光学测量-长春理工大学

光学测量长春理工大学付跃刚[e-mail]2绪论一、测量的概念及方法将被测的物理量与一定的计量单位相比较求其比值的过程，或为确定被测对象的量值而进行的实验过程。１．物理量（１）基本物理量国际七种物理量单位工具精度国际我国时间秒铯原子钟1×10-131×10-12长度米激光波长1×10-91×10-8质量千克砝码1×10-81×10-8温度开（尔文）液态氢1×10-31×10-3电流安（培）标准电池1×10-71×10-6光强坎（德拉）标准光源3×10-33.3×10-3物质的量摩尔3国际上的七种物理量的定义量大陆地区单位名称台湾单位名称单位符号定义长度米公尺m光在真空中，1/299,792,458秒之时间间隔内所经过的路径长。质量千克公斤kg以铂铱合金制成、底面直径为39毫米、高为39毫米的国际千克原器（圆柱体）的质量定义为1千克。目前它保存在法国巴黎的国际计量局里。时间秒秒s铯-133原子基态的一特定辐射光波震动9,192,631,770次所需要的时间。电流安［培］安培A电流流过自由空间中两条相距1米，其截面积可忽略的细长直导线，若两导线间单位长度之互作用力大小为2x10-7N，此电流为标准的1安培。热力学温度开［尔文］克耳文K水三相点之热力学温度的1/273.16物质的量摩［尔］莫耳mol一系统物质的量，其系统所包含的基本单元数和0.012kg碳-12的原子数目相等。发光强度坎［德拉］燭光cd光源发出频率为540x1012Hz的单色辐射，在某给定方向上的发光强度，而此方向上每一个球面的辐射强度为1/683(w/sr.)4导出物理量时间：三十万年差一秒长度：氪86同位素波长λ=605.78nm，Δλ=4.7×10-4nm，相干长度L=λ2/Δλ=0.78m;氦氖激光器λ=632.8nm，Δλ=6×10-9nm,L=60km辅助物理量：平面角rad，球面角sr导出物理量国际200多种，我国120种.与光学测量有关的光学量导出单位：光通量流明lm1lm=1cd.sr辐射能中能引起人眼光刺激的那部分辐通量光照度勒（克斯）lx1lx=1lm/m2单位面积上所接收的光通量大小辐透（ph）1ph=1lm/cm2。计量单位：有明确定义和名称并命其数值为1的固定的量量值：数值和计量单位的乘积5测量方法例1买布被测物理量长度计量单位米测量工具尺例2检查体温被测物理量温度计量单位度测量工具体温计6测量方法按测量方式通常可分为：直接测量——由仪器直接读出测量结果的叫做直接测量如：用米尺测量课桌的长度，电压表测量电压等间接测量——由直接测量结果经过公式计算才能得出结果的叫做间接测量．如：测量单摆的振动周期T，用公式求得gglT/27例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测物理量：测量器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机返回8计量、测量、测试的区别计量：准确一致的测量国际标准——国家计量局——地区计量站——工厂计量室——车间检验组。测试：具有实验性质的测量。检测:对产品以及成型仪器的测量。9计量、测量、测试之间的关系具有共性,都是解决“量”的问题,均属于测量领域。测量是通过相互比较的一个实验过程,目的是确定其量值大小,单位可以任意选定;计量是通过建立基准、标准,进行量值传递,旨在实现统一、准确的测量,目的是为了统一量值,单位是法定的;测试是具有试验性质的测量,目的是通过多参量的试验来确定其物体的特性或条件的最佳状态,单位也可以是任选的。10计量、测量、测试之间的关系计量与测量的相互关系——测量是计量的依托,没有测量就谈不到计量;计量是使测量结果真正具有价值的基础,计量又促进了测量的发展。也可以说计量是测量的一种特殊形式,它保证测量统一和量值准确。计量与测试的相互关系——计量同样是使测试结果真正具有价值的基础。因为测试数据的准确可靠,必须以计量技术基础予以保证。同时,测试一般都是通过计量手段和应用计量科学原理进行的,而且对象都是“量”,所以测试又是保证量值统一的重要环节,是计量联系生产实际的重要途径,是计量领域进行探索的重要方面。测量与测试的相互关系——从本质上讲,两者是相同的,测试的实质就是测量,都是为了确定其量的数值。但测试又区别于测量,测量是一个实验过程,途径和方法一般都是已经确定的,其解决的问题是确定量值的大小;而测试则包含着试验过程,具有一定的探索性,它主要解决科研生产中的具体实际问题。计量、测量、测试三者也是可以转变的。当测量是为着实现统一,即旨在使量值溯源到标准、基准时,那这种测量就是计量;当测试已经具有了确定的方法和途径,那这种测试则已转变为测量了;当要求测试方法及量值进行统一并相应的建立了标准,那这种测试就已经转变为计量了。11光学测量定义：对光学材料、零件及系统的参数和性能的测量特点：理论和实践相结合，精度是主要矛盾应用理论：应用光学、物理光学、精度原理、精密机械、电子学等实践性强,设计、工艺（加工）、测量是生产的三大过程，测量是加工的极限学习方法复习好精度原理、应用光学、物理光学等课程理论联系实际，重视实验精度是光量的主要矛盾不但要学会测量原理和方法，更重要的是会精度分析，找出提高精度的途径。