現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達(dá)。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內(nèi)心深處的真相，好投稿為您帶來(lái)了七篇現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量技術(shù)范文，愿它們成為您寫作過(guò)程中的靈感催化劑，助力您的創(chuàng)作。

篇(1)

光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)按測(cè)量原理可以分為攝影測(cè)量方法、結(jié)構(gòu)光技術(shù)和光學(xué)干涉方法。攝影測(cè)量法是基于多視角的非主動(dòng)式測(cè)量方法。在普通照明（陽(yáng)光、日光燈）情況下，由攝像頭獲取多視角物體圖像，利用計(jì)算機(jī)查找多幅圖像的同態(tài)標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)而獲得物體的表面形貌。結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過(guò)不同寬度且明暗相間的結(jié)構(gòu)光照射被測(cè)物體表面，獲取到的經(jīng)物體調(diào)制的圖像，再經(jīng)過(guò)計(jì)算獲取物體的立體形貌信息。光學(xué)干涉法是利用干涉原理進(jìn)行測(cè)量，具有高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)。以下介紹幾種常見的光學(xué)三維測(cè)量方法。三維激光掃描技術(shù)根據(jù)光學(xué)三角形測(cè)量原理，以激光作為光源，光電探測(cè)器接收反射光，通過(guò)對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到物體的深度信息。三維激光掃描儀包括發(fā)射器和接收器。發(fā)射器射出一束脈沖激光，激光經(jīng)過(guò)物體表面漫反射，沿相同路線射入接收器。由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時(shí)間tL可計(jì)算出掃描點(diǎn)到掃描儀的距離值S。掃描儀內(nèi)精密測(cè)量系統(tǒng)獲取每個(gè)激光脈沖的水平方向角琢和垂直方向角度茁。依據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算出掃描點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)（XP、YP、ZP）[1]。

雙目視覺技術(shù)屬于攝影測(cè)量方法，是通過(guò)視差原理被動(dòng)測(cè)量三維數(shù)據(jù)的技術(shù)。雙目視覺技術(shù)測(cè)量物體三維形貌的原理是，從兩個(gè)或以上的視角去觀察一個(gè)物體，獲得多張不同視角下物體的二維圖片，根據(jù)三角測(cè)量原理得出同一個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)偏差，以此獲得測(cè)量物體的三維形態(tài)。此過(guò)程與人眼的立體視覺原理相類似。面結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)由投影儀和數(shù)碼相機(jī)組成。投影儀將明暗相間光柵條紋投影到待測(cè)物體上。物體高度的變化引起光柵條紋的形變。條紋形變可認(rèn)為是載波信號(hào)相位和振幅被空間物體調(diào)制。數(shù)碼相機(jī)拍攝調(diào)制后的圖像，對(duì)其進(jìn)行解調(diào)制，獲得物體的整個(gè)高度信息值，依照三角法原理，形成物體的三維立體影像[3]。

2光學(xué)三維測(cè)量的應(yīng)用

光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，如非接觸式測(cè)量、高精確度、快速獲得結(jié)果等。光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實(shí)、逆向工程、醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)

利用光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)對(duì)實(shí)物外形進(jìn)行三維形貌掃描，經(jīng)過(guò)三維建模軟件處理，在計(jì)算機(jī)內(nèi)生成人物、場(chǎng)景的三維模型。由三維模型生成人物動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫制作，滿足電腦游戲、CG特效等場(chǎng)合需要。

2.2逆向工程

逆向工程是利用光學(xué)三維測(cè)量設(shè)備獲取物體表面上所有點(diǎn)的三維立體坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)信息利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)物模型重建的過(guò)程。逆向工程獲得的模型被用于改進(jìn)、完善原有的產(chǎn)品，被廣泛地應(yīng)用到磨具開發(fā)、汽車制造等領(lǐng)域，是現(xiàn)代產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。

2.3生物、醫(yī)學(xué)工程

篇(2)

關(guān)鍵詞：幾何光學(xué)；教學(xué)內(nèi)容；現(xiàn)代化；實(shí)踐應(yīng)用

前言：隨著幾何光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化實(shí)踐應(yīng)用越來(lái)越廣泛，相關(guān)的科員人員對(duì)于幾何光學(xué)的現(xiàn)代化應(yīng)用的研究也越來(lái)越關(guān)注，幾何光學(xué)作為物理學(xué)科中的重要組成部分，它是以光線為基礎(chǔ)，研究光線在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律與現(xiàn)象，從而制造出各種具有實(shí)用價(jià)值的光學(xué)儀器，為我國(guó)的光學(xué)現(xiàn)代化應(yīng)用提供了重要的前提，奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而在幾何光學(xué)現(xiàn)代化的環(huán)境下，要不斷的對(duì)幾何光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)，從而制定出更加科學(xué)合理的教學(xué)大綱，讓學(xué)生對(duì)于幾何光學(xué)的知識(shí)掌握的更加全面具體，從而提高學(xué)的創(chuàng)新能力與科學(xué)素養(yǎng)。

一、幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容概述

（一）幾何光學(xué)的定義

幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中的分支學(xué)科，它是以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)律的實(shí)用性學(xué)科。在幾何光學(xué)中，把物體看做是幾何點(diǎn)，將它所發(fā)出的光束看作是幾何光線的集合，而光線的方向就代表光的傳播方向。以此為基本條件，根據(jù)光線的傳播規(guī)律，研究物體被透鏡或其他光學(xué)元件所能成像的過(guò)程，將其應(yīng)用到光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)方面具有很高的實(shí)用價(jià)值。

（二）幾何光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容

我國(guó)目前對(duì)于幾何光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容主要包括：（1）幾何光學(xué)的基本定律；（2）費(fèi)馬原理；（3）成像的基本概念；（4）光在平面上的反射和折射；（5）光導(dǎo)纖維；（6）棱鏡；（7）光在單球面上的折射和反射；（8）薄透鏡；（9）共軸球面系統(tǒng)的逐次成像法；（10）共軸球面系統(tǒng)旁軸成像的矩陣方法；（11）光學(xué)儀器的應(yīng)用；（12）現(xiàn)代光學(xué)的介紹及應(yīng)用；（13）光的衍射；（14）光的干涉；等有關(guān)幾何光學(xué)的主要內(nèi)容。幾何光學(xué)作為普通物理的基礎(chǔ)學(xué)科，無(wú)論是教學(xué)模式還是教程都主要是以幾何光學(xué)為主，這就導(dǎo)致了我國(guó)物理專業(yè)的本科畢業(yè)生對(duì)幾何光學(xué)的知識(shí)方法與應(yīng)用掌握不全，要加強(qiáng)對(duì)于幾何光學(xué)的知識(shí)補(bǔ)給，以滿足我國(guó)對(duì)于光學(xué)領(lǐng)域人才的需求。教師要注重幾何光學(xué)教學(xué)的內(nèi)容與實(shí)踐的結(jié)合，讓我國(guó)的幾何光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域得到全面的發(fā)展。

二、幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化應(yīng)用實(shí)踐

在幾何光學(xué)中最基礎(chǔ)的就是反射、折射的原理，在現(xiàn)代的技術(shù)中對(duì)于這兩個(gè)原理的應(yīng)用也是最廣泛的，而其中的利用全反射原理主要的一個(gè)應(yīng)用就是光纖通信，目前光纖通訊可以說(shuō)是互聯(lián)網(wǎng)通訊中最重要的通訊方式之一，所涉及到的應(yīng)用也是最廣泛的。利用幾何光學(xué)教學(xué)內(nèi)容的反射原理制造的光學(xué)投影儀，利用光的成像原理所制造出的數(shù)碼相機(jī)，利用光的反射原理制作的哈文望遠(yuǎn)鏡等，我國(guó)目前已經(jīng)對(duì)于幾何光學(xué)在現(xiàn)代化的應(yīng)用中做出了一定的成就，在此基礎(chǔ)之上，還要對(duì)幾何光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步的拓展，進(jìn)而使學(xué)生對(duì)于幾何光學(xué)的知識(shí)儲(chǔ)備更加具體全面，將有助于對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)。

（一）光纖通訊

通過(guò)發(fā)射端將所要傳輸?shù)墓饩€轉(zhuǎn)化成信號(hào)，然后再將其調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上面，讓光線的強(qiáng)度因?yàn)樾盘?hào)的幅度而具有不同的變化，之后再通過(guò)光纖將其發(fā)送出去；而在接收端檢測(cè)器將收到光信號(hào)變換為電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成為原來(lái)由信息，以此就形成了光纖通訊。

（二）自聚焦透鏡

當(dāng)光線在空氣中傳播遇到不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)使其原有的傳播方向發(fā)生改變。傳統(tǒng)透鏡是通過(guò)控制透鏡表面的曲率的改變，來(lái)使其產(chǎn)生的光程差將光線匯聚成一點(diǎn)。對(duì)于1/4節(jié)距的自聚焦透鏡來(lái)說(shuō)，當(dāng)從一端射入一束平行光時(shí)，經(jīng)過(guò)自聚焦透鏡后光線會(huì)匯聚在另一面上。而這種端面聚焦的功能就是傳統(tǒng)曲面透鏡所無(wú)法達(dá)到的。自聚焦透鏡是光纖通訊中的無(wú)源器件中不可或缺的基礎(chǔ)光學(xué)器件，自聚焦透鏡也在現(xiàn)代的光學(xué)儀器中得到了廣泛的引用，例如：槍的瞄準(zhǔn)器、耦合器、光開關(guān)、光隔離器以及波分復(fù)用器。

