2020年深圳大學(xué)光學(xué)工程研究生考試復(fù)試歷年考題題庫(kù)大全-光學(xué)測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用包含考題和解答

1、第一章光學(xué)測(cè)量的基本知識(shí)。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的主要組成部分 ：常用光源、探測(cè)器與處理電路、調(diào)制方法等任一測(cè)量系統(tǒng)組成部分：（被測(cè)對(duì)象）傳感器信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)顯示與記錄（觀察者）光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的基本組成部分 ：光源、被測(cè)對(duì)象與被測(cè)量、光信號(hào)的形成與獲得、光信號(hào)的 轉(zhuǎn)換、信號(hào)或信息處理光學(xué)測(cè)量的主要應(yīng)用范圍：輻射度量和光度量的測(cè)量非光物理量的測(cè)量 光電子器件與材料及光電子系統(tǒng)特性的測(cè)試光學(xué)測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)：非接觸性、高靈敏度、高精度光學(xué)測(cè)量技術(shù)主要特點(diǎn)：非接觸性、高靈敏度、三維性、快速性與實(shí)時(shí)性技術(shù)現(xiàn)狀（近代光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)）：從主觀光學(xué)發(fā)展為客觀光學(xué)，用光電探測(cè)器取代，提高測(cè)量精度和與效率。用激光光源來(lái)

2、取代常規(guī)光源，獲得方向性極好的實(shí)際光束。從光機(jī)結(jié)合的模式向光機(jī)電一體化的模式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的一體化。發(fā)展方向：1.亞微米級(jí)、納米級(jí)的高精密光學(xué)測(cè)量方法將優(yōu)先得到發(fā)展，利用新的物理學(xué)原理和光電子學(xué)原理產(chǎn)生的光學(xué)測(cè)量方法將不斷出現(xiàn)2.以微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)的集成光學(xué)及其它微傳感器將成為技術(shù)的主流方向3.3D測(cè)量技術(shù)取得突破，發(fā)展帶存儲(chǔ)功能的全場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)x器4.發(fā)展閉環(huán)式光學(xué)測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)測(cè)量與控制的一體化5.發(fā)展光學(xué)診斷和光學(xué)無(wú)損檢測(cè)，取代常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法光學(xué)測(cè)量方法分類： 相位檢測(cè)、時(shí)間探測(cè)、譜探測(cè)、衍射法、圖像探測(cè)、各種物理效應(yīng)方法選擇依據(jù)：被測(cè)對(duì)象與被測(cè)量、測(cè)量范圍、測(cè)量的靈敏度或

3、精度、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境要求光源選擇的基本要求：對(duì)光源發(fā)光光譜特性的要求對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求對(duì)光源穩(wěn)定性的要求光源的分類：按光輻射來(lái)源不同， 分為自然光源和人工光源。按工作原理不同，人工光源大致分為熱光源，氣體放電光源，固體光源和激光光源。通常把能發(fā)出可見(jiàn)光的物體叫做光源，把能發(fā)出不可見(jiàn)光的物體叫做輻射源。激光器：利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波效應(yīng)。主要特點(diǎn)：有極小的光束發(fā)散角，方向性好和準(zhǔn)直性好激光的單色性好，或者說(shuō)相干性好功率密度很高分類：按工作物質(zhì)的不同分為氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、具有高的轉(zhuǎn)換效率光電探測(cè)器：把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量的光探測(cè)器

4、。光電探測(cè)器的物理效應(yīng)：光子效應(yīng)、光熱效應(yīng)光子效應(yīng)：指單個(gè)光子對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。直接引起原子或分子內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。響應(yīng)速度一般比較快， 光子效應(yīng)分為外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）和 內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)：若光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)。透過(guò)表面到達(dá)材料內(nèi)部的光子能量足夠大。某些電子吸收光子能量后從原來(lái)束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)。這時(shí)在外電場(chǎng)的作用下， 流過(guò)半導(dǎo)體的電流增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)增大。這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)：光趙零偏pn結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)。光熱效應(yīng)：探測(cè)元件吸收光輻射能量后，把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量。常用光電

