第1讲 近代光学测试绪论
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近代光学复习大纲剖析
Chap 2 光的干涉
一、干涉及干涉条件
1、干涉的概念
2、产生干涉的条件及实现光束干涉的基本方法（即获得相 干光的方法）
3、条纹的对比度
二、双光束干涉
分波面法双光束干涉
➢实验装置 ➢干涉原理
分振幅法双光束干涉 ➢干涉图样特点
1、杨氏双缝干涉
1）干涉性质：分波面干涉
2）实验装置
3）干涉公式及条纹特点
消去 t
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
Ey E0 y
cos
sin2
y
x
相位差φ和振幅比Ey／ Ex 的不同，决定了椭圆形状和空间取向的 不同，从而也就决定了光的不同偏振态。
讨论：(1)线偏振光 m (m 0, 1, 2, ...)
E y E0 y eim Ex E0x
E
E0
cos(t
k
r
0
)
复数形式： 复振幅形式：
E
E ei(tkr 0 0
)
E~
E ei(kr0 ) 0
球面光波
三角函数表示： E A1 cos t kr
r
其复数形式为
E
A1 r
exp i
t
kr
复振幅为 柱面光波
E A1 eikr r
复数表示： E A e 1 i(tkr) r
Chap 3 光的衍射
1、什么是光的衍射？ 2、衍射系统的组成和分类 3、惠更斯原理的表述。 4、菲涅尔衍射公式（近似条件、坐标系的建立） 5、夫琅和费衍射公式（近似条件、坐标系的建立）
6、矩形孔的夫琅和费衍射
1）光强分布
E~(x, y) C b/2 b / 2
近代光学测试技术
近代光学测试技术随着激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现与发展，光学测试技术无论从测试方法、原理、准确度、效率，还是适用的领域范围都得到了巨大的发展，是现在科学技术与社会生产快速发展的重要技术支撑和高新技术之一。
光学测试技术的复杂性随着科学的发展而日渐增加，大量需要处理的数据更加远离使用者的直观感觉。
因此必须发展面向科学实践的、能对现代光学测试技术产生深入的了解其中运用先进的实验手段和方法来开展内燃机缸内燃烧过程的研究，获得缸内燃咦产焰的有关信息(例如温度场·浓度场·速度场)，具有十分重要的学术价值和广阔的应用前景。
内燃机缸内燃烧的光学测试方法是目前最有效的研究手段之一，在国内外得到越来越广泛的运用。
采用这种方法来研究内燃机的燃烧过程，能够进一步加深对燃烧过程的理解，为燃烧系统的评价和改进提供依据，对于指导内燃机燃烧系统的设计，提高内燃机工业整体水平具有重要的现实意义。
在内燃机燃烧的各种光学测试方法中，主要有双色法(Two一ColorMethod)、全息法(Holo脚phMeth-od)、吸收光谱法(Abso甲tionSpeetroseopyMeth-od)、激光诱导荧光法(肠ser一IndueedFluores-cenceSpectroscopy，简称LIF法)、喇曼散射光谱法(RamanSeatteringSpeetroseopy)和相干反斯托克斯光谱法(CoherentAnti一StokesRamanscattering，简称CARS法)等。
这些光学测试方法的应用，使内燃机缸内燃烧的研究向微观化、定量化和可视化方向发展[z]。
双色法双色法是一种传统的测高温的方法。
热辐射是自然界中普遍存在的现象，一切物体，只要其温度高于绝对零度，都要不同程度地产生辐射。
双色法的基本原理在于，通过测量两个波长的发光强度拟合黑体辐射曲线，从而可以推断物体的温度。
近代光学测试技术
原理； 方法及应用： ●功能型光纤传感器的应用；非功能型光纤传感器的应用； ◎光纤实用技术 ○国内外光纤传感器研究动向； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 7．光谱技术 基础原理： ●激光光谱学和激光光谱技术；激光喇曼光谱技术；激光荧光光谱分析；激光原子吸收光谱分析； ◎激光微区光谱分析； 方法及应用： ●激光光谱技术的应用；大气污染监测；激光光声光谱技术；超短光脉冲光谱技术； ◎光电流光谱技术； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 8．光扫描技术 基础原理： ●激光扫描计量技术原理；位相调制扫描技术；光扫描定位技术； ◎表面特征检测的扫描技术；反射光检测法；散射光检测法；扫描频谱分析法；
