深圳大学光学测量技术与应用研究生考试题包含考题和解答.docx

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深圳大学光学测量技术与应用研究生考试题包含考题和解答

第一章光学测量的基本知识

光学测量系统的主要组成部分：

常用光源、探测器与处理电路、调制方法等

任一测量系统组成部分：

（被测对象）传感器信号调理数据显示与记录（观察者）

光学测量系统的基本组成部分:

光源、被测对象与被测量、光信号的形成与获得、光信号的

转换、信号或信息处理

光学测量的主要应用范围：

辐射度量和光度量的测量非光物理量的测量光电子器件与材料及光电子系统特性的测试

光学测量方法的优点:

非接触性、高灵敏度、高精度

光学测量技术主要特点:

非接触性、高灵敏度、三维性、快速性与实时性

技术现状（近代光学测量系统的主要特点）:

从主观光学发展为客观光学，用光电探测器取代，提高测量精度和与效率。

用激光光源来取代常规光源，获得方向性极好的实际光束。

从光机结合的模式向光机电一体化的模式转换，实现测量与控制的一体化。

发展方向：

1.亚微米级、纳米级的高精密光学测量方法将优先得到发展，利用新的物理学原理和光电子学原理产生的光学测量方法将不断出现2.以微细加工技术为基础的集成光学及其它微传感器将成为技术的主流方向3.3D测量技术取得突破，发展带存储功能的全场动态测量仪器4.发展闭环式光学测量技术，实现光学测量与控制的一体化5.发展光学诊断和光学无损检测，取代常规的无损检测方法

光学测量方法分类：

相位检测、时间探测、谱探测、衍射法、图像探测、各种物理效应

方法选择依据：

被测对象与被测量、测量范围、测量的灵敏度或精度、经济性、环境要求

光源选择的基本要求：

对光源发光光谱特性的要求对光源发光强度的要求对光源稳定性的要求

光源的分类：

按光辐射来源不同，分为自然光源和人工光源。

按工作原理不同，人工光源大致分为热光源，气体放电光源，固体光源和激光光源。

通常把能发出可见光的物体叫做光源，把能发出不可见光的物体叫做辐射源。

激光器：

利用受激发射原理和激光腔的滤波效应。

主要特点:

有极小的光束发散角，方向性好和准直性好激光的单色性好，或者说相干性好功率密度很高

分类：

按工作物质的不同分为气体激光器、固体激光器、半导体激光器

半导体激光器优点：

体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率

光电探测器：

把光辐射量转换为电量的光探测器。

光电探测器的物理效应：

光子效应、光热效应

光子效应：

指单个光子对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

直接引起原子或分子内部电子状态的改变。

响应速度一般比较快，光子效应分为外光电效应（光电发射效应）和内光电效应。

内光电效应又分为光电导效应和光伏效应。

光电导效应:

若光照射到某些半导体材料上时。

透过表面到达材料内部的光子能量足够大。

某些电子吸收光子能量后从原来束缚态变成导电的自由态。

这时在外电场的作用下，流过半导体的电流增大，即半导体的电导增大。

这种现象叫光电导效应。

光生伏特效应:

光赵零偏pn结产生开路电压的效应。

光热效应:

探测元件吸收光辐射能量后，把吸收的光能变为晶格的热运动能量。

常用光电探测器：

光电倍增管、光电导器件、光伏探测器（pin硅光电二极管、异质结光电二极管、雪崩光电二极管位置敏感探测器psd（横向结构式的psd四象限光电二极管）光电三极管、热电探测器（测量辐射量）

CCD像传感器：

功能：

1.电荷的收集2.电荷的转移3.将电荷转换成可测量的电压值

优点：

体积小、重量轻、较高的空间分辨率

应用领域：

图像传感、信号处理、数字存储（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）

噪声：

测量系统中任何虚假的和不需要的信号统称为噪声（干扰有用信息，影响了测量系统的准确性和可靠性）

外部干扰噪声：

可分为人为干扰（来自电器电子设备，如电磁干扰）和自然干扰（如自然光对光学测量的影响）。

内部噪声：

可分为人为噪声（50Hz干扰和寄生反馈造成的自激干扰等）和固有噪声（由于系统各元器件中带电微粒不规则运动的起伏所造成的，如热噪声、散弹噪声）。

光学测量系统中的常用电路:

前置放大器（将光电探测器接收到的微弱信号转换成电信号）、选频放大器（为突出信号和抑制噪声）、相敏检波器（抑制干扰和噪声）、相位检测器、鉴频器、积分微分运算器、锁相环及锁相放大器

调制:

将直流信号转换为特定形式的交变信号

调制光信号的优点：

1.减少自然光和杂散光对测量结果的影响2.消除光电探测器暗电流对检测结果的影响3.实现高精度的检测

光电信号调制的途径:

1.对光源发光进行（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）调制2.对光电器件产生的光电流进行调制3.在光源与光电器件的途径中进行调制。

激光调制：

把欲传输的信息加载到激光辐射的过程。

激光起到携带低频信号的作用，称为载波。

调制的激光称为已调制波或已调制光。

内调制：

在激光振荡过程中加载调制信号

外调制：

在激光形成后，再用调制信号对激光进行调制

机械调制法：

利用物理光学原理实现的光调制技术。

主要包括干涉原理，电光效应，磁光效应，声光效应。

电光调制，声光调制，磁光调制，光源直接调制。

第二章光干涉技术

光的干涉:

在两个或多个光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分界的现象。

（波动性的重要特征）

产生干涉的条件:

频率相同，振动方向相同，相位差恒定。

补充条件:

两叠加光波的光程差不超过光波的波列长度。

干涉条纹的对比度:

表征了干涉场中某处条纹亮暗反差的程度。

影响干涉条纹对比度的主要因素:

两相干光束的振幅比、光源的大小、光源的单色性

空间相干性:

若通过光波场横方向上两点的光在空间相遇时能够发生干涉，则称通过空间这两点的光具有空间相干性。

时间相干性:

若光源某一时刻发出的光在相干时间△t内，经过不同的路径相遇时能够产生干涉，称光的这种相干性为时间相干性。

相干时间:

光通过相干长度所需的时间称为相干时间。

产生干涉的途径:

分波阵面、分振幅、分偏振方向

分波阵面:

分波阵面就是将一个点光源所发出的波阵面，经过反射和折射，分成两个或多个波阵面，使其在重叠区域产生干涉。

分振幅:

将一束光的振幅分成两个或多个部分，使其在重叠区域产生干涉。

分偏振方向:

分偏振法就是通过偏光分（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）光器将一束光分成偏振方向相互垂直的两个部分，通过一个检偏器使其在偏振方向相同的叠加区域产生干涉。

像差:

由实际光路与理想光路之间差别而引起的成像缺陷，它反应为实际像的位置和大小与理想像的位置和大小之间的差异。

色差:

白光是不同波长的单色光所组成的。

它们对于光学介质具有不同的折射率，因而白光进入光学系统后就会因色散而有不同的传播光路，形成复色像差。

这种由不同色光的光路差别引起的像差称为色差。

光学系统性能评价方法:

使用像差评价技术，采用分辨率板来测试光学系统的性能指标，使用性能测试来评价光学系统（采用基于光学干涉的方法来测量光学系统的波前质量，因为光学干涉方法测量灵敏度高、容易实现测量自动化、得到的干涉图样容易解释）

迈克尔逊干涉仪：

是激光干涉仪的基础。

测长原理:

若起始时双光束光程差为零，则当测量镜M2沿光轴方向位移l距离时，两光产生程差2l，由亮纹条件可知2l=kλ，式中k为干涉级次。

因此，测量镜每移动半个波长的距离，光电接收器D接收到的干涉场固定点上的条纹级次就变化1。

也即有一个亮条纹移过。

输出移过该点的亮条纹数目就可求出被测长度，即L=Nλ/2（N为D接收到的干涉场固定点明暗变化次数）。

（平行时等倾条纹，构成楔形空气平板时等厚条纹）

实用激光干涉仪：

稳频激光器、干涉仪本体以及光电信号接收与处理部分。

提高激光干涉仪分辨率的途径:

电路倍频，光路倍频，x射线干涉仪。

白光干涉仪优点:

不存在λ/2的测量盲区，（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）测量装置能够应用于不连续表面。

外差式激光干涉仪：

产生激光外差干涉的途径:

双频激光器，声光调制器，电光调制与磁光调制。

激光多自由度同时测量技术：

直线度测量，偏摆角和俯仰角度的测量，滚转角测量。

第三章激光全息测量与散斑测量技术

全息术:

能同时记录物体的振幅和相位的全部信息，利用光的干涉和衍射原理，将物体发射的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下使其再现，形成原物体逼真的三维像。

波前记录:

使物体散射波与一参考波在记录介质上相干涉，产生干涉条纹。

干涉条纹经曝光记录在介质上，即可完整记录包括物体振幅和相位的波前信息，经过显影处理后的记录介质称为全息图，具有复杂的光栅结构。

（波前记录依据的是干涉原理。

全息图上的强度分布记录了物光波的振幅和相位信息，他们分别反应了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。

）

波前再现:

用原来记录时的参考光照射全息图，记录时被“冻结”的波前从全息图上“释放”出来，继续向前传播，从而再现出物体三维图像。

（波前在线依据的是衍射原理，再现光波经过全息图衍射后出现衍射场。

含有三种主要成分，即物光波＋1级衍射波，物光波的共轭波－1，再现光波的直接透射光0。

）

按照全息原理，全息图实质上是物光和参考光叠加所产生的干涉条纹的记录。

全息图分类:

按制作全息图的方法分为光学记录全息图和计算机制作全息图。

按复振幅透过系数分为振幅全息图（实函数）和相位全息图（复数）。

按全息图中干涉条纹的结构与观察方式分为透射全息图和反射全息图。

按记录介质厚度分为平面全息图和体积全息图。

按记录介质相对物体的远近分为菲涅尔全息图和夫琅禾费全息图。

按参考光波与物光波主光线是否同轴分为同轴全息图和离轴全息图。

记录介质处于物光和参考光的同轴方向上获得的全息图称为同轴全息图，再现时，原始像和共轭像在同一光轴上不能分离，两个像相互重叠，产生所谓的“孪生像”，这是同轴全息图的缺点。

为了克服这一缺点，用与物光成一定角度的倾斜参考光所获得的全息图称为离轴全息图。

全息基本设备:

激光器、全息记录与再现系统、记录介质、干板处理装置和干涉条纹处理装置。

全息干涉方法:

二次曝光法、单次曝光法、时间平均法。

激光全息干涉测量技术的应用:

位移和形状检测、缺陷检测、测量光学玻璃折射率的不均匀性。

（位移测量，振动测量，变形测量，应力测量以及缺陷检测）

散斑:

激光照射在具有漫反射性质的物体的表面，（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）根据惠更斯原理，物体表面每一点都可以看成一个点光源，从物体表面反射的光在空间相干叠加，就会在整个空间发生干涉，形成随机分布的亮斑与暗斑，称为激光散斑。

形成散斑所需条件:

⑴必须有能发生散射光的粗糙表面，为了使散射光较均匀，粗糙表面的深度必须大于波长。

⑵入射光线的相干度要足够高，因此常常使用激光。

散斑的横向尺寸指的是散斑的最小尺寸。

无透镜散斑：

由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的散斑

主观散斑：

对散斑成像

处理散斑图底片得到位置量值的方法:

逐点分析法、全场分析法。

激光散斑干涉按位移测量的方法:

测量离面位移的散斑干涉法，测量面内位移的散斑干涉法以及测量离面位移梯度的散斑剪切干涉法。

电子散斑干涉测量（ESPI）工作原理:

利用视频技术记录下载有被测物光场信息散斑干涉图，通过对变形或位移前后的两个散斑干涉图进行电子减或加，以及滤波处理分离出二者之间的变形信息，并以条纹形式显示出来。

第四章激光衍射测量和莫尔条纹技术

光的衍射:

