光學計量是利用光測量各種變量和數(shù)量的科學和技術。光具有雙重特性,即粒子性和波動性。然而,這兩個特性并不是同時表現(xiàn)出來的。書中討論的所有測量技術均基于光的波動性,也就是說被測變量(即待測量的量)可以改變光的一些波動特性,例如振幅、相位、波長、頻率和偏振。截至目前,利用光作為傳感器和信息載體已經研發(fā)了許多測量技術。 《光學計量導論》旨在向學生和研究人員介紹各種測量技術的理論和實踐。從這個意義上說,該書有別于其他光學計量相關書籍。
如果你的實驗需要統(tǒng)計數(shù)據(jù),那么你應該進行一個更好的實驗。
歐內斯特·盧瑟福
光學計量是利用光測量各種變量和數(shù)量的科學和技術。光具有雙重特性,即粒子性和波動性。然而,這兩個特性并不是同時表現(xiàn)出來的。本書中討論的所有測量技術均基于光的波動性,也就是說被測變量(即待測量的量)可以改變光的一些波動特性,例如振幅、相位、波長、頻率和偏振。截至目前,利用光作為傳感器和信息載體已經研發(fā)了許多測量技術。
本書旨在向學生和研究人員介紹各種測量技術的理論和實踐。從這個意義上說,本書有別于其他光學計量相關書籍。第1章以光學為主題,對整本書進行了概述。第2章介紹了通過自由空間和光學系統(tǒng)的激光傳播理論。由于本書中討論的大多數(shù)技術都采用激光作為光源,所以必須討論高斯光束的傳播方式以及獲得實驗用準直光束的準直儀設置方式。
光學測量技術是通過對被測變量的光信號進行檢測或記錄來實現(xiàn)的。早期照相乳劑用于記錄光學信號,現(xiàn)在照相乳劑已經被陣列探測器取代。許多應用中都使用光電探測器或光電倍增管作為傳感器。因此,第3章主要介紹光信號檢測和記錄的相關內容。
如前所述,雖然波動特性的任何一種特性都可用于測量,但通常使用相位進行測量,這是因為相位測量可用于點式測量和全場測量,并提供高精度的測量結果。由于光學領域內的探測器基本上都是能量檢測器,因此相位信息只能轉換成光強信息,然后在一定的時間間隔內對包含相位信息的光強信息記錄或測量。將相位信息轉換為光強信息的這種技術稱為干涉法。這種技術有幾種形式,因此第4章主要介紹干涉法和移相法,移相法已納入干涉法中。
在過去的幾十年中,已經研究了許多全場測量技術,并應用于常規(guī)測量和工業(yè)測量中。第5章中將討論這些技術的理論和實驗細節(jié)。第5章涉及的技術包括全息干涉測量法、散斑干涉測量法、莫爾現(xiàn)象、光彈和顯微術。首先需要對這些技術有基本的了解,然后才能理解后續(xù)章節(jié)中所述的各種測量技術的原理和功能。
第6章介紹了用于測量固體、液體和氣體折射率的各種技術原理。例如,利用偏向角、臨界角和布魯斯特角可以測量折射率,還可使用薄膜干涉測量折射率。除了材料的折射率之外,光學設計人員還需要了解曲率半徑的測量方法以及與成像光學元件相關的焦距測量方法。雖然這些參數(shù)的常規(guī)測量非常簡單,但當測量范圍非常大,精度非常高時,復雜程度也會增加。第7章介紹了這兩個參數(shù)的各種測量方法。
第8章介紹了各種光學測試方法。光學測試通常是指測量光學系統(tǒng)出射的光波前形狀。一個光學系統(tǒng)可以是一塊平板、一個棱鏡、一個復合透鏡或透鏡的組合。本章介紹了測量光學系統(tǒng)凹面、凸面、平面的表面面形誤差以及材料不均勻性等的方法。當使用自準直儀或干涉儀測量兩個表面之間的夾角時,測量精度不同。
第9章重點介紹這些方法。光學表面上鍍的薄膜能改變光學元件的光學性質。這些薄膜也用于保護光學表面。第10章介紹了測量薄膜厚度的方法,如干涉法和偏振法。第11章介紹了一些速度測量法,其中包括基于多普勒現(xiàn)象的方法和粒子圖像測速方法。第12章介紹了基于光學技術的壓力測量技術。上述傳統(tǒng)方法可以使用光纖進行改造,其優(yōu)點是使用光纖不僅使設備小型化,而且還給設備賦予光纖具備的所有其他優(yōu)點。第13章介紹了這些方法。第14章討論了長度測量。長度是光學計量中的主要測量參數(shù),使用光學方法可以精確測量長度。
拉吉帕爾·S.西羅希博士,印度阿薩姆邦提斯浦爾大學物理系的講座教授。2000年至2009年期間,他曾擔任德里印度理工學院主任(2000年12月至2005年4月)、博帕爾巴卡圖拉大學副校長(2005年4月至2007年9月)、密魯特Shobhit大學副校長(2007年10月至2008年3月)以及齋浦爾拉賈斯坦邦亞米提大學副校長(2008年3月至2009年10月)。在此期間,他深入從事學術管理和研究工作。他還曾在印度班加羅爾的印度科學理工學院任職,并在印度金奈的印度馬德拉斯技術學院擔任過各種職務。
西羅希教授作為洪堡學者和獲獎者,曾在德國工作過。他曾任俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的高級研究助理,并擔任印第安納州泰瑞豪特羅斯一霍曼理工學院的副教授和杰出學者。他一直擔任馬來西亞馬來亞大學高級研究所的ICTP(意大利里雅斯特國際理論物理中心)顧問,也是納米比亞大學的ICTP訪問科學家。他還一直擔任新加坡國立大學和瑞士洛桑市洛桑聯(lián)邦理工學院(EPFL)的客座教授。