5、探測(cè)器： 光電倍增管、光電導(dǎo)器件、光伏探測(cè)器（ pin硅光電二極管、異質(zhì)結(jié)光電 二極管、雪崩光電二極管位置敏感探測(cè)器psd （橫向結(jié)構(gòu)式的 psd四象限光電二極管）光電三極管、熱電探測(cè)器（測(cè)量輻射量）CCD像傳感器：功能：1.電荷的收集2.電荷的轉(zhuǎn)移3.將電荷轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電壓值優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、較高的空間分辨率應(yīng)用領(lǐng)域：圖像傳感、信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)（資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人）噪聲：測(cè)量系統(tǒng)中任何虛假的和不需要的信號(hào)統(tǒng)稱為噪聲（干擾有用信息，影響了測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性）外部干擾噪聲：可分為人為干擾（來(lái)自電器電子設(shè)備，如電磁干擾）和自然干擾（如自然光 對(duì)光學(xué)測(cè)量的影響）。內(nèi)部

6、噪聲：可分為人為噪聲（50Hz干擾和寄生反饋造成的自激干擾等）和固有噪聲（由于 系統(tǒng)各元器件中帶電微粒不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的起伏所造成的，如熱噪聲、散彈噪聲） 。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中的常用電路 ：前置放大器（將光電探測(cè)器接收到的微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）、選頻放大器（為突出信號(hào)和抑制噪聲） 、相敏檢波器（抑制干擾和噪聲）、相位檢測(cè)器、鑒頻 器、積分微分運(yùn)算器、鎖相環(huán)及鎖相放大器調(diào)制：將直流信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定形式的交變信號(hào)調(diào)制光信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)：1.減少自然光和雜散光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響2.消除光電探測(cè)器暗電流對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響3.實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)光電信號(hào)調(diào)制的途徑：1.對(duì)光源發(fā)光進(jìn)行（資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人）調(diào)制2

7、.對(duì)光電器件產(chǎn)生的光電流進(jìn)行調(diào)制3.在光源與光電器件的途徑中進(jìn)行調(diào)制。激光調(diào)制：把欲傳輸?shù)男畔⒓虞d到激光輻射的過(guò)程。激光起到攜帶低頻信號(hào)的作用，稱為載波。調(diào)制的激光稱為已調(diào)制波或已調(diào)制光。內(nèi)調(diào)制：在激光振蕩過(guò)程中加載調(diào)制信號(hào)外調(diào)制：在激光形成后，再用調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制機(jī)械調(diào)制法：利用物理光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)的光調(diào)制技術(shù)。主要包括干涉原理，電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)，聲光效應(yīng)。 電光調(diào)制，聲光調(diào)制，磁光調(diào)制，光源直接調(diào)制。第二章光干涉技術(shù)光的干涉：在兩個(gè)或多個(gè)光波疊加的區(qū)域，某些點(diǎn)的振動(dòng)始終加強(qiáng)，另一些點(diǎn)的振動(dòng)始終減弱，形成在該區(qū)域內(nèi)穩(wěn)定的光強(qiáng)強(qiáng)弱分界的現(xiàn)象。（波動(dòng)性的重要特征）產(chǎn)生干涉的條件：頻率相同，振

8、動(dòng)方向相同，相位差恒定。補(bǔ)充條件：兩疊加光波的光程差不超過(guò)光波的波列長(zhǎng)度。干涉條紋的對(duì)比度：表征了干涉場(chǎng)中某處條紋亮暗反差的程度。影響干涉條紋對(duì)比度的主要因素：兩相干光束的振幅比、光源的大小、光源的單色性空間相干性：若通過(guò)光波場(chǎng)橫方向上兩點(diǎn)的光在空間相遇時(shí)能夠發(fā)生干涉，則稱通過(guò)空間這 兩點(diǎn)的光具有空間相干性。時(shí)間相干性：若光源某一時(shí)刻發(fā)出的光在相干時(shí)間t內(nèi)，經(jīng)過(guò)不同的路徑相遇時(shí)能夠產(chǎn)生干涉，稱光的這種相干性為時(shí)間相干性。相干時(shí)間：光通過(guò)相干長(zhǎng)度所需的時(shí)間稱為相干時(shí)間。產(chǎn)生干涉的途徑：分波陣面、分振幅、分偏振方向分波陣面：分波陣面就是將一個(gè)點(diǎn)光源所發(fā)出的波陣面，經(jīng)過(guò)反射和折射，分成兩個(gè)或多個(gè)波陣