方法及应用： ○光扫描技术的其他应用；三维扫描技术；无定向激光扫描； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 9．激光多普勒技术 基础原理： ●激光多普勒技术；激光多普勒测速技术原理及特点； 激光多普勒信号处理系统 ○流速方向判别和多维测量）； 方法及应用： ●激光多普勒技术的应用；管道内水流的测量；激光测量二相流；血液流动的研究 ○丙烷气火焰流速的测量；大气风速测量；固体表面速度的测量；振动的测量 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 10．光学纳米技术 基础原理： ●纳米传感技术；扫描测试系统；扫描隧道显微镜；原子力显微镜； 方法及应用： ●纳米测量技术的应用； ○纳米测量的几个问题 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 11．拓展知识 基础原理：： ●同步辐射光技术原理； 方法及应用： ●同步辐射光的应用 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定
大连海事大学 《近代光学测试技术》课程教学大纲
Syllabus for INTRODUCTION OF MODERN OPTICAL MEASURING & TESTING TECHNIQUE
方法及应用： ○光扫描技术的其他应用；三维扫描技术；无定向激光扫描； 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 9．激光多普勒技术 基础原理： ●激光多普勒技术；激光多普勒测速技术原理及特点； 激光多普勒信号处理系统 ○流速方向判别和多维测量）； 方法及应用： ●激光多普勒技术的应用；管道内水流的测量；激光测量二相流；血液流动的研究 ○丙烷气火焰流速的测量；大气风速测量；固体表面速度的测量；振动的测量 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 10．光学纳米技术 基础原理： ●纳米传感技术；扫描测试系统；扫描隧道显微镜；原子力显微镜； 方法及应用： ●纳米测量技术的应用； ○纳米测量的几个问题 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定 11．拓展知识 基础原理：： ●同步辐射光技术原理； 方法及应用： ●同步辐射光的应用 案例： ●◎○符合教学要求的诸多例题，不限定
大连海事大学 《近代光学测试技术》课程教学大纲
Syllabus for INTRODUCTION OF MODERN OPTICAL MEASURING & TESTING TECHNIQUE
绪论近代光学测试技术
光纤传感测量技术应用
广泛应用于结构健康监测、石油化工、航空航天等领域。
光谱分析测量技术
光谱分析测量原理
利用物质对光的吸收、发射或散射作用，通过测量光谱信息来分析物质的成分、结构或状 态。
光谱分析测量系统组成
包括光源、光谱仪、样品室、光电探测器、信号处理器等部分。
光谱分析测量技术应用
广泛应用于化学分析、生物医学、环境监测等领域。例如，通过红外光谱分析可以鉴定有 机化合物的结构和官能团；通过拉曼光谱分析可以研究物质的振动和转动能级；通过荧光 光谱分析可以检测生物样品中的荧光物质等。
在环境监测中的应用
大气污染监测
运用差分吸收光谱、激光雷达等技术，实时监测大气中的污染物浓 度、分布及传输过程。
水质监测
采用光谱分析、荧光分析等方法，对水体的化学需氧量、重金属离 子等污染物进行快速、准确的检测。
生态环境评估
利用遥感技术、地理信息系统等手段，对生态环境进行大范围、长 期的监测和评估，为环境保护和治理提供科学依据。
在生物医学中的应用
生物组织成像
运用光学显微镜、共聚焦显微镜等技术，对生物组织进行高分辨率 成像，观察细胞、组织等微观结构。
生物分子检测
利用荧光光谱、拉曼光谱等方法，对生物分子进行特异性检测，实 现疾病诊断、药物筛选等应用。
生物医学光学治疗
通过激光、光动力等手段，对病变组织进行局部治疗，具有非侵入性、 副作用小等优点。
测试成本的降低
随着市场竞争的加剧，降低光学测试技术的成本对于推广其应用具有重要意义。如何在保证测试性能的 前提下降低成本是当前需要关注的重要问题。
未来发展方向预测
01超精密光学测试技术随着光学器件性能的不断提升，对超精密光学测试技术的需求将不断增
广泛应用于结构健康监测、石油化工、航空航天等领域。
光谱分析测量技术
光谱分析测量原理
利用物质对光的吸收、发射或散射作用，通过测量光谱信息来分析物质的成分、结构或状 态。
光谱分析测量系统组成
包括光源、光谱仪、样品室、光电探测器、信号处理器等部分。
光谱分析测量技术应用
广泛应用于化学分析、生物医学、环境监测等领域。例如，通过红外光谱分析可以鉴定有 机化合物的结构和官能团；通过拉曼光谱分析可以研究物质的振动和转动能级；通过荧光 光谱分析可以检测生物样品中的荧光物质等。
在环境监测中的应用
大气污染监测
运用差分吸收光谱、激光雷达等技术，实时监测大气中的污染物浓 度、分布及传输过程。
水质监测
采用光谱分析、荧光分析等方法，对水体的化学需氧量、重金属离 子等污染物进行快速、准确的检测。
生态环境评估
利用遥感技术、地理信息系统等手段，对生态环境进行大范围、长 期的监测和评估，为环境保护和治理提供科学依据。
在生物医学中的应用
生物组织成像
运用光学显微镜、共聚焦显微镜等技术，对生物组织进行高分辨率 成像，观察细胞、组织等微观结构。
