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第一部分 光学元器件基础1

第1章 光源1

1.1 辐射计量学和光度学1

1.1.1 辐射计量学和光度学的区别1

1.1.2 人眼1

1.1.3 辐射度及光度的量和单位2

1.1.4 光度测量技术11

1.1.5 色度学13

1.2 光发射15

1.2.1 黑体辐射15

1.2.2 冷光16

1.3 传统光源21

1.3.1 白炽灯和卤钨灯21

1.3.2 气体放电灯22

1.4 发光二极管24

1.4.1 LED基础24

1.4.2 发光二极管材料体系28

1.4.3 白光二极管29

1.4.4 面发射发光二极管和边发射发光二极管30

1.4.5 有机发光二极管32

1.4.6 LED计量33

1.4.7 LED的应用34

1.5 激光器40

1.5.1 受激辐射和光放大41

1.5.2 激光产生的必要元素42

1.5.3 激光的工作特性44

1.5.4 激光特性45

1.5.5 激光系统48

参考文献49

参考网页53

第2章 透镜，棱镜和平面镜54

2.1 引言54

2.2 波前和波前像差54

2.3 初级像差和设计出发点54

2.4 光学设计55

2.5 光学设计工具55

2.6 光学设计理论55

2.7 初级像差56

2.8 薄透镜塞德尔像差公式57

2.9 透镜58

2.10 光学材料59

2.11 常用工装60

2.12 制造公差60

2.13 非球面61

2.14 单波长测试系统61

2.15 棱镜61

2.16 图像取向62

2.17 波罗棱镜63

2.18 展开图63

2.19 佩肯棱镜和阿贝棱镜64

2.20 中继透镜65

2.21 远心系统65

2.22 结论66

参考文献66

第3章 光电传感器67

3.1 引言67

3.2 光电传感器的工作原理67

3.2.1 光子到电子的转换67

3.2.2 光谱响应68

3.3 单点式传感器70

3.3.1 亮光半导体传感器70

3.3.2 微光点式传感器71

3.3.3 读出电路73

3.4 多像元传感器及位置敏感型传感器75

3.4.1 多像元传感器75

3.4.2 位置敏感型传感器75

3.5 图像传感器和摄像机77

3.5.1 图像传感器77

3.5.2 用于微光的图像传感器和摄像机79

3.5.3 高速摄像机80

3.6 X射线或γ射线传感器82

3.6.1 探测机理82

3.6.2 实用传感器83

3.7 光电传感器选用指南85

参考文献85

第4章 光学元件和光机元件87

4.1 引言87

4.2 红外光学元件87

4.3 紫外光学元件88

4.4 X射线光学元件88

4.5 滤光片89

4.5.1 照相滤光片89

4.5.2 空间滤光片，空间频率滤光片89

4.6 针孔90

4.7 光控制器件90

4.8 光调制器90

4.9 空间光调制器90

4.10 光纤90

4.11 偏光器和光扫描器91

4.12 光集成电路和光电集成电路91

4.13 衰减片92

4.14 快门92

4.14.1 相机快门92

4.14.2 快门阵列92

4.15 机械元件92

4.16 夹持器93

4.17 光具座93

4.18 光学平台94

4.19 隔振系统94

4.20 微移动元件95

4.21 定位元件95

4.22 校准标样96

4.23 光学样板96

4.24 光学平晶97

第二部分 计量的基本原理和技术98

第5章 光的传播98

5.1 光的特性98

5.1.1 麦克斯韦方程组98

5.1.2 谐波和波动方程99

5.1.3 光的本质100

5.2 各向同性介质中光的传输104

5.2.1 电介质中光的传输104

5.2.2 反射和折射104

5.2.3 光波的全内反射109

5.2.4 色散112

5.2.5 光在特异材料中的传输114

参考文献116

第6章 干涉测量119

6.1 引言119

6.2 干涉波119

6.3 早期的干涉实例122

6.3.1 杨氏狭缝122

6.3.2 菲涅耳双棱镜122

6.3.3 洛埃反射实验122

6.4 光源123

6.5 简单干涉仪123

6.6 斐索干涉仪124

6.7 泰曼格林干涉仪125

6.7.1 马赫泽德干涉仪125

6.7.2 剪切干涉仪126

6.8 红外干涉仪126

6.9 测量装置128

6.9.1 平面面形测量128

6.9.2 材料测量128

6.9.3 球面面形的测量128

6.9.4 透镜的测量129

6.9.5 拱形结构的测量129

6.9.6 望远镜的测量129

6.10 条纹分析130

6.11 像差类型131

6.11.1 球差131

6.11.2 彗差132

6.11.3 像散132

第7章 全息术134

7.1 引言134

7.2 记录和再现波前的基本装置134

7.3 全息图的傅里叶分析135

7.4 数字全息137

