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1、第一讲第一讲 绪论绪论一、课程简介一、课程简介1.1.课程性质课程性质 原理技术系统2.2.课程内容课程内容 绪论、工程光学基本概念、光源、探测器、干涉测量、衍射测量、典型测量系统、视觉测量、激光雷达、导航制导3.3.考核方式考核方式 平时（5%：作业、回答问题和出勤）、实验（15%）、考试（80%）1第一讲第一讲 绪论绪论二、主要参考资料二、主要参考资料 光电测试技术光电测试技术 张广军主编张广军主编 中国计量出版社中国计量出版社 20032003 光电测试技术与系统光电测试技术与系统 张广军主编张广军主编 北航出版社北航出版社 20102010 机器视觉机器视觉 张广军编著张广军编著 科学
2、出版社科学出版社 20052005 视觉测量视觉测量 张广军著张广军著 科学出版社科学出版社 200820082第一讲第一讲 绪论绪论三、光电测试技术概述三、光电测试技术概述1 1、所属学科领域、所属学科领域 11属精密测试技术领域，学科为属精密测试技术领域，学科为“仪器科学与技术仪器科学与技术”。 22“仪器科学与技术仪器科学与技术”分为两个二级学科：分为两个二级学科：精密仪器及机械精密仪器及机械 测试计量技术及仪器测试计量技术及仪器2 2、测试的地位或重要性、测试的地位或重要性 11与传感器（含探测器）紧密结合，是获得对客观世认识的最前端环节技术与传感器（含探测器）紧密结合，是获得对客观世
3、认识的最前端环节技术 22在每个领域均存在对测试的需求在每个领域均存在对测试的需求 33光电测试技术具有独特的优势，逐渐渗透到每个领域光电测试技术具有独特的优势，逐渐渗透到每个领域3 3、测试技术的分类：多种角度、测试技术的分类：多种角度 11测试性质：定性与定量；测试性质：定性与定量； 22实现途径：人工与自动；实现途径：人工与自动； 33工作模式工作模式: :静态与动态；静态与动态； 44工作场所：在线与离线；工作场所：在线与离线； 55速度：实时与非实时；速度：实时与非实时； 66工作关系：接触与非接触工作关系：接触与非接触 77实现机理：机械、光学、电、磁、声、化学实现机理：机械、光学
4、、电、磁、声、化学 34 4、光电测试技术的特点、光电测试技术的特点 11精度高；精度高； 22速度快；速度快； 33自动化程度高；自动化程度高； 44测量范围大；测量范围大；55测量距离远；测量距离远； 66非接触式；非接触式；77智能化水平高；智能化水平高；88适应对象类型宽适应对象类型宽 ？问题1：光电测试在物理本质上通过何种途径实现测量？ （通过改变光本身或传播的属性实现）5 5、光电测试技术的应用领域、光电测试技术的应用领域 11按照测试参数分领域按照测试参数分领域 几何量测试领域：长度、面积、体积、位移、角度、位置、姿态、形位公差几何量测试领域：长度、面积、体积、位移、角度、位置、
5、姿态、形位公差 物理量测试领域：速度、加速度；温度；压力；电压电流；波长、折射率；开关量物理量测试领域：速度、加速度；温度；压力；电压电流；波长、折射率；开关量 生化参数：血糖、人体体液成分、植物叶片成分、牛奶成分、浓度、细胞形态分析生化参数：血糖、人体体液成分、植物叶片成分、牛奶成分、浓度、细胞形态分析 22按照国民经济行业分领域按照国民经济行业分领域 工业：机械制造、电子、能源、食品、医药、建筑、汽车、飞机、铁路公路、船舶、航空航天、工业：机械制造、电子、能源、食品、医药、建筑、汽车、飞机、铁路公路、船舶、航空航天、 电力、服装、地质勘探、化工、影视传媒、电力、文物与考古电力、服装、地质勘
6、探、化工、影视传媒、电力、文物与考古 农业：植被探测与分析；农作物分类与生成监测；果品分拣及分类；植物蛋白分析农业：植被探测与分析；农作物分类与生成监测；果品分拣及分类；植物蛋白分析第一讲第一讲 绪论绪论4第一讲第一讲 绪论绪论 林业：森林火险灾监测、木材检测林业：森林火险灾监测、木材检测 医学：医学：CTCT、核磁共振、胃镜、胸透、肠镜、细胞形态检测、血管三维造影、血液分析、眼科手术、核磁共振、胃镜、胸透、肠镜、细胞形态检测、血管三维造影、血液分析、眼科手术 军事国防：导弹、战斗机、无人直升机、坦克、枪炮、军舰、卫星、雷达、预警、续航、侦察、边境军事国防：导弹、战斗机、无人直升机、坦克、枪炮
