作者：范志刚,张旺,等
出版社：电子工业出版社
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光电测试技术(第3版)试读：
第3版前言
本书是《光电测试技术（第2版）》（2008年）的修订版。本书自第1版和第2版出版以来，受到高等院校师生和相关工程技术人员的欢迎，被多所院校的相关专业选为教材或参考书。这对编者来说是极大的鼓舞和鞭策，激励编者在教学、科研实践中不断总结经验，积累素材，以进一步补充和完善原书的内容和体系。
光电信息技术以不曾有过的速度快速发展，以大型宇航望远镜、点火工程等大科学工程为标志，涌现出大量的光学新技术、新产品、新设计手段、新测试设备，拓展了光电测试技术的内涵，因此，编者对《光电测试技术（第2版）》再次进行修订，主要修订内容有：（1）将光学系统的光度学测试内容整合到第2章，第4章仅介绍色度测试技术。（2）增加了第3章，介绍光学元件特性测试技术。增加了主要应用于大口径光学元件测试的子口径拼接测试技术和自由曲面测试技术，并对应用日益广泛的微透镜、自聚焦透镜分节介绍；（3）将原光纤测试技术整合为光纤传感技术，作为第8章的一节，增加了层析探测、激光共焦扫描显微技术两节，并对图像测试技术一节进行了修订，增加了激光雷达、波前编码成像、光场成像和关联成像（鬼成像）的内容。（4）在不同的章节中，补充了部分应用实例，尤其注意补充了关于数据处理的一些新方法，如2.1.3节中补充数字调焦技术内容等。
全书除
绪论
外共8章，绪论介绍了光电测试技术的发展历史、概况、特点，以及在光电测试技术中的数据处理方法；第1章介绍了光电测试技术中的光辐射体和光辐射探测器的基本性能和特点；第2章介绍了光学系统性能的测试技术；第3章介绍了光学元件特性的测试技术；第4章介绍了色度学的基本原理和色度测试技术；第5～7章介绍了激光测试技术，包括激光准直、测速、测距以及干涉、衍射测试技术；第8章介绍了技术成熟应用广泛的莫尔条纹、图像测试、光纤传感、层析探测、共焦扫描显微技术及纳米技术中的光电测试技术等。本书提供如此多内容的主要目的是拓宽学生视野，适应不同专业的需求。在教学过程中，不建议都讲，而是根据学时以及不同专业、学科的需要有所选择。
本书由范志刚、张旺、陈守谦、李洪玉共同修订，范志刚负责统编全稿。
为了方便教师使用和读者学习，本书提供配套电子课件，请登录华信教育资源网（http：//www.hxedu.com.cn）注册后免费下载。
在本书再版过程中，参阅了大量文献资料，在此向作者们表示感谢。上一版编者左宝君教授级高级工程师和张爱红教授对本书修订给予了全面指导，薛文慧硕士、解放硕士以及其他许多同志为本书的修订付出了辛勤劳动，在此表示感谢。同时感谢责任编辑凌毅和电子工业出版社的热情帮助。
由于水平所限，修订过程中仍然可能存在疏漏和错误，欢迎广大读者批评指正。
编者
2015年1月绪论
1.光电测试技术概述
人类利用自然界存在的光线进行计量与测试最早用于天文和地理领域。自从望远镜和显微镜出现以后，光学与精密机械结合，使许多传统的光学计量和测试仪器广泛应用于须计量和测试的很多领域。随着激光器的出现和傅里叶光学理论的形成，特别是激光技术、微电子技术和计算机技术的快速发展与结合，出现了光机电算一体化的光电测试技术。
如图0.1所示，一般的光电测试系统包括被测目标（某些情况需要照明系统）、光学信息获取系统、光信号探测系统和信息处理系统等几部分。其中，光学信息获取系统采用不同类型的光学系统实现将各种被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态等），光信号探测系统则采用不同的光电探测器实现光信号到电信号的转换，信息处理系统是从携带被测量信息的电信号中提取出被测量信息，可以用于存储、显示或驱动控制系统以实现闭环。需要特别指出的是，随着计算机软硬件技术的发展，信息处理系统变得愈来愈重要，甚至在其他系统性能没有明显提高的情况使测试准确度、系统适用范围等性能获得明显提高。图0.1 光电测试系统的构成
光电测试技术一直是计量测试技术领域中的主要方法，它具有如下特点。