7.4.1 历史回顾和技术发展137

7.4.2 电光器件上全息记录的局限性137

7.4.3 全息图数字再现的数学工具138

7.4.4 数字全息的一些装置139

7.5 数字全息应用140

7.5.1 数字全息显微术140

7.5.2 数字全息干涉142

参考文献144

第8章 散斑法及其应用147

8.1 散斑现象概述147

8.2 散斑照相法147

8.3 散斑干涉计量148

8.3.1 平面外位移测量149

8.3.2 平面内位移测量149

8.4 散斑剪切干涉计量150

8.4.1 倾斜测量150

8.4.2 曲率测量151

8.5 数字散斑和散斑剪切干涉计量152

8.5.1 条纹分析152

8.5.2 数字散斑和散斑剪切干涉计量的光学系统155

8.5.3 在微系统分析中的应用157

8.6 结论158

参考文献158

第9章 莫尔测量163

9.1 引言163

9.2 面内莫尔条纹及其应变测量163

9.2.1 面内莫尔条纹形成163

9.2.2 莫尔条纹在应变测量中的应用164

9.3 面外莫尔条纹及轮廓测量法166

9.3.1 阴影莫尔条纹及莫尔轮廓166

9.3.2 阴影莫尔条纹的强度167

9.3.3 莫尔条纹在三维轮廓测量中的应用168

9.3.4 投影莫尔法171

9.4 反射莫尔法171

9.5 衍射光栅及干涉莫尔条纹的应用172

参考文献173

第10章 光学外差测量方法174

10.1 引言174

10.2 外差法174

10.2.1 高精度测量法：原理和缺点174

10.2.2 补偿光路的结构：双光束信号的介绍175

10.2.3 补偿光路结构：两光源的产生和选择178

10.2.4 补偿光路结构：回路中的对称布局179

10.2.5 多普勒方法和外差法的关系179

10.3 精度和噪声的减少180

10.3.1 环境引起的精度降低180

10.3.2 光学元件引起的精度降低180

10.4 静态和动态测量注意点183

10.4.1 静态测量183

10.4.2 动态测量184

10.5 应用184

10.5.1 相移，振动频率和振幅184

10.5.2 系统位置184

10.5.3 厚度测量185

10.5.4 轮廓测定法185

10.5.5 量测折射法185

10.5.6 光热干涉法185

10.5.7 热膨胀系数186

10.5.8 薄膜的杨氏模量186

10.5.9 双折射率和旋光计187

10.5.10 光纤传感器187

10.5.11 动态表面测量187

10.6 光学多普勒测量方法187

10.6.1 引言187

10.6.2 原理和缺点188

10.6.3 多普勒方法和外差法的比较188

参考文献189

第11章 衍射193

11.1 引言193

11.2 衍射的基本原理193

11.3 衍射方法的应用197

11.4 光栅衍射应用198

11.5 结论199

参考文献199

第12章 光散射200

12.1 引言200

12.2 光散射的基本原理201

12.3 光散射谱202

12.4 利用散射光谱法进行早期癌症诊断203

12.5 基于光吸收和散射的共聚焦光谱显微术206

12.6 单个纳米粒子的散射光谱208

12.7 结论209

参考文献209

第13章 偏振212

13.1 引言212

13.2 简并偏振态212

13.3 椭圆偏振态213

13.4 椭圆偏振态的转换215

13.5 正交线偏振器和检偏器间的波片216

13.6 旋转起偏器和1/4波片产生全偏振态217

13.7 旋转起偏器和可变波片产生全偏振态218

13.8 通过起偏器和两个可变波片产生全偏振态218

参考文献219

第14章 近场光学220

14.1 引言220

14.2 倏逝场220

14.3 测量仪器221

14.3.1 光学探针221

14.3.2 探针高度控制系统222

14.3.3 SNOM校准223

14.4 应用224

14.4.1 基于FDTD方法的模拟224

14.4.2 微聚焦斑轮廓测量224

14.4.3 超分辨率图像225

14.4.4 纳米光刻225

14.4.5 近场存储226

参考文献227

第15章 长度与尺寸测量228

15.1 引言228

15.2 干涉法长度测量的基本定律228

15.3 测长干涉仪的基本类型229

15.3.1 泰曼—格林干涉仪229

15.3.2 斐索干涉仪230

15.3.3 条纹计数干涉仪231

15.4 干涉仪精确测长的要求231

15.4.1 光源231

15.4.2 平面波的产生和校正232

15.4.3 空气反射率的计算234

15.4.4 温度测量的重要性235

15.5 棱镜的干涉测量235

15.5.1 物体的像素阵列图像236

15.5.2 干涉图分析236

15.5.3 长度估算238

15.5.4 精密长度测量应用实例238

15.6 其他校正及其不确定度242

15.6.1 光学误差校正242

15.6.2 表面粗糙度与反射相位变化243

