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Carefully designed to make information accessible without sacrificing coverage of advanced topics, this book discusses fundamental principles and techniques before exploring practical applications of optical methods. It includes contributions from veterans of the field and up-and-coming researchers. The editor draws on his experience in teaching and industry to provide a resource that both authoritative and practical.
现代光学测量技术：原理、方法与应用 本书旨在为光学工程、物理学、材料科学以及相关领域的研究人员、工程师和高级学生提供一个全面、深入且与时俱进的指南，专注于介绍当前最前沿和最具实用价值的光学测量技术。 本书内容涵盖了从基础的光学成像理论到尖端的三维形貌测量、动态形变分析以及无损检测技术的方方面面。我们致力于构建一个理论深度与工程实践相结合的知识体系，确保读者不仅理解“如何测量”，更能掌握“为何如此测量”背后的物理学原理和数学基础。 --- 第一部分：光学测量基础与成像理论（The Fundamentals of Optical Measurement and Imaging） 本部分奠定了进行精确光学测量的理论基石。我们从经典光学原理出发，逐步过渡到现代光学系统的设计与分析。 第一章：光与物质的相互作用基础 本章详细阐述了光与各种材料（包括透明、半透明、散射和吸收性介质）发生相互作用的物理机制。重点讨论了光的传播、衍射、干涉、散射（包括瑞利散射和米氏散射）的定量描述。特别地，引入了偏振光的理论基础，分析了琼斯矩阵和穆勒矩阵在描述复杂光场偏振态演化中的应用，这对于理解偏振敏感型测量至关重要。 第二章：光学系统的成像与像差理论 精确测量依赖于高质量的成像系统。本章深入探讨了成像系统的基本概念，如光瞳、入瞳、出瞳、视场和放大率。重点分析了常见的几何像差（如球差、彗差、像散和场曲）和物理像差（如色差）。我们不仅会介绍如何使用光线追迹法分析这些像差，还会引入傅里叶光学方法，使用光学传递函数（OTF）和调制传递函数（MTF）来量化成像系统的性能极限。 第三章：数字图像采集与处理基础 现代光学测量几乎都依赖于数字图像传感器。本章详细介绍了CCD和CMOS传感器的基本结构、噪声模型（如暗电流、散粒噪声和读出噪声）以及量子效率（QE）的特性。随后，聚焦于图像处理的基础算法，包括图像增强（如直方图均衡化）、去噪技术（如维纳滤波和小波去噪）以及亚像素定位技术，这些是提高测量分辨率和精度的关键步骤。 --- 第二部分：经典与干涉测量技术（Classical and Interferometric Techniques） 本部分专注于最成熟、应用最广泛的几何测量和表面形貌测量方法，特别是基于光波干涉原理的技术。 第四章：几何光学测量方法 本章介绍利用光束的几何传播特性进行的测量，如投影仪、轮廓仪和自动准直仪。重点分析了轮廓测量仪（Confocal Microscopy）的工作原理，包括其深度分辨率的限制，以及结构光（Structured Light）方法中相位编码和解码的数学模型，用于快速获取三维表面信息。 第五章：基础干涉理论与元件 本章是理解所有干涉测量的核心。详细介绍了干涉的产生条件、相位测量方程以及主要的干涉仪类型（如杨氏双缝、马赫-曾德尔干涉仪）。深入分析了分束器（Beam Splitter）和反射镜的性能对干涉条纹质量的影响。 第六章：表面形貌与形位测量 本章集中探讨如何利用干涉测量技术获取高精度的表面形貌数据。涵盖了相移干涉测量法（Phase-Shifting Interferometry, PSI）的算法（包括三步、四步、五步算法）及其对环境振动和非线性响应的鲁棒性。