7、、军舰、卫星、雷达、预警、续航、侦察、边境 空间科学：月球探测、火星探测、载人航天、对地观测、空间站、空间目标监视空间科学：月球探测、火星探测、载人航天、对地观测、空间站、空间目标监视6 6、与测试有关的几个基本术语、与测试有关的几个基本术语 11计量：计量：metrologymetrology 对参量的标定、传递与控制，作为度量的基准或标准。对参量的标定、传递与控制，作为度量的基准或标准。 22测量：测量：measurementmeasurement 对各种参量的定量获取的过程或行为对各种参量的定量获取的过程或行为 33检测：检测：inspectioninspection 对被检测对象的质量
8、的评估技术和方法，既有定量也有定性对被检测对象的质量的评估技术和方法，既有定量也有定性 44测试：测试：measuring and testing measuring and testing 指测量、试验与检验的总称，测量方法与技术的探讨和研究；不是指对象的质量评估，及标定方法指测量、试验与检验的总称，测量方法与技术的探讨和研究；不是指对象的质量评估，及标定方法5第一讲第一讲 绪论绪论四、几何物理光学部分概念回顾四、几何物理光学部分概念回顾1 1、光的基本属性、光的基本属性 11光的本质是什么？如何证明？光的本质是什么？如何证明？ 本质是物质：光子与电子、质子、中子和本质是物质：光子与电子、质
9、子、中子和 原子等属同一个层次的物质形式原子等属同一个层次的物质形式 证明方法：光电效应中的光电子发射效应（又称外光电效应）证明方法：光电效应中的光电子发射效应（又称外光电效应） 22光的波粒二象性如何解释？何种性质更为本质？光的波粒二象性如何解释？何种性质更为本质？ 波动性：电磁波（更为本质）波动性：电磁波（更为本质） 粒子性：光子（动量）粒子性：光子（动量） 33描述光的基本参数描述光的基本参数 振动（时间）频率振动（时间）频率； 传播速度传播速度c c； 波长波长：又称光的空间周期，是光波在一个振动周期内传播的距离，：又称光的空间周期，是光波在一个振动周期内传播的距离，= c /= c
10、/； 时间周期：时间周期： T = 1 /T = 1 /； 空间频率：空间频率： F = 1/F = 1/; ; 时间角频率：时间角频率： = 2 = 2; ; 空间角频率空间角频率:|k:|k| = | = 2 2/ /6 ？问题2：光在介质中传播，传播速度为什么会发生变化，但振动频率不变？ （介质密度会影响光的传播速度。振动频率与振源的能级禁带宽度有关，与介质无关） 44几何光学与物理光学研究内容的划分依据是什么？几何光学与物理光学研究内容的划分依据是什么？ 几何光学研究光的宏观传播现象，及传播对成像的影响几何光学研究光的宏观传播现象，及传播对成像的影响 物理光学从光的波动性本质研究光的的
11、各种现象物理光学从光的波动性本质研究光的的各种现象 菲涅耳的直边衍射实验证明，菲涅耳的直边衍射实验证明，光的直线传播仅是光衍射的一种近似光的直线传播仅是光衍射的一种近似，因此所有几何光学的现象，因此所有几何光学的现象 都可以用波动观点做统一解释都可以用波动观点做统一解释2.2.几何光学基本概念几何光学基本概念 11基本实验定律？基本实验定律？ 光沿直线传播（前提是什么？）；光沿直线传播（前提是什么？）；独立传播（前提是什么？）；独立传播（前提是什么？）；反射、折射定律；反射、折射定律；光路可逆光路可逆 22光线与波面（基本的抽象元素，可不涉及光的波动本质）光线与波面（基本的抽象元素，可不涉及光
12、的波动本质） 光线：是具有方向带有能量的直线光线：是具有方向带有能量的直线 波面：光波相位相同的点构成的面，或者某一时刻波动传播到达的面波面：光波相位相同的点构成的面，或者某一时刻波动传播到达的面 第一讲第一讲 绪论绪论7 33成像的基本概念成像的基本概念 什么是完善成像？什么是完善成像？ 入射光束为同心光束时，出射光束也为同心光束。入射光束为同心光束时，出射光束也为同心光束。 无穷远轴上物点发出的光线有何特点？无穷远轴上物点发出的光线有何特点？ 都与光轴平行。都与光轴平行。 无穷远轴外物点发出的光线有何特点？无穷远轴外物点发出的光线有何特点？ 为平行光束，因而在像方焦平面汇聚于一点。为平行光