（三）光學(xué)投影儀

將資料放在工作臺(tái)上，在經(jīng)過(guò)光線的照明之后，讓其由物鏡經(jīng)過(guò)光鏡，從而反射到投影屏上，就形成了一個(gè)與原有資料完全相反的影像?；蚴峭耆嗤挠跋瘛ＹY料就通過(guò)了放大，成像在投影屏上，之后再利用工作_上的數(shù)位測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)投影屏上的資料輪廓進(jìn)行座標(biāo)測(cè)量，也可利用投影屏旋轉(zhuǎn)角度數(shù)顯系統(tǒng)對(duì)工件輪廓的角度進(jìn)行測(cè)量。光學(xué)投影儀成像分為正像和反像兩種。

（四）數(shù)碼相機(jī)

光線通過(guò)鏡頭進(jìn)入相機(jī)內(nèi)部，再通過(guò)數(shù)碼相機(jī)具有的成像元件的轉(zhuǎn)化，最終將光線形成具體的影像。數(shù)碼相機(jī)的主要的成像元件包括CCD和CMOS，其特點(diǎn)是在光線通過(guò)的時(shí)候，根據(jù)光線的不同組成從而轉(zhuǎn)化為不同的電子信號(hào)，進(jìn)而形成完整的光學(xué)成像。

（五）哈文望遠(yuǎn)鏡

篇(3)

【關(guān)鍵詞】 光電子技術(shù) 光醫(yī)學(xué) 光保健 學(xué)科現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢(shì)

一 引言

生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)是光學(xué)或者說(shuō)光子學(xué)現(xiàn)展的一個(gè)分支學(xué)科。由于光學(xué)與光子學(xué)是具有極強(qiáng)應(yīng)用背景的學(xué)科，所以“生物醫(yī)學(xué)光子技術(shù)”這一多學(xué)科交叉的新興研究領(lǐng)域在20世紀(jì)末葉也隨之應(yīng)運(yùn)而生。

激光技術(shù)作為一項(xiàng)重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發(fā)生、發(fā)展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。

可以把與光的產(chǎn)生、傳播、操縱、探測(cè)和利用有關(guān)的物理現(xiàn)象和技術(shù)包括在內(nèi)的科學(xué)及工程籠統(tǒng)地簡(jiǎn)稱為光學(xué)。用光學(xué)最廣的含義來(lái)概括各研究領(lǐng)域及其相關(guān)交叉分支時(shí)必然包括了激光和光電子技術(shù)。運(yùn)用光學(xué)及其技術(shù)研究光與人體組織的相互作用問題可歸之于“組織光學(xué)”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內(nèi)的傳播規(guī)律以及有關(guān)組織光學(xué)特性的測(cè)量方法的一門新興交叉學(xué)科，是光醫(yī)學(xué)（光診斷和光治療）的理論基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，激光與光電子技術(shù)在人類的保健、醫(yī)療以及生命科學(xué)中產(chǎn)生了很大影響。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光電子技術(shù)使各種新療法，包括從激光心臟手術(shù)到用光學(xué)圖像系統(tǒng)的關(guān)節(jié)內(nèi)窺鏡進(jìn)行微損膝關(guān)節(jié)修復(fù)等，成為可能或得以實(shí)現(xiàn)。目前，科學(xué)家們正致力于研究光學(xué)技術(shù)在非侵入式診斷和檢測(cè)上的應(yīng)用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無(wú)針”監(jiān)控等。激光在醫(yī)學(xué)上的最早應(yīng)用雖然集中在治療方面，然而在80年代初期起便開始了光診斷技術(shù)的探索。指望無(wú)損害地獲得診斷信息是這些研究的驅(qū)動(dòng)力之一，其中在物理學(xué)中高度發(fā)展的光譜技術(shù)有望在診斷醫(yī)學(xué)中得到應(yīng)用。利用光纖把光傳輸?shù)缴眢w內(nèi)部的能力，可以完成膀胱、結(jié)腸和肺等器官的檢查。隨著醫(yī)學(xué)診斷方法向無(wú)損化方向發(fā)展，利用光電子學(xué)技術(shù)對(duì)組織體進(jìn)行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來(lái)，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)模式的轉(zhuǎn)變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀(jì)80年代后期起，“激光美容術(shù)”在世界各地包括在我國(guó)各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越活躍的領(lǐng)域。激光技術(shù)應(yīng)用于美容外科的起步較早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治療變得簡(jiǎn)易有效。到20世紀(jì)末，人們又開發(fā)了一種稱為光子嫩膚術(shù)的新美容技術(shù)。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質(zhì)地和彈性，達(dá)到美容的效果。之所以用激光或強(qiáng)脈沖光進(jìn)行非消融性的嫩膚或治療越來(lái)越流行，是因?yàn)檫@類手術(shù)具有無(wú)損、不必住院、幾乎無(wú)副作用和無(wú)疼痛，從而使受術(shù)者容易接受的優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)先后二次在“光子學(xué)與光子技術(shù)”以及“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”優(yōu)先資助領(lǐng)域戰(zhàn)略研究報(bào)告中分別指出：近年來(lái)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)與光子學(xué)的迅猛興起，令人矚目，并因而引發(fā)出一門新興的學(xué)科－生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)（Biomedophotonics）。研究報(bào)告選定了近期優(yōu)先研究領(lǐng)域包括生物光子學(xué)、醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)研究、醫(yī)學(xué)臨床的光學(xué)診斷和激光醫(yī)學(xué)中的重要課題等諸方面。

福建師范大學(xué)在1974年成立了“醫(yī)用激光及其應(yīng)用技術(shù)”研究組，以激光與光電子技術(shù)為基礎(chǔ)，圍繞激光醫(yī)學(xué)應(yīng)用的核心技術(shù)開展研究與開發(fā)。至二十世紀(jì)九十年代，跟隨該領(lǐng)域的國(guó)際走向，轉(zhuǎn)入激光醫(yī)學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究工作，在國(guó)內(nèi)率先開展了生物組織光學(xué)與光劑量學(xué)的研究。伴隨研究工作的深入開展，逐步形成了我們有特色的若干前沿研究方向，并于2005年獲準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

二 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

光學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用，在經(jīng)歷了一個(gè)緩慢的發(fā)展階段后，由于激光與新穎的光子技術(shù)的介入，進(jìn)入了一個(gè)迅速發(fā)展的新階段。與光學(xué)有關(guān)的技術(shù)沖擊著人類健康領(lǐng)域，正在改變著藥物療法和常規(guī)手術(shù)的實(shí)施手段，并為醫(yī)療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來(lái)，與蓬勃的學(xué)術(shù)研究活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，國(guó)際上出現(xiàn)了專門的研究性學(xué)術(shù)雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發(fā)行了“Bio-Photonics”新雜志。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)重要的會(huì)刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴(kuò)充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關(guān)生物醫(yī)學(xué)光學(xué)的論文專集。SPIE亦于1996年創(chuàng)辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽(yù)日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達(dá)3.541。當(dāng)前，發(fā)達(dá)國(guó)家普遍對(duì)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科給予了高度重視。例如，在美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院（NIH）新成立的國(guó)家生物醫(yī)學(xué)影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)也成為其主要資助的領(lǐng)域。近三年中，美國(guó)NIH已經(jīng)召開過(guò)4次研討會(huì)，認(rèn)為新的在體生物光子學(xué)方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測(cè)、診斷和治療。新一代的在體光學(xué)成像技術(shù)正處在從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向癌癥臨床應(yīng)用的重要時(shí)刻。在NIH的支持下，美國(guó)國(guó)家癌癥研究所（NCI）正在計(jì)劃5年投資1800萬(wàn)美元，招標(biāo)建立“在體光學(xué)成像和/或光譜技術(shù)轉(zhuǎn)化研究網(wǎng)絡(luò)（NTROI）”，其研究?jī)?nèi)容主要包括：光學(xué)成像對(duì)比度的產(chǎn)生機(jī)理、在體光學(xué)成像技術(shù)與方法、臨床監(jiān)測(cè)、新光學(xué)成像方法的驗(yàn)證、系統(tǒng)研制與集成等五個(gè)方面。2000年底，在美國(guó)NIBIB的首批支持項(xiàng)目中，光學(xué)成像方法約占30%。2000年7月，美國(guó)NIH投資2000萬(wàn)美元，開展小動(dòng)物成像方法項(xiàng)目（SAIRPs）研究，受到生命科學(xué)界的高度關(guān)注，其中光學(xué)成像方法是研究重點(diǎn)之一。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）在2000-2002年了4次關(guān)于生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標(biāo)指南?！?.11”事件后，美國(guó)國(guó)防部啟動(dòng)了“應(yīng)激狀態(tài)下的認(rèn)知活動(dòng)”(Cognition under stress)項(xiàng)目，采用的研究方法就是光學(xué)成像技術(shù)。美國(guó)加州大學(xué)Davis分校于2002年10月宣布：未來(lái)10年內(nèi)，將投資5200萬(wàn)美元建立生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)科學(xué)技術(shù)中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬(wàn)美元由NSF支持。在學(xué)術(shù)交流活動(dòng)方面，國(guó)際光學(xué)界規(guī)模最大西部光子學(xué)會(huì)議（Photonics West）上，每年的四個(gè)大分會(huì)之一即是生物醫(yī)學(xué)光學(xué)會(huì)議（BiOS），論文均超過(guò)大會(huì)總數(shù)的三分之一，如，2003年關(guān)于BiOS的專題為19個(gè)，占整個(gè)會(huì)議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會(huì)議專題為20個(gè)，占整個(gè)會(huì)議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)會(huì)議。除疾病早期診斷、生理參數(shù)監(jiān)測(cè)外，在基因表達(dá)、蛋白質(zhì)―蛋白質(zhì)相互作用、新藥研發(fā)和藥效評(píng)價(jià)等研究中，特別是近年來(lái)的Science, Nature, PNAS等國(guó)際權(quán)威刊物發(fā)表的論文表明，光子學(xué)技術(shù)也正在發(fā)揮至關(guān)重要的作用。在某些領(lǐng)域，如眼科，光學(xué)和激光技術(shù)已成熟地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實(shí)現(xiàn)，并以最小的無(wú)損或微損療法代替外科手術(shù)，如膝關(guān)節(jié)的修復(fù)?，F(xiàn)在，用激光技術(shù)和光激勵(lì)的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學(xué)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的流動(dòng)血細(xì)胞測(cè)量?jī)x可用于監(jiān)測(cè)愛滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學(xué)技術(shù)正處于無(wú)損醫(yī)學(xué)應(yīng)用的試驗(yàn)階段，包括控制糖尿病所進(jìn)行的無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)和乳腺癌的早期診斷等。光學(xué)技術(shù)還為生物學(xué)研究提供了新的手段，如人體內(nèi)部造影、測(cè)量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細(xì)的生物結(jié)構(gòu)的三維圖象展現(xiàn)出來(lái)，在亞細(xì)胞層次監(jiān)測(cè)化學(xué)組成和蛋白質(zhì)相互作用空間和時(shí)間特征。以雙光子激發(fā)熒光技術(shù)為代表的非線性成像方法，不僅可以改善熒光成像方法的探測(cè)深度、降低對(duì)生物體的損傷，而且還開辟了在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行高度定位的光化學(xué)療法。近場(chǎng)技術(shù)將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測(cè)細(xì)胞膜上生物分子的相互作用、離子通道等等。激光器已成為確定DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)排序系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。光學(xué)在生物技術(shù)方面的其它應(yīng)用還包括采用“DNA芯片”的高級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，和采用傳輸探針的簡(jiǎn)單系統(tǒng)。激光鉗提供了一種在顯微鏡下方能看見的一種新奇的、前所未有的操作方法，能夠在生物環(huán)境中實(shí)現(xiàn)細(xì)胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量。結(jié)合光子學(xué)和納米技術(shù)已經(jīng)可以探測(cè)細(xì)胞機(jī)械活動(dòng)，揭示細(xì)胞水平上隱秘的生命過(guò)程，利用納米器件甚至可以檢測(cè)和操縱原子和分子，這可以應(yīng)用在細(xì)胞水平的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。高技術(shù)的進(jìn)步，如：微芯片極大地加速了生物光子學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。集成電路、傳感器元件和相連電路的小型化、集成化促使在體和體外測(cè)量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)技術(shù)已經(jīng)在臨床上應(yīng)用于早期疾病監(jiān)測(cè)或生理參量的測(cè)量，如血壓，血液化學(xué)，pH，溫度，或測(cè)量病理生物體或臨床上有重要意義的生化物種的存在與否。描述不同光譜特性（如熒光，散射，反射和光學(xué)相干成像）的各種光學(xué)概念出現(xiàn)在功能成像的重要領(lǐng)域。從大腦到竇體再到腹部，精確導(dǎo)位和追蹤，對(duì)于精確定位醫(yī)療儀器在三維手術(shù)空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術(shù)可以識(shí)別發(fā)生疾病時(shí)產(chǎn)生的分子報(bào)警，將真正實(shí)現(xiàn)令人激動(dòng)的、個(gè)人的、分子水平的醫(yī)學(xué)。