9、面，使其在重疊區(qū)域產(chǎn)生干涉。分振幅：將一束光的振幅分成兩個(gè)或多個(gè)部分，使其在重疊區(qū)域產(chǎn)生干涉。分偏振方向：分偏振法就是通過(guò)偏光分（資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人）光器將 一束光分成偏振方向相互垂直的兩個(gè)部分，通過(guò)一個(gè)檢偏器使其在偏振方向相同的疊加區(qū)域產(chǎn)生干涉。像差：由實(shí)際光路與理想光路之間差別而引起的成像缺陷，它反應(yīng)為實(shí)際像的位置和大小與 理想像的位置和大小之間的差異。色差：白光是不同波長(zhǎng)的單色光所組成的。它們對(duì)于光學(xué)介質(zhì)具有不同的折射率，因而白光進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)后就會(huì)因色散而有不同的傳播光路，形成復(fù)色像差。這種由不同色光的光路差別引起的像差稱為色差。光學(xué)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)方法：使用像差評(píng)價(jià)技術(shù)，

10、采用分辨率板來(lái)測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，使 用性能測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)（采用基于光學(xué)干涉的方法來(lái)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的波前質(zhì)量，因?yàn)楣?學(xué)干涉方法測(cè)量靈敏度高、容易實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化、得到的干涉圖樣容易解釋）邁克爾遜干涉儀：是激光干涉儀的基礎(chǔ)。測(cè)長(zhǎng)原理：若起始時(shí)雙光束光程差為零，則當(dāng)測(cè)量鏡 M2沿光軸方向位移l距離時(shí)，兩光產(chǎn)生程差21,由亮紋條件可知2l=k入，式中k為干涉級(jí)次。因此，測(cè)量鏡每移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)的距離， 光電接收器D接收到的干涉場(chǎng)固定點(diǎn)上的條紋級(jí)次就變化1。也即有一個(gè)亮條紋移過(guò)。 輸出移過(guò)該點(diǎn)的亮條紋數(shù)目就可求出被測(cè)長(zhǎng)度，即L=N M2 （N為D接收到的干涉場(chǎng)固定點(diǎn)明暗變化次數(shù)）。（平行時(shí)等傾條紋，

11、構(gòu)成楔形空氣平板時(shí)等厚條紋）實(shí)用激光干涉儀：穩(wěn)頻激光器、干涉儀本體以及光電信號(hào)接收與處理部分。提高激光干涉儀分辨率的途徑 ：電路倍頻，光路倍頻，x射線干涉儀。白光干涉儀優(yōu)點(diǎn)：不存在2的測(cè)量盲區(qū)，（資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人）測(cè)量 裝置能夠應(yīng)用于不連續(xù)表面。外差式激光干涉儀：產(chǎn)生激光外差干涉的途徑：雙頻激光器，聲光調(diào)制器，電光調(diào)制與磁光調(diào)制。激光多自由度同時(shí)測(cè)量技術(shù)：直線度測(cè)量，偏擺角和俯仰角度的測(cè)量，滾轉(zhuǎn)角測(cè)量。第三章激光全息測(cè)量與散斑測(cè)量技術(shù)全息術(shù)：能同時(shí)記錄物體的振幅和相位的全部信息，利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)射 的特定光波以干涉條紋的形式記錄下來(lái)，并在一定條件下使其再現(xiàn)，

12、形成原物體逼真的三維像。波前記錄：使物體散射波與一參考波在記錄介質(zhì)上相干涉，產(chǎn)生干涉條紋。干涉條紋經(jīng)曝光記錄在介質(zhì)上，即可完整記錄包括物體振幅和相位的波前信息，經(jīng)過(guò)顯影處理后的記錄介質(zhì)稱為全息圖，具有復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。（波前記錄依據(jù)的是干涉原理。全息圖上的強(qiáng)度分布記錄了物光波的振幅和相位信息，他們分別反應(yīng)了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。）波前再現(xiàn)：用原來(lái)記錄時(shí)的參考光照射全息圖，記錄時(shí)被凍結(jié)”的波前從全息圖上 釋放”出來(lái)，繼續(xù)向前傳播，從而再現(xiàn)出物體三維圖像。（波前在線依據(jù)的是衍射原理，再現(xiàn)光波經(jīng)過(guò)全息圖衍射后出現(xiàn)衍射場(chǎng)。含有三種主要成分，即物光波+1級(jí)衍射波，物光波的共軻波-1,再現(xiàn)光波的

