光学测量

2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院1光学测量授课教师：刘宇联系电话：[phone]Email：[e-mail]《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院2参考书目《光学测量技术与应用》，冯其波等，2008，清华大学出版社《光电检测技术与应用》，郭培源、付扬，2006，北京航天航空大学出版社《光纤传感原理与应用技术》，赵勇等，2007，清华大学出版社《光电子技术》，明海，2002，电子工业出版社《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院3课程主要内容光学测量的基础知识光干涉技术激光全息测量与散斑测量技术激光衍射测量和莫尔条纹技术光学三维测量技术激光测速与测距技术光纤传感技术《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院4课程考核考核方式：考查总评成绩=课程小论文成绩×0.5+平时成绩×0.5平时成绩：考勤（包括点名、课堂表现）《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院5本章内容1.1基本概念、方法、应用领域和发展趋势1.2光学测量中的常用光源1.3光学测量中的常用光电探测器1.4光学测量系统中的噪声和常见处理电路1.5光学测量中常用调制方法与技术《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院6现在人一生下来，遇到的第一件事就是测量；测量也是人在一生中遇到最多的事情之一；科学是从测量开始的，没有测量就没有科学。科学技术重大发现与创新离不开测试与仪器。许多重要的发现都是通过测量而得到的。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院7没有测量，也没有生产，同时测量手段提高，生产质量也随着提高。现代战争中，先进的测控系统已成为精确打击武器装备的重要组成部分。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院8狭义测量尺寸测量一般尺寸的测量，大尺寸的测量，小尺寸和微纳尺寸的测量；高精度测量时间测量目前最精确的测量方法。重量测量速度测量等《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院9广义测量心理健康测量，容貌测量等《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院101.1基本概念、基本方法、应用领域及发展趋势1.1.1基本概念计量学(Metrology)：是指研究测量、保证测量统一和准确的科学；计量泛指对物理量的标定、传递与控制。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院11计量学研究的主要内容：计量单位及其基准，标准的建立、保存与使用，测量方法和计量器具，测量不确定度，观察者进行测量的能力以及计量法制与管理等，计量学也包括研究物理常数和物质标准，材料特性的准确测定。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院12《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院13《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院14《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院15《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院16《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院17测量(Measurement)：将被测值和一个作为测量单位的标准量进行比较，求其比值的过程。一个完整的测量过程包括四个测量要素：测量对象和被测量，测量单位和标准量，测量方法，测量的不确定度。检验(Inspection)：判断测量是否合格的过程，通常不一定要求具体数值。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院18测试(Measuringandtesting)：具有试验研究性质的测量，一般是测量、试验与检验的总称。测试是人们认识客观事物的方法。灵敏度(Sensitivity)：测量系统输出变化量与引起该变化量的输入变化量之比为静态灵敏度。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院19分辨率(ResolutionPower)：指测量系统能检测到的最小的输入增量。误差(Error)：就是测得值与被测量的真值之间的差。误差可以分为：系统误差、随机误差与粗大误差。精度(Accuracy)：反映测量结果与真值接近程度的量，在现代计量测试中，精度的概念逐步被测量的不确定度代替。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院20测量不确定度(UncertaintyofMeasurement)：表征合理赋予被测量的量值的分散性参数。主要包括：不确定度的A类评定：用对重复观察值的统计分析进行不确定度评定的方法；不确定度的B类评定：用不同于统计分析的其他方法进行不确定度评定的方法。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院21信息(Information)：一般可以理解为消息、情报或知识。例如：遗传密码是生物信息，商品报道是商品信息。从物理学观点出发来考虑，信息就是物质所固有的，是其客观存在或运动状态的特征。信息本身不是物质，不具有能量，但信息的传输却依靠物质和能量。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院22信号(Signals)：是信号本身在其传输的起点到终点的过程中所随带的信息的物理表现，是传递信息的载体。信号具有能量，它描述了物理量的变化过程，在数学上可以表示为一个或几个独立变量的函数。