光学测量技术与应用第5章
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第五章 距离测量
视距测量一、视线水平时
n D f
十字丝板上有两根视距丝，它 们在物镜光心处的张角φ基本 是不变的。两根视距丝在物方 象的间距与距离成正比 f n 所以 D = n ⋅ = = 100 n a tg (φ / 2 ) φ f ctg = = 100，所以 φ ≈ 3 4′ 2 a
32
一.视线水平时视距测量公式
13
精密量距
精度要求在1/10 000。 经纬仪定线(白铁皮桩、三角架） 量距使用经过检定的钢尺或因瓦尺，丈量 组5人，2人拉尺，2人读数，一人读温度和 记录数据。 丈量时后尺手用弹簧秤控制施加给钢尺的 拉力。30m钢尺，一般施加100N。 前后尺手应同时在钢尺上读数，估读到 0.5mm。
14
钢尺量距的成果整理
由于视线与水准尺不垂直
α
i
a´
a n´ n b´
S D
bl h
34
二、视线倾斜时
D′ = s ≠ c(a − b)
s = c(a ′ − b ′)
a´ ~a , b´ ~b ,n´~n
由于视线与水准尺不垂直
a´
a
α n
S
φ
i
n´ b b´
n′ n = cos α 2 2 n ′ = n cos α
27
§5-2 视距测量
28
视距测量
视距测量——利用测量望远镜的视距丝，间接测定
距离和高差的方法。 优点：测量速度快，不受地 形限制。 不足：精度低，距离相对误 差一般约为1/300，高 差一般为分米级。 用途：主要用于地形图测绘 (地形点的距离与高差)。
29
一.视线水平时视距测量公式
1.视距公式：
lt
16
光学工程技术手册
光学工程技术手册
光学是一门关于光的传输和控制的科学，它可以解释光的各种特性。
光学应用广泛于工业、医疗、航空、计算机技术等多个领域。
因此，
为了满足这些不同领域的需求，光学工程技术手册已经被广泛使用。
第一章：光学概述
本章将会介绍光学的基本原理，包括反射、折射和干涉等基础概念。
第二章：光学器件
本章将介绍各种常见的光学器件，如透镜、棱镜、反射镜等。
将会
介绍器件的优缺点、使用场合以及典型应用。
第三章：光学制造技术
本章将探讨各种常见的光学制造技术，如旋转反射、磨削和抛光等。
将会介绍技术的细节，包括材料种类、工具选择等。
第四章：光学测量技术
本章将会探讨各种常见的光学测量技术，如精密测量、分光测量和
散射测量等。
将会介绍技术的优点和缺点以及相应的使用场合。
第五章：光学应用
本章将会探讨光学在不同领域的应用，如医疗、通信、计算机技术
和工业生产等。
我们将会从实际应用角度来介绍光学技术在这些领域
中的作用。
第六章：光学工程案例分析
本章将会介绍一些实际的光学工程案例，从而帮助读者更好地理解光学技术在现实世界中的应用。
我们将会探讨这些案例的背景、技术方案和使用效果等方面。
光学工程技术手册是一个经过专业人员研发、编写和修改的集成化工具包，旨在提供全方位的光学工程服务。
我们希望这本手册能够帮助您更好地理解和应用光学技术。
第5章 测量误差的基本知识
第5章
1．观测误差
测量误差的基本知识
§5-1 概述
在各项测量工作中，对同一个量进行多次重复的观测 其结果是不一致的；对若干个量进行观测，如果知道 这几个量所构成的某个函数应等于某个理论值，而实 际上用观测值计算的函数值与理论值不相符（如三角 形的内角和）。这就是存在观测误差的原因。
2．产生观测误差的原因
例3：水平角观测限差的制定
水平角观测的精度与其误差的综合影响有关，对于 J6光学经纬仪来说，设计时考虑了有关误差的影响， 保证室外一测回的方向中误差为±6″。实际上，顾 及到仪器使用期间轴系的磨损及其它不利因素的影 响，设计精度一般小于±6″，新出厂的仪器，其野 外一测回的方向中误差小于±6″，在精度上有所富 裕。
Δ2 0 1 49 4 1 1 64 0 9 1 130
0 -4 +3 +2 -3 24
+1 +8 0 +3 -1 24
2
中误差Biblioteka m1 2 2 .7 n
m
2
n
3 .6
1 2
n
2.4
正态分布
1 f ( x) e 2 x 0 ( x )2 2 2
1 1
√2π m 1 √2π m 2
y = f (Δ )
f 1 (Δ ) f 2 (Δ )
若 0, 1 1 则f ( x) e 2
( x) 2
2
-
-m1
+m1 +
x =Δ
m2
m2
两组观测值中误差图形的比较：
m1=2.7 m2=3.6
m1较小, 误差分布比较集中，观测值精度较高； m2较大，误差分布比较离散，观测值精度较低。
1．观测误差
测量误差的基本知识
§5-1 概述
在各项测量工作中，对同一个量进行多次重复的观测 其结果是不一致的；对若干个量进行观测，如果知道 这几个量所构成的某个函数应等于某个理论值，而实 际上用观测值计算的函数值与理论值不相符（如三角 形的内角和）。这就是存在观测误差的原因。
2．产生观测误差的原因
例3：水平角观测限差的制定
水平角观测的精度与其误差的综合影响有关，对于 J6光学经纬仪来说，设计时考虑了有关误差的影响， 保证室外一测回的方向中误差为±6″。实际上，顾 及到仪器使用期间轴系的磨损及其它不利因素的影 响，设计精度一般小于±6″，新出厂的仪器，其野 外一测回的方向中误差小于±6″，在精度上有所富 裕。
Δ2 0 1 49 4 1 1 64 0 9 1 130
0 -4 +3 +2 -3 24
+1 +8 0 +3 -1 24
2
中误差Biblioteka m1 2 2 .7 n
m
2
n
3 .6
1 2
n
2.4
正态分布
1 f ( x) e 2 x 0 ( x )2 2 2
1 1
√2π m 1 √2π m 2
y = f (Δ )
f 1 (Δ ) f 2 (Δ )
若 0, 1 1 则f ( x) e 2
( x) 2
2
-
-m1
+m1 +
x =Δ
m2
m2
两组观测值中误差图形的比较：
m1=2.7 m2=3.6
m1较小, 误差分布比较集中，观测值精度较高； m2较大，误差分布比较离散，观测值精度较低。
光电检测技术(第五章 光电成像检测器件)
光电成像器件
1、图像的分割与扫描 图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能 输出一维时序信号。 分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像 素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传 感器用光敏单元分割。 扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像 管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。 具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电 荷包顺序转移出器件；CMOS图像传感器采用顺序开同行、 列开关的方式完成信号输出。
传送
同步扫描
视频解调
图像再现
显像部分
光电成像系统原理方框图
光电成像器件
在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜 成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光 电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图 像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件 决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电 势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在 二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应 关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的 大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素 数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强， 图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。