我國(guó)的研究基礎(chǔ)與條件雖然相對(duì)落后，研究投入不足，但生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)是一門正在興起和不斷發(fā)展的學(xué)科，在這一新興交叉學(xué)科上國(guó)內(nèi)外處于一個(gè)起跑線上。近年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金委、省部委以及其它基金項(xiàng)目的資助下，我國(guó)在生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究中取得了很大的進(jìn)展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)與醫(yī)學(xué)成像若干前沿問題”、第217次主題為“生物分子光子學(xué)”的香山會(huì)議后，有許多學(xué)校和科研單位開展了生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的研究工作，并初步建成了幾個(gè)具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機(jī)構(gòu)或?qū)嶒?yàn)室，并在生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發(fā)熒光成像、二次諧波成像、光學(xué)層析成像等）、組織光學(xué)理論及光子醫(yī)學(xué)診斷、分子光子學(xué)（包括成像與分析）、生物醫(yī)學(xué)光譜、X射線相襯成像、光學(xué)功能成像、認(rèn)知光學(xué)成像、PDT光劑量學(xué)、高時(shí)空譜探測(cè)技術(shù)及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發(fā)表了許多研究論文，申請(qǐng)了許多發(fā)明專利，有些已經(jīng)獲得產(chǎn)業(yè)化。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)生命科學(xué)部與信息科學(xué)部聯(lián)合發(fā)起并承辦的全國(guó)光子生物學(xué)與光子醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)已經(jīng)舉辦了六屆。這對(duì)我國(guó)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)學(xué)科的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。在我國(guó)近年所召開的亞太地區(qū)光子學(xué)會(huì)議中，有關(guān)生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的內(nèi)容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)研究和學(xué)術(shù)活動(dòng)也方興未艾，呈現(xiàn)與國(guó)際同步的態(tài)勢(shì)。在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及對(duì)新技術(shù)的掌握方面跟蹤國(guó)際先進(jìn)水平，但國(guó)內(nèi)科研經(jīng)費(fèi)的投入相對(duì)較小，科研隊(duì)伍規(guī)模不大，原創(chuàng)性的科研成果與國(guó)外有較大差距。和國(guó)外的發(fā)展水平相比，我國(guó)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)發(fā)展還存在以下問題：

（1）盡管從事生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的科研單位很多，但取得突破性、創(chuàng)新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊(duì)伍在組織、組成上還不合理，過(guò)于分散、開展的內(nèi)容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國(guó)計(jì)民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復(fù)，缺乏合作，導(dǎo)致水平低下；

（2）和國(guó)外相比，研究經(jīng)費(fèi)無(wú)論在絕對(duì)值還是相對(duì)值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產(chǎn)業(yè)化的引導(dǎo)機(jī)制。

三 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)（福建師范大學(xué)）教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室概況

“醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)立于福建師范大學(xué)物理與光電信息科技學(xué)院（激光與光電子技術(shù)研究所）內(nèi)，作為本學(xué)科開展科研研究和實(shí)施建設(shè)與發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)室已有30年發(fā)展歷史，1973年成立福建師范學(xué)院物理系激光實(shí)驗(yàn)室，1984年成為福建師范大學(xué)激光研究所實(shí)驗(yàn)室，1995年為福建省首期211重點(diǎn)學(xué)科《應(yīng)用光子學(xué)》學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，2003年5月26日經(jīng)福建省科技廳批準(zhǔn)成立“光子技術(shù)福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，2005年7月28日經(jīng)教育部批準(zhǔn)立項(xiàng)建設(shè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室座落于福建師范大學(xué)長(zhǎng)安山校園內(nèi)。

30年多來(lái)，實(shí)驗(yàn)室在生物組織光學(xué)、醫(yī)學(xué)光譜與光學(xué)成像技術(shù)、光診斷及光診療技術(shù)、信息技術(shù)光學(xué)及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等四個(gè)主要方向上努力開拓，承擔(dān)并完成了數(shù)十項(xiàng)國(guó)家與省部重點(diǎn)、重大項(xiàng)目課題，取得一批代表我國(guó)本領(lǐng)域研究水平的科研成果，其中十五以來(lái)獲省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，其它省級(jí)以上獎(jiǎng)勵(lì)12項(xiàng)。在國(guó)內(nèi)外重要刊物發(fā)表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過(guò)100篇。

實(shí)驗(yàn)室目前承擔(dān)著國(guó)家與省級(jí)重要課題50余項(xiàng)，科研經(jīng)費(fèi)超過(guò)2000萬(wàn)元。其中國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目11項(xiàng)，國(guó)家教育部、科技部、衛(wèi)生部項(xiàng)目9項(xiàng)，福建省科技重大專項(xiàng)1項(xiàng)，其它省級(jí)重要項(xiàng)目近30項(xiàng)。

中科院半導(dǎo)體研究所原所長(zhǎng)王啟明院士任重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔(dān)任。另有九位國(guó)內(nèi)外著名的激光、光電子與醫(yī)學(xué)學(xué)科交叉的院士、專家或資深教授擔(dān)任委員，其中海外委員兩人。他們規(guī)劃、指導(dǎo)并檢查本學(xué)科實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主要學(xué)術(shù)帶頭人、實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)常務(wù)副主任謝樹森教授是中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、福建省光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家、光學(xué)工程專業(yè)博導(dǎo)、全國(guó)勞動(dòng)模范，是我國(guó)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)帶頭人與開拓者。實(shí)驗(yàn)室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國(guó)務(wù)院特殊津貼專家，實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任陳建新教授來(lái)自于北京大學(xué)的優(yōu)秀博士后研究員。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有穩(wěn)定的可持續(xù)開展高水平科研的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，其中的中青年學(xué)術(shù)帶頭人或?qū)W術(shù)骨干包括1位閩江學(xué)者特聘教授、1位福建師范大學(xué)特聘教授、3位國(guó)務(wù)院特殊津貼專家、2位全國(guó)優(yōu)秀教師、2位福建省優(yōu)秀教師和15位博士。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界建立了并保持著廣泛的聯(lián)系。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已設(shè)立面向國(guó)內(nèi)外的開放課題基金。已批準(zhǔn)并實(shí)施來(lái)自浙江大學(xué)、廈門大學(xué)、上海光機(jī)所、西安交通大學(xué)、華南師范大學(xué)、天津醫(yī)科大學(xué)、上海市激光醫(yī)學(xué)研究中心等單位知名學(xué)者的開放課題。

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已具備良好的科研軟硬件環(huán)境。現(xiàn)有面積近5000平方米，儀器設(shè)備原值2500多萬(wàn)元。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)管理制度健全。

“醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在我國(guó)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域特色鮮明，在我國(guó)相關(guān)學(xué)科處于領(lǐng)頭地位，有較大影響。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)將有力促進(jìn)福建省科技創(chuàng)新能力建設(shè)，促使福建師范大學(xué)迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學(xué)邁進(jìn)。同時(shí)，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展將有力促進(jìn)我國(guó)醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

四 發(fā)展趨勢(shì)和展望

光子學(xué)及其技術(shù)已廣泛應(yīng)用或滲透到生物科學(xué)和醫(yī)學(xué)的諸多方面，被科學(xué)界所認(rèn)同和重視。生物醫(yī)學(xué)光學(xué)已經(jīng)成為國(guó)際光學(xué)學(xué)科重要發(fā)展方向之一。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)的發(fā)展，將為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)帶進(jìn)嶄新的時(shí)代。本學(xué)科的發(fā)展將繼續(xù)體現(xiàn)了多學(xué)科交叉的特點(diǎn)，研究領(lǐng)域涉及到了生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、和光學(xué)，還有化學(xué)等不同大學(xué)科的方方面面。技術(shù)開發(fā)與臨床應(yīng)用研究的結(jié)合將越來(lái)越密切。一般認(rèn)為，光學(xué)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)是將各種復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和技術(shù)更加廣泛地應(yīng)用于保健和醫(yī)療。當(dāng)今世界中,與光子學(xué)有關(guān)的技術(shù)沖擊著人類對(duì)生命體的認(rèn)知及人類健康領(lǐng)域。基于現(xiàn)代激光與光電子技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)技術(shù)將為生命科學(xué)研究帶來(lái)具有原始性創(chuàng)新的重要科研成果，并可望形成有重大社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)業(yè)。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，光子學(xué)技術(shù)正在改變著藥物療法和常規(guī)手術(shù)的實(shí)施手段,并為醫(yī)療診斷提供了新方法。在某些領(lǐng)域,如眼科,光學(xué)和激光技術(shù)已成熟地應(yīng)用于臨床實(shí)踐。激光還使治療腎結(jié)石和皮膚病的新療法得以實(shí)現(xiàn),并以無(wú)損或微損療法代替外科手術(shù),如膝關(guān)節(jié)的修復(fù)?，F(xiàn)在,用激光技術(shù)和光激勵(lì)的藥物相結(jié)合可治好某些癌癥。以光學(xué)診斷技術(shù)為基礎(chǔ)的流動(dòng)血細(xì)胞測(cè)量?jī)x可用于監(jiān)測(cè)愛滋病患者體內(nèi)的病毒攜帶量。還有一些光學(xué)技術(shù)正處于無(wú)損醫(yī)學(xué)應(yīng)用的試驗(yàn)階段,包括控制糖尿病所進(jìn)行的無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎(chǔ)研究方面，研究重點(diǎn)在于從細(xì)胞，甚至是亞細(xì)胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術(shù)開發(fā)以及應(yīng)用提供理論依據(jù)。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產(chǎn)生的光化學(xué)、光熱和光機(jī)械效應(yīng)。在技術(shù)的應(yīng)用方面，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向比較各種技術(shù)中光源（相干光源/非相干光源、波長(zhǎng)、功率密度、偏振性、連續(xù)/脈沖光源、脈沖持續(xù)時(shí)間等）和個(gè)體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發(fā)病史、發(fā)病時(shí)間等）對(duì)診斷或治療結(jié)果的影響，在確定各種技術(shù)臨床適應(yīng)癥的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)用化各種技術(shù)。此外，還在不斷開發(fā)新的實(shí)用于不同疾病的診斷、治療和監(jiān)測(cè)技術(shù)。

值得關(guān)注的是，國(guó)外從事“生物醫(yī)學(xué)光學(xué)”領(lǐng)域研究的高校或研究機(jī)構(gòu)中，來(lái)自大陸的中國(guó)學(xué)者的數(shù)量越來(lái)越多。這有助于使國(guó)內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流更加有效，并可以預(yù)期國(guó)內(nèi)與國(guó)外在該領(lǐng)域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內(nèi)醫(yī)學(xué)光電科技學(xué)科需關(guān)注的重大科學(xué)問題和優(yōu)先研究領(lǐng)域如下：

（一）醫(yī)學(xué)光子學(xué)基礎(chǔ)

在組織光學(xué)方面，其中最主要的有光在組織體內(nèi)傳播的特殊方式、組織光學(xué)性質(zhì)的描述以及有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的開發(fā)和完善等。組織光學(xué)是醫(yī)學(xué)光子技術(shù)的理論基礎(chǔ)。光在生物組織中的運(yùn)動(dòng)學(xué)（如光的傳播）問題和動(dòng)力學(xué)（如光的探測(cè)）問題是研究的主要內(nèi)容，目的是要研究生物組織的光學(xué)性質(zhì)和確定某靶位單位面積上的光能流率。應(yīng)優(yōu)先解決測(cè)量技術(shù)和實(shí)驗(yàn)精度的問題，利用近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)、光鑷技術(shù)測(cè)量活體組織的光學(xué)參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數(shù)值模擬方法。具體開展的研究工作應(yīng)包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復(fù)雜的理論來(lái)描述生物組織的光學(xué)性質(zhì)以及光在其中的傳播行為。建立準(zhǔn)確的組織光學(xué)模型，使之能反映生物組織空間結(jié)構(gòu)及其尺寸分布情況、組織各個(gè)部分的散射與吸收特性以及折射率在一定條件下的變化情況；改造傳輸方程，使之適應(yīng)新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸?shù)幕拘再|(zhì)。2）光傳輸?shù)拿商乜_模擬：繼續(xù)開發(fā)新的更為有效的算法以適應(yīng)生物組織的多樣性和復(fù)雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數(shù)字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學(xué)性質(zhì)基本參量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。另外，發(fā)展非穩(wěn)態(tài)的光傳輸?shù)拿商乜_模擬方法也是一個(gè)重要的研究方向，從中可以獲得比穩(wěn)態(tài)條件下更多的信息。

組織光學(xué)參數(shù)的測(cè)量方法和技術(shù)方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)展和完善活體的無(wú)損檢測(cè)尤為重要。在這方面，時(shí)間分辨率與頻率分辨率的測(cè)量方法引人注目。

（二）醫(yī)學(xué)光子學(xué)光譜診斷技術(shù)

醫(yī)學(xué)光子學(xué)光譜（非成像）診斷技術(shù)實(shí)質(zhì)上是利用從組織體反射、散射、發(fā)射出來(lái)的光，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)姆糯?、探測(cè)以及信號(hào)處理，來(lái)獲取組織內(nèi)部的病變信息，從而達(dá)到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術(shù)，內(nèi)容涉及光敏劑的吸收譜、激發(fā)與發(fā)射熒光譜以及各種波長(zhǎng)激光激發(fā)下正常組織與病變組織內(nèi)源性熒光基團(tuán)特征光譜等?，F(xiàn)在人們所謂的特征熒光峰實(shí)際上只是卟啉分子的熒光峰?？陀^和科學(xué)地判斷激光熒光光譜對(duì)腫瘤的診斷標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進(jìn)入臨床試用，自體熒光的應(yīng)用尚處于摸索之中。需要開展激光激發(fā)生物組織和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的機(jī)理研究，探討激光誘發(fā)組織自體熒光與癌組織病理類型的相關(guān)性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產(chǎn)額和最佳激發(fā)波長(zhǎng)等方面的研究，以期獲得極其穩(wěn)定、可靠的特征數(shù)據(jù)，為診斷技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

近年來(lái)，拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無(wú)損傷等方面的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)開發(fā)并完善重要醫(yī)學(xué)物質(zhì)拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內(nèi)的醫(yī)用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫(yī)學(xué)臨床獲得更廣泛的應(yīng)用。

超快時(shí)間分辨光譜比穩(wěn)態(tài)光譜在技術(shù)上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級(jí)的超短激光脈沖光源用于醫(yī)學(xué)受到廣泛重視，其一，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨熒光光譜技術(shù)，用于測(cè)量生物組織及生物分子的熒光衰變時(shí)間，分析癌組織分子馳豫動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等，為進(jìn)一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其二，應(yīng)發(fā)展超快時(shí)間分辨漫反射（透射）光譜技術(shù)。以時(shí)域的角度測(cè)量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學(xué)特征。這是一種全新的、適用于活體的、無(wú)損和實(shí)時(shí)的測(cè)量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫(yī)學(xué)光子學(xué)中基礎(chǔ)測(cè)量問題開辟一條新徑。

（三）醫(yī)學(xué)光子學(xué)成像診斷技術(shù)

發(fā)展出具有無(wú)輻射損傷、高分辨率、非侵入、實(shí)時(shí)、安全的光子學(xué)成像診斷技術(shù)，并具有經(jīng)濟(jì)、小型、且能監(jiān)測(cè)活體組織內(nèi)部處于自然狀態(tài)化學(xué)成分等特點(diǎn)的醫(yī)療診斷設(shè)備。主要的醫(yī)學(xué)光子學(xué)成像診斷技術(shù)包括：

超快時(shí)間分辨成像技術(shù)：以超短脈沖激光作為光源，根據(jù)光脈沖在組織內(nèi)傳播時(shí)的時(shí)間分辨特性，使用門控技術(shù)分離出漫反射脈沖中未被散射的所謂早期光，進(jìn)行成像。正在研究的典型時(shí)間門有條紋照相機(jī)、克爾門、電子全息等。

散射成像技術(shù)：包括光子密度波散射層析成像、組織深度光譜測(cè)量以及復(fù)合成像等，利用紅外光源，光子密度波在生物組織中的穿透深度可達(dá)幾個(gè)毫米，在低散射的人腦組織中甚至可達(dá)30mm。