2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院231.1.2基本构成光学测量：通过各种光学测量原理实现对被测物体的测量。测试系统的一般构成1.传感器：用于从被测对象获取有用的信息，并将其转换为适合于测量的变量或信号。2.信号调理部分：对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换、放大、滤波、储存、重放和一些专门的信号处理《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院243.显示和记录部分：将调理和处理过的信号用便于人们观察和分析的介质和手段进行记录或显示。4.被测对象和观察者：也是测试系统的组成部分，它们同传感器、信号调理部分以及数据显示与记录部分一起构成了一个完整的测试系统。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院25光学系统的基本组成部分1.光源：在许多光学测量系统中需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源，以此发出的光束作为携带被测信息的物质。2.被测对象与被测量：被测对象主要是指具体要测量的物体或物质，被测量就是具体要测量的参数。3.光信号的形成与获得：实际上就是光学传感部分，主要是利用各种光学效应，如干涉、衍射、偏振、反射、吸收、折射等，使光束携带上被测对象的特征信息，形成可以测量的光信号。能否使光束准确地携带上所要测量的信息，是决定所设计测量系统成败的关键。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院264.光信号的转换：就是通过一定的途径获得原始的光信号。目前主要通过各种光电接收器件将光信号转换为电信号，也可采用信息光学或其它手段来获得光信号，并用光学或光子学方法对其进行直接处理。5.信号与信息处理：根据获得的信号的类型不同，信号或信息处理主要包括：模拟信号处理、数字信号处理、图象处理以及光信息处理。在以上的光学测量系统中，特别需要注意的是光信号的匹配处理。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院271.1.3主要应用范围1.辐射度量和光度量的测量光度学的量是以平均人眼视觉为基础的量，利用人眼的观测，通过对比的方法可以确定光度量的大小。至于辐射度量的测量，常利用照相底片感光法，根据感光底片的黑度来估计辐射量的大小。常用的这类仪器有：光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测温仪等。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院282.非光物理量的测量这类测量技术的核心是如何把非光物理量转换为光信号。主要方法有两种：⑴.通过一定手段将非光量转换为发光量，通过对发光量的光学测量，实现对非光物理量的检测。⑵.使光束通过被检测对象，让其携带待测物理量的信息，通过对带有待测信息的光信号进行测量，实现对待测非光物理量的检测。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院293.光电子器件、光学材料及光电子系统特性的测试光电子器件、光学材料和光电子系统不仅包括各种类型的光电探测器、各种光谱区中的光电成像器件、各种光学材料和各种光电成像系统。同时还包括近年来大量出现在光电子行业的各种器件和系统，主要是指的是应用光电子技术原理的元器件和利用这些光学元器件作为其主要部件的仪器与设备。对以上这些光电子器件、光学材料与光电子系统参数或性能的测试，往往需要使用光学测量方法。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院301.1.4基本方法：1.方法分类序号测量技术主要内容1激光干涉技术激光光束干涉，激光外差干涉，条纹扫描干涉，实时剪切干涉2光全息技术全息干涉，全息等高线技术，多频全息技术，计算机全息，实时全息技术3光散斑技术客观散斑法，散斑干涉法，散斑剪切法，白光散斑法，电子散斑法4莫尔技术莫尔条纹法，莫尔等高线法，拓扑技术5光衍射技术间隙法，反射衍射法，互补法，全场衍射测量6光扫描技术激光扫描，外差扫描，扫描定位，扫描频谱法，无定向扫描，三维扫描7光纤与波导技术功能型与非功能型光纤传感技术，分布式光纤技术，光纤灵巧结构8激光光谱技术激光喇曼光谱，激光荧光光谱，激光原子吸收光谱，微区光谱，光声光谱9CCD成像技术TV法，CCD法，PSD法，数字图像法，光信息处理法10激光多普勒技术多普勒测速，差动多普勒技术，激光多普勒技术11光学诊断与无损检测光伏效应，切剪术导法，光热偏转法，激光超声12光学纳米技术扫描激光显微术，光学隧道显微术，激光力显微术，原子力显微术《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院312.方法的选择合理选择光学测量方法主要依据以下五点来综合考虑：⑴.被测对象与被测量；⑵.测量范围；⑶.测量的灵敏度或精度；⑷.经济性；⑸.测量时的环境要求。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院32测量精度与测量灵敏度选择测量方法的另一主要原则是灵敏度和要求的精度。右图是主要光学测量方法在尺寸上能达到的分辨率。而精度一般来说是测量分辨率的1～3倍。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院33测量的经济性与环境要求测量方法的选择还要依据方法的经济性与使用时对环境的要求。下表大致列出主要光学测量方法的经济性和对环境的要求。经济性好，环境要求低经济性中等，环境要求一般经济性偏高，有环境要术衍射计量扫描计量散斑计量光纤计量莫尔与拓扑法图像计测法共路干涉计量全息计量光谱计量纳米计量《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院34以上选择的依据是初步的，测量方法的最终确定应有具体设计方案，综合考虑以上各方面的因素。测量方法的确定往往是测量是否取得成功的关键。《光学测量》第一章光学测量的基础知识2020/2/3安徽大学物理与材料科学学院351.1.5发展趋势1.技术特色序号主要特点应用场合1.液面测量2.柔性或弹性表面测量·3.高温表面测量4.远距离监测5.微深孔等特殊测量2高灵敏度1.测量精度10μm~0.0001μm3三