① 高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度较高的技术。如采用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测量角度可达0.04″；激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达1m。
② 非接触。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，也无摩擦，避免对被测物的损伤和测量条件的破坏。
③ 高速度。光电测试技术以光波为测量载体，而光也是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的，在某些瞬态测量中甚至是唯一的测量手段。
④ 可遥测。光波是最便于远距离传输的介质，尤其适用于遥控和遥测，如卫星地面普查和详查、武器制导等。
⑤ 适应性强。光电测试技术以光为信息载体，抗电磁干扰、电绝缘、无腐蚀，特别适合高温高压、有毒等恶劣环境以及人员无法到达的现场测量。
⑥ 可实现三维场及相关性测量。在温度场、速度场、密度场等测量中具有巨大优势，具有很强的复杂信息的并行处理能力，便于信息的获取、存储和传输。
⑦ 应用广。在信息科学、生命科学、工农业生产和制造业、航空航天、国防军事以及科学研究和人们的日常生活等领域得到广泛应用。
由于光电测试方法具有上述特点，使其成为一种无法取代的测试技术，是当代先进技术之一。
光电测试技术的发展是随着其他相关技术的发展而发展的。自上个世纪开始，由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术等的发展，以及傅里叶光学理论、非线性光学理论、现代光学理论、二元光学和微光学理论等的出现和发展，光电测试技术无论从测试方法、原理、准确度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上述相关技术发展的综合体现，是现代科学技术和现代工农业生产快速发展的重要技术支撑和高新技术之一。
光电测试技术的发展，从原理上来看具有以下3个特点：
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，提高了测试准确度与测试效率；
② 用激光这个单色性、方向性、相干性和稳定性都远远优于传统光源的新光源，获得方向性和稳定性极好的实际光束，用于各种光电测试；
③ 从光机结合的模式向光机电算一体化的模式转换，充分利用计算机技术发展的优势，实现测量与控制的一体化。
光电测试技术的发展，从功能上来看具有以下3个特点：
① 从静态测量向动态测量发展；
② 从逐点测量向全场测量发展；
③ 从低速测量向高速测量发展。
上述特点决定了光电测试的数据量变得很大，数据处理与分析的速度要求更高。
随着科学技术和经济的快速发展，对光电测试技术提出了新的要求。光电测试技术将会有更快速的发展，就是要发展光学纳米技术、光学层析技术、光学超分辨技术、光学超像元技术等。在可以预见的未来，光电测试技术将在以下几个方面获得进一步发展：
① 亚微米级、纳米级的高精密光电测试方法；
② 微型化、集成化的微光机电（MOEMS）技术；
③ 高速高效的三维场动态测试技术；
④ 高速度、高灵敏度、高稳定性、大面阵凝视器件等新型光电器件的不断涌现；
⑤ 新型光源，如超细激光、太赫兹光源等；
⑥ 新型光学材料，如蓝宝石、陶瓷、SiC等的广泛应用；
⑦ 智能化、数字化光电测试系统；
⑧ 极紫外、紫外、红外、远红外谱段的光电测试技术。
2.测量数据的处理
本节概述测量误差的基本概念和数据处理的主要步骤，其基本理论可以参照相关书籍。（1）误差来源和分类
在测量中，人们总是力求得到被测量的真实值（真值），然而，由于测量方法和仪器设备的不完善，以及各种环境因素和人为因素的影响，测量所得数值与真值之间总会存在一定的误差。误差产生的来源可以归结为以下4类。
设备误差 设备误差主要来源于读数或示值装置误差、基准器（或标准件）误差、附件（如光源、调整件等）误差和光电探测电路的误差等。按其表现形式可分为机构误差、调整误差和量值误差。