光 电 成 像 器 件 （ 成 像 原 理 ）
固体自扫描：CCD 红外变像管 变像管（完成 紫外变像管 图像光谱变换） X射线变像管 非 扫 描 型 串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极
像增强管（图像 强度的变换）
构子常 成透由 镜像 ＆敏 显面 像， 面电
光电成像器件
三、光电成像器件的基本特征 1、光谱响应 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的 光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。 外光电效应摄像管由光阴极材料决定； 内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件 由硅材料决定； 热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱 响应特性近似直线。
现代光学测试技术
一斐索共路干涉仪测试
二散射板分束器及散射板干涉仪
1 ．散射板分束器
散射板分束器是一块利用特种工艺制作的弱散射体会聚的入射光束经 这一散射板以后被一分为二：一部分光束直接透过散射板到达被测表面的 中心区域；另一部分光束经散射板后被散射到被测表面的全孔径如图 1－ 31 所示这两支光束均由被测表面反射后复经散射板第二次透射、散射后 产生干涉
支撑基础：
§2 方法的选择
面对一个计量测试任务首先碰到的问题是如 何合理而可靠地选择一种好的测试原理
合理选择光学测试方法的原则是根据五点：1 测定对象；2测定范围；3灵敏度或精度；4经 济性；5测试环境测定对象是指被测的类型例 如是测量长度还是测量角度是测量速度还是测 量位移；是测量温度还是测定温度变化不同测 定对象有完全不同的测试方法同样同一测定类 型但测定范围不同时也有不同的测试方法可供 选择
这种技术的一个共同点是在干涉仪的参考光路中引入具有 一定频率的副载波干涉后被测信号是通过这一副载波来传递 并被光电接收器接收从而使光电接收器后面的前置放大器可 以用一交流放大器代替常规的直流放大器以隔绝由于外界环 境干扰引起的直流电平漂移使仪器能在车间现场环境下稳定 工作
一、双频激光外差干涉仪图
1 -141 示出双频激光外差干涉仪的光学系统干涉仪的光源 为一双频 He-Ne 激光器这种激光器是在全内腔单频 He－Ne 激光器上加上约 300 特拉斯的轴向磁场由于塞曼效应和频率 牵引效应使该激光器输出一束有两个不同频率的左旋和右旋圆 偏振光它们频率
二、形成散斑必须具备的条件： 1 必须有能发生散射 光的粗糙表面为了使 散射光较均匀则粗糙 表面的深度必须大于波 长； 2 入射光线的相干度 要足够高例如使用激光当激光射到毛玻璃 上时因为符合以上两个条件所以在毛玻璃后面的
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽 达到脉宽的20％，则系统将不能工作。上述情形显然不适 合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100％；但是对 于 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20％的展宽为1300ps。
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功率
为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55μm的波长损耗比1.3μm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
第5章 误差基本知识
②仪器构造本身也有一定误差。
例如：
水准仪的视准轴与水准轴不平行，则测量结果中含有i 角 误差或交叉误差。
水准尺的分划不均匀，必然产生水准尺的分划误差。
3
2、人的原因
观测者感官鉴别能力有一定的局限性。观测者的习惯 因素、工作态度、技术熟练程度等也会给观测者成果带来 不同程度的影响。
3、外界条件
例如：外界环境如温度、湿度、风力、大气折光等因素 的变化，均使观测结果产生误差。 例如：温度变化使钢尺产生伸缩阳光曝晒使水准气泡偏 移，大气折光使望远镜的瞄准产生偏差，风力过大使仪器安置 不稳定等。 人、仪器和外界环境通常称为观测条件； 观测条件相同的各次观测称为等精度观测； 观测条件不相同的各次观测称为不等精度观测。
⑤ 随着 n 的增大，m 将趋近于σ 。
17
必须指出： 同精度观测值对应着同一个误差分布，即对应着同一个标 准差，而标准差的估计值即为中误差。 同精度观测值具有相同的中误差。 例3: 设对某个三角形用两种不同的精度分别对它进行了10次 观测，求得每次观测所得的三角形内角和的真误差为
第一组： +3″, -2″, -4″,+2″,0″,-4″,+3″, +2″, -3″, -1″； 第二组： 0″, -1″, -7″,+2″,+1″,+1″,- 8″, 0″, +3″, -1″.
2
n
lim
n
n
13
•
从5-3式可以看出正态分布具有前述的偶然误差特性。即:
1.f(△)是偶函数。即绝对值相等的正误差与负误差求得 的f(△)相等，所以曲线对称于纵轴。这就是偶然误差的第三 特性。 • 2.△愈小，f(△)愈大。当△=0时，f(△)有最大值; 反之， △愈大，f(△)愈小。当n→±∞时，f(△) →0,这就是偶然误 差的第一和第二特性。 • 3.如果求f(△)二阶导数并令其等于零，可以求得曲线拐 点横坐标： △拐=± • 如果求f(△)在区间± 的积分，则误差出现在区间内 的相对次数是某个定值 ，所以当 愈小时，曲线将愈陡峭， 即误差分布比较密集；当 愈大时，曲线将愈平缓，即误差 分布比较分散。由此可见，参数 的值表征了误差扩散的特 征。
例如：
水准仪的视准轴与水准轴不平行，则测量结果中含有i 角 误差或交叉误差。
水准尺的分划不均匀，必然产生水准尺的分划误差。
3
2、人的原因
观测者感官鉴别能力有一定的局限性。观测者的习惯 因素、工作态度、技术熟练程度等也会给观测者成果带来 不同程度的影响。
3、外界条件
例如：外界环境如温度、湿度、风力、大气折光等因素 的变化，均使观测结果产生误差。 例如：温度变化使钢尺产生伸缩阳光曝晒使水准气泡偏 移，大气折光使望远镜的瞄准产生偏差，风力过大使仪器安置 不稳定等。 人、仪器和外界环境通常称为观测条件； 观测条件相同的各次观测称为等精度观测； 观测条件不相同的各次观测称为不等精度观测。
⑤ 随着 n 的增大，m 将趋近于σ 。
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必须指出： 同精度观测值对应着同一个误差分布，即对应着同一个标 准差，而标准差的估计值即为中误差。 同精度观测值具有相同的中误差。 例3: 设对某个三角形用两种不同的精度分别对它进行了10次 观测，求得每次观测所得的三角形内角和的真误差为
第一组： +3″, -2″, -4″,+2″,0″,-4″,+3″, +2″, -3″, -1″； 第二组： 0″, -1″, -7″,+2″,+1″,+1″,- 8″, 0″, +3″, -1″.