西羅希教授也是印度和其他地方一些重要學院和協(xié)會的研究員,包括印度國家工程院、國家科學院、美國光學學會、印度光學學會、國際光學工程學會(SPIE)似及印度儀器學會;他還是印度技術教育學會(ISTE)和印度計量學會的榮譽研究員。他是其他一些科學學會的成員,也是印度激光協(xié)會的創(chuàng)始成員。他還一直擔任國際光學工程學會印度分會主席,該分會于1995年在印度馬德拉斯技術學院與國際光學工程學會合作建立。他曾受邀作為日本學術振興會的研究員和日本工業(yè)技術協(xié)會(JITA)的研究員前往日本。他一直擔任國際光學工程學會教育委員會成員。
西羅希教授榮獲了以下各種組織頒發(fā)的獎項:德國亞歷山大·馮·洪堡基金會的洪堡研究獎(1995年);國際光學委員會的伽利略·伽利萊獎(1995年);印度光學學會的亞米塔·德紀念獎(1998年);伊朗科學技術研究組織第13屆Khwarizmi國際獎(2000年);聯(lián)合國教科文組織的阿爾伯特·愛因斯坦銀獎(2000年);邁索爾塔薩卡里基金會的Y.T.塔薩卡里博士名譽獎(2001年);M.P.科學技術委員會的2000年賈瓦哈拉爾·尼赫魯總理工程技術獎(2002年授予);NRDC技術發(fā)明獎(2003年);C.V.拉曼爵士獎:大學撥款委員會(UGC) 2002年物理科學;印度國家公民獎蓮花士勛章(2004年);加爾各答印度科學會議協(xié)會的C.V.拉曼爵士百年誕辰獎(2005年);在德國斯圖加特舉行的第五屆國際會議期間,被授予全息騎士勛章(2005年);金奈百歲老人信托基金頒發(fā)的“百歲塞瓦拉特納獎”(2004年);印度儀器學會獎(2007年);美國國際光學工程學會加博爾獎(2009年);大學撥款委員會國家Hari Om Ashram信托獎一大學撥款委員會霍米.J.巴巴應用科學獎(2005年);印度理工學院德里分校頒發(fā)的杰出校友獎(2013年);美國國際光學工程學會2014年維克拉姆獎。
西羅希教授曾于1994年至1996年期間擔任印度光學學會會長。他還曾連續(xù)三屆擔任印度儀器學會會長(2003-2006年、2007-2009年、2010-2012年)。他一直在英國《現(xiàn)代光學雜志》國際顧問委員會以及《光學雜志》(印度)、Optik和《印度純粹與應用物理雜志》的編輯委員會之列。他一直擔任《工程光學和激光》和《光學工程》的客座編輯,曾于1999-2013年8月期間擔任美國國際期刊《光學工程》的副主編,目前擔任該期刊的高級編輯。
西羅希教授共發(fā)表456篇論文,其中有244篇論文在國家期刊和國際期刊上發(fā)表,67篇論文在學術會議論文集中發(fā)表,145篇論文在學術會議上發(fā)表。他撰寫/合著/編輯了13冊書,其中包括國際光學工程學會的5本里程碑著作。他是政府資助的機構和行業(yè)贊助的26個項目的主要協(xié)調人;他已經指導了25篇博士論文、7篇MS論文以及許多BTech、MSc和MTech論文。
西羅希教授的研究領域包括光學計量、光學儀器、激光儀器、全息術和散斑現(xiàn)象。
第1章 光學概述
1.1 引言
1.2 反射定律
1.3 折射定律
1.4 干涉
1.5 衍射
1.5.1 單色波傳播
1.5.2 基爾霍夫衍射理論
1.5.3 小角度近似
1.5.4 菲涅耳近似
1.5.5 夫瑯和費近似
1.6 偏振
1.6.1 偏振橢圓
1.6.2 偏振態(tài)的表示法
1.7 菲涅耳方程式
1.8 薄膜光學
1.9 光學元件
1.9.1 反射元件
1.9.2 折射元件
1.9.3 衍射元件
1.10 彎曲界面折射
1.10.1 透鏡
1.11 近軸光學
1.11.1 平移矩陣
1.11.2 折射矩陣
1.11.3 薄透鏡矩陣
思考題
第2章 激光束
2.1 高斯光束
2.2 高斯光束的ABCD定律
2.2.1 目由空間傳播
2.2.2 通過透鏡傳播
2.3 激光準直儀
2.4 渦旋光束
2.5 貝塞爾光束
思考題
第3章 源、探測器和記錄介質
3.1 概述
3.2 輻射單位
3.3 黑體
3.4 光源
3.4.1 白熾鎢絲燈
3.4.2 鹵鎢燈
3.4.3 放電燈
3.4.4 相干源
3.5 探測器
3.5.1 眼睛
3.5.2 光電探測器
3.5.3 熱探測器
3.6 記錄介質
3.6.1 照相/全息干板和膠片
3.6.2 重鉻酸鹽明膠
3.6.3 光阻材料
3.6.4 光敏聚合物
3.6.5 熱塑性塑料
3.6.6 光色材料
3.6.7 鐵電晶體
3.7 圖像探測器
3.7.1 時間延遲與集成運行模式
3.8 空間光調制器
思考題
第4章 干涉法
4.1 概述
4.2 早期歷史
4.2.1 激光的出現(xiàn)
4.3 相干波/源的產生
……
第5章 技術
第6章 折射率的測量
第7章 曲率半徑與焦距的測量
第8章 光學測試
第9章 角度測量
第10章 厚度測量
第11章 速度測量
第12章 壓力測量
第13章 基于光纖和MEM的測量
第14章 長度測量
參考文獻