14.1 光学测量的基本原理在线视频

各位同学 大家好

我是天津大学机械工程学院

工程中的流动测量理论与方法的主讲老师汪洋

今天由我给大家讲述光学测量方法

这一章节包括八项内容

第一 光学测量的基本原理

第二 激光原理

第三 高速摄影技术

第四 CCD和CMOS技术

第五 全息摄影技术

第六 激光诱导荧光法

第七 激光多普勒测速技术

第八 激光粒子测速

第一讲 光学测量的基本原理

分四块内容

一 光学测量的特点

第二 光的基本性质

第三 几何光学基础

第四 典型光学器件

第一项内容光学测量的特点

首先光学测量和别的方法相比

具有非接触性这个优点

现在咱们以电热塞表面温度的测量为例

进行解释

电热塞它的表面温度最高能达到1200多度

常规的测量方法主要是热电偶式

热电偶属于接触式

那么在这个测量里面就会产生传导损失

相当于热电偶的温度不能完全表达

电热塞表面的温度

那么最终我们选择的是

红外热像仪这种测量方法

通过这种方法可以准确的捕获

热电偶表面的温度

从这个图可以看到

不同的色标代表不同的温度

那么通过选定某一个区域

就能测到某一个点的准确的温度

这是经过处理的热电偶表面的温度

横坐标是热电偶的功率

纵坐标是电热塞表面的温度

第二个特点是响应快

大家知道光的传导速度是宇宙中最快的

那么光学测量方法

它的延迟时间主要是光电转换的延迟

和对电信号处理的延迟

第三个特点是高灵敏度 高精度

典型的例子是引力波的测量

这个是利用激光干涉原理

制作的美国的一个仪器叫做LIGO

2015年9月

美国宣布利用激光干涉天文台LIGO

探测到引力波

从而验证了爱因斯坦100年前的预测

这个引力波与物质作用引起的尺寸变化

只有质子直径的千分之一

用任何手段

除了这个激光干涉的那个手段之外

都很难捕捉得到

但是光学测量也是有缺点的

首先是抗污染的能力比较差

抗振动的能力比较差

抗热变形的能力比较差

小型化也比较困难

下面讲述第二块内容

光的基本性质

又分四项内容

牛顿的光的粒子说

惠更斯的波动说

赫兹的电磁学说

以及爱因斯坦的光量子理论

在十七世纪

牛顿根据光的直线传播现象

提出了光射粒子流

在真空的透明介质中

由于惯性作直线运动

牛顿的例子说可以解释光的直线传播

以及不同介质之间的折射 反射定律

但是无法解释随后出现的

衍射 干涉和偏振现象

这是光通过微孔在屏幕上得到的衍射图形

这个光通过两个窄缝

在屏幕上出现的干涉条纹

这个光通过偏振检偏器

发现光具有偏振性

在同一时期

惠更斯提出了波动学说

他认为光是某种振动

通过介质的弹性联系

以波的形式向四周传播

波动学说能解释光的衍射 干涉和偏振现象

但是需要假设空间

存在一种密度极大的传递介质

当时就癔造了一种物质叫以太

但始终无法证实

1865年

麦克斯韦在电磁理论的研究中指出

光也是一种电磁现象

光波的本质是电磁波

电磁波学说很好的解决了光

需要以太才能传递的缺陷

但是无法解释黑体辐射能量

随波长的分布规律

又叫紫外线灾难

第二是无法解释1887年

赫兹发现的光电效应

所谓光电效应

就是一块金属板

在光的照射下

会从表面蒸发出电子

这个蒸发出电子需要一定的条件

当光的频率低于某一个值的时候

再强的光的照射都无法蒸发出电子

那么用以前的理论是没办法解释这种现象的

爱因斯坦的光量子理论

1900年普朗克提出了辐射量子理论

成功地解释了黑体辐射的问题

1905年

爱因斯坦发展了普朗克的能量子学说

提出了光量子理论

它的表述是光子具有微粒和波动两种特性

那么到现在为止

对于光的认识总结为

首先 光子是具有能量的

这个能量是普朗克常数与光的频率之积

第二 光是具有质量的

它的质量等于普朗克常数与频率之积

除以光在真空中速度的平方

第三 光波属于光子的概率波

但是人类对于光的认识

实际上还远没达到最高的境界

下面讲第二块内容

几何光学基础

几何光学是撇开了光的本质

仅以光的粒子性为基础

来研究光的传递和成像问题的

是光学学科的一个分支

叫几何光学

几何光学的基础

叫费马原理

也就是光从A点到B点

是沿着光程为极值的路径传播的

也就是实际的光程所定义的光程

是所有光程中可能值中的极小值

或者是极大值

或者是某一个稳定值

根据费马定理可以推导出光的几大定律

首先是光的直线传播定律

光的独立传播定律

光的折射定律和反射定律

光的直线传播定律

就是在各向同性的均值介质中

光线是以直线传播的

光的独立性传播定律

从不同光源发出的光线

以不同的方向穿透空间某一个点时

是彼此互不影响

各光线独立传播的

光的折射定律和反射定律

当光传播到两种不同介质的理想光滑分界面时

继续传播的光线