2
n
lim
n
n
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•
从5-3式可以看出正态分布具有前述的偶然误差特性。即:
1.f(△)是偶函数。即绝对值相等的正误差与负误差求得 的f(△)相等，所以曲线对称于纵轴。这就是偶然误差的第三 特性。 • 2.△愈小，f(△)愈大。当△=0时，f(△)有最大值; 反之， △愈大，f(△)愈小。当n→±∞时，f(△) →0,这就是偶然误 差的第一和第二特性。 • 3.如果求f(△)二阶导数并令其等于零，可以求得曲线拐 点横坐标： △拐=± • 如果求f(△)在区间± 的积分，则误差出现在区间内 的相对次数是某个定值 ，所以当 愈小时，曲线将愈陡峭， 即误差分布比较密集；当 愈大时，曲线将愈平缓，即误差 分布比较分散。由此可见，参数 的值表征了误差扩散的特 征。
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第一章光学测量的基本知识。
光学测量系统的主要组成部分：常用光源、探测器与处理电路、调制方法等任一测量系统组成部分：（被测对象）传感器信号调理数据显示与记录（观察者）光学测量系统的基本组成部分: 光源、被测对象与被测量、光信号的形成与获得、光信号的转换、信号或信息处理光学测量的主要应用范围：辐射度量和光度量的测量非光物理量的测量光电子器件与材料及光电子系统特性的测试光学测量方法的优点:非接触性、高灵敏度、高精度光学测量技术主要特点:非接触性、高灵敏度、三维性、快速性与实时性技术现状（近代光学测量系统的主要特点）: 从主观光学发展为客观光学，用光电探测器取代，提高测量精度和与效率。
用激光光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光束。
从光机结合的模式向光机电一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。
发展方向： 1.亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法将优先得到发展，利用新的物理学原理和光电子学原理产生的光学测量方法将不断出现 2.以微细加工技术为基础的集成光学及其它微传感器将成为技术的主流方向 3.3D 测量技术取得突破，发展带存储功能的全场动态测量仪器4.发展闭环式光学测量技术，实现光学测量与控制的一体化5.发展光学诊断和光学无损检测，取代常规的无损检测方法光学测量方法分类：相位检测、时间探测、谱探测、衍射法、图像探测、各种物理效应方法选择依据：被测对象与被测量、测量范围、测量的灵敏度或精度、经济性、环境要求光源选择的基本要求：对光源发光光谱特性的要求对光源发光强度的要求对光源稳定性的要求光源的分类：按光辐射来源不同，分为自然光源和人工光源。
按工作原理不同，人工光源大致分为热光源，气体放电光源，固体光源和激光光源。
通常把能发出可见光的物体叫做光源，把能发出不可见光的物体叫做辐射源。
激光器：利用受激发射原理和激光腔的滤波效应。
主要特点: 有极小的光束发散角，方向性好和准直性好激光的单色性好，或者说相干性好功率密度很高分类：按工作物质的不同分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器半导体激光器优点：体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率光电探测器：把光辐射量转换为电量的光探测器。
第五章 测量技术基础
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§5. 2 计量器具与测量方法
(3)分辨力—计量器具指示装置所能显示的最末一位数所代表的
量值。对于读数采用非标尺或非分度盘显示的量仪(如数字式量仪)，
无法用分度值的概念，而称分辨力。例如，国产JC19型数显式万能 工具显微镜的分辨力为0. 5μm。
(4)测量范围—在允许的误差限度内计量器具所能测出的被测量
的块数分别为91, 83, 46, 12, 10, 8, 6,5等。 选用量块时，应从消去所需尺寸最小尾数开始，逐一选取。
例如从83块量块中选取51. 995mm的量块组的过程，如图53所示。
上一页 返 回
§5. 2 计量器具与测量方法
一、计量器具分类
计量器具是量具、量规、量仪和其他用于测量日的的测量装置的总称。
⑤光学机械式量仪光学计、测长仪、投影仪、干涉仪等; ⑥气动式量仪压力式、流量计式等;上一页 下一页源自§5. 2 计量器具与测量方法
⑦电动式量仪电接触式、电感式、电容式等;
⑧光电式量仪光电显微镜、光纤传感器、激光干涉仪等。 度量指标是选择和使用计量器具的重要依据，是表征测量仪器的
性能和功能的指标。基本度量指标主要有以下几项:
了将基准的量值传递到实体计量器具上，就需要有一个统一的量
值传递系统，即将米的定义长度一级一级地传递到生产中使用的 各种计量器具上，再用其测量工件尺寸，从而保证量值的准确一
致。我国长度量值传递系统由两个并行的传递系统组成，一个是
端面量具(量块)系统，一个是刻线量具(线纹尺)系统，如图5-1 所示。
上一页 下一页
以上测量方法分类是从不同角度考虑的。对于一个具体的测量过
程，可能兼有几种测量方法的特征。
上一页
返 回
§5. 2 计量器具与测量方法
(3)分辨力—计量器具指示装置所能显示的最末一位数所代表的
量值。对于读数采用非标尺或非分度盘显示的量仪(如数字式量仪)，
无法用分度值的概念，而称分辨力。例如，国产JC19型数显式万能 工具显微镜的分辨力为0. 5μm。
(4)测量范围—在允许的误差限度内计量器具所能测出的被测量
的块数分别为91, 83, 46, 12, 10, 8, 6,5等。 选用量块时，应从消去所需尺寸最小尾数开始，逐一选取。
例如从83块量块中选取51. 995mm的量块组的过程，如图53所示。
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§5. 2 计量器具与测量方法
一、计量器具分类
计量器具是量具、量规、量仪和其他用于测量日的的测量装置的总称。
⑤光学机械式量仪光学计、测长仪、投影仪、干涉仪等; ⑥气动式量仪压力式、流量计式等;上一页 下一页源自§5. 2 计量器具与测量方法
⑦电动式量仪电接触式、电感式、电容式等;
⑧光电式量仪光电显微镜、光纤传感器、激光干涉仪等。 度量指标是选择和使用计量器具的重要依据，是表征测量仪器的
性能和功能的指标。基本度量指标主要有以下几项:
了将基准的量值传递到实体计量器具上，就需要有一个统一的量
值传递系统，即将米的定义长度一级一级地传递到生产中使用的 各种计量器具上，再用其测量工件尺寸，从而保证量值的准确一
致。我国长度量值传递系统由两个并行的传递系统组成，一个是
端面量具(量块)系统，一个是刻线量具(线纹尺)系统，如图5-1 所示。
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以上测量方法分类是从不同角度考虑的。对于一个具体的测量过
程，可能兼有几种测量方法的特征。
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第五章水准测量
5.3.1 精密水准仪的构造特点
4.高灵敏的管水准器 高灵敏的管水准器 一般精密水准仪的管水准器的格值为10“/2mm。由于水准器的灵 敏度愈高，观测时要使水准器气泡迅速置中也就愈困难，为此，在 精密水准仪上必须有倾斜螺旋（又称微倾螺旋）的装置，借以可以 使视准轴与水准轴同时产生微量变化，从而使水准气泡较为容易地 精确置中以达到视准轴的精确整平。 5.高性能的补偿器装置 对于自动安平水准仪补偿元件的质量以及补偿器装置的精密度 都可以影响补偿器性能的可靠性。如果补偿器不能给出正确的补偿 量，或是补偿不足，或是补偿过量，都会影响精密水准测量观测成 果的精度。 我国水准仪系列按精度分类有S05型,S1型,S3型等。S是“水” 字的汉语拼音第一个字母,S后面的数字表示每公里往返平均高差的 偶然中误差的毫米数。 我国水准仪系列及基本技术参数列于下表。
在精密水准测量作业时， 水准标尺应竖立于特 在精密水准测量作业时， 制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。 尺垫和尺 制的具有一定重量的尺垫或尺桩上。 桩的形状如图所示。 桩的形状如图所示。 所示
5.3.2 精密水准测量的误差来源及影响
1. 仪器误差 1) i角的误差影响 角的误差影响
δs =
1 i（ S 前 − S 后）
∆ = f ⋅α = β ⋅ S
也就是说，若满足上式条件，即能达到水平视线自动补偿的目的。 也就是说，若满足上式条件，即能达到水平视线自动补偿的目的。这就是自动 安平的原理。 安平的原理。 应用自动安平水准仪进行水准测量的作业步骤同一般水准仪的作业相同。 应用自动安平水准仪进行水准测量的作业步骤同一般水准仪的作业相同。