15.6.3 物体和压板之间的胶合243

15.6.4 平板挠曲244

15.7 结论244

第16章 位移测量245

16.1 引言245

16.2 激光干涉仪245

16.2.1 单频激光干涉仪与外差激光干涉仪245

16.2.2 干涉仪的光学系统245

16.2.3 影响测量结果及不确定度的因素246

16.2.4 其他类型的干涉仪248

16.3 线性编码器248

16.3.1 测量原理249

16.3.2 标尺标记探测方法249

16.3.3 线性编码器的发展方向251

16.3.4 线性编码器的校准251

16.4 距离测量252

16.4.1 简介252

16.4.2 脉冲测量法252

16.4.3 调制测量法253

16.4.4 光频扫描法254

16.4.5 距离测量的空气折射特性254

16.4.6 双色测量254

参考文献255

第17章 直线度测量及校准257

17.1 定义及参考规范257

17.2 直线度测量的主要方法258

17.2.1 直线度基准比较258

17.2.2 可逆技术258

17.2.3 斜率积分258

17.3 基于光束的直线度测量258

17.3.1 光学对准系统258

17.3.2 激光束对准259

17.3.3 直线度干涉仪259

17.4 基于机械基准的直线度测量260

17.4.1 通过逆向法的误差分离260

17.4.2 实验结果260

17.5 基于测角仪的直线度测量261

17.5.1 电子水准仪261

17.5.2 自准直仪262

17.5.3 角干涉仪262

17.6 机床的几何测量262

17.6.1 机床轴的直线度测量263

17.6.2 机床轴的旋转误差测量263

参考文献263

第18章 平面度264

18.1 引言264

18.2 平面度干涉测量264

18.2.1 斐索干涉仪265

18.2.2 斜入射式干涉仪269

18.3 采用角传感器的平面度测量269

18.3.1 采用角传感器的接触型平面度测量系统269

18.3.2 采用角传感器的非接触型平面度测量系统270

参考文献271

第19章 表面轮廓测量272

19.1 引言272

19.2 历史背景273

19.3 点扫描技术275

19.3.1 光强检测方法275

19.3.2 焦点误差检测方法275

19.3.3 共焦方法278

19.3.4 对比度检测方法279

19.3.5 锥光偏振全息法279

19.3.6 光谱共焦成像法280

19.4 全视场测量281

19.4.1 聚焦／散焦法281

19.4.2 图形投影法282

19.5 结论292

参考文献293

第20章 三维形貌测量295

20.1 引言295

20.2 光学三维测量技术295

20.2.1 飞行时间法295

20.2.2 激光扫描法295

20.2.3 莫尔条纹法296

20.2.4 激光散斑切片法296

20.2.5 干涉法296

20.2.6 摄影测量法296

20.2.7 激光跟踪法297

20.2.8 结构光法297

20.3 物体三维形貌测量的一般方法297

20.4 全局坐标系和局部坐标系的转换297

20.5 结构光光源、图像传感器、摄像机模型和标定298

20.6 绝对相位值测量和相位连续299

20.7 图像拼接技术和CAD数据比较技术299

20.8 传感器的规划300

20.9 实例演示300

20.9.1 汽车形貌测量301

20.9.2 振动三维测量301

20.9.3 油漆缺陷检测301

20.10 结论和展望303

20.10.1 实时计算303

20.10.2 直接测量镜面三维形貌303

20.10.3 阴影问题303

20.10.4 评估光学形貌测量系统的标准方法304

20.10.5 大尺寸高精度的测量304

20.10.6 测量系统的标定和优化以及传感器规划304

致谢304

参考文献304

第21章 条纹分析312

21.1 引言312

21.2 条纹分析基础312

21.2.1 多幅图像法313

21.2.2 单幅图像法315

21.3 相位解包裹317

21.4 轮廓测量中条纹分析实例318

21.5 结论318

参考文献319

第22章 摄影测量学321

22.1 引言321

22.2 原理321

22.2.1 基本原理321

22.2.2 摄像机标定322

22.2.3 摄影323

22.2.4 外部定位323

22.2.5 测量过程流程323

22.3 3D测量和建模应用实例324

22.3.1 文化遗产、建筑和地形学中的应用324

22.3.2 人体测量328

22.3.3 汽车测量329

22.4 结论331

参考文献332

第23章 固体力学中的光学方法334

23.1 引言334

23.2 固体力学基础334

23.3 数字图像相关及其应用335

23.3.1 二维数字图像相关原则335

23.3.2 三维数字图像相关原则336