光波在传播过程中遇到障碍物而发生偏离直线传播，并在障碍物后的观察屏上呈现光强不均匀分布的现象。

菲涅尔衍射:

光源和观察屏到衍射物的距离有限，又称为近场衍射。

夫琅禾费衍射:

即光源和观察屏都离衍射物无限远，又称为远场衍射。

单缝衍射测量原理:

用激光束照射被测物与参考物之间的间隙，将形成单缝远场衍射条纹。

波长为λ，狭缝宽度为b，衍射条纹的光强分布为I=Io（sin²α/α²）

式中α=（πb/λ）sinθ，θ为衍射角，Io是中央亮条纹中心处的光强。

当α=0，±π，±2π，…±Nπ时，I=0，衍射呈现暗条纹。

测定任一级暗条纹的位置或变化就可以精确知道被测间隙b的尺寸及尺寸的变化。

单缝衍射测量方法:

间隙测量法、分离间隙测量法、互补测量法

单缝衍射测量的技术特性:

灵敏度高、精度有保证、测量量程较小（缺点）。

莫尔条纹:

两种条纹叠加在一起所产生的图形。

形成原理:

⑴遮光原理（适用于光栅条纹较疏），认为莫尔条纹源于一块光栅的不透光线纹对于另一光栅透光缝隙的遮挡作用。

几何法，序数方程法

⑵衍射干涉原理（适用于光栅条纹较密），认为由条纹构成的新的亮度分布，可按衍射波之间的干涉结果来描述。

⑶傅里叶变换原理（广义的解释），可按傅里叶变换原理，可按傅里叶变换原理把光栅副透射光场分解为不同空间频率的离散分量，（资料是免费的，希望没人拿去再卖给别人）莫尔条纹由低于光栅频率的空间频率项所组成。

莫尔条纹的基本性质:

放大性、同步性、准确性。

莫尔条纹测试技术:

莫尔条纹测量位移、莫尔偏折法测量光学系统焦距、莫尔轮廓术测量三维物体形貌（阴影、投影、扫描）

五光学三维测量技术

三维测量技术：

分为宏观三维形状测量技术、微观三维形貌测量技术。

三维形状测量：

接触式测量、非接触式测量

接触式测量的典型代表是坐标测量机（coordinatemeasuringmachine,CMM），CMM三坐标测量机优点灵活性强，测量精度高且可靠，智能化程度高。

缺点是测量速度慢，对环境要求较高。

非接触式测量法：

非接触式三维形状测量技术包括微波技术（三角法），光波技术（干涉法），超声波技术（飞行时间法）

主动宏观三维形状测量技术：

采用结构照明的主动三维测量具有如下优点，测量精度高，快速全场测量，结构简单，易于实现

主动三维形状测量系统组成部分：

投影系统、图像接收系统、信息解调系统

基本结构照明方式：

点结构照明、线结构照明、面结构照明。

激光三角法测量物体三维形状。

单点式激光三角法：

直射式、斜射式

相位测量技术：

相位测量轮廓术、傅立叶变换轮廓术。

三维形状测量是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术。

光学三维形状测量技术的应用：

工业领域、虚拟现实、文化遗产保护、服装制作

焦点探测方法：

强度式、差动法、临界角、散光法、斜光束法

干涉测量技术：

相移干涉测量方法、扫描差分干涉测量方法

六激光测速与测距技术

多普勒效应：

接收器接收到的频率有赖于波源或观察者运动的现象。

激光多普勒测速技术优点：

属于非接触式测量，测速精度高、空间分辨率高、测速范围广、动态响应快、方向灵敏度好

激光多普勒信号的特点：

1.信号频率在一定范围内变化，是一个变频信号2.信号幅值按一定规律变化3.信号是随机的、断续的

激光多普勒信号处理方法：

1.频谱分析方法2.频率跟踪方法3.计数器处理技术4.滤波器组分析法5.光子相关技术6.计算机

差动多普勒技术：

双光束散射法，单光束双散射法

脉冲激光测距系统：

脉冲激光发射系统、接收系统、门控系统、时钟脉冲振荡器及计数显示电路。

整理人：

袁、周