如果我们认为在观测的较短时间段内，由于受温度的影响， 如果我们认为在观测的较短时间段内，由于受温度的影响，i 角与时间 成比例地均匀变化， 成比例地均匀变化，则可以采取改变观测程序的方法在一定程度上来消除 或削弱这种误差对观测高差的影响。 两相邻测站Ⅰ 或削弱这种误差对观测高差的影响。两相邻测站Ⅰ，Ⅱ对于基本分划如 按下列① 程序观测， 按下列①，②，③，④程序观测，即 在测站Ⅰ 在测站Ⅰ上：①后视 在测站Ⅱ 在测站Ⅱ上：③前视 ②前视 前视 ④后视 后视
山东理工大学电气与电子工程学院光电检测技术课件第五章
一个最佳厚度。
不透明阴极通常较厚， 光照射到阴极上，光电子从 同一面发射出来，所以不透 明光电阴极又称为反射型阴极
透射型阴极通常制作在透明介质 上，光通过透明介质后入射到光电阴 极上。
光电子则从光电阴极的另一边发 射出来，所以透射型阴极又称为半透 明光电阴极。
5.1.3. 常用光电阴极材料(正电子亲和势(PEA)类型材料)
为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各 倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。最普通的形式是 在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻， 使各电极之间获得一定的分压，如上图所示 。
§5.3 光电倍增管的主要特性参数
1．灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数
(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 透射型光谱响应: 300nm到1200nm， 反射型光谱响应: 300m到1100nm。
Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。
(2)单碱锑化合物(PEA) 以金属锑与碱金属如锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物， 都是 能形 成具有稳定光电发射的发射材料， CsSb最为常用，在紫外和可见光 区的灵敏度最高。
(1)光谱响应 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。 阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积， 而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。
(2)阴极灵敏度
阴极的光照灵敏度定义为光阴极产生的光电流与入射到它上面
的光通量之比，即 (3)阳极灵敏度
SK
=
IK Φ
阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时
光电管内可以抽成真空也可以充入低压惰 性气体的不同， 所以有真空型和充气型两种。
不透明阴极通常较厚， 光照射到阴极上，光电子从 同一面发射出来，所以不透 明光电阴极又称为反射型阴极
透射型阴极通常制作在透明介质 上，光通过透明介质后入射到光电阴 极上。
光电子则从光电阴极的另一边发 射出来，所以透射型阴极又称为半透 明光电阴极。
5.1.3. 常用光电阴极材料(正电子亲和势(PEA)类型材料)
为了使光电子能有效地被各倍增极电极收集并倍增，阴极与第一倍增极、各 倍增极之间以及末级倍增极与阳极之间都必须施加一定的电压。最普通的形式是 在阴极和阳极之间加上适当的高压，阴极接负，阳极接正，外部并接一系列电阻， 使各电极之间获得一定的分压，如上图所示 。
§5.3 光电倍增管的主要特性参数
1．灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数
(1)Ag-O-Cs具有良好的可见和近红外响应。 透射型光谱响应: 300nm到1200nm， 反射型光谱响应: 300m到1100nm。
Ag-O-Cs光电阴极主要应用于近红外探测。
(2)单碱锑化合物(PEA) 以金属锑与碱金属如锂、钠、钾、铯中的一种构成的化合物， 都是 能形 成具有稳定光电发射的发射材料， CsSb最为常用，在紫外和可见光 区的灵敏度最高。
(1)光谱响应 阴极的光谱灵敏度取决于光电阴极和窗口的材料性质。 阳极的光谱灵敏度等于阴极的光谱灵敏度与光电倍增管放大系数的乘积， 而其光谱响应曲线基本上与阴极的相同。
(2)阴极灵敏度
阴极的光照灵敏度定义为光阴极产生的光电流与入射到它上面
的光通量之比，即 (3)阳极灵敏度
SK
=
IK Φ
阳极光照灵敏度表示光电倍增管在接收分布温度为2856K的光辐射时
光电管内可以抽成真空也可以充入低压惰 性气体的不同， 所以有真空型和充气型两种。
光学成像技术的应用
光学成像技术的应用第一章：简介光学成像技术是一种非常基础但又非常重要的技术，它是基于光的传播和交互来进行信息传递、存储和加工的。
随着技术的不断进步，光学成像技术在各个领域的应用也越来越广泛，下面就对其应用进行分类介绍。
第二章：医学应用在医学领域中，光学成像技术被广泛应用于医学影像诊断、生命科学研究、临床探查等方面。
例如，光学检查仪、光学成像仪和光学生物显微镜等仪器都运用了光学成像技术。
其中，光学生物成像技术非常重要，可以实现对生物体内非侵入性的显微镜观察，有效地实现对生物体内的细胞活动、信号转导、结构形态等方面的观察。
第三章：工业应用在工业领域中，光学成像技术的应用也很广泛，特别是在质量检测和安全监测方面。
例如，热成像技术是利用红外线相机对物体进行热成像的技术。
它可以应用于工业生产的过程监控、产品质量检测、机器故障诊断等方面。
而在安全监测方面，可以通过样品表面的成像破坏、暴露和损坏情况来检测样品的质量和安全。
第四章：文化遗产保护在文化遗产保护领域，光学成像技术可以用于文物的复原、保护、修复和保存。
例如，采用多射束扫描电子显微术（SEM）等手段对文物的形态、纹路、色彩信息进行高精度测定，以此来指导文物的复制和修复工作。
同时，利用红外、紫外等特殊波长的光进行成像技术，可以有效地识别文物的病害和种类，进而进行针对性的保护处理。
第五章：环境监测在环境监测领域，光学成像技术可以用于监测和测量各种环境因素的变化，从而更好地了解环境变化的趋势和影响。
例如，红外相机可以检测污染源和土壤质量等影响因素，并对突发事件如洪水、干旱等进行预警，为政府和决策者提供可靠的科学依据。
此外，遥感成像技术也可以用于对气象、气候、地质、水文等多方面的环境监测。
第六章：结论总的来说，光学成像技术是一种非常有应用前途的技术，在医学、工业、文化遗产保护和环境监测等领域都有着广泛的应用。
同时也需要注意，随着互联网技术的快速发展，光学成像技术与大数据、人工智能、物联网等技术的结合，将会产生更大的价值和意义，为人类创造更美好的未来。
光学测量原理及技术
•迈克尔逊干涉仪、泰曼干涉仪、菲索干涉仪的特点；
泰曼：分振幅、分光路牛顿干涉仪，分光路容易受环境影响
菲索：分振幅、共光路牛顿干涉仪，可实现平面干涉、球面干涉等。共光路：可减小环境干扰。本质上为牛顿干涉原理。
•菲索平面干涉仪原理、构造、光路简图；
详见课本92、93页；
•菲索平面干涉仪的时间相干性、空间相干性；
•放大率法焦距测量计算；
见书33页
放大率法焦距测量中的注意事项
1.负透镜（测量显微镜工作距离大于负透镜焦距）
2.光源光谱组成（色差）
3.被测镜头像质
4.近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA
习题P39题4、6
第四章、准直与自准直技术
•准直、自准直的概念；
准直：获得平行光束。
自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上的方法。
•移相干涉术的特点；
有利于消除系统误差、减小随机的大气湍流、振动及漂流的影响，可适当放宽对干涉仪器的制造精度要求。
补充：
1、牛顿环判断曲率
单色光源：轻轻按压上面的零件。条纹扩散则凸，条纹收缩则凹。
白光光源：按压使两者紧密接触，中央暗斑、第一亮纹几乎为白色。其余亮纹内侧蓝色、外侧红色则为凸，反之为凹。
（清晰度）人眼调焦扩展不确定度：
（消视差法）人眼调焦扩展不确定度：
人眼摆动距离为b，所选对准扩展不确定度为δe，
•对准误差、调焦误差的表示方法；
对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示；
调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示
• 常用的对准方式；
• 光学系统在对准、调焦中的作用；
望远系统：对统提高对准和调焦对准度
泰曼：分振幅、分光路牛顿干涉仪，分光路容易受环境影响
菲索：分振幅、共光路牛顿干涉仪，可实现平面干涉、球面干涉等。共光路：可减小环境干扰。本质上为牛顿干涉原理。
•菲索平面干涉仪原理、构造、光路简图；
详见课本92、93页；
•菲索平面干涉仪的时间相干性、空间相干性；
•放大率法焦距测量计算；
见书33页
放大率法焦距测量中的注意事项
1.负透镜（测量显微镜工作距离大于负透镜焦距）
2.光源光谱组成（色差）
3.被测镜头像质
4.近轴焦距与全口径焦距（球差）、测量显微镜NA
习题P39题4、6
第四章、准直与自准直技术
•准直、自准直的概念；
准直：获得平行光束。
