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简介
这是一个关于光学测量技术与应用PPT，包括了基本概念、方法、应用领域和发展趋势，光学测量中的常用光源，光学测量中的常用光电探测器，光学测量系统中的噪声和常见处理电路，光学测量中常用调制方法与技术等内容，光学测量授课教师：刘宇联系电话：13966661581 Email： ahuliuyu@ahu.edu.cn 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）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 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。 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，欢迎点击下载光学测量技术与应用PPT。
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光学测量授课教师：刘宇联系电话：13966661581 Email： ahuliuyu@ahu.edu.cn 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）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 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。 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。 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 广义测量 心理健康测量，容貌测量等 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。 测试(Measuring and testing)：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。 测量不确定度(Uncertainty of Measurement)：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。 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。 1.1.2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 3.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。 4.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。 1.1.3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。 2.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。 3.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。 2.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。 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。 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。 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。 1.1.5发展趋势 1.技术特色 2.技术现状（光学测量技术学科的组成） 光学是这个基本体系中的原理基础，而精密机械、电子技术与计算机技术构成塔底三角形，是光学测量的支撑基础。技术现状（光学测量技术主要原理分类） 技术现状（光学测量系统的主要构成） 光学测量技术发展趋势（原理上）从主观光学发展成为客观光学，即用光电探测器取代人眼这个主观探测器，提高了测量精度与效率；用激光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；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。 3.技术发展方向亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法首先得到优先发展；利用新的物理学原理和光电子学原理而产生的新的光学测量方法将不断出现；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，小型的、微型的非接触式光学传感器以及微光学这类微结构系统将崭露头角；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； 3.技术发展方向快速、高效的3D测量技术将取得突破，成为带存贮功能的全场动态测量仪器；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；发展光学诊断和光学无损检测技术；生物科学研究中的光探测越来越收到世界科技工作者的共同关注。 1.2 光学测量中的常用光源 5.光源的种类 广义来说，任何发出光辐射的物体都可以叫作光辐射源。这里所指的光辐射包括紫外光、可见光和红外光的辐射。通常把发出可见光为主的物体叫作光源，而把发出非可见光为主的物体叫做辐射源。按照光辐射来源不同，通常将光源分成两大类：自然光源和人工光源。自然光源主要包括太阳、月亮、恒星和天空等。按其工作原理不同，人工光源大致可以分为热光源、气体放电光源、固体光源和激光光源。 1.2.2 热光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源叫做热光源。常用热光源中主要是黑体源和以炽热钨发光为基础的各种白炽灯。 1.黑体 在任意温度条件下，能全部吸收入射在其表面上的任意波长辐射的物体叫做绝对黑体，或简称黑体。自然界不存在具有绝对黑体性质的物质，但是，可以采用人工的方法制成十分接近黑体的模型。 2.白炽灯 1.2.3 气体放电光源 利用置于气体中的两个电极间放电发光构成了气体放电光源，这类光源又可分为开放式气体放电光源和封闭式电弧放电光源两种。 1.开放式气体放电光源 2.气体灯 激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。 （4）液体激光器 种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。 1.3 光学测量中的常用光电探测器光探测器：能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，由于电量是目前最方便和最精确的可测量，所以大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测。