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光学测量

光学测量. 长春理工大学 付跃刚 fuyg@cust.edu.cn. THE OPTICAL MEASUREMENT. 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. 国际上的七种物理量的定义. 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 -4 nm ，相干长度 L=λ2/Δλ=0.78m; 氦氖激光器 λ=632.8nm ， Δλ=6×10 -9 nm,L=60km

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  1. 光学测量 长春理工大学 付跃刚 fuyg@cust.edu.cn THE OPTICAL MEASUREMENT

  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 2

  3. 国际上的七种物理量的定义 3

  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 lm 1lm=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）lx 1 lx=1 lm/m2单位面积上所接收的光通量大小 辐透（ph）1ph=1 lm/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 4

  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 5

  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g 6

  7. 例：空调机测量控制室温 室内空气 被测对象： 温度 被测物理量： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶 测量器具： 操作过程：  热敏电阻 空气  电信号  处理  显示 空调机 返回 7

  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。 8

  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。 9

  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。 10

  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 11

  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 12

  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 13

  14. 参考书 • D. Malacara, Ed. Optical Shop Testing • W. Smith Modern Optical Engineering • Kingslake, Thompson, Applied Optics and Optical Engineering, Vols. 1-11 • Shannon, and Wyant, Ed. B. K. Johnson Optics and Optical Instruments • D. Malacara, Ed. Optical Shop Metrology, SPIE Vol. MS18 • P. Hariharan and D. Malacara, Ed. Interference, Interferometry, and Interferometric • Metrology, SPIE Vol. MS110 • P. Hariharan, Ed. Selected Papers on Interferometry, SPIE Vol. MS28 • P. Hariharan Optical Interferometry, Second Edition • D. Malacara, M. Servin, and Interferogram Analysis for Optical Testing • Z. Malacara D. Malacara, Ed. Selected SPIE Papers on CD-ROM, Volume 3. • Optical Testing (568 papers) • D. O’Shea Optical Engineering • G. Boreman Applied Optics-Optical Technology • 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 14

  15. 先修课 • 应用光学 • 误差理论与数据处理 • 物理光学 • Optics 513 Optical Testing 亚利桑那研究生课程 15

  16. 光学测量 第一章 光学测量基础

  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。 17

  18. 第一节 测量误差与数据处理 • 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 18

  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。 19

  20. 按测量精度通常可分为： 第一节 测量误差与数据处理 • 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 20

  21. 第一节 测量误差与数据处理 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： • 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； • 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。 21

  22. 第一节 测量误差与数据处理 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 22

  23. 第一节 测量误差与数据处理 1．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 温度、湿度、光照，电磁场等 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 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） 23

  24. (1)数据分析法--- 观察 随测量次序变化 第一节 测量误差与数据处理 分类: • 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。 • 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 规律性变化(一致变大变小)一定存在着系统误差 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 24

  25. 第一节 测量误差与数据处理 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 (3)对比法 • 实验方法 • 仪器 • 改变测量条件 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 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 25

  26. 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 • 交换法----如为了消除天平不等臂而产生的系统误差 • 替代法----如用自组电桥测量电阻时 • 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； • 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 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!! 26

  27. 第一节 测量误差与数据处理 2．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  定义: 在相同的条件下，由于偶然的不确定的因素造成每一次测量值的无规则的涨落，测量值对真值的偏离时大时小、时正时负，这类误差称为偶然误差． 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，测量对象本身的不确定性(如气压小球直径或金属丝直径…)等． 特点：个体而言是不确定的; 但其总体服从一定的统计规律。 处理：可以用统计方法估算其对测量结果的影响（标准差），不可修正，但可减小之。（下面讲） 27

  28. f(δi)--- δi出现的概率 正态分布 均匀分布 三角分布 第一节 测量误差与数据处理 测量结果分布规律的估计—经验分布曲线 [ f(vi)---vi ] 测量列 xi ，n容量 对大量数据处理时，往往对δi取一个单位Δ δ(尽量小)，考虑δi落在第一个Δδ，第二个Δδ，第三个Δδ --的f(δi)，--〉经验分布曲线 28

  29. 大多数偶然误差服从正态分布(高斯分布)规律 正态分布规律: 第一节 测量误差与数据处理 特点： 1）有界性. 2）单峰性. 3）对称性. 4）抵偿性. 可以通过多次测量，利用其统计规律达到互相抵偿随机误差，找到真值的最佳近似值(又叫最佳估计值或最近真值)。 29