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測(cè)器測(cè)量人體和動(dòng)物的正常與病變組織的溫度差異來(lái)診斷病變及其位置，現(xiàn)已在醫(yī)學(xué)診斷中得到廣泛的應(yīng)用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學(xué)相干層析成像技術(shù)：一種非侵入式無(wú)損成像技術(shù)，并且可以與顯微鏡、手持探針、內(nèi)窺鏡、醫(yī)用導(dǎo)管、腹腔鏡等相結(jié)合使用，從而具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。而且，OCT能進(jìn)行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術(shù)結(jié)合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術(shù)。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發(fā)后，熒光團(tuán)，包括自體熒光團(tuán)如NADH、FAD等和外源熒光團(tuán)，如有機(jī)熒光染料、熒光蛋白等，所發(fā)出熒光的壽命取決于熒光團(tuán)的分子種類及其所處的微環(huán)境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測(cè)量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內(nèi)窺鏡結(jié)合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期診斷，是一種很有前途的具有高靈敏度、高特異性以及高診斷準(zhǔn)確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場(chǎng)在生物組織中的優(yōu)良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術(shù)和光學(xué)高靈敏度檢測(cè)技術(shù)結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷臨床醫(yī)學(xué)的結(jié)構(gòu)和功能層析診斷。預(yù)期成像深度遠(yuǎn)好于目前的光學(xué)成像方法,對(duì)于較厚生物組織成像及臨床應(yīng)用特別具有吸引力,可為及早發(fā)現(xiàn)一些特殊病變提供一種無(wú)損、有效、高準(zhǔn)確度的方法。

非線性光學(xué)成像：雙光子激發(fā)熒光顯微成像、二次諧波等成像技術(shù)由于具有三維高空間分辨率，對(duì)比度高、對(duì)生物組織的損傷小等優(yōu)點(diǎn)，研究工作重點(diǎn)是擴(kuò)展成像技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍，重點(diǎn)解決研制小型化內(nèi)窺型診斷設(shè)備所面臨的相關(guān)技術(shù)問題。

人體經(jīng)絡(luò)的光學(xué)表征及其調(diào)控功能：已經(jīng)用不少事實(shí)證明了經(jīng)脈循行路線的現(xiàn)象，也初步顯示了人體體表沿十四經(jīng)脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫(yī)的形態(tài)學(xué)或生理學(xué)方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經(jīng)絡(luò)”的實(shí)質(zhì)。可以利用已發(fā)展的生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)諸多成像技術(shù)為工具，研究這個(gè)具有中國(guó)特色的中醫(yī)學(xué)中的重大問題。

4.醫(yī)用激光治療技術(shù)（激光醫(yī)學(xué)）

強(qiáng)激光治療：是當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)中最成熟和最重要的領(lǐng)域。隨著新型醫(yī)用激光器的不時(shí)出現(xiàn)，如：鈦激光、鉺激光、準(zhǔn)分子激光等，強(qiáng)激光治療技術(shù)的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問題。關(guān)于這些新型激光器及新的工作方式對(duì)人體組織的作用特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)還相對(duì)不足，基本沒有適合國(guó)人組織特性的治療參數(shù)。為此需加強(qiáng)研究激光與生物組織間的作用關(guān)系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應(yīng)用的激光與生物組織間的作用關(guān)系；研究不同激光參數(shù)（包括波長(zhǎng)、功率密度、能量密度與運(yùn)轉(zhuǎn)方式等）對(duì)不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關(guān)系，取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也有必要加強(qiáng)新型激光器及新的工作方式的臨床適應(yīng)證的研究。

低強(qiáng)度激光治療：非熱或低強(qiáng)度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機(jī)理尚不清楚。對(duì)弱激光治療機(jī)理的認(rèn)識(shí)有待于整個(gè)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的提高，如充分認(rèn)識(shí)細(xì)胞基因表達(dá)與調(diào)控、細(xì)胞代謝的調(diào)控、免疫反應(yīng)的調(diào)控等，同時(shí)還需研究不同弱激光劑量對(duì)這些調(diào)控的影響，這才能提高弱激光治療的針對(duì)性和療效。針對(duì)目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴(yán)重混亂的局面，建議重點(diǎn)扶持2-3個(gè)弱激光研究中心，集中財(cái)力與人力進(jìn)行弱激光的細(xì)胞生物學(xué)效應(yīng)研究；弱激光生物調(diào)節(jié)作用和細(xì)胞生物學(xué)現(xiàn)象（基因調(diào)控和細(xì)胞凋亡）的量效關(guān)系、弱激光鎮(zhèn)痛的分子生物學(xué)機(jī)制以及弱激光與細(xì)胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關(guān)系及其機(jī)制。尋求弱激光生物刺激效應(yīng)的可能機(jī)制與量效關(guān)系；規(guī)范臨床治療參數(shù)與操作等。

光動(dòng)力學(xué)治療（PDT）是當(dāng)前激光醫(yī)學(xué)中最具活力且發(fā)展迅速的領(lǐng)域。光動(dòng)力療法具備了診斷和治療腫瘤、心腦血管病等人類重大疾病的潛力。光動(dòng)力療法在鮮紅斑痣、老年性眼底黃斑病變、某些頑固性皮膚病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等常規(guī)手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進(jìn)展，并結(jié)合內(nèi)鏡技術(shù)的發(fā)展等，其應(yīng)用領(lǐng)域得到很大的延伸和擴(kuò)展。這些都說(shuō)明發(fā)展光動(dòng)力療法具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)資助PDT相關(guān)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化，扶持新一代國(guó)產(chǎn)光敏劑的開發(fā)及相應(yīng)激光器的產(chǎn)業(yè)化，資助新一代光敏劑光動(dòng)力學(xué)治療的機(jī)理研究。作用機(jī)理、光動(dòng)力療法各要素對(duì)光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響、建立數(shù)學(xué)模型、新型光敏劑光動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的研究，為開拓光動(dòng)力療法新的應(yīng)用領(lǐng)域取得系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

激光美容與光子嫩膚術(shù)：利用激光或強(qiáng)脈沖光照射皮膚后的選擇性光熱解效應(yīng)，即靶組織（病灶）和正常組織對(duì)光的吸收率的差別，使激光在損傷靶組織的同時(shí)避免正常組織的損傷這一原則，達(dá)到去皺、去文身、脫毛和治療各種皮膚病或達(dá)到美容的效果。

五 結(jié)論

醫(yī)學(xué)光子學(xué)及其技術(shù)的學(xué)科發(fā)展，對(duì)生命科學(xué)有重要且積極的意義。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將為解決長(zhǎng)期困擾人類的疑難頑疾如心血管疾病和癌癥的早期診治提供可能性，從而提高人類的生存價(jià)值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術(shù)在人類文明進(jìn)步史上的重要推動(dòng)作用，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)崛起的時(shí)代還可能產(chǎn)生和帶動(dòng)一批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

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課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導(dǎo)師，中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，福建省光學(xué)學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)

2.李 暉：福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3.陳 榮：福建師范大學(xué) 醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

篇(4)

關(guān)鍵詞 數(shù)字電影；光學(xué)技術(shù)；系統(tǒng)

中圖分類號(hào) J938 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）174-0030-02

21世紀(jì)的社會(huì)發(fā)展主要是以知識(shí)經(jīng)濟(jì)與信息技術(shù)為主，尤其是信息技術(shù)的發(fā)展，給社會(huì)中的各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)不小的沖擊。電影行業(yè)是社會(huì)眾多行業(yè)之一，也受到了來(lái)自科學(xué)技術(shù)的影響，老式的放映膠卷模式已經(jīng)逐漸被取消，如今的電影行業(yè)以數(shù)字化電影為主。數(shù)字電影在放映的過(guò)程中是要依靠一定的技術(shù)才得以有效的實(shí)施，其中最主要的是光學(xué)技術(shù)，而且在新時(shí)展之下，光學(xué)技術(shù)也隨之發(fā)生了更大的變化與進(jìn)步，可以說(shuō)如今的電影行業(yè)發(fā)展如此迅速，光學(xué)技術(shù)在其中發(fā)揮了不可忽視的作用。

1 光學(xué)技術(shù)和數(shù)字放映系統(tǒng)

光學(xué)技術(shù)是一項(xiàng)應(yīng)用于電影放映方面的技術(shù)，往深層次研究的話，所謂的光學(xué)，指的就是以對(duì)光研究為基礎(chǔ)，來(lái)探討“光”這種特殊物質(zhì)與其他普通物質(zhì)作用的各種作用。數(shù)字電影放映系統(tǒng)作為現(xiàn)如今電影行業(yè)主要的放映形式，主要依靠的是放映系統(tǒng)，隨著膠片電影淡出電影舞臺(tái)，數(shù)字電影不僅繼承了原有膠片電影的優(yōu)勢(shì)，更在此基礎(chǔ)之上改變放映的形式，改變了膠片電影所帶來(lái)的不足之處，優(yōu)化了電影放映的技術(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)拷貝的方式進(jìn)行有效的傳遞與播放，使得電影不會(huì)在放映的過(guò)程中由于次數(shù)的增加而影響播放的質(zhì)量，促進(jìn)了電影行業(yè)的發(fā)展。

2 光學(xué)技術(shù)在數(shù)字電影放映中的應(yīng)用分析

技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是對(duì)人們的日常生活還是對(duì)社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，都發(fā)揮著重要的作用。為此，本文主要講的就是有關(guān)應(yīng)用于數(shù)字電影放映所使用的技術(shù)，那么，光學(xué)技術(shù)是如何應(yīng)用在數(shù)字電影的放映系統(tǒng)中呢？主要是分為以下幾個(gè)方面。

