第一章-光学测量的基础知识

作业在下面三张PPT中:P11P24P831.1光学测试技术的基础知识本次课程的内容:一、领域和特点二、技术现状三、方法的选择四、技术发展的方向参考书目范志刚,光电测试技术,电子工业出版社,2008苏大图，光学测试技术，北京理工大学出版社，1996杨国光，近代光学测试技术，浙江大学出版社，1997张琢，范志刚，激光干涉测试技术及应用，机械工业出版社，1998孙长库，叶声华，激光测量技术，天津大学出版社，2001殷纯永，现代干涉测量技术，天津大学出版社，1999汤顺青，色度学，北京理工大学出版社，1991一、领域和特点1.研究领域定义：光学测试技术－利用光学原理实现精密测量的技术。意义：是先进制造工业的核心技术近代光学测试技术－利用激光，计算机等光机电算一体化实现精密测量的技术。名词：分清二套四组名词1）计量（Metrology)－对物理量的标定，传递与控制，重点是确保精度。2）测量（Measurement)－获取物理量的方法，重点是获取方法。3)检验（Inspection)－产品质量的评估技术。4)测试（Measuring&Testing)－是指具有试验研究性质的测量，一般是测量与试验的总称，侧重于技术方法。是人们认识客观事物的方法。计量是实现单位统一、量值准确可靠的活动。或者说是以实现单位统一、量值准确可靠为目的的测量。当生产的发展和商品的交换变成社会性活动时，客观上就需要测量单位的统一,并要求在一定准确度内对同一物体在不同地点，用不同的测量手段，达到其测量结果一致。为此，就要求以法定的形式建立统一的单位制，建立计量基准、标准，并以这种计量基准、标准检定其他计量器具，保证量值准确可靠，从而形成了区别于测量的新概念——计量，也可以说，统一准确的测量就是计量。计量在历史上称之为“度量衡”。随着生产和科学技术的发展，现代计量已远远超出“度量衡”的范围。现有热学、力学、电磁学、无线电、时间频率、电离辐射、光学、声学、化学等计量专业，已形成了一门独立的学科──计量学。1）光学计量－对光学量的标定：光强、亮度、照度、光谱、色度等标定。2）光学测量－对光学参数的测量：D（通光口径）、f(焦距）、2W（视场）、MTF（像质）。3）光学检测－对光学元件及光学系统进行质量评估。4）光学测试－用光学方法进行精密测试。自70年代开始由于激光技术、光波导技术、数字技术、计算机技术以及傅里叶光学的出现，使光学发展成近代光学。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试技术。近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提出的高灵敏度、高效率、自动化的测试要求，实现了计量上的三维性、实时性和相关性。进入80年代，又提出了亚微米、纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学诊断等新技术。2技术特色利用光学进行精密测量，一直是计量测试技术领域中的主要方法。由于光学测试方法的非接触性，高灵敏度性和高精度性，而在近代科学研究，现代技术，工业生产，空间技术，国防技术中得到广泛应用，成为一种无法取代的技术。1）非接触性遥测，软表面（液面、高温表面）特种测量（深孔、微孔等）特别是激光技术，微电子技术与计算机技术的发展，使光学测试技术向近代光学测试技术方向发展。作业:简述光学测试技术的技术特色.4）三维性－全部信息。3）高精度：灵敏度：测量系统输出变化量与引起该变化量的输入量之比K=△y／△x亚波长:λ/2λ=0.5μm,灵敏度：0.25μm深亚波长：λ/10灵敏度0.05μm（50nm)2）高灵敏度：精度：反映测量结果与真值接近程度的量。超精度测量，精度±0.1μm因此．近代光学测试技术已成为当代先进技术的表征之一。随着二元光学及微光学的发展，光学系统向微型化、集成化、经济化方向发展。5）实时性•生产线控制•实时监测控制光电响应ps（皮秒）～fs（飞秒）快速响应二、技术现状目前随着激光器的出现和傅立叶光学的形成，特别是激光技术与微电子技术、计算机技术的结合，出现了光机电算一体化的近代光学测试技术。1、产业现状光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例，这是1990年日本公布的统计值。《日本公布近三年光学产业国内产值的调查结果》2、技术现状从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：1）从主观光学发展成为客观光学，也就是用光电探测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与测试效率；2）用激光这个单色性、方向性、相干性、稳定性都极好的光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光线用于各种光学测量上；3）从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。从功能上说，近代光学测试技术的现状主要有三点：1)从静态测量发展成为动态测量；2)从逐点测量发展成为全场测量；3)从低速度测量发展成快速的，具有存贮、记录功能的测量。三、方法的选择合理选择光学测试方法的五点原则：以测温度为例，若我们采用传感器测量，那么如何选择合适的传感器呢？温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器(见下表)。1)测定对象；2)测定范围；3)灵敏度或精度；4)经济性；5)测试环境。自动风扇转速控制将传感器的输出馈送给一个控制CUP散热风扇转速的脉冲宽度调制器(PWM)或DAC。这样可将CPU的温度保持在设计要求之内(见图3)。风扇转度控制在消费电子产品中正变得越来越重要。自动风扇转速控制实际上是使用一个本地数字输出温度传感器来检测CPU的实际管芯温度。作业:选择光学测试方法的基本原则有哪些,对照这些原则,对比衍射计量和全息计量.四、技术发展的方向工业生产的精密化、自动化和智能化，对光学测试技术提出了新要求，促使光学测试技术的近代发展走向如下几个方向：(1)亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展；(2)快速发展小型的、微型的非接触式光学传感器；(3)半导体激光器(LD)及其阵列，光开关，光滤波器，光电探测阵列等新器件将在过程控制，在线测量与控制上得到广泛应用；(4)微光学这类微结构系统将崭露头角；(8)以微细加工技术为基础的高精度、小尺寸、低成本的集成光学和其他微传感器将成为技术的主流方向；(5)快速、高效的3一D(三维)测量技术将取得突破；(6)发展带存贮功能的全场动态应变测量仪器；(7)发展闭环式光学测试技术，实现光学测量与光学控制的一体化；(9)发展光学诊断和光学无损检测技术。