  30. 第一节 测量误差与数据处理 3．粗大误差 ：明显超出规定条件下预期的误差 来源：使用仪器的方法不正确，粗心大意读错、记错、算错数据或实验条件突变等原因造成的（坏值）。 处理：实验测量中要尽力避免过失错误； 在数据处理中要尽量剔除坏值。 测量中的异常值决不能不加分析地统统扔掉 -----很多惊世发现都是超出预期的结果！！！ 30

  31. 第一节 测量误差与数据处理 精确度：用于表述测量结果的好坏 1．精密度：表示测量结果中随机误差大小的程度。 即是指在规定条件下对被测量进行多次测量时，所得结果之间符合的程度，简称为精度。 2. 正确度：表示测量结果中系统误差大小的程度。 它反映了在规定条件下，测量结果中所有系统误差的综合。 3.准确度：表示测量结果与被测量的“真值”之间的一致程度。 它反映了测量结果中系统误差与随机误差的综合。又称精确度。 31

  32. 第一节 测量误差与数据处理 a)精密度低, 正确度高 (b)精密度高， 正确度低 (c)精密度、 正确度和准确度皆高 32

  33. 三、测量结果的不确定度 第一节 测量误差与数据处理 1．什么是不确定度 测量结果写成如下形式： y＝N±△N (1.1) 其中y代表待测物理量，N为该物理量的测量值， △ N是一个恒正的量，称为不确定度，代表测量值N不确定的程度，也是对测量误差的可能取值的测度，是对待测真值可能存在的范围的估计． 不确定度和误差是两个不同的概念:误差是指测量值与真值之差，一般情况下，由于真值未知，所以它是未知的．不确定度的大小可以按一定的方法计算(或估计)出来． 33

  34. 2．测量结果的含义 第一节 测量误差与数据处理 • 式 y＝N±△N的含义是: 待测物理量的真值有一定的概率落在上述范围内，或者说，上述范围以一定的概率包含真值．这里所说的“一定的概率”称为置信概率，而区间[N-ΔN，N+ΔN]则称为置信区间． • 在一定的测量条件下，置信概率与置信区间之间存在单一的对应关系：置信区间越大，置信概率越高，置信区间越小，置信概率越低．如果置信概率为100％，其对应的ΔN就称为极限不确定度，用e表示，这时式(1.1)写做 Y＝N±e 表示真值一定在[N- e，N+ e]中． 34

  35. 标准差 第一节 测量误差与数据处理 • 用标准差σ来表示ΔN，这时式(1．1)写做 Y＝N±σ． σ的大小标志着测量列的离散程度，置信概率为68.3％．其意义可表示为: 待测量落在[N-σ, N+σ]范围内的可能性为68.3％． • σ的大小是如何标志测量列的离散程度的? • 判断粗大误差的3σ原则(奈尔、格拉布斯等) • 要完整地表达一个物理量，应该有数值、单位和不确定度ΔN三个要素． 35

  36. 相对不确定度 第一节 测量误差与数据处理 • 为了比较两个以上测量结果精确度的高低，常常使用相对不确定度这一概念，其定义为 相对不确定度=不确定度/测量值 即ΔN／N． • 用米尺分别测量课桌长度(L=1210.5mm)和钢笔直径(d=10.1mm)，它们的测量极限不确定度均为e=1mm，比较以上两个测量结果精确度的高低 36

  37. 3．不确定度的估计方法 （1）直接测量中不确定度的估算 （a)多次测量：在相同条件下对一物理量X进行了n次独立的直接测量，所得n个测量值为x1，x2，…，xn，称其为测量列，标准不确定度参数：数学期望（算术平均值）和标准差 任一测量结果的误差落在[-σx，σx]范围内的概率为68.3%。 37

  38. 算术平均值的误差落在[ ]范围内的概率为68.3%。 随n的增大而减小，但当n大于10后，减小速度明显降低，通常取 5≤n≤10 算术平均值的标准不确定度 38

  39. 意义:真值a落在[ ]范围内的概率为68.3%。 （b)单次测量结果标准不确定度的估算： e为极限不确定度（仪器的最大读数误差） k为分布系数，对于正态分布，k=3,σ=e/3；对于均匀分布，k=√3,即σ= e/√3； 测量结果的表示: 39