2.1 光學(xué)技術(shù)在數(shù)字電影成像中的應(yīng)用

光學(xué)原理，在數(shù)字電影放映的過(guò)程中所使用的光學(xué)技術(shù)就是要在這一原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。文中所講的數(shù)字電影，就不得不提到投影技術(shù)，在現(xiàn)代的電影投影技術(shù)方面最常見的3種方式就是液晶顯示、直接光學(xué)放大以及數(shù)字化光處理，而在這3種方式之中使用的最為廣泛也最為成熟的就是數(shù)字化光處理技術(shù)，這一技術(shù)所使用的原理就是用所集合的半導(dǎo)體晶片效應(yīng)來(lái)促使電路圍繞著固定的S進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而發(fā)生有規(guī)律的偏轉(zhuǎn)，在控制電場(chǎng)電路的基礎(chǔ)上，光線就會(huì)照在微鏡上發(fā)出不同方向的反射，因而通過(guò)鏡頭就會(huì)射到大銀幕上，銀幕上也就會(huì)產(chǎn)生微鏡的效果。簡(jiǎn)單講，就是光學(xué)技術(shù)的使用，使得數(shù)字電影的投影成像呈現(xiàn)的更好，展現(xiàn)在大熒幕上的畫面質(zhì)量是良好的。

光學(xué)技術(shù)使用在數(shù)字電影的放映系統(tǒng)中是一個(gè)寬泛的概念，其實(shí)它可以分為若干個(gè)小的方面，接下來(lái)要分析的就是光學(xué)技術(shù)在數(shù)字電影彩色成像的應(yīng)用。在電影最早出現(xiàn)的年代，呈現(xiàn)在大銀幕上的電影畫面都是黑白色調(diào)的，而如今我們觀看的電影都是五彩繽紛，極具色彩畫面，達(dá)成這一效果的原因就是在數(shù)字電影中應(yīng)用了光學(xué)技術(shù)，在光學(xué)理論中，通過(guò)藍(lán)、綠、紅3種濾光片，在光的照射下可以形成多彩的顏色，電影放映中就是應(yīng)用了這一原理，通過(guò)數(shù)字處理技術(shù)對(duì)色彩的順序進(jìn)行處理，在通過(guò)RGB格式的數(shù)據(jù)由DMD進(jìn)行存儲(chǔ)，接受光系統(tǒng)的聚集，再將所接受到的白光照射到先前已經(jīng)存儲(chǔ)完畢的DMD上，藍(lán)、綠、紅這3種純?cè)纳蕰?huì)不斷按照順序投射到DMD上，DMD的圖像就會(huì)投射到大屏幕上，從而形成了方形的像素，而這些像素的形成正是人類肉眼可以看到的圖像，也就形成了精彩絕倫的電影畫面。

2.2 光學(xué)技術(shù)在終端投影鏡頭中的應(yīng)用

在研究光學(xué)技術(shù)的成像問題之后，接下來(lái)要談?wù)摰木褪枪鈱W(xué)在終端投影鏡頭中的應(yīng)用。首先，光學(xué)這一門學(xué)科較為復(fù)雜化，應(yīng)用在數(shù)字電影的放映系統(tǒng)中也正是利用了光學(xué)這一復(fù)雜性的特點(diǎn)，數(shù)字電影在運(yùn)用的過(guò)程中使用了更多的光學(xué)參數(shù)，立足具體問題具體分析的原則，應(yīng)用到實(shí)際的工作中。其次，數(shù)字電影在影院的放映過(guò)程中，其放映距離都是固定的，因此關(guān)于鏡頭焦距的問題有多種選擇，盡管鏡頭的成本是非常貴的，但是利用光學(xué)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而生產(chǎn)出了40mm～120mm的十分鐘變焦鏡頭，這種鏡頭的產(chǎn)生在一定程度上減少了所需要用到的成本。最后，工作距離的確定可以通過(guò)以下兩個(gè)方面的方式，一方面，對(duì)電影放映機(jī)在放映的過(guò)程中所涉及到光學(xué)部分進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，以最為直接的方式得到數(shù)據(jù)，但這一方式的困難點(diǎn)就在于用于測(cè)量光學(xué)部分的儀器無(wú)論是在價(jià)錢還是在操作系數(shù)上都是比較有難度的，因此，在實(shí)施的過(guò)程中會(huì)難以操作；另一方面，基于光的逆向原則基礎(chǔ)之上，結(jié)合產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及聚光片和分光作用的數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出工作距離，這一方式相對(duì)于前一種方式而言，在操作性上更為簡(jiǎn)單。

2.3 光學(xué)技術(shù)所涉及的鏡頭結(jié)構(gòu)和成像應(yīng)用

光學(xué)技術(shù)所涉及到的光學(xué)原理，既能讓人簡(jiǎn)單明了又可以復(fù)雜的讓人摸不著頭腦，將這一項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字電影的放映系統(tǒng)中，在很大程度上解決了原先膠片電影所帶來(lái)的不足之處，優(yōu)化了電影放映系統(tǒng)，使得電影行業(yè)得到快速的發(fā)展，光學(xué)技術(shù)在這一發(fā)展過(guò)程中貢獻(xiàn)了不少的力量。光學(xué)技術(shù)涉及到電影放映系統(tǒng)的方方面面，電影放映鏡頭的工作距離與焦距之間的比例是維持在一定的系數(shù)之內(nèi)，也就是說(shuō)最佳的距離是在0.5～0.7之間，前面已經(jīng)提到鏡頭焦距最合適的是40mm～120mm的十分鐘變焦鏡頭，如果將兩者結(jié)合在一起的話，那么兩者的比例就會(huì)直線上升到3，但是在這過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)一些問題，為了能夠更好的起到協(xié)調(diào)的作用，可以通過(guò)遠(yuǎn)心的鏡頭結(jié)構(gòu)，再通過(guò)全權(quán)分離的方式對(duì)遠(yuǎn)心光路進(jìn)行改進(jìn)，促進(jìn)其發(fā)展。另一方面，借助光學(xué)原理來(lái)投影成像，極有可能會(huì)受到光學(xué)的相差而產(chǎn)生一定的影響，因此，在使用光學(xué)技術(shù)的時(shí)候一定要注意利用光學(xué)原理減少像素差，從而使得所呈現(xiàn)的影片質(zhì)量完好。

3 結(jié)論

數(shù)字電影已經(jīng)成為電影行業(yè)的主流產(chǎn)品，而光學(xué)技術(shù)在數(shù)字電影放映系統(tǒng)中應(yīng)用的最為廣泛，并且在放映系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，在了解光學(xué)技術(shù)和數(shù)字電影放映系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)技術(shù)在數(shù)字電影放映過(guò)程中的應(yīng)用分析，希望可以加深對(duì)光學(xué)技術(shù)的了解，促進(jìn)光學(xué)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，從而促進(jìn)電影行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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篇(5)

基于多光束干涉理論建立了單層薄膜的透射率模型，并且得到了薄膜透射率與厚度及折射率之間的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而利用遺傳算法求解該數(shù)學(xué)模型。根據(jù)薄膜透射光譜數(shù)學(xué)模型的特殊性，按照實(shí)際的精度需求，有針對(duì)性地選取了遺傳算法中種群大小、交叉概率和變異概率等關(guān)鍵參數(shù)，并且針對(duì)透射光譜的具體情況，設(shè)計(jì)了離散化的適應(yīng)度函數(shù)。最終的擬合結(jié)果表明，基于遺傳算法的透射光譜法能夠快速、準(zhǔn)確地得到薄膜的光學(xué)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：

透射光譜； 薄膜光學(xué)參數(shù)； 遺傳算法

中圖分類號(hào)： TN 20文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.013

Abstract：

Mathematic model of the transmitted spectrum of thin films was established by multibeam interference theory.The relationship of transmittance，thickness and refractive index was built. Then the mathematic model could be solved with the genetic algorithm. In consideration of the special character of the optical film value of key parameters of genetic algorithm would be a special choice. Key parameters included population size crossover probability and mutation probability. Fitness function was designed to be discretized. Finally the fitting results proved that the method could calculate the parameters of optical films at the same time.

Keywords：

transmitted spectrum； thin film optical parameters； genetic algorithm

引言

S著現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)薄膜成為提高各種光學(xué)元器件性能的一種重要手段。近幾年新的薄膜技術(shù)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)出臺(tái)[1]，也使薄膜參數(shù)的檢測(cè)方法受到更多的重視。目前，制備光學(xué)薄膜的主要工藝包括：物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）和溶膠凝膠法等。物理氣相沉積主要包括：熱蒸發(fā)、濺射、離子鍍等[2]。

現(xiàn)有的薄膜參數(shù)測(cè)試方法很難同時(shí)測(cè)量薄膜的各個(gè)參數(shù)。測(cè)量薄膜厚度的常用儀器有：臺(tái)階儀、橢偏儀[3]。臺(tái)階儀通過(guò)金屬探針在樣品表面劃動(dòng)，檢測(cè)出臺(tái)階狀薄膜表面的高度差，因有物理接觸會(huì)劃傷樣品表面，而且必須在樣品表面構(gòu)建臺(tái)階結(jié)構(gòu)。橢偏儀通過(guò)測(cè)試透射的偏振光的偏振性變化，可以得到樣品的厚度，雖然精度較高，但是需要已知材料的折射率。測(cè)量薄膜材料的折射率可以通過(guò)薄膜波導(dǎo)法，在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，通過(guò)導(dǎo)模的泄露模雖然可以測(cè)得某確定波長(zhǎng)的折射率和大致的薄膜厚度，但是需要薄膜的厚度達(dá)到一定的條件，并且只能測(cè)試某些特定波長(zhǎng)的折射率。傳統(tǒng)的光譜法測(cè)量薄膜的材料色散曲線，需要在已知薄膜厚度的情況下，通過(guò)單純性法迭代優(yōu)化后才能得到相應(yīng)的折射率與波長(zhǎng)的曲線模型[47]。在某些特殊情況下的薄膜透射光譜中，單純性法并不能準(zhǔn)確獲得足夠數(shù)量或者足夠明確的極值點(diǎn)的數(shù)量，從而不能完成對(duì)薄膜參數(shù)的迭代測(cè)量。