或返回原介质

或进入另一个介质

前者称为光的反射

后者称为光的折射

其传播的规律遵循反射率和折射定律

全反射现象

一般情况下

光线射到介质的分界面时

将同时发生反射和折射现象

但是当光线由光密介质进入光疏介质时

该界面可将入射光线全部反射回去

而无折射现象

这就是光的全反射

由这个图表示

蓝色代表光密介质

上面代表光疏介质

当入射角I比较小的时候

将发生折射现象

这个I'大于I

当入射角I继续增大

那么这个I'继续增大

当I达到一定的值的时候

这个I'将达到90度

这个时候如果再继续增大

I这个入射角将发生全反射现象

也就是说继续传播的光

全部反射回光密介质

这就叫全反射

下面介绍第三块内容

典型的光学器件

分为光导纤维 平面镜 棱镜

球面镜和透镜五部分内容

第一种器件叫光导纤维

在现代通讯领域应用十分广泛

光导纤维是一个透明的纤维

中间的介质的密度

大于外边的包层的介质的密度

也就是折射率 中间的大 外边的小

那么当入射光从一端进入的时候

当这个入射角在一定的范围内

光会沿光导纤维的纤芯跟包层之间

来回的折射

从而完成光的远距离传输

那么光导纤维入射角有一定的要求

这个要求我们用NA这个通光直径来表达

这个通光直径是真空中的折射率的倒数

跟n1跟n2的平方差的根号成正比

一般来说这个通光直径等于0.55到0.79之间

这个是实际的光导纤维的照片

在那个包层的外围还有一个保护层

那么光导纤维可以传递不同的频率的光

可以在弯曲的情况下

完成从一个端点向另外一个端点的传递

第二个器件叫平面镜

平面镜在光学系统中

常用来改变光线的方向和物像的方位

任何一个物体S点经过平面镜反射后

能形成一个与原物大小相反

对称镜面的像点S‘

从理论上讲

平面镜是唯一能成完善像的光学器件

第三个元件叫棱镜

按照棱镜的作用

分为折射棱镜和反射棱镜

如图所示

当入射角为i1的光进入棱镜之后

会产生第一次折射

第一次折射之后

当他这个光在出这个棱镜时候

发生第二次折射

那么出的光跟入的光它的夹角

咱们定义为δ

这个δ的夹角

当棱镜的顶角α比较小的时候

存在右下角所示的关系

第四个是球面镜

反射面是球面的镜叫球面反射镜

利用凹面镜反射的球面镜叫凹面镜

利用凸球面做反射面的球镜叫凸面镜

球面镜有它的自己的焦距

焦距约等于二分之一的球面的半径

球面镜的物距 像距和焦距之间

存在下列的关系

就是物距的倒数加上像距的倒数之和

等于焦距的倒数

那么根据这个规律以及几何作图法

可以得到一个物体的像

第五个是透镜

透镜根据两个透镜面的形状可以分为六种

一个是双凸

一个是平凸

一个是凹凸

还有一个是双凹透镜

还有一个是平凹

还有一个是双凹透镜

根据透镜的厚度分为厚透镜和薄透镜

如果一个透镜的中央部分的厚度

和透镜的焦距之比很小

可以忽略

那么这种透镜较薄透镜

否则叫厚透镜

那么这两个球面的半径与焦距之间

可以用下列公式进行表述

同样物距 像距和焦距之间

存在一个倒数之和的关系

也就是像距的倒数加上物距的倒数之和

等于焦距分之一

在日常生活中用的最多的光学器件

就是照相机

照相机有三个主要的参数

一个是焦距f

在相同的物距 焦距

决定了像与物之间的比例

第二是相对孔径

它的定义是物镜通光孔径与焦距的比

相对孔径影响像面的照度

景深 相差和分辨本领

还有一个是视场角

视场角决定了能成清晰像的二维空间的范围

这个就是大家经常使用的f值

这个f值实际上是相对孔径的倒数

从这个六幅图大家可以看到

当这个光圈的f值变大

也就是相对孔径变小的时候

景深是越来越大

背景跟被照物体的那个清晰对比

就层次就变小

这个是广角镜头拍摄的效果

普通广角镜头的视角是60到84度

超广角镜头视角可以达到94到118度

光源系统存在各种的像差

首先是色散

它的原因是因为不同的色光具有不同的焦距

第二是球差

就是透镜实际上是有厚度的

并不是薄透镜

彗差

透镜实际上是透镜的厚度引起

其次还有像散 像面弯曲和畸变

色散

色散的成因就是因为不同光的频率

它有不同的折射率

所以一个白光的像

它的成交面是不同的

这样的话就会把一个白光的头像

变成一种彩色的图像

第二个是球差

球差实际上也是因为透镜的厚度引起的

那么消除的办法

一个是加光阑

第二个是用正负透镜组合进行校正

第三是采用非球面透镜

如菲涅耳螺纹透镜

第三个是彗差

这个彗差呢

也都是因为那个透镜的厚度引起的

第四个像散

这个也是透镜的厚度引起的

还有像面弯曲

这都是透镜的厚度引起的

畸变

畸变是指光学系统对物体所成的像

相对于物体本身而言失真

通常来说

畸变分为两种

一个是桶形畸变和枕形畸变

如下图所示