【正文】 面介紹一種近似三角波法實(shí)施細(xì)分。如圖 556所示為利用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)合成的近似三角形波 F(?) 圖 556 近似三角波的形成 ??? s inc o s)( ??F (556) 4. 調(diào)制信號(hào)細(xì)分法 前面介紹的方法都是非調(diào)制信號(hào)細(xì)分法。如圖 557所示為調(diào)制信號(hào)細(xì)分法的原理。把光柵莫爾條紋上取出的正弦信號(hào) u0sin?和余弦信號(hào)u0cos?分別引入乘法器 A和 B。再設(shè)法獲取一組輔助的調(diào)制正、余孩信號(hào) u1sinwt和 u1coswt，并把它們按圖示引入相應(yīng)的乘法器，乘法器輸出信號(hào) uA和 uB分別為 ?s inco s101 wtuuKu A ??co ss i n101 wtuuKu B ?將 uA和 uB經(jīng)加法器后，輸出信號(hào) u為 )s i n()s i nc oss i n( s i n1021???????wtKwtwtuuKKu式中： K1為乘法器的傳輸系數(shù)； K2為加法器的傳輸系數(shù)； w為調(diào)制輔助信號(hào)的圓頻率； ?為 取樣點(diǎn)莫爾條墳的相位角。 (557) (558) (559) 圖 557 調(diào)制信號(hào)細(xì)分法原理框圖 調(diào)相信號(hào)細(xì)分也是一種常用電子細(xì)分法，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是鑒相細(xì)分，下面介紹脈沖填補(bǔ)法的鑒相細(xì)分原理。相位計(jì)原理如圖 558所示。主要由鑒零器、整形器、 RS觸發(fā)器、時(shí)鐘發(fā)生器和計(jì)數(shù)器等組成。調(diào)相信號(hào) u與基準(zhǔn)信號(hào) uR經(jīng)鑒零器和整形器后形成方波信號(hào) u與 uR，兩者間相位差仍是 ?，如圖 559所示的波形。 圖 558 鑒相原理 圖 559 鑒相各環(huán)節(jié)波形 5. 鎖相細(xì)分法 細(xì)分技術(shù)中利用鎖相技術(shù)的原理如圖 560所示。其中關(guān)鍵是產(chǎn)生穩(wěn)定的倍頻信號(hào)輸出。動(dòng)光柵連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從變化的莫爾條紋中取出的光電信號(hào)頻率為 f，如要進(jìn)行 n倍細(xì)分則使倍頻振蕩器產(chǎn)生頻率為F＝ nf的信號(hào)輸出。采用鎖相技術(shù)，以確保 F跟蹤 f并始終是其 n倍。方法是將倍頻振蕩器輸出信號(hào)經(jīng) n分頻，再與光柵信號(hào)進(jìn)行相位比較。 圖 560 鎖相細(xì)分法框圖 1. 碼盤的工作原理 光學(xué)碼盤是光學(xué)軸角編碼器的角度基準(zhǔn)光學(xué)元件，是將轉(zhuǎn)角的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 (A／ D)的有效工具。按照代碼形成，編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩種。前述計(jì)量光柵是一種增量式的編碼器，沒(méi)有固定的零位。當(dāng)編碼器有絕對(duì)零位時(shí)，稱其為絕對(duì)式編碼器。光學(xué)碼盤是一種絕對(duì)式編碼器，按輸出代碼形式可以有二進(jìn)制、二 –十進(jìn)制和六 —十進(jìn)制等。以二進(jìn)制代碼為基礎(chǔ)進(jìn)行編碼的碼盤。用透光和不透光兩種狀態(tài)表示“ 1”和“ 0”。并以每個(gè)碼道代表二進(jìn)制的一位數(shù)，對(duì)應(yīng)在光學(xué)碼盤上是黑白相間的一個(gè)圓環(huán)。若干這樣的碼道就構(gòu)成按二進(jìn)制規(guī)律的碼盤圖案。如圖 561所示為一個(gè)五碼道組成的二進(jìn)制碼盤。圖 562所示為五位碼盤的編碼表和展開(kāi)圖。 圖 561 二進(jìn)制碼盤 光學(xué)碼盤及編碼 二進(jìn)制碼盤的碼道數(shù) n和碼道編碼容量 M之間的關(guān)系為 nM 2?其角度分辨率 ?與碼道數(shù) n之間的關(guān)系為 M?360?? (561) (560) 圖 562 五位二進(jìn)制碼盤編碼和展開(kāi)圖 二進(jìn)制碼盤中內(nèi)圈為高位碼，外圈為低位碼。 2. 格雷碼碼盤 循環(huán)碼的形式很多，有格雷碼、周期碼以及反射碼等。