同时，介绍了用于大尺寸和平坦度测量的Fizeau干涉仪的应用，以及如何通过傅里叶变换干涉测量法（FTI）实现快速、高精度的面形分析。 第七章：薄膜与界面光学特性测量 本章关注于光学薄膜和材料界面的表征。讨论了椭偏仪（Ellipsometry）的基本原理，如何通过测量偏振态的变化来确定薄膜的厚度和折射率，并详细解析了安德鲁斯模型（Andrews Model）和多层膜的复反射系数计算。此外，还涉及布鲁格反射分析法在晶体结构分析中的应用。 --- 第三部分：先进光学测量与动态分析（Advanced Optical Metrology and Dynamic Analysis） 本部分聚焦于近年来发展迅速，能够处理复杂表面、动态过程和高空间分辨率测量的先进技术。 第八章：散斑测量技术 散斑是光与粗糙表面相互作用的必然产物，本章揭示了如何将“噪声”转化为信息。详细阐述了数字散斑相关（Digital Speckle Pattern Interferometry, DSPI）和散斑图案分析（Speckle Pattern Analysis, SPA）技术。重点分析了散斑场在测量表面位移、振动模式和材料应变中的应用，以及如何利用傅里叶域分析来增强测量灵敏度。 第九章：时间/频率域测量方法 本章探讨如何通过时间或频率维度上的调制来提取测量信息。深入分析了激光多普勒测速（Laser Doppler Velocimetry, LDV）原理及其在颗粒流场速度测量中的应用。同时，介绍了扫描激光线光源（Laser Line Scanner）技术，它结合了时间飞行（Time-of-Flight, ToF）与三角测量法的优势，实现了高密度三维重建。 第十0章：共聚焦与衍射层析成像（Confocal and Diffractive Tomography） 本章扩展到光学断层成像领域。详细介绍了激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）的原理，包括其点扫描机制、光截面成像能力以及三维重建算法。对于生物和软材料研究，本章还引入了衍射层析成像（Diffractive Tomography, DT）的概念，利用多角度散射数据重构样品的折射率分布，是无损、高分辨率内部结构分析的关键技术。 第十一章：高精度角度与形变测量 本章专门处理微小角度和形变场测量。介绍了角度测量系统（如用于精密对准的系统）中对角分辨率的优化。在形变分析方面，重点讨论了数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC），包括其双相机配置、子像素插值算法（如B-样条插值）以及在复杂载荷下材料应变场分析中的应用，强调了其对环境依赖性的克服策略。 --- 第四部分：系统集成与应用优化（System Integration and Application Optimization） 本部分关注如何将理论技术转化为可靠的工程系统，并探讨实际应用中的挑战与解决方案。 第十二章：误差源分析与系统标定 任何测量系统的精度都受制于误差源。本章对系统误差进行了分类：系统固有误差（如元件公差、传感器非线性）和环境误差（如温度漂移、气流扰动）。详细介绍了系统标定流程，包括使用标准件进行几何和光学参数的绝对标定，以及如何应用误差补偿算法来提高长期测量的稳定性和可重复性。 第十三章：面向工业应用的优化与实时性 本章讨论了将实验室技术应用于苛刻工业环境（如在线监测、高速制造过程）时需要考虑的关键因素。涉及并行处理架构以实现实时数据采集和分析，以及数据压缩与传输协议的选择。此外，还讨论了如何通过优化光源（如飞秒激光源）和探测器（如高帧率相机）的耦合来适应高速动态事件的测量需求。 第十四章：新型光源与探测技术展望 本章展望了未来光学测量技术的发展方向。讨论了量子光源（如纠缠光子源）在增强测量信噪比和实现超分辨率测量中的潜力。同时，探讨了机器学习与深度学习在光学系统自适应控制、复杂场景下的特征提取以及去伪影（Artifact Removal）中的应用前景，旨在提升现有测量的自动化水平和鲁棒性。 --- 本书的特色在于其对数学建模的严谨性与对实际工程案例的深度剖析相结合。 每章均包含大量的实例推导和实际数据分析流程，帮助读者建立从理论到实践的完整知识链条，是光学测量领域不可或缺的参考与学习资料。
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