光学和激光扫描技术手册（原书第2版）

本书是光机、激光扫描领域的经典著作，已经2版，由2位国际知名专家主编，26位各国专家合力编著；介绍的内容从单反射镜、转鼓到MEMS，覆盖面广，技术内容深入，特别是光机内部挠性结构、MEMS部分的内容实际深入，便于工程书现场应用；共16章、489图，提供大量设计案例，实例非常丰富。

原书作者杰拉尔德·马歇尔先生和格伦·斯图兹先生，著作等身在美国及国际光学组织中都担任过要职，并且一直供职于商用光机、激光器的重要公司，在高能激光器、医用激光器、机载激光传感器、激光雷达、视网膜扫描、农产品检验、胶片印制、大尺寸测量、激光投影、显微术和印制电路板检验上都有丰富的研究经验和成熟的市场产品。他们与其他国际专家通力，将光机，特别是激光光机，有关的实际研发经验和案例进行了系统的总结和归纳，对我国的光机/激光机的扫描领域应用和产品化，将有较大的帮助。

本书译者周海宪曾担任613研究所总工程师，参与和领导过很多光学/光机科研产品任务。80年代作为访问学者曾到美国工作生活数年，对国内外光学领域的发展和技术都比较了解。他曾编写翻译过十余本图书，对我国光学领域的发展研究做出了自己的贡献。 

本书具有以下显著特点：第 一，内容丰富，不仅有详尽的光学和激光扫描技术理论，而且给出许多实际的扫描实例；第二，覆盖面广，既介绍了常规的扫描技术（如单反射镜、转鼓），又阐述了一些利用诸如微纳米光学（微光机电系统）和全息光学的先进技术研发的光学和激光扫描装置；第三，为使本书能够充分反映光学和激光扫描技术领域的国际先进水平，汇集了该领域美国、英国、日本等国的26位专家的研究成果，具有一定代表性。
本书可供光电子学、空间传感器及系统、遥感、热成像、军事成像、光通信领域中从事光学和激光扫描器设计和制造、光电子仪器总体设计、光学系统和光机结构设计的设计师、工程师阅读，也可作为大专院校相关专业本科生、研究生和教师的参考书。

原书作者杰拉尔德·马歇尔先生和格伦·斯图兹先生，著作等身在美国及国际光学组织中都担任过要职，并且一直供职于商用光机、激光器的重要公司，在高能激光器、医用激光器、机载激光传感器、激光雷达、视网膜扫描、农产品检验、胶片印制、大尺寸测量、激光投影、显微术和印制电路板检验上都有丰富的研究经验和成熟的市场产品。他们与其他国际专家通力，将光机，特别是激光光机，有关的实际研发经验和案例进行了系统的总结和归纳，对我国的光机/激光机的扫描领域应用和产品化，将有较大的帮助。