圖 563所示是一種典型的格雷碼圖案。它有五個(gè)碼道，其編碼表及展開(kāi)圖如圖 564所示。圖中以黑線代表“ 0”，而白線代表“ 1”。 循環(huán)碼的重要特點(diǎn)是： (1)代碼從任何數(shù)轉(zhuǎn)變到相鄰數(shù)時(shí)，各碼位中僅有一位發(fā)生變化； (2)循環(huán)碼每一個(gè)碼道的周期比普通二進(jìn)制碼盤增加了一倍。 圖 563 格雷碼碼盤 圖 564 格雷碼盤表和展開(kāi)圖 3. 格雷碼的計(jì)算 格雷碼與普通二進(jìn)制碼的關(guān)系如表 52所示。由表中可以看出：對(duì)高位來(lái)說(shuō)兩種碼的取值相同，而最低三位間的關(guān)系是： 433 RRC ??4322 RRRC ??? 43211 RRRRC ????式中 ?號(hào)表示不進(jìn)位的加法，在數(shù)字電路中也把它叫做“模＝和”。即： 0?0=0； 0?1=1； 1?0=1； 1?1=0。 (562) 4. 碼盤參數(shù)的選擇 碼盤的主要參數(shù)有：分辨率 ?、碼道位數(shù) n、黑白刻線總數(shù) M、刻線周期 ?、刻線寬度 b、最小內(nèi)圈直徑 ?min、刻線長(zhǎng)度 l和碼道間隔?R等。 由所要求的最小碼盤讀數(shù)來(lái)確定碼盤的分辨率 ?。按公式 (563)計(jì)算出黑白刻線總數(shù)，即編碼容量 M，按公式 (562)計(jì)算出碼道位數(shù)n。 碼道的刻線周期 ?是指每對(duì)黑白線段所對(duì)應(yīng)的中心角度，各碼道?值不同，對(duì)最低位碼道來(lái)說(shuō)，刻線的周期等于分辨率的二倍。 最小內(nèi)圈直徑 ?min是指最高位碼道刻劃的內(nèi)徑。該值取的大 對(duì)精度有利，但儀器體積、重量均增大；反之對(duì)體積、重量減小有利，但對(duì)精度不利，應(yīng)視具體要求而定。 劃線長(zhǎng)度 l是指刻線在直徑方向上的長(zhǎng)度。通常取 1—可。 碼道間隔 ?R通常取 (1—2)l，約 1—2mm即可。 刻線寬度 bi由碼道刻線半徑 Ri和刻線周期 ?i確定，注意 bi對(duì)應(yīng)的是 i碼道一個(gè)周期的線寬，可由下式給出 iii Rb ??式中 2/)1)(( m i n?????? iRlR i(563) 5. 光學(xué)編碼器 它是利用光學(xué)碼盤通過(guò)光學(xué)讀碼完成軸角到編碼電信號(hào)變換的儀器。它主要由光源、光學(xué)碼盤、狹縫、光電探測(cè)器及處理電路、軸系和一整套相應(yīng)的機(jī)械零件所組成。它的核心是光電讀碼系統(tǒng)，如圖 565所示為一個(gè)碼道的光電讀出系統(tǒng)。 圖 565 單碼道光電讀出系統(tǒng) 1. 角反射器 帶有協(xié)作目標(biāo)的主動(dòng)光電裝置，可大為增加探測(cè)目標(biāo)的作用距離，其中協(xié)作目標(biāo)可用角反射器或列陣充當(dāng)。角反射器的主要結(jié)構(gòu)有以下幾種，如圖 566所示。 圖 566 三種角反射器的結(jié)構(gòu) 角反射器與極性分析器 角反射器原向反射回來(lái)的總輻射功率為 )(?? ee EA?式中： E為角反射器處入射光輻射的照度； Ae(?)為假設(shè)在理想反射面條件下，角反射器的有效孔徑面積； ?為相對(duì)于角反射器軸線的入射光束的入射角。 圖 567給出了上述角反射器的有效孔徑面積 Ae(?)隨 ?變化的曲線 ,有效孔徑面積 Ae(?)實(shí)際上表明了觀察角對(duì)于回反射通量的影響。在長(zhǎng)距離上觀察角反射器的強(qiáng)度與一些其它因素有關(guān)，但對(duì)于具有完全對(duì)準(zhǔn)反射面的單個(gè)角反射器，可采用以下近似公式 2)]([ 2?ee AEI ? （ W/sr） 式中： I為長(zhǎng)距離上觀察光束中心的 強(qiáng)度； Ee為在角反射器處的輻照度 (W／ m2)。 (564) (565) 圖 567 有效孔徑面積與 ?角的關(guān)系曲線 角反射器的主要參量有： (1)工作面積 (mm2)； (2)反射光的光束角寬度，簡(jiǎn)稱束寬； (3)比強(qiáng)度 ,即長(zhǎng)距離處單位立體角中的通量數(shù) (I)與角反射器處單位面積中的通量數(shù) (E)之比。 采用輻射度單位時(shí)有： 比強(qiáng)度 = )/()/(2mWEsrWIee 采用光度單位時(shí)有 ： 比強(qiáng)度 = )()()/)/(2 lxEcdImlmEsrlmIvvvv ?(4)比亮度。