13、直接透射光 0。）按照全息原理，全息圖實(shí)質(zhì)上是物光和參考光疊加所產(chǎn)生的干涉條紋的記錄。全息圖分類：按制作全息圖的方法 分為光學(xué)記錄全息圖和計(jì)算機(jī)制作全息圖。按復(fù)振幅透過(guò)系數(shù) 分為振幅全息圖（實(shí)函數(shù)）和相位全息圖（復(fù)數(shù)）。按全息圖中干涉條紋的結(jié)構(gòu)與觀察方式 分為透射全息圖和反射全息圖。按記錄介質(zhì)厚度 分為平面全息圖和體積全息圖。按記錄介質(zhì)相對(duì)物體的遠(yuǎn)近分為菲涅爾全息圖和夫瑯禾費(fèi)全息圖。按參考光波與物光波主光線是否同軸分為同軸全息圖和離軸全息圖。記錄介質(zhì)處于物光和參考光的同軸方向上獲得的全息圖稱為同軸全息圖，再現(xiàn)時(shí)，原始像和共軻像在同一光軸上不能分離，兩個(gè)像相互重疊，產(chǎn)生所謂的 李生像”，這是同軸

14、全息圖的缺點(diǎn)。為了克服這一 缺點(diǎn)，用與物光成一定角度的傾斜參考光所獲得的全息圖稱為離軸全息圖。全息基本設(shè)備：激光器、全息記錄與再現(xiàn)系統(tǒng)、記錄介質(zhì)、干板處理裝置和干涉條紋處理裝 置。全息干涉方法：二次曝光法、單次曝光法、時(shí)間平均法。激光全息干涉測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用 ：位移和形狀檢測(cè)、缺陷檢測(cè)、測(cè)量光學(xué)玻璃折射率的不均勻性。（位移測(cè)量，振動(dòng)測(cè)量，變形測(cè)量，應(yīng)力測(cè)量以及缺陷檢測(cè)）散斑:激光照射在具有漫反射性質(zhì)的物體的表面， （資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人） 根據(jù)惠更斯原理，物體表面每一點(diǎn)都可以看成一個(gè)點(diǎn)光源， 從物體表面反射的光在空間相干 疊加，就會(huì)在整個(gè)空間發(fā)生干涉，形成隨機(jī)分布的亮斑與暗斑，稱

15、為激光散斑。形成散斑所需條件：必須有能發(fā)生散射光的粗糙表面，為了使散射光較均勻，粗糙表面的 深度必須大于波長(zhǎng)。 入射光線的相干度要足夠高，因此常常使用激光。散斑的橫向尺寸指的是散斑的最小尺寸。無(wú)透鏡散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的散斑主觀散斑：對(duì)散斑成像處理散斑圖底片得到位置量值的方法：逐點(diǎn)分析法、全場(chǎng)分析法。激光散斑干涉按位移測(cè)量的方法：測(cè)量離面位移的散斑干涉法，測(cè)量面內(nèi)位移的散斑干涉法 以及測(cè)量離面位移梯度的散斑剪切干涉法。電子散斑干涉測(cè)量（ESPI）工作原理：利用視頻技術(shù)記錄下載有被測(cè)物光場(chǎng)信息散斑干涉圖，通過(guò)對(duì)變形或位移前后的兩個(gè)散斑干涉圖進(jìn)行電子減或加，以及濾波處理分離出二者