环境误差 环境误差包括温度、湿度、振动、照明等与要求的标准状态不一致而引起的误差，电磁干扰引起的误差，某些高能粒子对光电探测器干扰引起的误差等。
人为误差 由于人眼分辨能力有限，操作者水平不高和固有习惯、感觉器官的生理变化等引起的误差。
方法误差 由于采用的数学模型不完善，采用近似测量方法或由于对该项测量研究不充分引起的误差。
按照误差的性质，误差可以分为系统误差、偶然（随机）误差和粗大误差3类。
系统误差 在同一条件下多次测量同一量时，绝对值和符号保持不变，测量条件改变时，按照确定规律变化的误差称为系统误差。系统误差可按照对误差的掌握程度分为已定系统误差（误差的大小和正负已知）和未定系统误差（误差的大小和正负未知）。例如，在光电测试仪器中仪器制造误差、校准或调整误差、标准件的量值误差等。
偶然误差 在相同的测量条件下，多次测量同一量时，绝对值和符号以不可预测的方式变化的误差称为偶然误差。例如，局部空气紊流、温度小量变化、电源的小量起伏等均引起偶然误差；对准误差和估读误差等也属于偶然误差。
粗大误差 超出在规定条件下预期的误差称为粗大误差。例如，读错、计算错误、仪器调整错误或实验条件突变等引起的误差。含有粗大误差的测量值都应剔除。（2）测量误差的表述——不确定度（Uncertainty）
测量误差是测量值相对于真值的偏差，但在有些场合，真值或约定真值是不可知的。因此，必须采用某种方法来评定测量结果的质量。习惯上的精度（包括正确度、精密度、准确度三方面）的含义一直是混淆不清的，目前国内外多采用“ISO1993（E）指南”所规定的测量不确定度来表征测量结果的质量。测量不确定度是定量的、可操作的质量指标，测量结果附有不确定度的说明时才是完整和有意义的。
测量不确定度是指对测量结果不能肯定的程度。它反映了对被测量的真值认识的不足。经测量，合理地赋予被测量的值不是唯一的，而是有许多个可能的值。真值的具体数值并不知道，只可能获知一个最佳估计值，而真值是在最佳估计值的一个不确定范围内。不确定度小，误差肯定也小，但误差不可能准确知道；不确定度大，误差或大或小，限于认识水平，误差尚不清楚。下面是“ISO1993（E）指南”所规定的几个术语。
标准不确定度（Standard Uncertainty）用标准偏差表示的测量结果的不确定度，用符号u表示。
合成（标准）不确定度（Combined Standard Uncertainty）当测量结果由若干其他量（输入量，也包括影响量）得出时，测量结果的合成标准不确定度等于这些量的方差和协方差加权和的正平方根，用符号u表示。c
扩展不确定度（Expanded Uncertainty）规定了测量结果取值区间的半宽度，该区间包含了合理赋予被测量值的分布的大部分数值，用符号U表示。
不确定度包含两类分量：A类分量是可以用统计方法评定的那些分量，用实验标准偏差表示；B类分量是用非统计方法评定的那些分量，用其他估计的标准偏差表示。需要指出的是，不可一概而论A类评定方法好还是B类评定方法好，在小样本的情形下，A类评定方法不一定比B类评定方法好。
在实际工作中，为定量评价测量装置或测量结果的质量，还常用如下3个名词。
重复性（Repeatability）在相同测量条件下（相同的测量方法、操作人员、测量器具、地点和使用条件），在短时期内对同一个量连续进行多次测量所得结果之间的一致程度，可以用测量结果的分散性参数定量表示。
复（再）现性（Reproducibility）在变化的测量条件下（如不同的测量方法、操作人员、测量器具、地点、使用条件和时间），对同一个量进行多次测量所得结果的一致程度，也可以用测量结果的分散性参数定量表示，不过应注明变化的条件。
稳定性（Stability）测量器具具有保持其计量特性持续恒定的能力，可以用几种方式量化，如用计量特性在规定时间内所发生的变化来表示等。（3）条件相同重复测量的数据处理步骤
所得各测量值可能同时包含有系统误差、偶然误差和粗大误差。其中的已定系统误差，可用修正法将其消除，而对未定系统误差，可把它视作偶然误差进行处理。