對(duì)于角反射器列陣來(lái)說(shuō)，更為關(guān)注的是單位目標(biāo)面積 A的性能效果，按如下定義表征 比輻亮度＝ Ie/（ EeA） 比亮度＝ Iv／ EvA (5)超出理想漫射表面的增益。 (6)超出理想的各向同性反射面的增益。 (566) (567) (568) (569) 表 53列出了幾種角反射器的特性參數(shù)。 2. 極性分析器 能夠確定某儀器的光軸是否對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并給出方位。極性分析器在某些使用場(chǎng)合有時(shí)叫做輻射通量分離器，下面介紹兩種用于瞄準(zhǔn)目標(biāo)軸線的通絲量分離器。圖 568所示為四面錐體通量分離器。圖 569所示為一種光纖通量分離器。 圖 568 四錐面輻射分離器 圖 569 光纖輻射分離器 四面錐體在自動(dòng)光電準(zhǔn)直類儀器中得到廣泛的應(yīng)用。圖 570所示是雙軸光電自準(zhǔn)直儀的原理裝置。調(diào)制光源中包括光源及調(diào)制部分，調(diào)制光束經(jīng)聚光鏡將光束會(huì)聚并照明四面錐截頂臺(tái)面，然后通過(guò)以臺(tái)面為焦面的物鏡后形成平行光射出，再經(jīng)與光軸垂直的平面反射鏡反射后返回到物鏡，由物鏡將光束成像在臺(tái)面附近，該像是四面錐截頂臺(tái)面的自準(zhǔn)直像，由于衍射等影響，其像將擴(kuò)展，如圖 571所示。 圖 570 雙軸光電自準(zhǔn)直儀的原理 圖 571 自準(zhǔn)直原理 控制信號(hào)的形成原理如圖 572所示。 圖 572 控制信號(hào)形成原理 在其它的自動(dòng)光電測(cè)量?jī)x器中，還用到與前述有所不同的通量分離器。如圖 573(a)所示的縫形棱鏡，就是用于自動(dòng)回轉(zhuǎn)自準(zhǔn)直儀中的核心部件，反射回的縫像為矩形。當(dāng)像產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖中 (b)所示為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，則在反時(shí)針探測(cè)器對(duì)上增加了通量。 圖 574所示用于三軸自動(dòng)光電準(zhǔn)直偏振儀中的十字縫形棱鏡，對(duì)應(yīng)分成的八個(gè)反射面各自配有 —套光電接收系統(tǒng)，以產(chǎn)生所需要的控制信號(hào)。 圖 574 縫形棱鏡自準(zhǔn)直原理 圖 575 三軸自動(dòng)光電準(zhǔn)直偏振儀 截頂四面錐體還應(yīng)用于光電自動(dòng)探針儀中，它是一種非接觸式的光電表面?zhèn)鞲衅?，用以測(cè)量物體表面微小的變化。其原理如圖 575所示。光電自動(dòng)探針的電路原理如圖 576所示。 圖 575 光電自動(dòng)探針的工作原理 圖 576 光電自動(dòng)探針的電路原理 ? 把紅外敏感元（響應(yīng)元）粘貼到透鏡上，形成光學(xué)接觸，借以提高室溫紅外探測(cè)器信噪比的光學(xué)工藝。浸沒(méi)后的探測(cè)器稱為浸沒(méi)型探測(cè)器或浸沒(méi)器件；浸沒(méi)用的光學(xué)透鏡稱為浸沒(méi)透鏡；浸沒(méi)用的粘合材料稱為浸沒(méi)介質(zhì)。浸沒(méi)透鏡通常用具有高折射率的透射材料鍺（其折射率為 4）制成。它的功能是擴(kuò)大探測(cè)器的視場(chǎng)角 ,提高入射輻射的能流密度，從而提高探測(cè)器的信噪比。浸沒(méi)透鏡的形狀可以取半球形，也可以取大于半球的超半球形。后者的集光效果更佳，無(wú)論浸沒(méi)透鏡做成何種形狀，探測(cè)器的紅外敏感元均粘貼在透鏡平面端的中央。浸沒(méi)介質(zhì)應(yīng)具有一定的折射率、良好的透射性和絕緣性。鍺透鏡通常選用折射率為 。由于硒砷鉈硫的折射率小于鍺的折射率，根據(jù)全反射原理可知，浸沒(méi)器件能夠接收到的輻射的最大入射角為 37176。 46′。熱敏電阻型紅外探測(cè)器和某些室溫光導(dǎo)型探測(cè)器常做成浸沒(méi)型探測(cè)器。浸沒(méi)透鏡兼起窗口的作用；浸沒(méi)型探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍受浸沒(méi)透鏡和浸沒(méi)介質(zhì)透射性質(zhì)的限制。浸沒(méi)器件的工作溫度受浸沒(méi)介質(zhì)的限制。如果不計(jì)透射損失，用鍺做浸沒(méi)透鏡的浸沒(méi)器件的信噪比是非浸沒(méi)器件的 4～ 16倍。 ? 論文 超半球型浸沒(méi)透鏡在指紋圖像采集中的應(yīng)用