Handbook of Moire Measurement (Series in Optics and Optoelectronics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Taylor & Francis

作者:Walker, C.A. 编

出品人:

页数:501

译者:

出版时间:2003-12-01

价格:USD 164.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780750305228

丛书系列:

图书标签:

• Moire patterns
• Interferometry
• Optical measurement
• Surface topography
• Strain analysis
• Non-destructive testing
• Optics
• Optoelectronics
• Pattern recognition
• Metrology

现代光学成像与传感器技术进展 本书聚焦于当代光学成像系统、传感器设计与信号处理的前沿进展，深入探讨了从基础物理原理到尖端工程应用的多个关键领域。本书旨在为光学工程师、物理学家以及从事精密测量领域的研究人员提供一个全面且深入的知识框架，涵盖高分辨率成像、新型光电探测器、先进的波前控制技术以及与这些技术紧密相关的信号分析方法。 --- 第一部分：先进光学成像系统的基础与设计 本部分将详细阐述现代光学系统设计所依赖的核心物理和数学原理。 1. 衍射理论的现代诠释与应用 本章首先回顾了经典的夫琅禾费和菲涅耳衍射理论，随后重点讨论了在微纳尺度和复杂介质中进行光传播建模的现代方法。这包括对部分相干光场的描述，如使用惠更斯-菲涅耳积分的推广形式，以及在随机介质中光斑展宽和散射的统计光学方法。特别关注了基于快速傅里叶变换（FFT）的光场快速步进算法，及其在模拟复杂光学系统（如多层介质或光纤束）中性能评估中的应用。 2. 提高分辨率的成像理论 本章深入探讨了突破传统衍射极限（Abbe极限）的成像技术。内容涵盖了近场光学显微镜（NSOM）的基本原理，包括扫描探针技术如何捕获亚波长信息。随后，详细介绍了超分辨成像（Super-resolution Imaging）的几种主要范式： 光学焕发显微镜（PALM/STORM）： 阐述了基于单分子定位的统计学原理，以及如何通过精确控制分子开关实现高空间分辨率。 受激发射损耗显微镜（STED）： 分析了“甜甜圈”形光束（Point Spread Function, PSF）的形成机制及其对激发和猝灭过程的影响，并讨论了其在高速成像中的潜力。 计算成像方法： 重点讨论了光场成像（Light Field Imaging）和计算全息术（Computational Holography），说明了如何通过采集离散的角谱信息或相位信息，并在计算机中重建出三维空间和角度依赖的图像。 3. 非对称与离轴光学系统分析 传统上，光学设计多集中于理想的同轴系统。本章则专注于离轴反射镜系统、折射式离轴系统（如施密特相机）的设计与像差校正。详细分析了离轴系统中的系统误差源，如彗差和像散的引入，以及如何利用特定的光栅方程或非球面镜面来实现更广视场和更高系统效率的权衡。对基于Zernike多项式的像差分解和实时波前传感器的应用进行了深入探讨。 --- 第二部分：新型光电探测器与传感技术 本部分关注将光信号转化为电信号的最新器件技术，以及如何优化这些器件以应对特定应用场景的挑战。 4. 固态光电探测器的物理机制与优化 本章系统梳理了各种主流光电探测器的基本工作原理，包括PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）和光电倍增管（PMT）。重点分析了限制这些器件性能的关键参数，如量子效率（QE）、暗电流、带宽和噪声等效功率（NEP）。特别引入了新型半导体材料（如钙钛矿、III-V族化合物）在光电探测器制造中的应用，以及如何通过材料工程优化光谱响应范围和降低缺陷态密度。 5. 焦平面阵列（FPA）与CMOS/CCD技术 详细解析了现代数字成像传感器（CCD和CMOS）的架构。对于CMOS技术，区分了全局快门和卷帘快门的工作模式及其在高速运动场景中的成像差异。