生物分子检测
利用荧光光谱、拉曼光谱等方法，对生物分子进行特异性检测，实 现疾病诊断、药物筛选等应用。
生物医学光学治疗
通过激光、光动力等手段，对病变组织进行局部治疗，具有非侵入性、 副作用小等优点。
测试成本的降低
随着市场竞争的加剧，降低光学测试技术的成本对于推广其应用具有重要意义。如何在保证测试性能的 前提下降低成本是当前需要关注的重要问题。
未来发展方向预测
01超精密光学测试技术随着光学器件性能的不断提升，对超精密光学测试技术的需求将不断增
01 近代光学测试技术绪论
非球面干涉图
10.6um泰曼型红外干涉仪
68
600mm近红外平面移相干涉仪
目前国内最大口径的近红外干涉仪
69
600mm可见光平面移相干涉仪
大口径矩形镜面形检测
730mm镜面检测
SiC镜面工序检测
干涉仪系列产品
各种口径数字移相干涉仪
2014.11.12
干涉成像光谱仪
复原的高光谱图像
自适应光学系统工作原理
像差波前
分光镜 控 制 系 统
变 形 镜
哈 特 曼 波前传感器
校正后波前
目标像探测
实现仪器化的人眼视网膜 高分辨力成像仪（2004年）
对人眼校正前后波前误差测量实例
校正前：PV =2.796 RMS=0.654
校正后： P V = 0.454
RMS= 0.09
黄斑区视觉细胞成像及其特性
/opticalmetrolog y.html
大口径光学镜面的检测
College of Optical Sciences，University of Arizona
Figure 1. LAMOST telescope, showing corrector plate (inside dome), primary (in nearer tower) and prime focus
修复哈勃
HST主镜：2.4m 补偿镜的偏差 主镜边缘与理论 值相差2微米
哈勃望远镜修复前后
JWST的模型检测实验系统
Phase Retrieval for JWST
2012年10月，8.4m镜面磨 制完成，表面精度低于19nm。 将构成25m超级望远镜（大 麦哲伦望远镜GMT）。 如何检测？
近代光学实验讲义
实验8基于线扩散函数测量光学系统MTF值8.1 引言光学传递函数理论是在傅里叶分析理论的基础上发展起来的。
最早在1938年，德国人弗里塞对鉴别率法进行了改进，提出用亮度呈正弦分布的分划板来检验光学系统，并且证实了这种鉴别率板经照相系统成像后像的亮度分布仍然是同频率的正弦分布，只是振幅受到了削弱。
1946年法国科学家P.M.Duffheux正式出版了一本阐述傅立叶方法在光学中的应用的书，并首次提出传递函数的概念，从此开拓了像质评价的新领域。
8.2 实验目的1.学习了解光学传递函数理论；2.光学调制传递函数（MTF）测量。
8.3 实验原理调制传递函数（Modular Transfer Function，简称MTF）是信息光学领域引入的概念。
光学成像系统作为最基本的光学信息处理系统，可以用来传递二维的图像信息。
对于一个给定的光学系统而言，输入图像信息经过光学系统后，输出的图像信息取决于光学系统的传递特性。
由于光学系统是线性系统，而且在一定条件下还是线性空间不变系统，因此可以沿用通信理论中的线性系统理论来研究光学成像系统性能。
对于相干与非相干照明下的衍射受限系统，可以分别给出它们的本征函数，把输入信息分解为由这些本征函数构成的频率分量，并考察每个空间频率分量经过系统后的振幅衰减和相位移动情况，可以得出系统的空间频率特性，即传递函数。
这是一种全面评价光学系统传递光学信息能力的方法，当然也可以用来评价光学系统的成像质量。
与传统的光学系统像质评价方法(如星点法和分辨率法)相比，用光学传递函数方法来评价光学系统成像能力更加全面，且不依赖于观察个体的区别，评价结果更加客观，有着明显优越性。
随着近年来微型计算机及高精度光电测试工具的发展，测量光学传递函数的方法日趋完善，已成为光学成像系统的频谱分析理论的一种重要应用。
另外，光学成像系统的传递函数分析方法作为光学信息处理技术的理论基础，有得于推动光学信息处理技术在信息科学中得到广泛的应用。
《实验应力分析》--近代光测
I ku u ka kae
2
i ( t 0 )
ae
i ( t 0 )
1、记录过程
设投射到全息底片上的物光光波方程为：
u0 a0e
i ( t 0 )
投射到全息底片上的参考光光波方程为：
u a e
i ( t )
当物光与参考光同时到达全息底片上，合成光波为：
2、冲洗
设曝光时间为t ，则底片上接受的曝光量为： E
It
底片经显影定影处理后，当光线射到底片上时，一部分 光透射，一部分光吸收，设振幅透射率为T，其定义 为：
透射光的振幅 T 入射光的振幅
在一定的曝光量范围内，振幅透射率T与曝光量E成线 性关系，取比例常数为1，
T E It
3、再现
i ( 2 0 )
零级衍射波 —— 通过全息底片后仍沿参考光方向传播， 只是振幅有所变化。
(a a )a e
2 0 2
i
+1级衍射波 —— 通过全息底片后与原物光的传播方向一致， 是物光的再现， 构成物体的虚像