23.3.3 残余应力测量应用336

23.4 低双折射偏光器337

23.4.1 低双折射偏光器的原理337

23.4.2 四步相移法338

23.4.3 基于液晶偏振旋转器的低双折射偏光器339

23.4.4 实验结果340

23.5 光学衍射应变传感器340

23.5.1 光学衍射应变传感器的原理340

23.5.2 多点衍射应变传感器341

23.6 数字全息342

23.6.1 介绍342

23.6.2 反射数字全息343

23.6.3 数字全息干涉测量344

23.7 结论345

参考文献345

第24章 流体测量中的光学方法346

24.1 引言346

24.2 激光多普勒流速计（LDV）346

24.2.1 基本原理346

24.2.2 光学系统和信噪比347

24.2.3 LDV系统348

24.3 粒子成像速率计349

24.3.1 PIV测量的基本原理349

24.3.2 PIV技术分类350

24.3.3 PIV系统351

24.3.4 典型应用：湍流边界测量352

24.4 立体PIV353

24.4.1 原理353

24.4.2 典型应用：轴流风扇形成的流体353

24.5 全息PIV354

24.5.1 胶片全息PIV354

24.5.2 数字全息PTV355

24.6 显微PIV356

参考文献358

第25章 偏振测量技术359

25.1 基本概念359

25.1.1 Stokes参数、Stokes向量和光偏振359

25.1.2 Muller矩阵和光学器件360

25.1.3 延迟和衰减360

25.1.4 光弹调制器（1PEM）361

25.2 Stokes偏振测量仪362

25.2.1 早期天文学中的基于PEM的Stokes偏振测量仪362

25.2.2 用PEM实现成像Stokes偏振测量仪362

25.2.3 实验室双PEM的Stokes偏振测量仪363

25.2.4 托卡马克中应用的双PEM Stokes偏振测量仪364

25.2.5 商用双PEM Stokes偏振测量仪365

25.3 Mueller偏振测量仪369

25.3.1 双PEM的Mueller偏振测量仪369

25.3.2 四个调制器的Mueller偏振测量仪370

25.4 特殊的偏振测量仪371

25.4.1 线性双折射偏振测量仪及其在光刻中的应用371

25.4.2 Near-Normal反射的双PEM偏振测量仪及其在核聚变中的应用380

25.4.3 平板显示行业中应用的特殊偏振测试仪381

25.4.4 化学、生物化学和制药行业中应用的特殊偏振测量仪383

参考文献385

第26章 双折射测量387

26.1 引言387

26.2 迟滞性和双折射测量的应用387

26.3 关于偏振光388

26.4 偏振态389

26.5 双折射391

26.6 偏振态的表示392

26.6.1 琼斯矢量392

26.6.2 斯托克斯参数393

26.6.3 庞加莱球394

26.7 琼斯法和穆勒法394

26.8 双折射测量395

26.8.1 线偏光器395

26.8.2 圆偏光器396

26.8.3 塞纳蒙法397

26.8.4 光弹调制器法398

26.8.5 光学外差法399

26.8.6 采用相移法的二维双折射测量401

参考文献404

第27章 椭圆偏振技术405

27.1 椭圆偏振技术的原理405

27.2 椭圆偏振测量技术407

27.3 光学模型409

27.4 介电函数411

27.5 数据分析实例412

参考文献415

第28章 光学薄膜和涂层418

28.1 引言418

28.2 基本理论418

28.3 一些典型的滤光片及其设计原则421

28.3.1 减反膜421

28.3.2 高反膜421

28.3.3 长波通和短波通滤光膜422

28.3.4 带通滤光膜422

28.3.5 带阻滤光膜（梳状滤光膜）423

28.3.6 偏振膜424

28.4 光学监控424

28.5 光学测量对薄膜的表征426

参考文献428

第29章 薄膜表面和厚度轮廓测量技术429

29.1 引言429

29.2 白光干涉仪测量不透明薄膜429

29.2.1 白光干涉仪429

29.2.2 KF算法430

29.2.3 采用KF算法的薄膜轮廓仪431

29.2.4 薄膜厚度测量范围431

29.2.5 测量实例431

29.3 采用白光干涉仪测量透明薄膜433

29.3.1 测量氧化物薄膜的台阶433

29.3.2 测量CMP样品434

29.4 通过伪透射干涉仪测量薄膜厚度435

29.4.1 TF方法的原理435

29.4.2 实验435

29.5 厚度和折射率的同时测量435

29.6 结论436

参考文献436

第30章 在机测量438

30.1 引言438

30.2 波带片干涉仪438

30.2.1 A型波带片干涉仪438

30.2.2 B型波带片干涉仪440

30.2.3 C型波带片干涉仪442

30.3 横向剪切干涉仪445

参考文献449