13、束，因而在像方焦平面汇聚于一点。 近轴光线成像有何特点？近轴光线成像有何特点？ 近轴光线成像的孔径角很小，因此轴上物点在近轴区均以近轴光线成像的孔径角很小，因此轴上物点在近轴区均以“细光束细光束”成完善像，称为成完善像，称为“高斯像高斯像”。 ？问题3：为何高斯像是完善的像？ （因为孔径角很小，入射和折射角也很小，所以角度正弦值用角度弧度值代替，表现为相同的物距像距均相同，为同心光束）第一讲第一讲 绪论绪论8 44基本光学元件基本光学元件 球面、非球面反镜球面、非球面反镜 ？问题4：非球面反射镜相较球面反射镜有什么特点，可以解决什么问题？ （部分地解决不完善成像问题） 平面反射镜成像的特点是什
14、么？在测量中应用举例？平面反射镜成像的特点是什么？在测量中应用举例？ 成完善的像成完善的像 小角度测量（误差放大问题；小角度测量（误差放大问题；LeicaLeica的激光跟踪仪）的激光跟踪仪） 平行平板成像有何特点？平行平板成像有何特点？ 光线的方向不变光线的方向不变 不对物体进行缩放不对物体进行缩放 镜头加滤光片对成像的影响？镜头加滤光片对成像的影响？ ？问题5：不影响成像，为什么？ （因为平行光束成像汇聚于一点） 第一讲第一讲 绪论绪论9 光阑：孔径光阑、视场光阑光阑：孔径光阑、视场光阑 何为入瞳、出瞳？何为入瞳、出瞳？ 孔径光阑分别在物方和像方所成的像孔径光阑分别在物方和像方所成的像 什
15、么是主光线？什么是主光线？ （必通过入瞳中心的光线）（必通过入瞳中心的光线） 典型光路典型光路 物方远心光路？物方远心光路？ 解决调焦不准，即被观测物体处于非设计位置时，成像不与分划板重合，解决调焦不准，即被观测物体处于非设计位置时，成像不与分划板重合，高度高度测量出现误差测量出现误差 孔径光阑移至像方焦平面处孔径光阑移至像方焦平面处，使调焦不准时，主光线重合，即轴外点的光束中心是重合的。因此，使调焦不准时，主光线重合，即轴外点的光束中心是重合的。因此，尽管像不重合，但弥散斑的中心距离不变。尽管像不重合，但弥散斑的中心距离不变。 特点是：特点是：入瞳处于无穷远入瞳处于无穷远，轴外点主光线平行于
16、光轴，轴外点主光线平行于光轴（为什么？），（为什么？），因此高度相同的轴外点的主光因此高度相同的轴外点的主光线重合。线重合。 像方远心光路？像方远心光路？ 与物方远心光路在结构上正好对称反过来，解决调焦不准时的与物方远心光路在结构上正好对称反过来，解决调焦不准时的测距误差测距误差（像与分划板不重合必然有（像与分划板不重合必然有误差）误差）第一讲第一讲 绪论绪论10 孔径光阑移至物方焦平面处孔径光阑移至物方焦平面处，这样出瞳位于无穷远处，轴外物点的主光线出射后均平行于主光轴，这样出瞳位于无穷远处，轴外物点的主光线出射后均平行于主光轴，因此，只要像的弥散斑中心对准了因此，只要像的弥散斑中心对准了M
17、1M1和和M2M2，即使像与分划板不重合，读数也没有误差。（但像的位置有，即使像与分划板不重合，读数也没有误差。（但像的位置有偏移）偏移） 望远镜（成像）的特点是什么？望远镜（成像）的特点是什么？ 物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合物镜的像方焦点与目镜的物方焦点重合 将无穷远处的物体成像到无穷远处将无穷远处的物体成像到无穷远处第一讲第一讲 绪论绪论11第一讲第一讲 绪论绪论3.3.物理光学基本概念物理光学基本概念 11干涉产生的条件？干涉产生的条件？ 频率相同；频率相同； 振动方向相同；振动方向相同； 相位差恒定；相位差恒定； 在观察时间内波动不间断在观察时间内波动不间断（问题6：为什么？）