a0a e
2 i0
-1级衍射波 —— 通过全息底片后沿原物光的共轭光波 方向传播。
(2 N 1)
N d 2 cos
测面内位移一般不用全息干涉法，因还有其它较简单的方法测面内位移
2、实时法
随时观察实验结果，即一边做实验一边观察实验结果。 （1）预暴光—— 先将物体未变形时的原始状态作一次暴光， 记录在全息干板上。 （2）冲洗—— 全息干板经显影定影处理后，准确地放回原位。
第四篇
近代光测力学
60年代由于激光的出现为近代光测力学的发展奠定了基础。
全息干涉法 散斑法
第一讲光干涉技术a2011
对干涉测量影响大的CO2激光器主要涉及 短腔长密封型和波导型激光器，它们的特 点除可用选模法获得多种谱线外，还可以 用作光外差干涉术中的本振激光器。
干涉测量的相关技术-空气折射率测量
• 间接测量法 设P0＝101325Pa，t0＝20oC，f0＝1333Pa为正 常工作状态，由下式可以得到空气折射率的变化 量
∆L L1
λ1 λ2
L2
aλ1 = L1 + ∆L1 − L2 bλ2 = L1 + ∆L1 − L2
(a + m1 )λ1 = L1 + ∆L2 − L2 (b + m2 )λ2 = L1 + ∆L2 − L2
λ1 m2 = λ2 m1
1、采用迈克尔孙干涉仪测量波长（精确测量， 需事先知道波长的大致范围，以选择接收器） 两束激光同时进入迈克尔孙干涉仪，并采用两个 接收器分别接收两种波长的干涉信号，经过电路 信号处理后分别得到两组脉冲，每个脉冲都对应 于正弦信号的负向过零点 当连续移动测量镜时，总是可以找到使两组脉冲 正好重合的某个位置。分别记录相邻的这样两个位 置间两个接收器的脉冲数，便可得到两种激光波长 整数干涉级次m1与m 2之比值。所以比对的两激光 真空波长比为：
改善相干性措施
•用空间滤波方法改善光源的空间相干性（如采用 针孔衍射)，用透镜收集零级衍射斑内的光束，从 而产生空间相干光束。 •通过选模、锁模、稳频等方法获得时间相干性好 的光束。
光波的数学表达式
沿z轴方向传播的平面波
Z
A ( z ) = Beikz
会聚球面波
O
A(r ) = B
e
− ikr
r
• 直接测量法
L(n-1)=Mλ/ 64 L玻璃管的长度、n为空气的折射率，λ真空中的波 长，M为条纹移动的个数。 64为对应电信号的放大倍数。 灵敏度要求为∆n/∆M=10e（-8）时，L为1m。
光学教程绪论什么是光学及光学发展史
三、光学的发展简史
波动光学时期： 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重
要的作用，它指出光和电磁现象的一致性，使人 们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。
光速的测定。
物理学大厦：力、热、电磁、光——两朵乌云： 热辐射、迈克尔逊—莫雷实验（以太）
三、光学的发展简史
量子光学时期： 20世纪初~
绪论 INTRODUCTION
主要内容
一、什么是光学 二、光学的研究对象 三、光学的发展简史 四、光学的特点
一、什么是光学
光是一种重要的自然现象，我们之所以能 看到客观世界中的景象，是因为眼睛接受 物体发射、反射或散射的光。
光学是研究光的传播以及它和物质相互作 用问题的学科。
电磁波谱
三、光学的发展简史
波动光学时期： 1808年马吕斯偶然发现光在两种介质界面上反
射时的偏振现象。随后菲涅耳和阿拉果对光的偏 振现象和偏振光的干涉进行了研究。
1845年法拉第揭示了光学现象和电磁现象的内 在联系。麦克斯韦在1865年的理论研究说明光是 一种电磁现象。这个理论在1888年被赫兹的实验 所证实。至此，确立了光的电磁理论。
量子光学时期： 至此，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振
等学现象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐 射、光电效应和康普顿效应等又证实了光的量子 性——粒子性。
光的本性——物质（实物粒子和场）的本性—— 波粒二象性
三、光学的发展简史
现代光学时期：20世纪中~
重大发展： 1935 泽尼克 相衬显微术 1948 伽柏 全息术 1955 光学传递函数 1960 梅曼 红宝石激光器的诞生
二、光学的研究对象
经典光学： 1、几何光学：光的传播、反射、折射、成像等。 2、波动光学：光的干涉、衍射、偏振等。
第一课物理光学 绪论
5 主要内容
第一章 电磁场理论 光波表达式 反射和折射
振动频率 第二章 从 振动方向 两方面考虑
光波的叠加第三章 Fra bibliotek涉单色光干涉 白光干涉
分波面干涉 (杨氏干涉等)
双光束干涉 分振幅干涉
多光束干涉
（等倾）
等倾干涉
等厚干涉 FP 薄膜
精品课件！
精品课件！
第四章 衍射 夫琅和费衍射 菲涅耳衍射 衍射光栅 第五章 光的偏振与晶体光学基础 偏振光 双折射 晶体光学器件 偏振光干涉
• 师生的任务和职责 • 互动 讨论 • 波动光学很重要！很容易!
