第1章光學測量的基礎知識

1.1基本概念、基本方法、應用領域及發展趨勢

1.1.1基本概念

1.1.2誤差與測量不確定度

1.1.3基本構成

1.1.4主要應用範圍

1.1.5基本方法

1.1.6發展趨勢

1.2光學測量中的常用光源

1.2.1光源選擇的基本要求和光源的分類

1.2.2熱光源

1.2.3氣體放電光源

1.2.4固體發光光源

1.2.5激光光源

1.3光學測量中的常用光學器件

1.3.1激光準直鏡

1.3.2分光鏡

1.3.3偏振分光鏡

1.3.4波片

1.3.5角錐稜鏡

1.3.6衍射光柵

1.3.7調制器

1.3.8光隔離器

1.4光學測量中的常用光電探測器

1.4.1常用光電探測器的分類

1.4.2光電探測器的主要特性參數

1.4.3常用光電探測器介紹

1.5光學測量繫統中的噪聲和常用處理電路

1.5.1光學測量繫統中的噪聲

1.5.2光學測量繫統中的常用處理電路

1.6光學測量中的常用調制方法與技術

1.6.1概述

1.6.2機械調制法

1.6.3利用物理光學原理實現的光調制技術

習題與思考1

第2章光干涉測量

2.1光干涉基礎知識

2.1.1光的干涉條件

2.1.2干涉條紋的形狀

2.1.3干涉條紋的對比度

2.1.4產生干涉的途徑

2.2波面干涉測量

2.2.1概述

2.2.2泰曼格林干涉儀

2.2.3移相干涉儀

2.2.4共路干涉儀

2.3激光干涉儀

2.3.1邁克爾遜干涉儀

2.3.2實用激光干涉儀主要部件的作用原理

2.3.3實用激光干涉儀的實際構成和常見光路

2.4白光干涉儀

2.5外差式激光干涉儀

2.5.1概述

2.5.2雙頻激光干涉儀

2.5.3激光測振儀

2.6激光自混合干涉測量

2.7絕對長度干涉計量

2.7.1柯氏絕對光波干涉儀

2.7.2激光無導軌測量

2.8激光干涉測量的重大應用舉例

2.8.1激光干涉測量引力波

2.8.2光刻機工件臺六自由度超精密測量

習題與思考2

第3章激光準直與跟蹤測量

3.1概述

3.1.1激光準直測量基本原理

3.1.2激光準直測量繫統的組成

3.2激光測量直線度原理

3.2.1直線度測量概述

3.2.2激光測量直線度方法

3.2.3直線度測量誤差分析

3.3激光同時測量多自由度誤差

3.3.1滾轉角測量

3.3.2四自由度誤差同時測量

3.3.3五自由度誤差同時測量

3.3.4六自由度誤差同時測量

3.3.5激光跟蹤測量

習題與思考3

第4章激光全息與散斑測量

4.1全息術及其基本原理

4.1.1全息術基本原理

4.1.2全息圖的類型

4.1.3全息設備基本構成

4.2激光全息干涉測量

4.2.1單次曝光法

4.2.2二次曝光法

4.2.3時間平均法

4.3激光全息干涉測量的應用

4.3.1位移和形狀檢測

4.3.2缺陷檢測

4.3.3測量光學玻璃折射率的不均勻性

4.4激光散斑干涉測量

4.4.1散斑的概念

4.4.2散斑照相測量

4.4.3散斑干涉測量

4.4.4電子散斑干涉

4.4.5時域散斑干涉

4.5散斑干涉測量的應用舉例

習題與思考4

第5章激光衍射和莫爾條紋測量

5.1激光衍射測量基本原理

5.1.1單縫衍射測量

5.1.2圓孔衍射測量

5.2莫爾條紋測量

5.2.1莫爾條紋的形成原理

5.2.2莫爾條紋的基本性質

5.2.3莫爾條紋測試技術

5.3衍射光柵干涉測量

5.3.1衍射光柵干涉測量原理

5.3.2衍射光柵干涉測量繫統與技術

5.4X射線衍射測量

5.4.1X射線衍射測量原理

5.4.2X射線衍射測量材料應力

習題與思考5

第6章機器視覺測量

6.1攝像機模型

6.2圖像處理技術

6.2.1圖像濾波

6.2.2圖像增強

6.3結構光視覺測量

6.3.1激光三角法的測量原理

6.3.2結構光視覺測量繫統

6.3.3點結構光視覺測量原理

6.3.4線結構光視覺測量原理

6.3.5結構光視覺測量繫統的標定方法

6.4雙目立體視覺測量

6.4.1數學模型

6.4.2雙目立體視覺的標定方法

6.5基於相位的視覺測量

6.5.1相移形貌測量

6.5.2立體相位偏折測量

6.6視覺測量的應用舉例

6.6.1基於三維視覺檢測技術的白車身三維視覺檢測繫統

6.6.2基於機器視覺的焊縫寬度測量方法

習題與思考6

第7章激光測速與測距

7.1多普勒效應與多普勒頻移

7.2激光多普勒測速

7.2.1激光多普勒測速的基本原理

7.2.2激光多普勒測速技術

7.2.3激光多普勒測速技術的進展

7.3激光測距

7.3.1脈衝激光測距

7.3.2相位激光測距

7.4激光測速和測距應用

7.4.1車載激光多普勒測速

7.4.2空間碎片的激光脈衝測距

7.4.3飛秒光梳色散干涉測距