16、之間的變形信息，并以條紋形式顯示出來(lái)。第四章 激光衍射測(cè)量和莫爾條紋技術(shù)光的衍射：光波在傳播過(guò)程中遇到障礙物而發(fā)生偏離直線傳播，并在障礙物后的觀察屏上呈 現(xiàn)光強(qiáng)不均勻分布的現(xiàn)象。菲涅爾衍射：光源和觀察屏到衍射物的距離有限，又稱為近場(chǎng)衍射。夫瑯禾費(fèi)衍射：即光源和觀察屏都離衍射物無(wú)限遠(yuǎn)，又稱為遠(yuǎn)場(chǎng)衍射。單縫衍射測(cè)量原理：用激光束照射被測(cè)物與參考物之間的間隙，將形成單縫遠(yuǎn)場(chǎng)衍射條紋。波長(zhǎng)為狹縫寬度為b,衍射條紋的光強(qiáng)分布為I=Io（sin2M”）式中”=（加/ ?）sin 0, 0為衍射角，Io是中央亮條紋中心處的光強(qiáng)。當(dāng)a=0, 立兀，N兀時(shí)，I=0,衍射呈現(xiàn)暗條紋。測(cè)定任一級(jí)暗條紋的位置或變化就

17、可 以精確知道被測(cè)間隙 b的尺寸及尺寸的變化。單縫衍射測(cè)量方法：間隙測(cè)量法、分離間隙測(cè)量法、互補(bǔ)測(cè)量法單縫衍射測(cè)量的技術(shù)特性：靈敏度高、精度有保證、測(cè)量量程較?。ㄈ秉c(diǎn)） 莫爾條紋：兩種條紋疊加在一起所產(chǎn)生的圖形。形成原理：遮光原理（適用于光柵條紋較疏），認(rèn)為莫爾條紋源于一塊光柵的不透光線紋對(duì) 于另一光柵透光縫隙的遮擋作用。幾何法，序數(shù)方程法衍射干涉原理（適用于光柵條紋較密），認(rèn)為由條紋構(gòu)成的新的亮度分布，可按衍射波之間的干涉結(jié)果來(lái)描述。傅里葉變換原理（廣義的解釋），可按傅里葉變換原理，可按傅里葉變換原理把光柵副透射光場(chǎng)分解為不同空間頻率的離散分量，（資料是免費(fèi)的，希望沒(méi)人拿去再賣給別人）莫爾條

18、紋由低于光柵頻率的空間頻率項(xiàng)所組成。莫爾條紋的基本性質(zhì)：放大性、同步性、準(zhǔn)確性。莫爾條紋測(cè)試技術(shù)：莫爾條紋測(cè)量位移、莫爾偏折法測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)焦距、莫爾輪廓術(shù)測(cè)量三維物體形貌（陰影、投影、掃描）五光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)三維測(cè)量技術(shù)：分為宏觀三維形狀測(cè)量技術(shù)、微觀三維形貌測(cè)量技術(shù)。三維形狀測(cè)量：接觸式測(cè)量、非接觸式測(cè)量接觸式測(cè)量 的典型代表是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（ coordinate measuring machine,CMM ）, CMM 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)優(yōu)點(diǎn)靈活性強(qiáng)，測(cè)量精度高且可靠，智能化程度高。缺點(diǎn)是測(cè)量速度慢，對(duì)環(huán)境要求較 tWj 非接觸式測(cè)量法：非接觸式三維形狀測(cè)量技術(shù)包括微波技術(shù)（三角法），光波技術(shù)（干涉法），超聲波技術(shù)（飛行時(shí)間法）主動(dòng)宏觀三維形狀測(cè)量技術(shù)：采用結(jié)構(gòu)照明的主動(dòng)三維測(cè)量具有如下優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量精度高，快速全場(chǎng)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)三維形狀測(cè)量系統(tǒng)組成部分：投影系統(tǒng)、圖像接收系統(tǒng)、信息解調(diào)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)照明方式： 點(diǎn)結(jié)構(gòu)照明、線結(jié)構(gòu)照明、面結(jié)構(gòu)照明。激光三角法測(cè)量物體三維形狀。單點(diǎn)式激光三角法：直射式、斜射式相位測(cè)量技術(shù)：相位測(cè)量輪廓術(shù)、傅立葉變換輪廓術(shù)。三維形狀測(cè)量是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)。光學(xué)三維形狀測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用：工業(yè)領(lǐng)域、虛擬現(xiàn)實(shí)、文化遺產(chǎn)保護(hù)、服裝制作焦點(diǎn)探測(cè)方法：強(qiáng)度式、差動(dòng)法、臨界角、散光法、斜光束法干涉測(cè)量技術(shù)：相移干