  40. 例1用温度计对某个不变温度等精度测量数据如表，求测量结果。例1用温度计对某个不变温度等精度测量数据如表，求测量结果。 解: =530.0909 OC =530.1OC =0.6OC =0.5301 OC =0.1000017% =0.11% 40

  41. (2)间接测量结果不确定度的估计： 设间接测量N=f（x，y，z…） 量值： 标准不确定度： 41

  42. 相对不确定度： 测量结果的表示 计算顺序： 计算公式以加减运算为主，先算标准，再算相对不确定度； 计算公式以乘除或乘方运算为主，先算相对，再算标准不确 定度 42

  43. 函数表达式 方和根合成方式 算数合成方式 N=x ±y eN=ex+ey N=xy或N=x/y N=kx(k为常数) σN=|k|σx eN=|k|ex N=xk(k为常数) 不确定度常用公式 43

  44. = 例2测某立方体钢材的长宽高为 l, b, h如表，材料的密度p=7.86gcm-3 求其质量m。 =127.503013kg 解：m=plbh =0.02158 =0.00501mm2 44 =0.275157kg

  45. 位数无限多，如1/3，π等 位数有限，如0.333，3.14159等 有 效 数 字 及 其 运 算 四、有效数字 1.概念数字分类：完全准确数字；有效数字。 有效数字的构成(读取)：准确部分+一位非准确部分(误差所在位)。 (I)物体长度L估读为4.27cm或4.28cm (II)右端恰好与15cm刻度线对齐,准确数字为“15.0”，再加上估读数“0”，则物体长度L的有效数字应记为15.00cm 估计值，一般为最小分度值的1/10的整数倍 45

  46. 有效数字位数的特点： a.位数与仪器最小分度值有关，与被测量的大小也有关； 如用最小分度值0.01mm的千分尺测量的长度读数为 8.344mm，用最小分度值为0.02mm的游标卡尺来测量，其读数为 8.34mm。 b.位数与小数点的位置（单位）无关； 如重力加速度9.80m／s2，0.00980km／s2 或 980cm／s2, 9.80x103mm／s2都是三位有效数字 c.位数粗略反映测量的误差. 不要写成9800 mm/s2 位数越多，测量的相对误差就越小, 如8.344mm， 8.34mm的相对误差, 46

  47. 3.14159—> 3.21550—> 2.71729—> 6.37850l—> 4.51050—> 7.691499—> 拟舍的第一位数字为5，其后无数字或皆为0 2 有效数字的修约 原则：五下舍，五上入，整五凑偶。 保留末位为奇数, 加1，保留末位为偶数, 不变 如保留四位有效数字: 3.142 3.216 2.717 6.379 4.510 7.691 测量误差的有效位数：修约原则------只入不舍 相对不确定度-----两位，如E=0.0010023修约为0.11% 绝对不确定度-----一位，当为1或9时，可以保留两位。 如：0.00123写为0.0013，0.0962写为0.10。 47

  48. 3. 有效数字运算: 规则: 准确数字与准确数字的运算结果仍为准确数字，准确数字与非准确数字或非准确数字与非准确数字的运算结果为非准确数字。运算结果只保留一位非准确数字。 如674.6-21.3542的结果取为653.2 (1)加减法— 结果的非准确位与参与运算的所有数字中非准确位数值最大者相同 如23.4*26的结果取为6.1*102 (2)乘除法— 结果的位数与所有参与运算的数字中有效数字位数最少的相同 如23.42的结果取为548 (3)乘方开方— 结果的位数与相应的底数的位数相同 48

  49. (4)对数— 结果的位数与真数的位数相同 如 ln23.4的结果取为3.15 (5)三角函数 如sin(16O25’12’’)的结果取为0.282676 以上方法对少量数据运算可用, 运算过程中可多保留位数。对大量数据用统计方法处理. 49

  50. 4. 测量最终结果的有效数字： 结果的标准不确定度求出并修约后，测量量结果的最后位与标准不确定度对齐，测量量结果按四舍五入的原则修约。 如由公式求得的杨氏模量 Y=2.18264×1011(kg/m2)， 求得标准不确定度为 σY=0.0231864×1011(kg/m2)。 则根据上述规则，最终结果为 Y=(2.18±0.03)×1011(kg/m2) E=1.4% 50

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