目 录
译者序
原书第2版前言
原书第1版前言
致谢
第1章 激光束特性: M2模型 1
1.1 概述 1
1.2 激光束特性（理论）发展史 1
1.3 本章内容的组织结构 2
1.4 混模激光束的 M2模型 3
1.4.1 基横模:厄米特-高斯和拉盖尔-高斯函数 3
1.4.2 混模:纯模的非相干叠加 5
1.4.3 与光束直径相关的基模特性 6
1.4.4 基模光束的传播特性 8
1.4.5 混模激光束的传播特性:嵌入式高斯分布和 M2模型 9
1.5 利用透镜对基模和混合模进行光束变换 12
1.5.1 利用光束-透镜转换技术测量激光束发散角 14
1.5.2 光束-透镜转换的应用:深聚焦的局限性 14
1.5.3 逆变换常数 15
1.6 基模和混模光束直径的定义 15
1.6.1 由辐照度分布确定光束直径 16
1.6.2 获取实用光束分布图的具体思考 18
1.6.2.1 市售扫描轮廓仪的工作原理 20
1.6.3 五种定义和测量光束直径（常用）方法的比较 21
1.6.3.1 Dpin（针孔分布 1/e2限幅点的间隔） 21
1.6.3.2 Dslit（狭缝分布 1/e2限幅点的间隔） 21
1.6.3.3 Dke（刀口扫描限幅点15.9%和84.1%的两倍间隔） 22
1.6.3.4 D86（通过总能量86.5%的同心圆孔直径） 22
1.6.3.5 D4σ（针孔辐照度分布标准偏差的4倍） 22
1.6.3.6 D4σ（对辐照度分布信噪比的灵敏度） 23
1.6.3.7 ISO选择 D4σ作为标准直径的理由 24
1.6.3.8 直径定义的总结 25
1.6.4 直径定义之间的转换 25
1.6.4.1 M2是的吗? 26
1.6.4.2 转换规则的经验基础 26
1.6.4.3 不同定义直径间的转换规则 28
1.7 测量光束质量M2的具体问题:四切法 29
1.7.1 四切法的逻辑性 29
1.7.1.1 利用附加透镜形成可测束腰 31
1.7.1.2 束腰位置精度 32
1.7.2 数据的图形分析 32
1.7.3 对数据进行曲线拟合分析的相关讨论 34
1.7.4 市售测量仪器和软件包 35
1.8 光束不对称性类型 36
1.8.1 光束不对称性的常见类型 36
1.8.2 等效柱形光束的概念 38
1.8.3 其他光束的不对称性:扭曲光束，复杂像散 40
1.9 M2模型在激光扫描器中的应用 41
1.9.1 立体光刻扫描器 41
1.9.2 转换为统一的刀口法体系 43
1.9.3 为何使用多模激光束? 43
1.9.4 如何解读激光束测试报告? 44
1.9.5 利用等效透镜代替聚焦扩束镜 44
1.9.6 景深和扫描面位置处光斑尺寸的变化 45
1.9.7 限制扫描面上激光光斑圆度的技术要求 46
1.9.7.1 案例A:10%束腰不对称性 46
1.9.7.2 案例B:10%发散度不对称性 46
1.9.7.3 案例C:像散造成扫描面上有12%的不圆度 47
1.10 总结: M2模型综述 48
致谢 49
专业术语 49
参考文献 54
第2章 激光扫描光学系统 56
2.1 概述 56
2.2 激光扫描器结构 56
2.2.1 物镜扫描 56
2.2.2 物镜后置扫描 56
2.2.3 物镜前置扫描 57
2.3 光学设计和优化:概述 57
2.4 光学不变量 59
2.4.1 衍射受限 60
2.4.2 实际高斯光束 60
2.4.3 切趾率 61
2.5 性能问题 62
2.5.1 图像辐照度 62
2.5.2 像质 63
2.5.3 分辨率和像素数 64
2.5.4 焦深 64
2.5.5 F-θ条件 65
2.6 初级像差和三级像差 66
2.6.1 初级色差校正 68
2.6.2 三级像差性质 69
2.6.2.1 球差 69
2.6.2.2 慧差 70
2.6.2.3 像散 70
2.6.2.4 畸变 70
2.6.3 三级像差经验法则 70
2.6.4 匹兹伐（Pitzval）半径的重要性 71
2.7 具体设计要求 71
2.7.1 检流计式扫描器 72
2.7.2 多面体反射镜扫描 72
2.7.2.1 扫描线弯曲 72
2.7.2.2 光束位移 72
2.7.2.3 交叉扫描误差 73
2.7.2.4 小结 75
2.7.3 多面体反射镜扫描效率 75
2.7.4 内转鼓式系统 77
2.7.5 全息扫描系统 77
2.8 物镜设计模式 77
2.8.1 简单扫描物镜的设计剖析 79
2.8.2 采用倾斜面的多结构布局 84
2.8.3 多结构布局反射多面体模式 84
2.8.4 单通道多面体反射镜结构设计实例 85
2.8.4.1 CODE V程序中多结构布局物镜参数填写格式 86
2.8.4.2 物镜设计过程 87
2.8.5 双轴扫描 88
2.9 激光扫描物镜设计实例 88
2.9.1 300DPI办公打印机物镜（λ =633nm） 89
2.9.2 广角扫描物镜（λ =633nm） 89
2.9.3 中等视场角扫描物镜（λ =633nm） 89
2.9.4 长扫描线中等视场扫描物镜（λ =633nm） 89
2.9.5 适用于发光二极管的扫描物镜（λ =800nm） 90
2.9.6 双波长高精度扫描物镜（λ =1064和950nm） 91
2.9.7 高分辨率远心扫描物镜（λ =408nm） 91
2.10 扫描物镜制造、质量控制和终检测 91
2.11 全息激光扫描系统 92
2.11.1 利用平面线性光栅扫描 92
2.11.2 扫描线弯曲和扫描线性度 93
2.11.3 扫描盘摆动的影响