自准直：利用光学成像原理，使物和像都在同一个平面上的方法。
•移相干涉术的特点；
有利于消除系统误差、减小随机的大气湍流、振动及漂流的影响，可适当放宽对干涉仪器的制造精度要求。
补充：
1、牛顿环判断曲率
单色光源：轻轻按压上面的零件。条纹扩散则凸，条纹收缩则凹。
白光光源：按压使两者紧密接触，中央暗斑、第一亮纹几乎为白色。其余亮纹内侧蓝色、外侧红色则为凸，反之为凹。
（清晰度）人眼调焦扩展不确定度：
（消视差法）人眼调焦扩展不确定度：
人眼摆动距离为b，所选对准扩展不确定度为δe，
•对准误差、调焦误差的表示方法；
对准：人眼、望远系统用张角表示；显微系统用物方垂轴偏离量表示；
调焦：人眼、望远系统用视度表示；显微系统用目标与标志轴向间距表示
• 常用的对准方式；
• 光学系统在对准、调焦中的作用；
望远系统：对统提高对准和调焦对准度
第五章_光电测量仪器
第五章光电测量仪器在光谱测量过程中，获得光谱线的准确波长值是非常重要的环节，通过波长的测量可以获得原子和分子微观能级结构的信息，进而深入了解物质的结构。
此外，对光谱谱线的线形和线宽的测量可以给出原子分子间的微观相互作用机制和弛豫过程。
光谱仪和干涉仪就是可以测量谱线波长或波长间隔的仪器，本章将介绍它们在这方面的应用以及它们的核心器件，如光栅、棱镜和干涉仪。
在实验中只有正确使用和选择这类仪器和器件，合理地设计实验方案，才能获得正确的结果。
5.1 光谱仪光谱仪（spectrometer）是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器，例如棱镜光谱仪和用光栅制成的摄谱仪（spectrograph）和单色仪（monochromator）。
它们都是将入射到光谱仪输入狭缝上的光波，经过棱镜或光栅色散后，成像在输出狭缝附近的焦平面上，不同的波长在焦平面上对应于不同的位置。
图5.1为棱镜光谱仪和光栅光谱仪的示意图，在焦平面B处用感光板或光电探测器即可记录光谱。
光谱仪通常具有以下四个主要指标；（1）分辨本领（spectral resolving power）：指光谱仪能分开两条波长（波长差值为Δλ）相近的光谱线的能力，用λ／Δλ来表示，它与棱镜或光栅的色散性能以及成像的距离长短有关。
（2）光谱测量范围（spectral range）：需要区分两种光谱测量范围，一种是指光谱仪能工作的全部波长范围；另一种是指能单值地确定波长的范围，称为自由光谱区（free spectral range，简称为FRS）。
（3）集光率（light gathering power）：指光谱仪接收被测光源辐射通量的能力，它由光谱仪的最大收集角决定，相当于图5.1（a）棱镜光谱仪中的准直透镜L l的直径a和焦距f 的比值a／f，或图5.1（b）光栅光谱仪中M1准直反射镜的直径和焦距之比。
集光率也常被认为是光谱仪的“速率”。
（4）光谱透射率（spectral transmittance）T(λ)：反映了光谱仪对入射光信号的损耗程度，是入射光波长的函数，与光谱仪中各光学元件的性能，例如透镜或棱镜的透射率、反射镜和光栅的反射率以及光路有关。
光电测试技术-第5章-激光干涉测试技术(1／6)PPT课件
▪ 历史进程：
▪ 17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察 了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹（后被称作牛顿环）， 人类从此开始注意到了干涉现象。
▪ 1690年，惠更斯出版《论光》，提出“波动”说。
▪ 1704年，牛顿出版《光学》，提出了“微粒”说。
▪ 1801年，托马斯·杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双 缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。
➢ 当 Imin = 0时K＝1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K ＝0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。
➢ 对目视干涉仪可以认为：当K＞0.75时，对比度就算是好 的；而当K＞0.5时，可以算是满意的；当K＝0.1时，条 纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。
➢ 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。
为所有的运动粒子都具有相应的波长，为隧道显微镜、原 子力显微镜的诞生做了理论准备。
▪ 1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以 及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术 的发展进入了快速增长时期。
▪ 1982年，G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜， 1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、 亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。
2021/3/3
5
第5章 激光干涉测试技术
概述
▪ 特点： ➢ 具有更高的测试灵敏度和准确度； ➢ 绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件 带来表面损伤和附加误差； ➢ 较大的量程范围； ➢ 抗干扰能力强； ➢ 操作方便； ➢ 在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广 泛应用。
2021/3/3
第五章干涉测量技术
EPV Emax Emin
★ 均方根偏差 ERMS 指被测波面相对于参考波面的各 点偏差值的均方根值，可用下式表示：
E RMS 1 N 2 Ei N - 1 i 1
最大偏差 EMAX 指被测波面与参考波面的最大偏差值， 可用下式表示
E MAX 1 Emax Emin 2
求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统
波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉
场上指定点的干涉条纹的移动或光程差的变化量，进
而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。
分波面是从同一光源等位相面上分两光束产生干 涉(如：杨氏双缝干涉)；分振幅是利用分束镜的反射 和透射分出两光束产生干涉(等倾干涉和等厚干涉)。 光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
(3)、干涉条纹计数与判向
干涉仪在实际测量过程中，由于测量反射镜可能 需要正反两个方向运动，或由于外界振动、导轨误差 等干扰，使反射镜在正向移动中，偶尔有反向移动， 所以，干涉仪中需要设计判向电路，将计数脉冲分为 加和减两种，用可逆计数器进行可逆计算以获得真正 的脉冲数据。
图5-7 干涉条纹判向计数原理框图
分波面法
p 分振幅法
S *
·
p
S*
薄膜
图5-1 普通光源获得相干光的途径
泰曼干涉仪 分光路
斐索干涉仪 部分共光路
§5.1 干涉测量基础 §5.2 基本光学干涉仪 §5.3 光学零件面形误差测量与评价 §5.4 习题
§5.1 干涉测量基础
干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产 生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹 获取被测量的有关信息。
=
干涉图
§5.1.1 干涉条件及其测量保证
★ 均方根偏差 ERMS 指被测波面相对于参考波面的各 点偏差值的均方根值，可用下式表示：
E RMS 1 N 2 Ei N - 1 i 1
最大偏差 EMAX 指被测波面与参考波面的最大偏差值， 可用下式表示
E MAX 1 Emax Emin 2
求得试样表面微观几何形状、场密度分布和光学系统
波像差等，即所谓静态干涉；另一类是通过测量干涉
场上指定点的干涉条纹的移动或光程差的变化量，进
而求得试样的尺寸大小、位移量等，即所谓动态干涉。
分波面是从同一光源等位相面上分两光束产生干 涉(如：杨氏双缝干涉)；分振幅是利用分束镜的反射 和透射分出两光束产生干涉(等倾干涉和等厚干涉)。 光学测量常用的是分振幅式等厚测量技术。
(3)、干涉条纹计数与判向
干涉仪在实际测量过程中，由于测量反射镜可能 需要正反两个方向运动，或由于外界振动、导轨误差 等干扰，使反射镜在正向移动中，偶尔有反向移动， 所以，干涉仪中需要设计判向电路，将计数脉冲分为 加和减两种，用可逆计数器进行可逆计算以获得真正 的脉冲数据。
图5-7 干涉条纹判向计数原理框图
分波面法
p 分振幅法
S *
·
p
S*
薄膜
图5-1 普通光源获得相干光的途径