1 光学发展历史回顾
1.萌芽时期 • 公元前4世纪,在中国和希腊已有关于光学现象
的记录 • 约100年后，欧几里得(Euclid,约前330-275
年)提出反射定律 • 沈括（公元1031－1095）：深入研究直线传
播、球面镜成像
2.几何光学时期
3.波动光学时期
• 1801-1803杨氏双缝实验成功地观察到了干 涉现象。
• 菲涅耳：惠更斯-菲涅耳原理成功解释了衍射 现象。
• 麦克斯韦(1831一1879)在1865年的理论研 究指出，光是一种电磁现象。这个理论在 1888年被赫兹(1857一1894)用实验证实。
4.量子光学时期
• 19世纪到20世纪:深入研究光与物质相互作用，发现 光的电磁理论的局限性。
• 普朗克1900年提出量子假说
• 1905年爱因斯坦提出光子的概念,成功预言了光电效 应,建立了光子学说
• 1924年德布罗意提出物质波，由电子通过金属箔的 衍射实验证实
• 20年代中期,薛定谔、海森伯等人建立量子力学—波 动性和粒子性在新的形式下得到统一。
近代光学基础 第一章
干涉图分析
（４）干涉条纹分布 a.作 x 轴 b.作 I (x) 轴 c.取平均强度 2I 0 Δω
xl xl Δω d.作 sin Δω Dc Dc 2 xl f.作 cosϖ Dc
−
I
cosω 2xl Dc
sin Δω xk Dc xk Δω Dc
2 πD c 2πDc − ∆ωl Δωl
πD c −π Dc − ∆ωl Δωl
ΔA = l 2
双孔中心点的相 ΔV = 干面积， ΔA lL 围绕着 点的相干体积在这个体积内 任一点光场都相干
激光
τ
c c > 10−2 s 1 08 cm
L
影响可 与谱线宽度 Δλ (Δυ , Δω ) 位 见度的 像差 Δϕ （相应条纹位 量x）有关 因数 测不准 Δν τ 1 关系
与光线宽度p，光源 的夹角α = p / L 有 Δϕ 关，与 无关
1
sin
klp L klp L
O
π L 2π L 3π L 4π L P(光 源 线 度 )
kl kl kl kl
2I0 p
O P
sin k lp L lp ； k L
图 1.7 光 源 限 度 对 干 涉 条 纹 的 影 响 (a) 光 源 限 度 对 干 涉 条 纹 强 度 分 布 的 调 制 函 数
Δλ
2πc
I max V ( x) = I max
λ
Δω << 1,或， << 1
λ
= kc
V ( x) = 0 0 < V ( x) < 1
V (x) = 1
ω − I min , + I min
• 理想光源： 严格单色，点光源，条纹清晰度不变。 • 实际光源： 非单色，有一定谱宽，扩展光源，条纹清晰程度为可见度。 理想 平顶型 一般线型 实际 严格单色光点 均匀扩展 非均匀扩展 非单色扩展
第一章 光学测量基础知识
1、产业现状
光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例， 这是1990年日本公布的统计值。
《日本公布近 三年光学产业 国内产值的调 查结果》
2、技术现状
从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：
1）从主观光学发展成为客观光学，也就是用光电探
测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与 测试效率；
基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频率的声 表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率 发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入 射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转， 偏转角由声波的频率和入射光波长决定。
声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便 地用来制作端口数较少的光开关。
物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级， 因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其 主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不 够精确。
微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的 光学学科分支。
闭环控制
输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与 控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。
3）光学检测－对光学元件及光学系统进行质量 评估。
4）光学测试－用光学方法进行精密测试。
自70年代开始由于激光技术、光波导技术、数字技 术、计算机技术以及傅里叶光学的出现，使光学发展成 近代光学。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术 出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试 技术。