设消除已定系统误差以后的重复测量数据列为x，x，…，x，12n其处理步骤如下。
① 计算数据列的算术平均值、残余误差v和单次测量的标i准偏差估计值s。
算术平均值的计算公式为
测量数据列中测得值x与该数据列的算术平均值之差v称为残余ii误差，计算公式为
在有限次测量中，标准偏差σ需要用由残余误差v求出的标准偏i差估计值s来表述，s的计算公式为
② 判断粗大误差。若存在粗大误差，应将该数据剔除，然后重新计算，v和s，再判断，直至不含粗大误差为止。i
粗大误差的判断有5种规则：拉依达（Райта）准则、肖维勒（Chauvenet）准则、格拉布斯（Grubbs）准则、t检验准则和狄克逊（Dixon）准则。大量的实验和分析表明，格拉布斯准则的效果最好，其判断粗大误差的步骤如下。
设测量数据列按照由小到大排列为x，x，…，x。12n
i.选定风险率α。α是指判定是坏值而实际上不是坏值而犯错误的概率，通常取α=5.0%或α=1.0%。
ii.计算判定T值。如果x或x是可以怀疑的，则1n
式中，和s按照式（0.1）、式（0.3）计算。
iii.由表0.1查出T（n，α）。表0.1 T（n，α）值表
iv.若T≥T（n，α），则所怀疑值是坏值，应予舍弃；若T ③ 求算术平均值的标准偏差的估计值。按下式计算 ④ 判断系统误差。根据发现系统误差的各种方法判断，并设法减小和消除。这一步主要是为了检查有无因测量工作中的某些疏忽而引入的显著系统误差。 ⑤ 求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由表0.2查出t（n），按下式计算p表0.2 t分布临界值p ⑥ 最后写出测量结果 式中，应取最多两位有效数字。（4）条件不同重复测量的数据处理步骤 如果被测量是在不同时期或不同地点或不同实验室或不同仪器获得的，其测量条件不能保证相同，则应采用加权的方法来评定测量的结果。设在不同条件下获得的数据列l，l，…，l中不存在系统误差12n和粗大误差。 ① 确定各测量值的权重。根据测量条件（方法、仪器、环境、人员）的不同确定权重。 ② 计算数据列的加权算术平均值、残余误差及加权算术平均值的标准偏差估计值。 ③ 求测量的扩展不确定度。根据测量的次数n和置信概率p，由表0.2查出t（n），则p ④ 最后写出测量结果：。其中，应取最多两位有效数字。（5）间接测量的数据处理步骤 间接测量值为直接测量值的函数，表达式为 当各个测量值及其误差为已知时，按照下列步骤处理测量数据。 ① 计算间接测量值。将各直接测量值的算术平均值代入式（0.7）求。 ② 根据各误差传递系数和标准偏差估计值的大小可以判知哪个（几个）直接测量值对测量结果影响较大，则尽量减小或消除该项（几项）量值的系统误差。 ③ 计算间接测量结果的合成标准不确定度。 标准偏差的估计值为 合成标准不确定度为 ④ 求测量的扩展不确定度。按下式计算 式中，n按下式计算eff 根据置信概率p，由表0.2查出t（n）。若对的信peff息量知之甚少时，可取n=1。i 在不少场合，因为不能详细获取与被测量有关的各个量及其合成分布的信息，故难以指明被测量值的估计区间的置信水平，则通常t（n）取2～3，如美国NIST常取t（n）=2。peffpeff ⑤ 最后写出测量结果：。【例0.1】测量一望远镜的焦距。当测得无限远的物体在物镜焦平面上成像的大小为2y＇及其对应的视场角2ω后，参见图0.2，应用下式可以求出物镜的焦距 用刻度尺在物镜像面测得2y＇=10mm，用测角仪测出对应的视场角2ω=3°。图0.2 测量物镜焦距原理图 刻度尺经修正后，任意两根刻线间距的不确定度为u（y＇）=0.3μm。测角仪的刻度值经修正后，任意两刻线对应的角度值的不确定度为1.6″，即u（ω）=1.6″；望远镜单次对准不确定度为0.5″，1每测一个角度值要对准2次，每次对准都重复3次取读数的平均值，则测量一个角度的合成不确定度为；同样，显微镜单次读数的不确定度为0.5″，也可得到 u（ω）=0.4″。3数据处理步骤如下。 ① 计算焦距值
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