泰曼干涉仪 分光路
斐索干涉仪 部分共光路
§5.1 干涉测量基础 §5.2 基本光学干涉仪 §5.3 光学零件面形误差测量与评价 §5.4 习题
§5.1 干涉测量基础
干涉测量是基于光波叠加原理，在干涉场中产 生亮、暗交替的干涉条纹，通过分析处理干涉条纹 获取被测量的有关信息。
=
干涉图
§5.1.1 干涉条件及其测量保证
第五章 光电信号的检测方法
L= 2/•גN
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
第五章 距离测量
h S h h 1mm S
当S＝30m，h＝1m时，
S 30 h S h 1mm 30mm h 1
四、 温度误差(error of temperature)
①定义： 测距温度与标准温度不一致而产生的长度误差。 ②减消方法： 量取钢尺温度，进行温度修正。
五、拉力误差(error of tension)
二、 钢尺尺长误差(error of steel length)
①定义： 钢尺的名义长度与实际长度不符而产生的量距误差。 ②减消方法： 新尺、使用时间过长的旧尺或尺长方程式不确定的钢 尺，一律进行检定。
三、尺倾斜误差(error of steel slope)
①定义： 钢尺实际倾斜而认为是水平状态测距时而产生的长度 误差。 ②减消方法： 倾斜改正。 欲使倾斜误差
A
水平面 D
B
距离：就是指两点间的直线长度。 水平距离：指水平直线距离，是通过AB两点的铅垂线投影到 同一水平面上的线段长度。 如果测量的是斜距（不同高度上的两点之间的距离），还必 须将其换算为水平距离。
距离丈量的方法
电磁波测距 钢尺量距 视距法测距 卫星测距
一、地面点的标定
1、首先确定距离的起点和终点 2、标志的标注：混凝土标石和木桩 3、标志上竖立觇标（花杆或测钎）
（4）标杆：又称花杆，用
以标定点位或直线的方向， 由坚实不易弯曲的木杆制成， 也有用铝合金制成的金属标 杆。 （5）测钎：在测量距离过 程中，用以标志所量尺段的 起止点，计算整尺段数。 （6）弹簧秤和温度计
二、钢尺检定
（一）尺长方程式
名义长度：尺上所注的长度，例如“30m，20℃，10kg” 尺长改正数：实际长度（l）和名义长度（l）的差值。
当S＝30m，h＝1m时，
S 30 h S h 1mm 30mm h 1
四、 温度误差(error of temperature)
①定义： 测距温度与标准温度不一致而产生的长度误差。 ②减消方法： 量取钢尺温度，进行温度修正。
五、拉力误差(error of tension)
二、 钢尺尺长误差(error of steel length)
①定义： 钢尺的名义长度与实际长度不符而产生的量距误差。 ②减消方法： 新尺、使用时间过长的旧尺或尺长方程式不确定的钢 尺，一律进行检定。
三、尺倾斜误差(error of steel slope)
①定义： 钢尺实际倾斜而认为是水平状态测距时而产生的长度 误差。 ②减消方法： 倾斜改正。 欲使倾斜误差
A
水平面 D
B
距离：就是指两点间的直线长度。 水平距离：指水平直线距离，是通过AB两点的铅垂线投影到 同一水平面上的线段长度。 如果测量的是斜距（不同高度上的两点之间的距离），还必 须将其换算为水平距离。
距离丈量的方法
电磁波测距 钢尺量距 视距法测距 卫星测距
一、地面点的标定
1、首先确定距离的起点和终点 2、标志的标注：混凝土标石和木桩 3、标志上竖立觇标（花杆或测钎）
（4）标杆：又称花杆，用
以标定点位或直线的方向， 由坚实不易弯曲的木杆制成， 也有用铝合金制成的金属标 杆。 （5）测钎：在测量距离过 程中，用以标志所量尺段的 起止点，计算整尺段数。 （6）弹簧秤和温度计
二、钢尺检定
（一）尺长方程式
名义长度：尺上所注的长度，例如“30m，20℃，10kg” 尺长改正数：实际长度（l）和名义长度（l）的差值。
光电检测技术与应用 ppt课件
光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 光电管，摄像管，光电倍增管
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
ppt课件
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光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
ppt课件
11
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
Hale Waihona Puke 空调机ppt课件返回12
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
ppt课件
1
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
ppt课件
2
目录
第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
色敏传感器
固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）
位置检测用元件（PSD）
光电池
ppt课件
返回14
光电检测系统
光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件 为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发 射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。
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例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
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直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的
数值。例如：
– 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 – 电压：万用表 – 质量：天平
光电检测技术
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1
教材
《光电检测技术与应用》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社
参考书目
《光电检测技术》曾光宇等编著 清华大学出版社 《激光光电检测》吕海宝等编著 国防科技大学出版社 《光电检测技术》雷玉堂等编著 中国计量出版社
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第一章 绪论
第二章 2.1 2.2 2.3 2.4
10
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
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1.测量原理
(a)测量仪 (b) 探测的像 激光线光三角测量法
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 15
光通信工程研究中心
5.2.2 激光线光三维形状测量技术
2.基本公式(三角法测量)
(1) scheimpflug条件
tan tan
(2) 面形高度OH与偏移量△ 间的关系
缺点：测量速度慢、测量体积小、不能测
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
3
光通信工程研究中心
5.1.2 非接触测量法 ——光学三维测量技术
非接触式三维形状测量技术
微波技术 λ=3 ~ 30mm (10 ~ 100GHz)
光波技术 λ=0.5 ~ 1μm (300 ~ 600THz)
AC l 0 AC l 0 h BD d d AC
2013/5/16
(d AC)
25
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
光通信工程研究中心
5.3.2 相位测量技术
1.相位测量轮廓术(Phase-measurement profilometry, PMP)
⑴正弦光栅图形投影到物体表面时，被物体表 面高度调制后的光强可表示 ：
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
2
光通信工程研究中心
5.1 物体宏观三维形状测量技术概述
物体三维形状测量主要包括接触式和非接触式测量两大类
5.1.1 接触式测量
典型例子：三坐标测量机(CMM) 优点：灵活性强； 测量精度高且可靠； 高的智能化程度。 量软质物体、对环境要求较高。
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 26
光通信工程研究中心
