光学测量原理、技术与应用

　　本书以光学测量中光的特性为主线，以光学测量方法与技术为中心，全面介绍了光学测量涉及的基本理论、测量原理与方法、技术特点与典型应用等。全书共10章，第1章介绍光学测量的基本知识，第2~5章分别介绍光干涉测量、激光准直与跟踪测量、激光全息与散斑测量、激光衍射和莫尔条纹测量; 第6章介绍机器视觉测量; 第7章介绍激光测速与测距; 第8章介绍光纤传感原理与技术; 第9章介绍激光雷达三维成像技术; 第10章介绍光学探针测量。 本书可作为高等院校光电信息科学与工程、光学工程、仪器仪表、机械电子工程、自动化等专业本科生教学用书，也可供从事相关专业的科研技术人员学习阅读。

　　冯其波 北京交通大学物理科学与工程学院教授、博士生导师，北京市优秀教师。2005年—2017年担任北京交通大学理学院院长。目前担任中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会、设备结构健康监测与预警分会副理事长，以及中国计量测试学会计量仪器专业委员会副主任委员、中国光学学会理事、中国光学工程理事、全国设备结构健康监测标准化工作组副主任委员等学术职务。长期从事光电检测方面教学科研工作，主持国家自然科学基金重大科研仪器研制项目、重点项目、国家863项目等，发表论文200余篇，其中SCI检索期刊论文60余篇；获得国家发明专利50余项，包括6项美国专利和2项欧洲专利；获得省部级科技成果奖一等奖3项，二等奖3项；出版教材2部，获得国家教学成果二等奖1项，北京市教学成果一等奖和二等奖各1项。