着重讨论了背照式（Backside Illumination, BSI）结构如何显著提高量子效率，尤其是在短波和可见光波段。此外，本书探讨了低噪声读取电路的设计，例如使用片上噪声抑制技术和先进的信号放大策略来提升信噪比（SNR）。 6. 动态范围扩展与高动态范围（HDR）成像 本章专门讨论如何处理场景中光照对比度极高带来的挑战。内容包括： 硬件方法： 分析多重曝光技术（Multiple Exposure）和光响应非线性传感器（如对数型探测器）的工作原理。 软件/计算方法： 深入探讨了如何通过局部色调映射（Tone Mapping）算法将高动态范围数据转换为人眼可接受的显示范围，并介绍了基于学习的HDR重建算法。 --- 第三部分：光场控制与波前工程 本部分转向如何主动或被动地调控光波前的形状和传播特性，这对于自适应光学和精确测量至关重要。 7. 微机电系统（MEMS）在光束控制中的应用 本章聚焦于基于MEMS技术的微型化光学元件。详细介绍了可控倾斜镜（Deformable Mirrors, DM）的驱动原理（如压电、静电力驱动），及其在补偿大气湍流或系统像差中的作用。同时，探讨了微反射镜阵列（如DMDs）在空间光调制器（SLM）中的应用，展示了它们如何实现快速、可编程的光场整形和干涉测量。 8. 非线性光学与光束整形 本章回顾了光与物质相互作用中的非线性效应，特别是二次谐波产生（SHG）和克尔效应。将这些效应应用于光束整形，例如，如何利用自聚焦现象（Filamentation）在介质中产生超快光脉冲。同时，讨论了如何利用空间光调制器（SLM）实现基于傅里叶光学原理的相位掩模设计，以生成特定形状的光束（如贝塞尔光束、涡旋光束）。 9. 自适应光学（AO）系统：从理论到实践 本章系统阐述了自适应光学的闭环控制流程。首先，详细描述了波前传感器（如夏克-哈特曼传感器）的测量原理及其对连续波前和离散波前的重构能力。其次，分析了控制回路中的关键算法，包括快速傅里叶逆变换（IFFT）和模型预测控制（MPC）在实时误差校正中的应用。最后，结合实际案例（如天文观测、眼科成像），讨论了AO系统在不同环境下的性能指标和限制。 --- 第四部分：信号处理与数据解释 本部分关注从原始探测器数据中提取有意义信息的计算方法，侧重于降低噪声和提高测量精度。 10. 噪声分析与降噪技术 本章深入分析了光学系统中主要的噪声源：散粒噪声（Shot Noise）、热噪声（Thermal Noise）和暗电流噪声。提供了精确量化这些噪声对最终测量结果影响的统计学模型。随后，介绍了先进的数字降噪技术： 空间域滤波： 评估双边滤波和非局部均值（Non-Local Means）在保留边缘细节的同时去除高斯噪声的有效性。 变换域滤波： 探讨了小波变换在信号去噪中的应用，如何通过阈值处理实现特定频率分量的抑制。 盲源分离： 讨论了如何使用独立成分分析（ICA）将混合的信号源（如目标信号与背景噪声）进行解耦。 11. 图像重建与反演问题 本章探讨了当测量过程涉及不完全信息或退化时，如何重建原始高质量图像。重点关注了欠定反演问题（Underdetermined Inverse Problems）。详细分析了正则化技术（Regularization Techniques），特别是Tikhonov正则化和Total Variation (TV) 正则化在稳定解和引入先验信息方面的作用。引入了深度学习方法在图像重建中的应用，如使用卷积神经网络（CNN）学习复杂的退化模型和逆映射，以实现比传统方法更快的重建速度和更高的保真度。 12. 测量不确定度与误差传播 本章强调了科学测量的核心——量化不确定性。系统阐述了误差传播的通用公式，并讨论了在涉及多个测量量和复杂函数关系时，如何使用蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）来评估最终结果的不确定度分布。内容还包括对系统误差（如校准误差）和随机误差的区分及处理策略，确保测量结果的可靠性和可重复性。 --- 本书的结构设计旨在引导读者从对光波的深入理解出发，逐步过渡到高性能传感器的设计，再到复杂光场的精确控制，最终落脚于对测量数据的可靠解释与量化。

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