意义科研应用、生产应用12光学测量包含内容辐射度光度光谱光度色度激光参数光学材料参数光学薄膜参数光学元件、光学系统参数光纤和光通信参数光电探测器参数13主要讲解内容光学测量基础光学玻璃主要光学性能测量光学零部件的基本测量光学系统特性参数测量光学系统像质检验与评价14参考书D.Malacara,Ed.OpticalShopTestingW.SmithModernOpticalEngineeringKingslake,Thompson,AppliedOpticsandOpticalEngineering,Vols.1-11Shannon,andWyant,Ed.B.K.JohnsonOpticsandOpticalInstrumentsD.Malacara,Ed.OpticalShopMetrology,SPIEVol.MS18P.HariharanandD.Malacara,Ed.Interference,Interferometry,andInterferometricMetrology,SPIEVol.MS110P.Hariharan,Ed.SelectedPapersonInterferometry,SPIEVol.MS28P.HariharanOpticalInterferometry,SecondEditionD.Malacara,M.Servin,andInterferogramAnalysisforOpticalTestingZ.MalacaraD.Malacara,Ed.SelectedSPIEPapersonCD-ROM,Volume3.OpticalTesting(568papers)D.O’SheaOpticalEngineeringG.BoremanAppliedOptics-OpticalTechnology光电测试技术范志刚主编电子工业出版社光电测试技术蒲邵邦赵辉主编机械工业出版社光学测试技术沙定国主编北京理工大学出版社光学测量技术与应用冯其波主编清华大学出版社光学计量郑克哲主编原子能出版社15先修课应用光学误差理论与数据处理物理光学Optics513OpticalTesting亚利桑那研究生课程第一章光学测量基础光学测量17第一章光学测量基础第一节测量误差与数据处理1.真值和残差真值：被测量的真实值残差：测得值和算术平均值之间的差2.测量误差的原因和分类原因：装置、环境、人员、方法分类：系统误差、随机误差、粗大误差3.精度反映测量结果与真值接近程度的量。(1)正确度：由系统误差引起的测得值真值偏离(2)精密度：由偶然误差引起的测得值真值偏离。(3)准确度：由系统误差和偶然误差综合引起测得值和真值的偏离程度。18主要内容：基本概念——测量误差误差分类——偶然误差和系统误差误差计算——测量结果的不确定度数据格式——有效数字数据处理——用最二乘法作直线拟合第一节测量误差与数据处理19第一节测量误差与数据处理测量误差测量就是将待测量与选做标准单位的物理量进行比较，得到此物理量的测量值。测量值必须包括:数值和单位，如测量课桌的长度为1.2534m。20按测量精度通常可分为：等精度测量——对某一物理量进行多次重复测量，而且每次测量的条件都相同(同一测量者，同一组仪器，同一种实验方法，温度和湿度等环境也相同)。不等精度测量——在诸测量条件中，只要有一个发生了变化，所进行的测量。由于测量方法、测量环境、测量仪器和测量者的局限性——误差的不可避免性，待测物理量的真值同测量值之间总会存在某种差异，这种差异就称为测量误差，定义为测量误差（δ）=测量值（X）-真值（a)测量结果也应包含测量误差的说明及其优劣的评价Y=N±ΔN第一节测量误差与数据处理21真值就是与给定的特定量的定义相一致的量值。客观存在的、但不可测得的（测量的不完善造成）。可知的真值：a.理论真值----理论设计值、理论公式表达值等如三角形内角和180度；b.约定(实用)真值-----指定值,最佳值等，如阿伏加德罗常数,算术平均值当真值等。第一节测量误差与数据处理22二、偶然误差和系统误差误差分类按其性质和原因可分为三类:系统误差偶然误差(随机误差)粗大误差第一节测量误差与数据处理231．系统误差：在重复测量条件下对同一被测量进行无限多次测量结果的平均值减去真值来源：仪器、装置误差；测量环境误差；测量理论或方法误差；人员误差---生理或心理特点所造成的误差。标准器误差；仪器安装调整不妥,不水平、不垂直、偏心、零点不准等，如天平不等臂,分光计读数装置的偏心；附件如导线理论公式为近似或实验条件达不到理论公式所规定的要求温度、湿度、光照，电磁场等特点：同一被测量多次测量中，保持恒定或以可预知的方式变化（一经查明就应设法消除其影响）anx)(第一节测量误差与数据处理24分类:a.定值系统误差-----其大小和符号恒定不变。例如，千分尺没有零点修正，天平砝码的标称值不准确等。b.变值系统误差----呈现规律性变化。可能随时间,随位置变化。例如分光计刻度盘中心与望远镜转轴中心不重合，存在偏心差发现的方法(2)理论分析法---理论公式和仪器要求的使用条件规律性变化(一致变大变小)一定存在着系统误差(1)数据分析法---观察随测量次序变化xxxii第一节测量误差与数据处理25(3)对比法a.实验方法b.仪器c.改变测量条件处理:任何实验仪器、理论模型、实验条件，都不可能理想a.消除产生系统误差的根源(原因)b.选择适当的测量方法单摆g=(9.800±0.002)m/s2；自由落体g=(9.77±0.02)m/s2，其一存在系统误差如两个电表接入同一电路，对比两个表的读数，如其一是标准表，可得另一表的修正值。某些物理量的方向、参数的数值、甚至换人等第一节测量误差与数据处理261)交换法----如为了消除天平不等臂而产生的系统误差2)替代法----如用自组电桥测量电阻时3)抵消法----如测量杨氏模量实验中，取增重和减重时读数的平均值；各种消减系统误差的方法都具有较强的针对性，都是些经验型、具体的处理方法!!4)半周期法----如分光计的读数盘相对180°设置两个游标，任一位置用两个游标读数的平均值图中角度读数为：游标1读数:295+132'=29513′游标2读数:115+12'=11512′分光计读数方法示意图第一节测量误差与数据处理272．偶然误差（随机误差）：测量结果减去同一条件下对被测量进行无限多次测量结果的平均值来源：仪器性能和测量者感官分辨力的统计涨落，环境条件的微小波动