第1章光学测量的基础知识

1.1基本概念、基本方法、应用领域及发展趋势

1.1.1基本概念

1.1.2误差与测量不确定度

1.1.3基本构成

1.1.4主要应用范围

1.1.5基本方法

1.1.6发展趋势

1.2光学测量中的常用光源

1.2.1光源选择的基本要求和光源的分类

1.2.2热光源

1.2.3气体放电光源

1.2.4固体发光光源

1.2.5激光光源

1.3光学测量中的常用光学器件

1.3.1激光准直镜

1.3.2分光镜

1.3.3偏振分光镜

1.3.4波片

1.3.5角锥棱镜

1.3.6衍射光栅

1.3.7调制器

1.3.8光隔离器

1.4光学测量中的常用光电探测器

1.4.1常用光电探测器的分类

1.4.2光电探测器的主要特性参数

1.4.3常用光电探测器介绍

1.5光学测量系统中的噪声和常用处理电路

1.5.1光学测量系统中的噪声

1.5.2光学测量系统中的常用处理电路

1.6光学测量中的常用调制方法与技术

1.6.1概述

1.6.2机械调制法

1.6.3利用物理光学原理实现的光调制技术

习题与思考1

第2章光干涉测量

2.1光干涉基础知识

2.1.1光的干涉条件

2.1.2干涉条纹的形状

2.1.3干涉条纹的对比度

2.1.4产生干涉的途径

2.2波面干涉测量

2.2.1概述

2.2.2泰曼格林干涉仪

2.2.3移相干涉仪

2.2.4共路干涉仪

2.3激光干涉仪

2.3.1迈克尔逊干涉仪

2.3.2实用激光干涉仪主要部件的作用原理

2.3.3实用激光干涉仪的实际构成和常见光路

2.4白光干涉仪

2.5外差式激光干涉仪

2.5.1概述

2.5.2双频激光干涉仪

2.5.3激光测振仪

2.6激光自混合干涉测量

2.7绝对长度干涉计量

2.7.1柯氏绝对光波干涉仪

2.7.2激光无导轨测量

2.8激光干涉测量的重大应用举例

2.8.1激光干涉测量引力波

2.8.2光刻机工件台六自由度超精密测量

习题与思考2

第3章激光准直与跟踪测量

3.1概述

3.1.1激光准直测量基本原理

3.1.2激光准直测量系统的组成

3.2激光测量直线度原理

3.2.1直线度测量概述

3.2.2激光测量直线度方法

3.2.3直线度测量误差分析

3.3激光同时测量多自由度误差

3.3.1滚转角测量

3.3.2四自由度误差同时测量

3.3.3五自由度误差同时测量

3.3.4六自由度误差同时测量

3.3.5激光跟踪测量

习题与思考3

第4章激光全息与散斑测量

4.1全息术及其基本原理

4.1.1全息术基本原理

4.1.2全息图的类型

4.1.3全息设备基本构成

4.2激光全息干涉测量

4.2.1单次曝光法

4.2.2二次曝光法

4.2.3时间平均法

4.3激光全息干涉测量的应用

4.3.1位移和形状检测

4.3.2缺陷检测

4.3.3测量光学玻璃折射率的不均匀性

4.4激光散斑干涉测量

4.4.1散斑的概念

4.4.2散斑照相测量

4.4.3散斑干涉测量

4.4.4电子散斑干涉

4.4.5时域散斑干涉

4.5散斑干涉测量的应用举例

习题与思考4

第5章激光衍射和莫尔条纹测量

5.1激光衍射测量基本原理

5.1.1单缝衍射测量

5.1.2圆孔衍射测量

5.2莫尔条纹测量

5.2.1莫尔条纹的形成原理

5.2.2莫尔条纹的基本性质

5.2.3莫尔条纹测试技术

5.3衍射光栅干涉测量

5.3.1衍射光栅干涉测量原理

5.3.2衍射光栅干涉测量系统与技术

5.4X射线衍射测量

5.4.1X射线衍射测量原理

5.4.2X射线衍射测量材料应力

习题与思考5

第6章机器视觉测量

6.1摄像机模型

6.2图像处理技术

6.2.1图像滤波

6.2.2图像增强

6.3结构光视觉测量

6.3.1激光三角法的测量原理

6.3.2结构光视觉测量系统

6.3.3点结构光视觉测量原理

6.3.4线结构光视觉测量原理

6.3.5结构光视觉测量系统的标定方法

6.4双目立体视觉测量

6.4.1数学模型

6.4.2双目立体视觉的标定方法

6.5基于相位的视觉测量

6.5.1相移形貌测量

6.5.2立体相位偏折测量

6.6视觉测量的应用举例

6.6.1基于三维视觉检测技术的白车身三维视觉检测系统

6.6.2基于机器视觉的焊缝宽度测量方法

习题与思考6

第7章激光测速与测距

7.1多普勒效应与多普勒频移

7.2激光多普勒测速

7.2.1激光多普勒测速的基本原理

7.2.2激光多普勒测速技术

7.2.3激光多普勒测速技术的进展

7.3激光测距

7.3.1脉冲激光测距

7.3.2相位激光测距

7.4激光测速和测距应用

7.4.1车载激光多普勒测速

7.4.2空间碎片的激光脉冲测距

7.4.3飞秒光梳色散干涉测距

习题与思考7

第8章光纤传感原理与技术

8.1概述

8.1.1光纤传感的主要类型

8.1.2光纤传感的主要特点

8.2光在波导介质中传输的基本理论及规律

8.2.1光纤的基本结构

8.2.2平板波导介质中的光波模式

8.2.3光在光纤中的传输规律

8.2.4光纤的传输特性

8.3光纤传感

8.3.1强度调制型光纤传感

8.3.2相位调制型光纤传感

8.3.3偏振调制型光纤传感

8.3.4波长调制型光纤传感

8.3.5光纤分布式传感

习题与思考8

第9章激光雷达三维成像技术

9.1激光雷达三维成像原理

9.1.1激光雷达距离方程

9.1.2信噪比

9.1.3可探测距离

9.1.4横向成像参数

9.2激光三维成像雷达技术

9.2.1机械扫描激光成像雷达

9.2.2面阵成像激光雷达

9.2.3固态激光成像雷达

9.2.4非机械扫描激光成像雷达

9.3激光雷达三维成像技术的新发展

9.4激光三维成像雷达的应用

习题与思考9

第10章光学探针测量

10.1微观表面形貌测量

10.1.1微观表面形貌测量技术的发展

10.1.2微观表面三维形貌测量的特点

10.2机械式探针测量

10.2.1机械式探针测量基本原理

10.2.2机械式探针测量系统

10.3光学焦点探测

10.3.1强度式探测方法

10.3.2差动探测方法

10.3.3散光方法

10.3.4Foucault方法

10.3.5斜光束方法

10.3.6共焦方法

10.3.7光学焦点探针的特点

10.4干涉型光学探针测量

10.4.1相移干涉光学探针测量方法

10.4.2扫描差分干涉光学探针测量方法

10.5扫描隧道显微镜

10.5.1扫描隧道显微镜的基本原理与系统结构

10.5.2扫描隧道显微镜的功能

10.5.3扫描隧道显微镜设计的主要考虑因素

10.5.4扫描隧道显微镜的新发展与应用

10.6原子力显微镜

10.6.1AFM的基本硬件组成

10.6.2AFM的工作原理

10.6.3AFM的工作模式

10.6.4AFM在力学测量中的应用

10.7扫描近场光学显微镜

10.7.1扫描近场光学显微技术的基本原理

10.7.2光子扫描隧道显微镜

10.7.3扫描近场光学显微镜的基本结构与系统

10.7.4扫描近场光学显微镜系统的关键技术

10.8扫描探针显微镜

10.8.1NRC的大范围计量型AFM

10.8.2PTB研制的大范围SPM

10.9探针式测量仪器的测量分辨力和量程

习题与思考10

参考文献