光开关1、液晶光开关液晶光开关是利用液晶材料的电光效应，偏振光经过未加电压的液晶后，其偏振态将发生90度改变，而经过施加了一定电压的液晶时，其偏振态将保持不变。液晶光开关一般由三部分组成，入射光首先进人偏振光分束器，被起偏后射入液晶，从液晶输出的光的偏振态取决于该液晶是否加电压，然后进人偏振光合束器。与那些有移动部分的光开关相比，液晶光开关具有几乎无限的使用寿命。液晶光开关还具有无偏振依赖性，驱动功率低等优点。在液晶光开关发展的初期有两个主要的制约因素，即切换速度和温度相关损耗。现在已有技术使铁电液晶光开关的切换时间达到1ms以下，其典型插入损耗也较低。2、声光光开关技术基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频率的声表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转，偏转角由声波的频率和入射光波长决定。声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便地用来制作端口数较少的光开关。声光光开关是利用介质的声光效应。3、Mach-Zehnder干涉仪型光开关通常在铌酸锂衬底上制作一对平行光波导，波导两端分别连接一个Y形分束器。向波导臂注入电流将改变光开关的折射率，使光程相应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。基本原理：优点：开关速度快，在微秒量级；缺点：消光比不够高。在介质材料（如玻璃或硅基片）先做上波导结构,然后,再在波导上蒸镀金属薄膜加热器。当电流通过加热器时,金属薄膜通电发热,改变了波导分支区域内的热量分布,导致其下面的波导的折射率发生变化,这样就可将光耦合从主波导引导至目的分支波导,从而实现光的开关动作。4、热光光开关基本类型：数字型光开关（DOS）和干涉型光开关(Interferometricswitches)。基本原理：微光学微光学（micro-optiCS）是微米尺度上的光学，其中包括微米尺度的光学表面微结构。微光学在日本称为微小光学。物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级，因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不够精确。微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的光学学科分支。闭环控制输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。为了实现闭环控制，必须对输出量进行测量，并将测量的结果反馈到输入端与输入量进行相减得到偏差，再由偏差产生直接控制作用去消除偏差。整个系统形成一个闭环。家用电冰箱温度控制系统：【视频】汽车空燃比闭环控制系统简介集成光学集成光学是研究媒质薄膜中的光学现象以及光学元件集成化的一门学科。传统的光学系统体积大、稳定性差、光束的对准和准直困难，不能适应光电子技术发展的需要。采用类似于半导体集成电路的方法，把光学元件以薄膜形式集成在同一衬底上的集成光路，是解决原有光学系统问题的一种途径。这样可有体积小、性能稳定可靠、效率高、功耗低、使用方便等优点。集成光学出现于1969年前后，从它的产生和发展过程中，贝尔实验室P·K·田等一批科学家起了重要作用。正从基础和开发研究进入工程应用阶段。集成光学integatedoptics研究集成光路特性和制造技术以及与微电子学相结合的学科。把光源、各种光学元件、耦合器和检测器等做成薄膜形式并组合在同一衬底上的微型光学回路称为集成光路。集成光路中现已制成的光学元件包括薄膜微型激光器、薄膜透镜、棱镜、薄膜型光学波导、耦合器、光开关、光学调制器、滤波器、光学双稳态器件、模-数转换器、存储器和检测器等。1.2光学测量中的常用光源1.2.1光源选择的基本要求和光源的分类1.对光源发光光谱特性的要求为适应各种科技工作的实际需要．设计并生产了各种不同光学性质和结构特点的光源。在具体的光电检测系统中，应按实际工作的要求选择光源，这些要求综合起来主要包括以下几个方面。除去那些直接检测规定光源或辐射源特性的光电检测系统外，总是要求光源特性满足检测的需要。按照检测任务的不同，要求的光谱范围亦不同，如可见光区、紫外光区或红外光区等。有时要求连续的光谱，有时又要求几个特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时给以满足。为增大光电检测系统的信号和信噪比，这里引入光源和光电探测器之间光谱匹配系数的概念，以此描述两光谱特性间的重合程度或一致性。光谱匹配系数α定义为：的相对值；时，光电探测器灵敏度波长的相对值；时，光源光谱辐射通量波长::SW与光源总通量的比值。信号配合工作时，产生的光是光源与探测器匹配系数供光电鼠标使用的对管一般的光电探测器都属于选择性探测器，比如光电导探测器，其光谱响应率：GhcqISp)()()(量子效率输出光电流::)(pI单色辐射功率:)(光电导探测器典型光谱曲线：益系数本征型光电导探测器增:G2.对光源发光强度的要求光电二极管光谱曲线（光伏探测器）：为确保光电检测系统的正常工作，通常对系统所采用的光源或辐射源的强度有一定的要求。光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常检测。因此，在系统设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光通量进行正确的估计，并按估计来选择光源。光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统、待测物或光电探测器等，同时也导致不必要的能源消耗而造成浪费。3.对光源稳定性的要求不同的光电检测系统对光源的稳定性有着不同的要求。脉冲量的检测，包括脉冲数、脉冲频率、脉冲持续时间等，这时对光源的稳定性要求可稍低些，只要确保不因光源被动产生伪脉冲和漏脉冲即可。3)当有更高要求时，可对发