原书第2版前言

光学和激光扫描技术是控制光束偏转的技术，包括可见光和不可见光。编写第2版的目的是为科学家、工程师、维修管理技师及在校学生深入理解光学扫描技术提供参考。第2版涵盖了之前出版的三本书的内容:《激光束扫描技术》《光学扫描技术》和《光学和激光扫描技术手册（原书第1版）》。这三本著作出版后，光学扫描技术出现了许多新的进展，需要对之前介绍的材料进行更新，同时增加新的内容。第2版增加了扫描技术新的应用方面的章节，以进一步阐述扫描技术的实际应用。
光学和激光扫描技术是一个内容非常广泛的研究课题。其重点包括，控制光束偏转的机理，根据该机理实现扫描功能的光学系统，以及影响扫描系统图像真实性（保真度）的因素。本书将对每个重点课题进行全面阐述。
扫描系统可以是输入系统、输出系统或者两者的组合。输入系统可以获得二维或者三维图像，能够以固定波长工作或者在宽光谱范围内工作，通过聚集镜面反射光或者散射光，也可以通过荧光图像并收集荧光而重新获得原光源。输出系统使光束形成应用所需要的图像，如标识、可视投影和“硬拷贝”输出；激光雷达和许多探测系统采用相同的光路照射物体并获取图像。一个扫描系统不但涉及光学，还包括其他学科，如机械学、电子学、磁学、流体动力学、材料科学、声学、图像分析学、固件、软件等。而本书汇集了英国、日本和美国等国的26位作者的学识和经验。
出版文字书籍，总是落后于科学技术突飞猛进的发展。本书是作者竭尽全力完成的光学和扫描技术方面的书籍，写出所属特定领域的权威内容，是对该领域技术的介绍。本书可以作为从事光学和激光扫描技术人员的参考书。
第1～3章包括三个（扫描系统中）研究课题:高斯（Gaussian）激光束特性、激光扫描器的光学系统及其成像质量。第4～7章介绍了单面（单面反射镜）和多面扫描系统的设计，包括轴承。第8、9章讨论了振镜和谐振扫描系统，包括挠性铰链（枢轴）。第10～12章阐述全息、声光和电光扫描系统。第13、14章介绍压电扫描器及光盘扫描。第15、16章讨论两种应用，即计算机直接制版（Computer To Plate，CTP）法的光学扫描技术和水下扫描技术。本书讨论的这些内容将说明扫描技术在当今社会的重要意义。
杰拉尔德·马歇尔
格伦·斯图兹

原书第1版前言

光学和激光束扫描技术是控制光束偏转方向的技术，包括可见光和不可见光。编写本书的目的是为应用工程师、科学家、维修管理技师及在校学生深入理解光学扫描技术提供参考。本书源自之前出版的两本书:《激光束扫描技术》和《光学扫描技术》。上述著作出版后，扫描技术有了许多新的进展，必须予以更新，还要包括十多年来发生的新变化。本书内容汇集了英国、日本和美国等国的27位国际专家的学识和经验。
光学和激光扫描技术是一个内容非常广泛的研究课题，其重点不仅包括控制光束偏转的机理，而且还涉及影响输出数据（记录在纸或者胶片上，显示在监视器或者投影在屏幕上）图像保真度的各种因素。扫描系统可以是输入扫描器、输出扫描器或者两者的组合。系统图像保真度初取决于输入信息的精确读入和存储———存储信息的处理，以及后是输出数据的读出。光学扫描技术与许多学科密切相关:光学、材料学、磁学、声学、机械学、电子学和图像分析学等。
文字书籍的出版，总是落后于科学技术突飞猛进的发展的。本书作者竭尽全力完成这本光学和扫描技术方面的书籍，并撰写出所在特定领域的权威内容。本书可以视为该领域技术的导论，并可作为光学和激光扫描技术领域工作人员的重要参考书。
为了方便国际间科技工程类读者阅读，只要合适，本书都将以两种单位制表示测定量，第二种单位置于括号中。除非有特别意义，否则优先采用米制。关于术语、命名法和符号，本书尽量保持一致。然而，由于27位作者来自很多国家，具有不同的风格，相比之下，我更关注他们做出的独特贡献而非形式。
本书按照逻辑顺序编排章节，从激光光源开始而以术语表结束。第1～3章包括三个基本的（扫描系统中）研究课题:高斯（Gaussian）激光束特性、激光扫描器的光学系统及其成像质量。第4～7章介绍了单面（单面反射镜）和多面扫描系统的设计，包括轴承。第8、9章讨论了振镜和谐振扫描系统，包括挠性铰链（枢轴）。第10～14章阐述了全息、光盘、声光、电光扫描系统及热打印头技术。后，本书列出了非常有用的扫描技术术语表。
杰拉尔德·马歇尔