以4次相移为例：
I ( x, y； j ) A( x, y ) B ( x, y ) cos[ ( x, y ) j ]
3 j＝4，相位移动的增量 j 分别为 0, , , 2 2
相应的四帧条纹图可以表示为：
T I (n) p n I (n 1) I (n)
T I ( m) q m I (m 1) I (m)
2013/5/16
c p I (i )(i p )
i p
q
I (i p)
i p
18
q
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
光通信工程研究中心
x' 1 2 b θ3
5
tan 2 tan 3
⑵待测表面与参考面的距离
a
4
x
ax sin 3 b sin 2 x sin( 2 3 )
'
'
θ2 x 参考面 3
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
14
光通信工程研究中心
5.2.2 激光线光三维形状测量技术
CD CD BD AC tan 0 P0 tan 0 e 2 2 e P0 tan 0
e 称为系统的有效波长，一个有效波长正好等
于引起2相位变化量的高度差。
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 24
光通信工程研究中心
对于发散的投影系统， 条纹的变形使物体表面D点与 参考平面的C点处于探测器的 同一像元上，而D点是由参考 平面上A点的投影光栅线所形 成的，相位的改变在参考平 面上对应于AC，而高度变化 BD由 P2 DI 2 和 ADC 相似求得
则
1 1 ab h
其中
确定 a 和 b，从偏移量△ 可计算出高度值 h
cos f sin a ,b 是系统常数 OI f (OI f ) sin
光学测量技术与应用－光学三维测量技术 17
2013/5/16
光通信工程研究中心
3.三维形状测量的信息处理
确定Gaussian光束中心位置 极值法、阈值法、重心法、 曲线拟合法等 阈值法与重心法相结合确定
6
光通信工程研究中心
3.光学三角法
以三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度 变化计算该点的深度。
基于三角测量原理的三维测量技术
基于结构光的主动三角法
被动三角法 数字摄影测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ术 双目视觉
点光源法 点照明 1-D线探测器 2-D扫描
线光源法 线照明 2-D探测器 1-D扫描
面结构光法 面照明 2-D探测器 不需要扫描
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
20
光通信工程研究中心
5.3 基于光栅投射的三维形状测量技术
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
光栅投射三维面形测量过程
21
光通信工程研究中心
正弦光栅图形被投影到参 考平面上时，其光强可表示：
I R ( x, y ) A( x, y ) B( x, y ) cos( 2x / P0 0 )
5.2.3 激光同步扫描三维形状测量技术
概念：激光同步扫描的 基本概念在于同步地扫 描投影光线和成像光轴。 优点：在获得大的测量 视场的同时，基本上不 降低距离的测量精度。 原理： 常用扫描器件：双面镜 扫描系统、多面棱锥镜
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 19
光通信工程研究中心
z ct / 2
结构简单，但对信号处理系统的时间分辨率有极高 的要求，测量精度低。
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 5
光通信工程研究中心
2.干涉法
测量精度高、但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表 面的形貌和微小位移，不适于宏观物体的检测。
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
⑵待测表面与参考面的距离
ax ' sin 3 cos θ1 x b sin( 1 2 ) x ' sin( 1 2 3 )
2013/5/16
O B A
x
参考面 3
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
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光通信工程研究中心
2.直射式三角法基本原理
⑴Scheimpflug条件
(OI f ) sin OH f sin sin cos
高度与偏移量成非线性关系
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 16
光通信工程研究中心
2.基本公式(三角法测量)
将上式改写为：
f sin 1 cos 1 h OI f (OI f ) sin
对于更普遍的N帧满周期等间距相移算法，采样次数
j为 为N，
j 2 N
，则
( x, y ) -arctan
设坐标原点O位于某一光 栅条纹上，该条纹的相位设为 零，则所有点的相位相对于O 点都有一个唯一确定的相位值。 如参考平面上一点C，成像于 探测器的An点，则
c 2n c'
2013/5/16
0 c' 2
n为整数
22
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
光通信工程研究中心
探测器上An点既可获得参考平面上C点的光栅条 纹，也可获得物体表面上D点的光栅条纹，但D点的 光栅条纹是沿着AD方向投射过来的，因此C和D间存 在着相位差，CD间的相位差可表示为：
1.测量系统构成：主要由三部分组成：投影系统、图像接收系统和 信息解调系统。
投影系统 图像接 收系统 信息解 调系统 数据 输出 待 测 表 面
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
10
光通信工程研究中心
5.1.3 主动宏观三维形状测量技术
2.三种基本结构照明方式
(a)点结构照明
(b)线结构照明
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
7
光通信工程研究中心
⑴被动三角法
不考虑测量系统的具体照明情况，一般采用自然光照明。 双目视觉——典型的被动三维测量技术。 常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合。
原理： 仿生 学
CCD1
CCD2
监 视 器
监 视 器
优缺点： 适应能 力强， 计算量 大，精 度低
超声波技术 λ=0.1 ~ 1mm (0.3 ~ 3MHz)
三角法 基于几何角度测 量的深度探测
干涉法 基于相干光的飞行时 间进行深度探测
飞行时间法 基于非相干光的飞行 时间调制的深度测量
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
4
光通信工程研究中心
1.飞行时间法
t0
z
被测物体
t0+Δt
8
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
光通信工程研究中心
⑵主动三角法分类
直接三角法
激光逐点扫描法 光切法 莫尔轮廓术
光栅投射法 相位测量轮廓术(PMP) 傅立叶变换轮廓术(FTP)
2013/5/16
光学测量技术与应用－光学三维测量技术
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光通信工程研究中心
5.1.3 主动宏观三维形状测量技术
(c)面结构照明
2013/5/16
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光通信工程研究中心
5.2 激光三角法测量物体三维形状
5.2.1 激光三角法的测量原理
'
x 1 2 4 b
5 θ3
A 1 2 θ1 a α 4 θ2
’
x' θ3 b
O’ 5
5 1 2
x' θ3 b 4 a θ1
(a)测量仪 (b) 探测的像 激光线光三角测量法
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 15
光通信工程研究中心
5.2.2 激光线光三维形状测量技术
2.基本公式(三角法测量)
(1) scheimpflug条件
tan tan
(2) 面形高度OH与偏移量△ 间的关系
缺点：测量速度慢、测量体积小、不能测
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5.1.2 非接触测量法 ——光学三维测量技术
非接触式三维形状测量技术
微波技术 λ=3 ~ 30mm (10 ~ 100GHz)
光波技术 λ=0.5 ~ 1μm (300 ~ 600THz)
AC l 0 AC l 0 h BD d d AC