習題與思考7

第8章光纖傳感原理與技術

8.1概述

8.1.1光纖傳感的主要類型

8.1.2光纖傳感的主要特點

8.2光在波導介質中傳輸的基本理論及規律

8.2.1光纖的基本結構

8.2.2平板波導介質中的光波模式

8.2.3光在光纖中的傳輸規律

8.2.4光纖的傳輸特性

8.3光纖傳感

8.3.1強度調制型光纖傳感

8.3.2相位調制型光纖傳感

8.3.3偏振調制型光纖傳感

8.3.4波長調制型光纖傳感

8.3.5光纖分布式傳感

習題與思考8

第9章激光雷達三維成像技術

9.1激光雷達三維成像原理

9.1.1激光雷達距離方程

9.1.2信噪比

9.1.3可探測距離

9.1.4橫向成像參數

9.2激光三維成像雷達技術

9.2.1機械掃描激光成像雷達

9.2.2面陣成像激光雷達

9.2.3固態激光成像雷達

9.2.4非機械掃描激光成像雷達

9.3激光雷達三維成像技術的新發展

9.4激光三維成像雷達的應用

習題與思考9

第10章光學探針測量

10.1微觀表面形貌測量

10.1.1微觀表面形貌測量技術的發展

10.1.2微觀表面三維形貌測量的特點

10.2機械式探針測量

10.2.1機械式探針測量基本原理

10.2.2機械式探針測量繫統

10.3光學焦點探測

10.3.1強度式探測方法

10.3.2差動探測方法

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光學焦點探針的特點

10.4干涉型光學探針測量

10.4.1相移干涉光學探針測量方法

10.4.2掃描差分干涉光學探針測量方法

10.5掃描隧道顯微鏡

10.5.1掃描隧道顯微鏡的基本原理與繫統結構

10.5.2掃描隧道顯微鏡的功能

10.5.3掃描隧道顯微鏡設計的主要考慮因素

10.5.4掃描隧道顯微鏡的新發展與應用

10.6原子力顯微鏡

10.6.1AFM的基本硬件組成

10.6.2AFM的工作原理

10.6.3AFM的工作模式

10.6.4AFM在力學測量中的應用

10.7掃描近場光學顯微鏡

10.7.1掃描近場光學顯微技術的基本原理

10.7.2光子掃描隧道顯微鏡

10.7.3掃描近場光學顯微鏡的基本結構與繫統

10.7.4掃描近場光學顯微鏡繫統的關鍵技術

10.8掃描探針顯微鏡

10.8.1NRC的大範圍計量型AFM

10.8.2PTB研制的大範圍SPM

10.9探針式測量儀器的測量分辨力和量程

習題與思考10

參考文獻

光學測量為精密測試領域注入了新的活力，它與現代電子技術相結合，具有非接觸、精度高、速度快、信息量大、效率高、智能化程度高等突出特點，已廣泛應用於工業、國防、醫學、交通、計量和空間科學等諸多領域，展現出獨特的優勢和強大的生命力。

本書以光學測量原理、方法與技術為主線，全面介紹了光學測量涉及的基本理論、測量原理、方法以及關鍵技術等，通過各種具體光學方法的典型應用加深讀者對光學測量的理解與掌握。本書既注重基本概念和基本原理，又將理論與應用緊密結合，並突出近年來光學測量的最新科研成果及發展趨勢，具有較高的使用及參考價值。

本書在《光學測量技術與應用》的基礎上，根據近年來光學測量的最新發展，增加了具有量大面廣應用場景的機器視覺測量、激光雷達成像測量、光學探針測量等內容。為加強對本書知識的掌握，每章增加了習題與思考部分。

全書共10章，第1章從光學測量的基本概念入手，講述光學測量的發展現狀與趨勢、光學測量方法的分類以及測量繫統的基本構成； 第2~5章分別介紹光干涉測量、激光準直與跟蹤測量、激光全息與散斑測量、激光衍射和莫爾條紋測量； 第6章介紹機器視覺測量； 第7章介紹激光測速與測距； 第8章介紹光纖傳感原理與技術； 第9章介紹當前在自動駕駛和航天遙感等領域發揮重要作用的激光雷達三維成像技術； 第10章介紹應用於微觀表面形貌測量的光學探針測量。

本書可作為高等院校光電信息科學與工程、測量與控制、光學工程、儀器儀表、機械電子工程、自動化等專業本科生的教學用書，也可供從事相關專業的科研技術人員學習閱讀。北京交通大學馮其波教授任本書主編，制定全書內容主線、章節結構； 李家琨副教授為副主編，協助馮其波教授具體組織各章節編寫，並提煉應用案例。第1~3章由馮其波教授編寫； 第4章和第5章由張斌教授編寫； 第6章由邾繼貴教授編寫； 第7章由高瞻教授編寫； 第8章由畢衛紅教授編寫； 第9章由匡翠方教授編寫； 第10章由李家琨副教授編寫。何啟欣副教授和李寧、張海峰、張瑩、伍李鴻、胡凱鋒等研究生為本書的編寫付出了辛勤的勞動，在此表示感謝。同時，感謝清華大學出版社的熱情幫助及辛勤的編輯出版工作。

在本書的編寫過程中參閱了許多國內外文獻，這些文獻的研究成果使本書內容更加豐富，在此向有關作者表示感謝。

限於水平，書中難免存在不足之處，敬請廣大讀者批評指正，以便再版時改進。

編者2023年9月