近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提 出的高灵敏度、高效率、自动化的测试要求，实现了计量上的 三维性、实时性和相关性。进入80年代，又提出了亚微米、 纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学诊断等 新技术。
光学产业金字塔中各组成产业及其产值的大致比例， 这是1990年日本公布的统计值。
《日本公布近 三年光学产业 国内产值的调 查结果》
2、技术现状
从原理上说近代光学测试技术的现状主要是三点：
1）从主观光学发展成为客观光学，也就是用光电探
测器来取代人眼这个主观探测器，提高了测试精度与 测试效率；
基本原理：控制电信号经换能器后产生一定频率的声 表面波，声表面波在声光介质中传播，使介质折射率 发生周期性变化，形成了一个运动的衍射光栅，当入 射光束满足布拉格衍射条件时，就可引起光的偏转， 偏转角由声波的频率和入射光波长决定。
声光光开关的切换速度在毫秒量级，该技术可方便 地用来制作端口数较少的光开关。
物理意义上的微光学其单元尺寸已在光波长量级， 因此，建立在单元尺度远大于光波长的常规光学，其 主要理论及设计方法已不适用微光学或其计算结果不 够精确。
微光学是一个知识密集、前沿和技术先进的新的 光学学科分支。
闭环控制
输出量直接或间接地反馈到输入端，形成闭环参与 控制的系统称为闭环控制系统。也叫反馈控制系统。
3）光学检测－对光学元件及光学系统进行质量 评估。
4）光学测试－用光学方法进行精密测试。
自70年代开始由于激光技术、光波导技术、数字技 术、计算机技术以及傅里叶光学的出现，使光学发展成 近代光学。以激光为代表的近代光学促使光学测试技术 出现更多新方法和新技术，从而开始形成近代光学测试 技术。
近代光学测试技术的出现适应了近代科学和工业技术上提 出的高灵敏度、高效率、自动化的测试要求，实现了计量上的 三维性、实时性和相关性。进入80年代，又提出了亚微米、 纳米级灵敏度的测试要求，产生了无损检测、在线光学诊断等 新技术。
近代光学
近代光学测量技术第十一章纳光学米测量技术1.纳米材料特点纳米粒子指尺寸在0.1－100nm之间的粒子，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域表面效应体积效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应2.最终目标：要使人类能够按照自己的意愿任意操纵单个原子和分子，按照人们的期望，在原子和分子的水平上设计和制造全新的物质。
这些全新的物质将给人类带来全新的变化。
3.显微镜原理a扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是利用量子理论中的隧道效应。
将原子线度的极细探针和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离非常接近时（通常小于1nm，在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间的势垒流向另一电极。
这种现象即是隧道效应。
b原子力显微镜原理AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息．如图所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变．悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像．第九章激光光谱技术1激光光谱学（一门新学科）使用激光后获得复兴的经典光谱学分支，一些新兴的分支，如极高分辨率光谱学，非线性光谱学，时间分辨光谱学等2激光喇曼光谱技术定义：利用喇曼散射所产生的喇曼位移及强度进行物质定性、结构和定量分析的仪器分析方法。
拉曼效应：当光照射到物质上时会发生非弹性散射，散射光中除有与激发光波长相同的弹性成分（瑞利散射）外，还有比激发光波长长的和短的成分，后一现象统称为喇曼效应。
基本原理：3激光喇曼分光计组成：激发光源前置光路单色仪探测放大系统计算机系统4荧光发射：电子由第一激发单重态的最低振动能级→基态（多为S1→S0跃迁），发射波长为 '2的荧光；10-7～10 -9 s磷光发射：电子由第一激发三重态的最低振动能级→基态（T1 →S0跃迁）；5原子吸收光谱法的基本原理：元素特定的原子从基态打到激发态，依据基态原子蒸气对特定谱线的吸收进行定量分析。
近代光学讲稿
二、米定义的复现实现米定义的途径
新的米定义将两个基本物理量长度与时间利用定义的基 本物理常数真空光速值结合了起来。这样，长度测量便可通 过精度很高的时间测量来实现，波长测量也可通过涉率测量 来实现。国际计量大会在通过新的米定义的同时，通过了实 现米定义的三个途径。
（1）利用光在真空中的飞行时间测量长度（飞行时间法）。 只要精确测出光在真空中行进的时间t，就可利用关系式l=ct求 出长度l,式中c是已定义的真空光速值，c=299 792 458m/s在天 文与大地测量中，飞行时间早已普遍采用。
Ir I cos t
将Im和Ir信号转换为电信号后进行鉴相，可以求得φ ，由 此可求出位移
L N (N )
2 4
2
式中：N为被测量L中含λ／2的整倍数，ε为不足λ／2的 部分，N称为大数， ε 称为小数，测量N和 ε即可得到位
移L。
2.外差干涉仪原理的多普勒效应的解释