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5.3.2 相位测量技术
1.相位测量轮廓术(Phase-measurement profilometry, PMP)
⑴正弦光栅图形投影到物体表面时，被物体表 面高度调制后的光强可表示 ：
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5.1 物体宏观三维形状测量技术概述
物体三维形状测量主要包括接触式和非接触式测量两大类
5.1.1 接触式测量
典型例子：三坐标测量机(CMM) 优点：灵活性强； 测量精度高且可靠； 高的智能化程度。 量软质物体、对环境要求较高。
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以4次相移为例：
I ( x, y； j ) A( x, y ) B ( x, y ) cos[ ( x, y ) j ]
3 j＝4，相位移动的增量 j 分别为 0, , , 2 2
相应的四帧条纹图可以表示为：
T I (n) p n I (n 1) I (n)
T I ( m) q m I (m 1) I (m)
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c p I (i )(i p )
i p
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I (i p)
i p
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x' 1 2 b θ3
5
tan 2 tan 3
⑵待测表面与参考面的距离
a
4
x
ax sin 3 b sin 2 x sin( 2 3 )
'
'
θ2 x 参考面 3
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5.2.2 激光线光三维形状测量技术
CD CD BD AC tan 0 P0 tan 0 e 2 2 e P0 tan 0
e 称为系统的有效波长，一个有效波长正好等
于引起2相位变化量的高度差。
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对于发散的投影系统， 条纹的变形使物体表面D点与 参考平面的C点处于探测器的 同一像元上，而D点是由参考 平面上A点的投影光栅线所形 成的，相位的改变在参考平 面上对应于AC，而高度变化 BD由 P2 DI 2 和 ADC 相似求得
则
1 1 ab h
其中
确定 a 和 b，从偏移量△ 可计算出高度值 h
cos f sin a ,b 是系统常数 OI f (OI f ) sin
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3.三维形状测量的信息处理
确定Gaussian光束中心位置 极值法、阈值法、重心法、 曲线拟合法等 阈值法与重心法相结合确定
6
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3.光学三角法
以三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度 变化计算该点的深度。
基于三角测量原理的三维测量技术
基于结构光的主动三角法
被动三角法 数字摄影测ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ术 双目视觉
点光源法 点照明 1-D线探测器 2-D扫描
线光源法 线照明 2-D探测器 1-D扫描
面结构光法 面照明 2-D探测器 不需要扫描
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5.3 基于光栅投射的三维形状测量技术
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光栅投射三维面形测量过程
21
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正弦光栅图形被投影到参 考平面上时，其光强可表示：
I R ( x, y ) A( x, y ) B( x, y ) cos( 2x / P0 0 )
5.2.3 激光同步扫描三维形状测量技术
概念：激光同步扫描的 基本概念在于同步地扫 描投影光线和成像光轴。 优点：在获得大的测量 视场的同时，基本上不 降低距离的测量精度。 原理： 常用扫描器件：双面镜 扫描系统、多面棱锥镜
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 19
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z ct / 2
结构简单，但对信号处理系统的时间分辨率有极高 的要求，测量精度低。
2013/5/16 光学测量技术与应用－光学三维测量技术 5
光通信工程研究中心
2.干涉法
测量精度高、但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表 面的形貌和微小位移，不适于宏观物体的检测。
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⑵待测表面与参考面的距离
ax ' sin 3 cos θ1 x b sin( 1 2 ) x ' sin( 1 2 3 )
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O B A
x
参考面 3
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2.直射式三角法基本原理
⑴Scheimpflug条件
(OI f ) sin OH f sin sin cos
高度与偏移量成非线性关系
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2.基本公式(三角法测量)
将上式改写为：
f sin 1 cos 1 h OI f (OI f ) sin
对于更普遍的N帧满周期等间距相移算法，采样次数
j为 为N，
j 2 N
，则
( x, y ) -arctan
设坐标原点O位于某一光 栅条纹上，该条纹的相位设为 零，则所有点的相位相对于O 点都有一个唯一确定的相位值。 如参考平面上一点C，成像于 探测器的An点，则
c 2n c'
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0 c' 2
n为整数
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探测器上An点既可获得参考平面上C点的光栅条 纹，也可获得物体表面上D点的光栅条纹，但D点的 光栅条纹是沿着AD方向投射过来的，因此C和D间存 在着相位差，CD间的相位差可表示为：
1.测量系统构成：主要由三部分组成：投影系统、图像接收系统和 信息解调系统。
投影系统 图像接 收系统 信息解 调系统 数据 输出 待 测 表 面
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5.1.3 主动宏观三维形状测量技术
2.三种基本结构照明方式
(a)点结构照明
(b)线结构照明
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⑴被动三角法
不考虑测量系统的具体照明情况，一般采用自然光照明。 双目视觉——典型的被动三维测量技术。 常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合。
原理： 仿生 学
CCD1
CCD2
监 视 器
监 视 器
优缺点： 适应能 力强， 计算量 大，精 度低
超声波技术 λ=0.1 ~ 1mm (0.3 ~ 3MHz)
三角法 基于几何角度测 量的深度探测
干涉法 基于相干光的飞行时 间进行深度探测
飞行时间法 基于非相干光的飞行 时间调制的深度测量
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1.飞行时间法
t0
z
被测物体
t0+Δt
8
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⑵主动三角法分类
直接三角法
激光逐点扫描法 光切法 莫尔轮廓术
光栅投射法 相位测量轮廓术(PMP) 傅立叶变换轮廓术(FTP)
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5.1.3 主动宏观三维形状测量技术
(c)面结构照明
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5.2 激光三角法测量物体三维形状
5.2.1 激光三角法的测量原理
'
x 1 2 4 b
5 θ3
A 1 2 θ1 a α 4 θ2
’
x' θ3 b
O’ 5
5 1 2
x' θ3 b 4 a θ1