面對(duì)生產(chǎn)加工中的實(shí)際需求，需要獲得一種高精度的、快速方便的測(cè)量方法，同時(shí)獲得所需光學(xué)薄膜的厚度、折射率波長(zhǎng)曲線，尤其是針對(duì)某些不能通過(guò)預(yù)先測(cè)量獲得折射率的薄膜。

1氧化物薄膜制備及光譜測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)利用鍍膜技術(shù)制備了多種常用薄膜材料。采用了OPTORUN的800式鍍膜機(jī)，以厚度為3 mm的同一批次生產(chǎn)的K 9光學(xué)玻璃作為襯底，制作了多種薄膜材料樣品。本文以氟化鎂（MgF2）薄膜為例，由PE公司的Lambda1050紫外可見近紅外分光光度計(jì)測(cè)得氟化鎂薄膜透射光譜，如圖1所示。

2理論計(jì)算

2.1透射光譜模型建立

利用多光束疊加的原理推導(dǎo)單層薄膜的透射光譜[8]。多光束干涉的示意圖如圖2所示。光波E0入射到第一層薄膜，反射光E1、E2、E3、…在無(wú)窮遠(yuǎn)處發(fā)生干涉，同理透射光E′1、E′2、E′3、…在無(wú)窮遠(yuǎn)處發(fā)生干涉。其中入射介質(zhì)為空氣，其折射率nk為1，薄膜的折射率為n，基底玻璃的折射率為ng。

假設(shè)入射光的振幅為E0，則各透射光束的振幅分別為

3利用遺傳算法求解數(shù)學(xué)模型

由上述可知，利用透射光譜法求解薄膜參數(shù)的過(guò)程就是求解式（8）的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際上是一個(gè)多元非線性回歸問題的求解。單一使用最小二乘法或者其他遍歷算法很難獲得實(shí)際上的全局最優(yōu)解，因此，采用遺傳算法來(lái)求解該數(shù)學(xué)模型。

3.1遺傳算法的簡(jiǎn)介

遺傳算法（genetic algorithm，GA）是由Holland J教授于1975年首次提出的一種將達(dá)爾文的進(jìn)化論與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的啟發(fā)式算法，其本質(zhì)是一種高效的全局搜索算法[10]。遺傳算法相對(duì)于傳統(tǒng)算法的顯著優(yōu)勢(shì)有：1）GA搜索過(guò)程依靠的是適應(yīng)度函數(shù)，而不依賴于某些函數(shù)的求導(dǎo)或者其他信息，所以與目標(biāo)函數(shù)是否是線性函數(shù)關(guān)系不大；2）GA計(jì)算時(shí)不依賴于梯度信息，其在整個(gè)可行域范圍內(nèi)進(jìn)行搜索；3）由于人工編碼，可將參數(shù)值限定在合理范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)不合理的解。

3.2遺傳算法的實(shí)現(xiàn)

遺傳算法的主要工作流程如圖4所示。遺傳算法的主要工作包括以下幾個(gè)部分[11]：

1）初始化種群

以氟化鎂薄膜為例，此處的初始種群由a、b、d共3個(gè)變量對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)組合所得。每個(gè)變量在種群中所占位數(shù)由其變量范圍的上下限的差值除以精度要求，再轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換所得二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)即為對(duì)應(yīng)的該變量在種群中所占位數(shù)。

以厚度d為例，初始設(shè)定氟化鎂薄膜的厚度初值范圍為[600，650]，單位為nm，精度為0.001 nm。由于

所以，在初始種群中，厚度d所占的種群長(zhǎng)度為16位。同理，a、b所對(duì)應(yīng)的種群長(zhǎng)度可以由實(shí)際范圍計(jì)算得到。在得到總的種群長(zhǎng)度之后，種群中的每一個(gè)個(gè)體都由程序隨機(jī)生成對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的初始種群。

2）適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

在遺傳算法中，適應(yīng)度函數(shù)屬于自然環(huán)境參數(shù)，通過(guò)每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)對(duì)其進(jìn)行判定。

在氟化鎂薄膜參數(shù)的測(cè)定中，針對(duì)薄膜光譜離散化的特性，并且在透射光譜中存在較多的毛刺，適應(yīng)度函數(shù)也采用了離散點(diǎn)判定的方法。每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù)值為擬合函數(shù)值與原函數(shù)值相差小于0.1的點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3）選擇性復(fù)制、交叉、變異操作

選擇性復(fù)制、交叉、變異操作都是算法模擬正常生物染色體復(fù)制的過(guò)程。選擇性復(fù)制保證了適應(yīng)度較高的個(gè)體有較大的概率復(fù)制到下一代。交叉、變異的操作保證了遺傳算法能夠在全局尋找最優(yōu)解，而不是收斂于局部最優(yōu)值。

交叉、變異的頻率決定了遺傳算法收斂特性的好壞，此處取常用推薦值，交叉的概率為0.25，變異的概率為0.01。

4） 代擔(dān)Generation）

Generation參數(shù)決定了算法進(jìn)行迭代的次數(shù)，代數(shù)越多越逼近于全局最優(yōu)解，但是在充分收斂的情況下沒有必要設(shè)置較多的代數(shù)。在此處為保證充分收斂，同時(shí)為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，Generation取1 000。

4測(cè)試結(jié)果

在經(jīng)過(guò)多次的測(cè)試后，利用遺傳算法求解光學(xué)薄膜透射光譜的數(shù)學(xué)模型，能夠求解出光學(xué)薄膜的光學(xué)參數(shù)，所得結(jié)果見表1。

將擬合所得結(jié)果與原始透射光譜相比較，見圖5?？梢钥吹?，擬合曲線與原始透射光譜有著較好的重合度，該方法能夠快速準(zhǔn)確地算得光學(xué)薄膜的參數(shù)。

5結(jié)論

基于遺傳算法的透射光譜法，通過(guò)構(gòu)建薄膜透射光譜的數(shù)學(xué)模型，再利用遺傳算法求解光譜模型的待定系數(shù)，進(jìn)而得到薄膜的主要光學(xué)參數(shù)。以上擬合計(jì)算結(jié)果表明：由遺傳算法求解出的透射光譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)得光譜基本一致，求解模型能夠反映薄膜透射光譜的分布情況；在選取恰當(dāng)?shù)暮诵膮?shù)、合理設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)后，遺傳算法能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出模型的全局最優(yōu)解；基于遺傳算法的透射光譜法能夠快速、準(zhǔn)確地同時(shí)計(jì)算出薄膜的主要光學(xué)參數(shù)。

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篇(6)

關(guān)鍵詞：光纖 光纖參數(shù) 測(cè)試方法 特性參數(shù)

中圖分類號(hào)：TN818 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2013）06-0080-02

光纖是包含內(nèi)部纖芯和外部的包層的光傳輸介質(zhì)。纖芯負(fù)責(zé)光的傳輸，而包層負(fù)責(zé)為光傳輸來(lái)提供反射面以及光隔離。根據(jù)纖芯和包層的折射率與纖芯和包層的相對(duì)折射率可以判斷光纖對(duì)于光的束縛能力以及信息傳輸容量的大小。根據(jù)各種纖芯與包層不同組合與特定性能的應(yīng)用要求來(lái)進(jìn)行歸納總結(jié)，勢(shì)必可歸納出光纖的特性參數(shù)以用來(lái)測(cè)量與研究。

光纖的特性參數(shù)有多重，最為基本的有三種特性參數(shù)：光纖的幾何特性參數(shù)、光纖的光學(xué)特性參數(shù)和光纖的傳輸特性參數(shù)。其次，光纖還具有物理特性和化學(xué)特性。但本文只針對(duì)光纖的幾何特性、光學(xué)特性和傳輸特性的測(cè)量方法進(jìn)行研究。

1 光纖的特性參數(shù)之幾何特性的測(cè)量方法

光纖的特性參數(shù)之幾何特性參數(shù)主要包括對(duì)于光纖長(zhǎng)度、光纖纖芯的不圓度、光纖包層的不圓度、光纖纖芯的直徑、光纖包層的直徑、光纖纖芯與光纖包層同心度誤差等的研究。

通過(guò)折射近場(chǎng)法來(lái)直接測(cè)量在光纖橫截面上產(chǎn)生的折射曲線的分布來(lái)對(duì)幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行確定。對(duì)于對(duì)光纖包層的確定并不難，難就難在對(duì)于纖芯的確定。例如對(duì)于漸變型光纖的確定，因?yàn)楣饫w包層與光纖纖芯之間的過(guò)渡是具有連續(xù)性的，所以在光纖包層和光纖纖芯之間不存在明顯的界限，所以如何去確定光纖纖芯和光纖包層之間的界限就存在著難點(diǎn)。而針對(duì)這一難點(diǎn)，可以通過(guò)對(duì)于折射率分布情況的研究來(lái)確定。

在折射率分布曲線上確定給定值，通過(guò)給定值來(lái)界定光纖纖芯的邊界，而折射率分布曲線上的給定值需要通過(guò)對(duì)光纖整個(gè)截?cái)嗝娴膾呙鑱?lái)獲取。我們知道，受地球引力影響，光纖在生產(chǎn)過(guò)程中的整個(gè)橫截?cái)嗝娌⒉荒苄纬衫硐氲膱A對(duì)稱，所以在掃描時(shí)應(yīng)該根據(jù)不同情況進(jìn)行區(qū)域分化掃描。光纖包層的折射率是均勻的，所以在掃描光纖包層時(shí)幅度可以大一些。而光纖纖芯的折射率存在很大的變化，所以對(duì)于光纖纖芯的掃描的幅度應(yīng)該小一些。折射近場(chǎng)法是測(cè)試光纖幾何參數(shù)尺寸的基本測(cè)試方法。