从这个意义讲，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。 1.3.1 常用光电探测器的分类 光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。 1.光电发射效应 在光照下，物体向表面的外空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体。 2.光电导效应 若光照射到某些半导体材料上时，透过表面到达材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子能量后，从原来束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流为增大，即半导体的电导增大，这种现象叫光电导效应。 3.光生伏特效应 如果说光电导现象是半导体材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。二、光热效应光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外光辐射的探测。因为温度升高是热积累作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。 1.3.2 光电探测器的主要特性参数 光电探测器种类繁多，如何判断光电探测器的优劣，以根据特定的要求恰当地选择探测器，就必须找出能反映光电探测器特性的参量。光电探测器的基本参量如下： 分别有积分（电流、电压）灵敏度、光谱灵敏度和频率灵敏度。 3.通量阈 和噪声等效功率NEP 4.归一化探测度 6.其他参数 在使用探测器时，还须注意其他一些参数，例如光敏面积、探测器电阻、电容等，特别是极限工作条件。正常使用时不允许超过规定的工作电压、电流、温度以及光照功率范围，否则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。 1.3.3 常用光电探测器的介绍一、光电倍增管 二、光电导器件 利用光电导效应原理而工作的探测器称为光电导探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无须形成p-n结，故又常称为无结光电探测器。这种器件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，器件电阻愈小，故又称为光敏电阻。 三、光伏探测器 P-N结受光照射时，即使没有外加偏压，P-N结自身也会产生一个开路电压—光生伏特效应。 ⑴.PIN硅光电二极管 ⑵.异质结光电二极管 ⑶.雪崩光电极管（APD) ⑷.位置敏感探测器(PSD ) ⑸.光电三极管 横向结构式的PSD (a)一维PSD (b)二维PSD 四象限光电二极管 四、CCD像传感器的工作原理 1.CCD线阵像传感器 2.面阵CCD像传感器 3.红外CCD 五、热电探测器 1.4 光学测量系统中的噪声和常见处理电路 1.4.1 光学测量系统中的噪声 测量系统的噪声可分为外部干扰噪声和内部噪声。来自系统外部噪声，就其产生原因可分为人为造成的和自然造成的干扰两类。人为造成的干扰噪声通常来自电器电子设备，如电磁干扰等。自然形成的干扰噪声主要来自大气和宇宙间的干扰，如大气折射率变化对激光测量的影响，自然光对光学测量的影响等。 系统内部的噪声就其产生的原因也可分为人为造成和固有噪声两类。内部人为产生的噪声主要是指50Hz干扰和寄生反馈造成的自激干扰等。这些干扰可以通过合理地设计或调整将其消除或降到允许的范围内。内部固有噪声是由于系统各元器件中带电微粒不规则运动的起伏所造成。 1.4.2 光学测量系统中的常用电路一、前置放大器 在光学测量系统中，由于工作所选的光电或热电探测器不同，要求不同，设计者的考虑方法不同，使前置放大器的电路型式差别很大，这里按一般原则介绍大致的步骤： 二、选频放大器 在检测系统中，为突出信号和抑制噪声，常采用选频放大器。将放大器的选放频率与光电信号的调制频率一致，同时限制带宽，使所选频率间隔外的噪声尽可能滤除，达到提高信噪比的目的。 三、敏检波器（相敏整流器、相敏解调器） 四、相位检测器（鉴相器） 五、鉴频器 在光学测量系统中，有时被测信息包含在调频波中，即以频率的高低来表征待测信号量。为解出待测信号，需采用实现调频波解调的鉴频器。六、脉冲宽度签别器七、积分微分运算器八、锁相环及锁相放大器 1.5光学测量中常用调制方法与技术 1.5.1 概述 为了对光信号的处理更加方便、可靠，并能获得更多的信息，常将直流信号转换为特定型式的交变信号，这一转换就叫作调制。 1.调制光信号的优点 ⑴.调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响。 ⑵.调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。 ⑶.调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计。 ⑷.调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了应用范围。 2.光电信号调制的途径 完整的光学测量过程都应包括光源发光、光束传播、光电转换和电信号处理等环节，这些环节中均可实施调制。调制方案应按需要和可能来确定。 ⑴.对光源发光进行调制 ⑵.对光电器件产生的光电流进行调制 ⑶.在光源与光电器件的途径中进行调制 这种调制方法在光学测量中应用最多，如机械调制法、干涉调制法、偏振面旋转调制法、双折射调制法和声光调制法等。具体选用哪一类调制方案，应按检测器的用途、所要求的灵敏度、调制频率以及所能提供光通量的强弱等具体条件来确定。 1.5.2 机械调制法 1.5.3 利用物理光学原理实现的光调制技术 在光学测量技术中，大量采用物理光学的原理进行调制，主要包括干涉原理、电光效应、磁光效应和声光效应等实现光调制的方法。 一、光调制的基本概念 将信号加载到激光辐射源上，使激光作为传递信息的工具。把欲传输的信息加载到激光福射的过程称为激光调制，把完成这一过程的装置称为激光调制器。激光起到携带低频信号的作用，所以称为载波，调制的激光称为已调制波或已调制光。 激光调制可分为内调制和外调制两类。内调制是指在激光振荡过程中加载调制信号，即以调制信号的规律去改变激光振荡的参数，从而改变激光的输出特性。半导体激光器一般是以注人调制电流的方式来实现内调制。外调制是指在激光形成以后，再用调制信号对激光进行调制，它不改变激光器的参数，而是改变已经输出的激光参数（如强度、频率、位相等）。 二、电光调制 三、声光调制四、磁光调制五、电源调制六、干涉调制 课程论文范围：光学测量方法在若干或特定领域的应用要求：参考文献需翔实丰富，反映此类光学测量方法的国内国际最新进展； 充分理解该光学测量方法的技术思想和应用所能达到的技术指标，并在论文中充分表述。 分析此测量方法的优点和缺点，并对其发展和应用领域的拓宽进行展望。考察形式：小组讨论并提交论文的形式，五人为上限。推选一人准备十分钟左右的PPT报告。时间节点：国庆节前提交项目选题和分组情况
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