（1）用多普勒效应解释单频激光干涉仪的工作原理
1992年第8届CCDM总结了稳频激光技术的进步，改善了 5种稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度，并根据发展需要 又增加了3种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的标准辐 射谱线。这8种稳频激光器是：
①甲烷稳频3.39μm氦氖激光器
②碘稳频576nm染料激光器
③碘稳频633nm氦氖激光器
④碘稳频612nm氦氖激光器
（2）用频率为 f 的平面电磁波的真空波长来复现米（真空波 长法）。这个波长是通过测量平面电磁波的频率f，然后应用 关系式 λ ＝c/f得到的。用真空波长法复现米，在实际使用中仍 可应用传统的光波干涉法。
（3）直接应用CCDM推荐的几种稳频激光器的频率值与波长 值。1982年第7届国际米定义咨询委会（CCDM）推荐了五种 稳频激光器的频率（波长）值。
新的米定义将两个基本物理量长度与时间利用定义的基 本物理常数真空光速值结合了起来。这样，长度测量便可通 过精度很高的时间测量来实现，波长测量也可通过涉率测量 来实现。国际计量大会在通过新的米定义的同时，通过了实 现米定义的三个途径。
（1）利用光在真空中的飞行时间测量长度（飞行时间法）。 只要精确测出光在真空中行进的时间t，就可利用关系式l=ct求 出长度l,式中c是已定义的真空光速值，c=299 792 458m/s在天 文与大地测量中，飞行时间早已普遍采用。
Ir I cos t
将Im和Ir信号转换为电信号后进行鉴相，可以求得φ ，由 此可求出位移
L N (N )
2 4
2
式中：N为被测量L中含λ／2的整倍数，ε为不足λ／2的 部分，N称为大数， ε 称为小数，测量N和 ε即可得到位
移L。
2.外差干涉仪原理的多普勒效应的解释
（1）用多普勒效应解释单频激光干涉仪的工作原理
1992年第8届CCDM总结了稳频激光技术的进步，改善了 5种稳频激光辐射标准谱线的标准不确定度，并根据发展需要 又增加了3种新型稳频激光辐射谱线作为复现米定义的标准辐 射谱线。这8种稳频激光器是：
①甲烷稳频3.39μm氦氖激光器
②碘稳频576nm染料激光器
③碘稳频633nm氦氖激光器
④碘稳频612nm氦氖激光器
（2）用频率为 f 的平面电磁波的真空波长来复现米（真空波 长法）。这个波长是通过测量平面电磁波的频率f，然后应用 关系式 λ ＝c/f得到的。用真空波长法复现米，在实际使用中仍 可应用传统的光波干涉法。
（3）直接应用CCDM推荐的几种稳频激光器的频率值与波长 值。1982年第7届国际米定义咨询委会（CCDM）推荐了五种 稳频激光器的频率（波长）值。
最新光学测试课件第一章345节幻灯片课件
§3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法
（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术
例如测量 f 2m 1,D 0 m /的f照 相1 /物4 .5 镜最大相对孔径
的焦距时，应选用5 显 微物镜（ N A 0.1,1 4 /）4.5 ；若0.2 测 8
量 D/f时1/的8焦距，勉强可以选 显微1物镜（ N ） A0.06
自身光轴转动显微镜，使目镜测微器活动分划板的竖线与刻
线像平行。 用目镜测微器测出某对刻线像
0 5 10 15 20 25 30
的间距 f， 即可计算出被测物镜 的焦距 y 。
§3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法
（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术
轴向移动显微物镜到调焦在照相物镜最后一个表面的顶点 上（即清晰看见透镜最后一个表面上的灰尘和脏点），移动 的距离即为照相物镜的后顶焦距。 将镜头调转180，用与测后顶焦距相同的方法测出前顶焦 距。
以几何光学成像理论为基础的测量方法：
（2）算量软件是如何算量的
软件算量并不是说完全抛弃了手工算量的思想。实际 上，软件算量是将手工的思路完全内置在软件中，只 是将过程利用软件实现，依靠已有的计算扣减规则， 利用计算机这个高效的运算工具快速、完整的计算出 所有的细部工程量，让大家从繁琐的背规则、列式子、 按计算器中解脱出来。
§3 焦距和顶焦距的测量 一、放大率法
（二）用GXY-08A型光具座测量的测试技术
被测正透镜的焦距最大值受仪器导轨长度的限制；负透镜 焦距的最大值则受显微镜工作距离的限制。表1-2所列的焦 距测量范围是根据导轨长度只有2m，显微镜的工作距离随 的增大而迅速减小，以及D值太小会影响测量精度（通常令 D在2.5-24范围内）这样一些限制条件确定的。能测顶焦距 的最大值也大致与表中所列举的焦距最大值相同。 由于被测透镜球差的影响，全口径对应的最佳像点位置一 般不与近轴焦点重合，因此，应尽量测量被测透镜全口径工 作时的焦距。为此除要求平行光管口径大于被测透镜有效口 径外，还要求测量显微镜的数值孔径大于或等于被测透镜相 对孔径的一半（即被测透镜轴上点成像光束全部进入显微镜 成像）。
(光学测量技术)第1章光学测量基础知识
第1章 光学测量基础知识 4. 按测量目的的数目多少分类 按照测量目的数目的不同，测量可分为独立测量和组合 测量。 独立测量:只有一个量作为测量目的的测量。一般说来， 它的测量原理可用一个方程式来表示。 组合测量:测量目的为两个及两个以上的测量。此时， 测量原理必须用方程组来表示。
