ 方式：结构光投影（已实现）
├─ 光源：激光+光栅 或 DLP投影
└─ 作用：三维测量补充
3.7 验证与优化：
- 均匀性测试：使用标准白板，测量9点照度
均匀性 = \frac{I_{min}}{I_{max}} \times 100\% > 85\%
-
稳定性测试：1小时内照度变化 < ±2%
-
寿命评估：LED光源 > 50,000小时
-
维护策略：定期清洁、照度校准