21世纪的光学测量(第五章极限测量中的共性问题和光的作用-2006-7-25)选编.ppt

5-3 测量结果的正确性的考虑 测量与误差同伍（极限测量时要注意） 测量的结果必含有误差 极限测量由于时间、设备等限制，参与的人有限，要重视其后果影响 精度的评价：精密度（多次测量）和正确度（系统误差可怕） 作为间接测量的基础的物理分式等的成立条件：公式的完全性？ 实验中的实现性（干扰的混入？） 测量精度(accuracy) 精密度（随机误差）： 精密度(precision)、分散度（dispersion) 应用统计方法评价 正确性（系统误差）： 正确性（correctness）、真度（trueness)、 偏差（bias) 和基准进行比较来评价 光谱测量时伪相关的存在与否? 建模 预测 glucose everything else … time ? 理论极限和现实极限 海森堡的不确定性原理：Δχ?Δη＝h/2 实际上的限制尚未达到这一水平，随着技术的进步，特别是极限检测时的一些场合，逐渐成为现实的问题。如重力波的检测 5-4 降低噪声影响的方法 噪声及其减小方法 噪声消灭不了：内部、外部产生，特别对于极限检测影响大，需特别注意（如录音机等的例）。 减小的方法：内部噪声理论上不可避免，尽量使其不要原样地影响到输出，外部噪声尽可能使其不要混入系统。 硬件策略（降低噪声水平）；软件策略：降低系统输出噪声的水平 外部噪声：随机的、周期的（电源频率或其高频噪声屏蔽的方法）、单向的（温度变化相关，难以与信号区分），但差动法等有效、剩下的为误差 5-5 测量方法的考虑 如何考虑极限测量的方法 测量要求 vs 测量方法 定量的误差分析和预测 （应用数学和物理模型、定量地分析） 工具的准备 技术的融合 实现目标的前提下，方法越简单越好 （比如热物体的尺寸测量：温度场测量，光线轨迹计算，误差评价，测量方法设计，最佳方法的选择） 水平圆柱自然对流的温度场 光学测量 光线弯曲传播计算及验证实验 解决方法1 解决方法2 解决方法3 第五章 极限测量 （共性问题和极限测量例子） 目录 5-0 极限测量特点及例子 5-1 极限测量的方法和工具 5-2 波的性质的有效利用 5-3 测量结果的正确性的考虑 5-4 降低噪声影响的方法 5-5 测量方法的考虑 …… 5-0 极限测量特点及例子 狭义的定义: 极端条件下的测量 探求巨大和微小的测量 我们的重点: 挑战现有技术能力的测量 (精度、速度、尺度、被测样品量等） 一些极限测量 地球的测量、恒星的测量 微纳测量 结晶的测量 光频率、光速度的测量 人体磁场的测量 布朗运动的测量 重力波的测量 阿佛加得罗常数的测量 微纳测量 纳米技术的将来 太阳电池、高速信息处理装置、除去有害物质 的滤波器、纳米机器人、轻量材料、高密度存 储器等 微纳空间需要考虑的新问题 人眼：0.1mm为止.微米、纳米尺度看不见。 光:微尺度OK，纳米尺度看不见，无色。 微尺度下的现象与宏观无大差异，纳尺度下牛顿力学不一定适用。 微纳测量的发展 替代光子使用电子，与光学成像类似 ---透过型电子显微镜（TEM） 真空中传播的电子（0.0025-0.0037nm)； 问题:真空、薄片试样、损害、不可见 微纳测量的发展 借显微镜之名，无透镜焦点等视觉要素 ---扫描探针显微镜（SPM） 微纳测量的发展 扫描隧道显微镜（STM） 探针与测头间加电压，保持隧道电流，得到轮廓；只可测导电性材料 微纳测量的发展 原子力显微镜（AFM） 悬臂梁式探针因原子之间的引力(远)与斥力(近)微动,检测激光的反射得到轮廓.原理上任何材料均可. 结晶的测量 意义：晶体、微电子元气件、电器制品 方法：X光衍射 光速度的测量 地上测量原理：快门、传播时间、距离 光速度的测量 地上测量原理：快门、传播时间、距离 天体测量原理：光行差的发现及应用 计算：频率、波长 光频率的测量 补偿法光频率测量(相近的二频率的差,计数) 关键: 安定的频率的基准激光 与被测频率的比较技术 意义: 对于光速的测量的意义也重大 极限测量的特点： 方法及结果： 方法论的考虑（如物理法则的实用性） 工具的准备（光源、检测器、测量条件） 测量结果的吟味和验证 组织形式： 极限测量通常为大的系统工程 国家项目（直线加速器、自由电子激光） 5-1 极限测量的方法和工具 间接测量 测量学和物理法则（互为依存） 物理法则的成立需要测量 物理法则向测量系统的应用 测量用的硬件（放大器）及其特性 信号微弱的共通特点、放大倍数、带宽、SNR、温漂 信号处理 直接测量和间