18、(答：间断相当于电子的跃迁出现变化，即跃迁的能级发生变换，因此光振动频率可能发生变化) 两束光光强不能相差太大。（为什么？）两束光光强不能相差太大。（为什么？） 22干涉振动叠加的四种情况干涉振动叠加的四种情况 初相位和振动方向保持恒定，但振动方向正：干涉项为初相位和振动方向保持恒定，但振动方向正：干涉项为0 0； 初相位保持恒定，但振动方向随机变化：干涉项对时间平均值为初相位保持恒定，但振动方向随机变化：干涉项对时间平均值为0 0； 振振动动方方向向恒恒定定且且不不正正交交，初初相相位位为为时时间间的的函函数数，在在不不同同的的时时间间间间隔隔内内取取不不同同的的常常数数，则则初初相相位位差
19、差在不同时间间隔内也随机取值：干涉项平均值也为在不同时间间隔内也随机取值：干涉项平均值也为0 0； 稳稳定定的的平平均均振振动动方方向向，不不正正交交。无无限限长长时时间间内内初初相相位位保保持持恒恒定定或或初初相相位位虽虽是是时时间间的的函函数数，非非恒恒量量，但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定：出现稳定的干涉。但有相关性，使得初相位差对时间的平均值保持恒定：出现稳定的干涉。12第一讲第一讲 绪论绪论 33光程？光程？ 光在某介质中走过的路程为光在某介质中走过的路程为r r，其折射率为，其折射率为n n，在相同时间内光在真空中走过的路程叫做光程。，在相同时间内光在真空中走过的路程
20、叫做光程。 n=n=c/vc/v, t=, t=r/vr/v, , 光程光程 n*rn*r ？问题7：任意两列波在空间相遇，总会发生干涉？这个命题是否正确？为什么？ （答：总会干涉，仅现象是否明显而已。首先是叠加的独立性和叠加性。独立叠加是由于通常情况下波动方程为线性微分方程，而简谐波即为其一个解，两个独立简谐波的叠加必然是其解独立波叠加的数学含义。振动的瞬时值都在叠加，差别仅在于最后的平均值上。）问题8：上式在哪儿体现两列波的振动方向的关系？ （答：在E1*E2两个电场矢量的点积里体现）13第一讲第一讲 绪论绪论 44衍射产生的基本条件是什么？衍射产生的基本条件是什么？ （答：障碍物的线度与
21、波长大小可以比拟） （当当障障碍碍物物的的线线度度比比波波长长大大的的多多的的时时候候，若若光光源源离离障障碍碍物物足足够够远远，则则也也可可出出现现衍衍射射现现象象。请请思思考考可可能的解释？）能的解释？） 55什么是远场衍射？特点是什么？（距离远，平行光入射）什么是远场衍射？特点是什么？（距离远，平行光入射） 66干涉与衍射的区别与联系干涉与衍射的区别与联系 作用同时存在，干涉会受衍射作用的调制作用同时存在，干涉会受衍射作用的调制 都是波的相干叠加的结果：干涉是光束的叠加，衍射是次波的叠加都是波的相干叠加的结果：干涉是光束的叠加，衍射是次波的叠加 中心问题都是相位差中心问题都是相位差 77
22、偏振偏振 什么是偏振？什么是偏振？ 光矢量的振动方向与波的传播方向正交 为什么光波是横波？为什么光波是横波？ 偏振现象可证明光波是横波 14第一讲第一讲 绪论绪论 偏振的种类偏振的种类 线、圆、椭圆（线偏振光可看作两振动方向正交的波的叠加） 波片和偏振片的作用何区别？波片和偏振片的作用何区别？ 偏振片：选选择择自自然然光光中中的的某某一一束束线线偏偏振振光光，仅仅让让它它通通过过，而而阻阻止止其其它它的的线线偏偏振振光光束束通通过过（只只允允许许振动沿透振方向的光通过）振动沿透振方向的光通过） 波片：通过改变通过改变o o光和光和e e光的相位差，来改变入射光的偏振态光的相位差，来改变入射光的
23、偏振态 88旋光、磁光和电光效应旋光、磁光和电光效应 旋光：旋光：线偏振光入射到晶体后，出射光相较入射光的振动面发生了旋转线偏振光入射到晶体后，出射光相较入射光的振动面发生了旋转 （用途：可测定旋光性溶质的浓度） 磁光：磁光：线偏振光通过处于光传播方向的强磁场时，入射光的振动面会发生旋转线偏振光通过处于光传播方向的强磁场时，入射光的振动面会发生旋转 （用途：法拉第效应，测磁场强度） 电光：电光：在强电场作用下，各向同性的介质发生双这是现象，或者双折射性质发生变化在强电场作用下，各向同性的介质发生双这是现象，或者双折射性质发生变化 （用途？） 15第一讲第一讲 绪论绪论 99光的量子性光的量子性 光电效应光电效应 波、粒二象性如何联系在一起？波、粒二象性如何联系在一起？ 光电子动量：p = h/(波长) 动量、能量描述粒子性；波长、频率描述波动性16