第1章 光学测量基础知识 5. 按测量时所处的条件分类 按照测量时所处条件的不同，测量可分为等精度测量和 非等精度测量。 等精度测量:在同一条件下进行的一系列重复测量，称 为等精度测量。如每次测量都使用相同的方法、相同的仪器、 在同样的环境下进行，而且每次都以同样的细心和注意程 度来工作等。 非等精度测量:在多次测量中，进行每一次测量时，若 对测量结果精确度有影响的一切条件不能完全维持不变，则 所进行的一系列重复测量称为非等精度测量。
第1章 光学测量基础知识 1. 1. 4 测量的分类 对测量的分类可以从以下几个不同的角度进行。 1. 按获得测量结果的方式分类 从获得测量结果的方式来分，测量可分为直接测量和间 接测量。 直接测量:测量目的就是被测量，此时，测量目的直接 与标准量进行比较，从而求得测量目的的大小。 间接测量:在这种测量中，被测量不是测量目的。测量 目的的大小，是通过与它有一定关系的被测量的测量，而间 接地按已知的函数关系求得的。
第1章 光学测量基础知识 各测得值与算术平均值之差代表残差。残差有以下两个 性质: (1)当 n →∞ 时，残差代数和为零，即
(2)残差的平方和为最小，即
第1章 光学测量基础知识 1. 2. 5 算术平均值的标准偏差 真值往往是无法确切知道的，只能用算术平均值代替真 值，又由于测量次数总是有限的，因此标准偏差只能由残差 计算出的所谓标准偏差来估计。 在有限次数的测量中，用残差求出的 σ 估计 σ 0 的计算 公式如下:
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OPTI 513 Optical Testing
James C. Wyant
光学测量的意义
“如果你不能测量它，那么你就不能制造它” “如果你能测量它，那么你就能制造它” 制造工艺的进步有时超过我们的测量能力。 缺乏常规的、价格合理的、及时地测量方法 常是制造过程中的瓶颈。
近代光学测试技术
南京理工大学 陈磊 2010年03月11日
主要内容
课程的主要内容 参考文献 几个例子
1 课程的主要内容
用光学的方法测量光学元件、光学系统
用光学原理进行精密测试，非接触、高灵敏、高准确度 综合了几何光学、物理光学的基础知识
主要内容
静态干涉图分析 波面探测 光电测量方法 光学元件测量 光学系统测量 表面轮廓测量
哈勃空间望远镜 Hubble Space Telescope (HST)
修复哈勃Biblioteka HST主镜：2.4m补偿镜的偏差 主镜边缘与理论 值相差2微米
哈勃望远镜修复前后
美国国家点火装置（NIF）
3
SF.1 PDU03 SF.2 IM
4
PDU04
CM
Amp.1(8)
Amp.2(6)
TM1～ 4
PC.2 PDU02
If you make optics you have to be able to test the optics because you cannot make optics any better than you can test. If you purchase optics you need to test the optics you buy to make sure the optics meet the specs. If you let the supplier know you are going to test the optics when you receive them you will get better optics. -James C. Wyant
2 参考文献
J.C. Wyant. Optical Test. Optical Sciences Center, University of Arizona, 2009 杨国光等.近代光学测试技术. 杭州：浙江大学出版社，1997 D．Malacara, Ed. Optical shop testing 3rd Edition. John Wiley and sons, New York. 2007 D. Malacara, et al. Interferogram analysis for Optical testing. 2nd.Ed.,Marcel Dekker, Inc, New York, 2005 J. M. Geary. Introduction to Optical Testing. SPIE Optical Engineering Press,1993 K. J. Gasvik. Optical Metrology. 3rd Edition. John Wiley and sons, New York. 2002 潘君骅，陈进榜等. 计量测试技术手册第10卷 光学. 北京：中国计量出版 社， 1997 苏大图、沈海龙、陈进榜、曹根瑞. 光学测量与象质鉴定. 北京：北京工业 学院出版社，1988 殷纯永. 现代干涉测量技术. 天津：天津大学出版社，1999 沈海龙. 光学测量. 南京：华东工程学院，1982 杨志文. 光学测量. 北京：北京理工大学出版社，1996
L1
L2 PAM FD
L3
L4
2
PP
DM
1
PDU01 FCU PDU05 FL
T
5
大镜面的检测
空间望远镜
詹姆士-韦伯空间望远镜
柱面镜的CGH测量
大块玻璃材料的测试
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