2 光纖的特性參數(shù)之光學(xué)特性的測(cè)量方法

光纖的特性參數(shù)之光學(xué)特性參數(shù)主要包括對(duì)于光纖模場(chǎng)直徑、單模光纖（成纜）的截止波長(zhǎng)、多模光纖的截止波長(zhǎng)以及折射率的分布等的研究。

2.1 對(duì)于光纖光學(xué)特性的光纖模場(chǎng)直徑的測(cè)量方法

在單模光纖中，對(duì)于光纖橫截面內(nèi)單模光纖的基膜與電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，以及光功率存在于光纖橫截面一定范圍內(nèi)的多少的衡量，就是模場(chǎng)直徑所要研究的范圍。對(duì)于單模光纖的研究，不僅受到模場(chǎng)直徑的定義影響，也受到模場(chǎng)直徑的測(cè)量方法影響。所以在測(cè)量單模光纖的模場(chǎng)直徑時(shí)，根據(jù)不同測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)去選擇合適的測(cè)量方法顯得尤為重要。主要的測(cè)量方法有橫向偏移法和傳輸場(chǎng)法。

2.2 對(duì)于光纖光學(xué)特性的光纖的截止波長(zhǎng)的測(cè)量方法

測(cè)量光纖的截止波長(zhǎng)的方法有很多，其中包括有模場(chǎng)直徑方法、傳導(dǎo)進(jìn)場(chǎng)法、折射功率法以及傳導(dǎo)功率法和偏振分析法等等。其中的傳導(dǎo)功率法被用作基準(zhǔn)測(cè)試法，而模場(chǎng)直徑法被用作替代測(cè)試法。

傳導(dǎo)功率法，主要是指根據(jù)光纖產(chǎn)生的傳導(dǎo)功率與光纖的波長(zhǎng)之間存在的關(guān)系曲線來(lái)確定截止波長(zhǎng)的方法。其測(cè)量的精確了很高。測(cè)量機(jī)理主要是根據(jù)光纖中存在的衰減機(jī)理，確定急劇衰減的位置從而確定截止波長(zhǎng)的方法。

模場(chǎng)直徑法，主要是指根據(jù)通過(guò)對(duì)隨著光纖波長(zhǎng)而不斷變化的模場(chǎng)直徑的研究來(lái)確定截止波長(zhǎng)的方法。其測(cè)量機(jī)理主要是根據(jù)在光纖傳輸過(guò)渡階段內(nèi)，截止波長(zhǎng)附近會(huì)產(chǎn)生模場(chǎng)直徑會(huì)產(chǎn)生突變，模場(chǎng)直徑會(huì)突然的增加，而正是基于模場(chǎng)直徑的突然增加從而可以以此來(lái)判斷截止波長(zhǎng)。

2.3 對(duì)于光纖光學(xué)特性的光纖折射率分布的測(cè)量方法

光纖的光學(xué)特性主要是在于光纖折射率。而對(duì)于光纖折射率的研究主要是針對(duì)于光纖剖面的研究。通過(guò)對(duì)于折射率分布的研究，有許多測(cè)量方法被應(yīng)用，其中根據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)可以進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的選擇。而最主要，且應(yīng)用廣泛的就是，折射進(jìn)場(chǎng)法和近場(chǎng)掃描法。

3 光纖的特性參數(shù)之傳輸特性的測(cè)量方法

光纖的特性參數(shù)之傳輸特性參數(shù)主要包括對(duì)于光纖的損耗、光纖的色散以及光纖的非線性效應(yīng)等的研究。

3.1 對(duì)于光纖傳輸特性的色散的測(cè)量

光纖在傳輸過(guò)程中，光纖的脈沖會(huì)根據(jù)傳輸距離的改變而發(fā)生改變，究其原因，是因?yàn)楣饫w之中存在著色散與?；?。其中色散主要是指，在單色光在不同的波長(zhǎng)的作用下促使群延時(shí)不同的一種現(xiàn)象。

光纖產(chǎn)生的色散主要有分為材料色散，波導(dǎo)色散和單模光纖色散。其中，材料色散主要是受到光纖材料的影響。波導(dǎo)色散主要是指模受到光波長(zhǎng)度影響產(chǎn)生變異的現(xiàn)象。單模光纖的色散主要是指模內(nèi)色散，是由群延時(shí)受波長(zhǎng)影響產(chǎn)生的。

測(cè)量光纖在傳輸過(guò)程中的色散，有兩種方法：相移法與脈沖時(shí)延法。主要是根據(jù)光強(qiáng)度產(chǎn)生的波形來(lái)劃分的。相移法根據(jù)測(cè)量不同的光纖波長(zhǎng)，在同一個(gè)正弦調(diào)制信號(hào)的相移，所得出的群延時(shí)和波長(zhǎng)之間的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出光纖色散的系數(shù)的一種方法。其測(cè)量方法具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)于測(cè)試設(shè)備的要求也比較簡(jiǎn)單，所以具有廣泛的應(yīng)用。脈沖時(shí)延法是通過(guò)測(cè)量不同波長(zhǎng)的時(shí)延差來(lái)確定光纖色散的系數(shù)。脈沖時(shí)延法主要需要喇曼光源以及半導(dǎo)體激光器的光源，其他還有白光脈沖光源等。

3.2 對(duì)于光纖傳輸特性的色損耗的測(cè)量

光纖在光傳播的過(guò)程中，因?yàn)榫嚯x的不斷增大，會(huì)有能量的損耗，其中主要有被光纖內(nèi)部吸收的損耗，也有光纖外部的傳輸損耗。對(duì)于光纖損耗系數(shù)的測(cè)量，也是光纖參數(shù)測(cè)量中的一個(gè)重要的測(cè)量參量。

產(chǎn)生光纖損耗的原因有很多，而主要的損耗包括吸收損耗、輻射損耗和散射損耗。對(duì)此我們可以知道，吸收損耗主要與光纖自身的材質(zhì)有關(guān)；輻射損耗主要與光纖自身的幾何形狀波動(dòng)有關(guān)；散射損耗與光纖自身的結(jié)構(gòu)缺陷和非線性效應(yīng)有關(guān)。光纖的吸收損耗是光纖的本征損耗，包括紫外、紅外和雜質(zhì)吸收等等組成的。而光纖的散射耗損主要包括波導(dǎo)的散射耗損和瑞利的散射耗損組成。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)光纖通訊的廣泛普及，對(duì)于光纖通訊的研究成為一項(xiàng)重要的研究課題。其中對(duì)于光纖參數(shù)測(cè)量方法的研究也是光纖及光纜測(cè)量研究標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要的指標(biāo)，對(duì)于監(jiān)督的完善光纖通訊的質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)于光纖特性參數(shù)中的幾何特性參數(shù)、光學(xué)特性參數(shù)、傳輸特性參數(shù)的研究，分別針對(duì)光纖的幾何特性參數(shù)中運(yùn)用折射進(jìn)場(chǎng)法來(lái)研究幾何特性參數(shù)尺寸的進(jìn)行測(cè)量；光纖的光學(xué)特性參數(shù)中的光纖模場(chǎng)直徑法和光纖截止波長(zhǎng)的測(cè)量方法的研究；光纖的傳輸特性參數(shù)對(duì)光纖的色散和光纖所產(chǎn)生的損耗的測(cè)量方法的研究，來(lái)進(jìn)一步的光纖通訊做進(jìn)一步系統(tǒng)的深入。

參考文獻(xiàn)

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篇(7)

測(cè)控專業(yè)主要課程 精密機(jī)械與儀器設(shè)計(jì)、精密機(jī)械制造工程、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用、控制工程基礎(chǔ)、信號(hào)分析與處理、精密測(cè)控與系統(tǒng)等。

測(cè)控專業(yè)主干學(xué)科：光學(xué)工程、儀器科學(xué)與技術(shù)。

測(cè)控專業(yè)主要實(shí)踐性環(huán)節(jié)：包括軍訓(xùn)、金工、電工、電子實(shí)習(xí)，認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，生產(chǎn)實(shí)習(xí)，社會(huì)實(shí)踐，課程設(shè)計(jì)，畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)等。

測(cè)控專業(yè)就業(yè)方向 本專業(yè)畢業(yè)具備精密儀器設(shè)計(jì)制造以及測(cè)量與控制方面的基礎(chǔ)知識(shí)與應(yīng)用能力，能在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門從事測(cè)量與控制領(lǐng)域內(nèi)有關(guān)技術(shù)、儀器與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造、科技開發(fā)、應(yīng)用研究、運(yùn)行管理。該專業(yè)既可以進(jìn)入生產(chǎn)工程自動(dòng)化企業(yè)從事自動(dòng)控制、自動(dòng)化檢測(cè)等方面的工作，也可以在科研單位進(jìn)行儀器儀表的開發(fā)和設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以在工程檢測(cè)領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域找到適合本專業(yè)個(gè)人發(fā)展的空間。

測(cè)控專業(yè)培養(yǎng)要求 畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：

1. 具有較扎實(shí)的自然科學(xué)基礎(chǔ)，較好的人文、藝術(shù)和社會(huì)科學(xué)基礎(chǔ)及正確運(yùn)用本國(guó)語(yǔ)言、文字的表達(dá)能力;

2. 較系統(tǒng)地掌握本專業(yè)領(lǐng)域?qū)拸V的技術(shù)理論基礎(chǔ)知識(shí)，主要包括機(jī)械學(xué)、電工電子學(xué)、光學(xué)、傳感器技術(shù)、測(cè)量與控制、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)及企業(yè)管理等基礎(chǔ)知識(shí);

3. 掌握光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)相結(jié)合的當(dāng)代測(cè)控技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究能力，具有現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)與儀器的設(shè)計(jì)、開發(fā)能力;

4. 具有較強(qiáng)的外語(yǔ)應(yīng)用能力;