光学计量手册 原理与应用PDF电子书下载

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PIV 353

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PIV 354

24.5.1 胶片全息PIV 354

24.5.2 数字全息PTV 355

24.6 显微PIV 356

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