现代光学测量技术精品(七篇)

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光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪包括发射器和接收器。发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角琢和垂直方向角度茁。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。

双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。此过程与人眼的立体视觉原理相类似。面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将明暗相间光栅条纹投影到待测物体上。物体高度的变化引起光栅条纹的形变。条纹形变可认为是载波信号相位和振幅被空间物体调制。数码相机拍摄调制后的图像，对其进行解调制，获得物体的整个高度信息值，依照三角法原理，形成物体的三维立体影像[3]。

2光学三维测量的应用

光学三维测量技术具有诸多优势，如非接触式测量、高精确度、快速获得结果等。光学三维测量技术主要应用在虚拟现实、逆向工程、医学工程等领域。

2.1虚拟现实

利用光学三维测量技术对实物外形进行三维形貌扫描，经过三维建模软件处理，在计算机内生成人物、场景的三维模型。由三维模型生成人物动作，实现动画制作，满足电脑游戏、CG特效等场合需要。

2.2逆向工程

逆向工程是利用光学三维测量设备获取物体表面上所有点的三维立体坐标，根据坐标点信息利用三维设计软件进行实物模型重建的过程。逆向工程获得的模型被用于改进、完善原有的产品，被广泛地应用到磨具开发、汽车制造等领域，是现代产品快速开发的重要技术手段。

2.3生物、医学工程

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关键词：几何光学；教学内容；现代化；实践应用

前言：随着几何光学的教学内容的现代化实践应用越来越广泛，相关的科员人员对于几何光学的现代化应用的研究也越来越关注，几何光学作为物理学科中的重要组成部分，它是以光线为基础，研究光线在各种介质中的传播规律与现象，从而制造出各种具有实用价值的光学仪器，为我国的光学现代化应用提供了重要的前提，奠定了坚实的基础。而在几何光学现代化的环境下，要不断的对几何光学的教学内容进行改进，从而制定出更加科学合理的教学大纲，让学生对于几何光学的知识掌握的更加全面具体，从而提高学的创新能力与科学素养。

一、几何光学教学内容概述

（一）几何光学的定义

几何光学是光学学科中的分支学科，它是以光线为基础，研究光的传播和成像规律的实用性学科。在几何光学中，把物体看做是几何点，将它所发出的光束看作是几何光线的集合，而光线的方向就代表光的传播方向。以此为基本条件，根据光线的传播规律，研究物体被透镜或其他光学元件所能成像的过程，将其应用到光学仪器的设计方面具有很高的实用价值。

（二）几何光学的教学内容

我国目前对于几何光学的教学内容主要包括：（1）几何光学的基本定律；（2）费马原理；（3）成像的基本概念；（4）光在平面上的反射和折射；（5）光导纤维；（6）棱镜；（7）光在单球面上的折射和反射；（8）薄透镜；（9）共轴球面系统的逐次成像法；（10）共轴球面系统旁轴成像的矩阵方法；（11）光学仪器的应用；（12）现代光学的介绍及应用；（13）光的衍射；（14）光的干涉；等有关几何光学的主要内容。几何光学作为普通物理的基础学科，无论是教学模式还是教程都主要是以几何光学为主，这就导致了我国物理专业的本科毕业生对几何光学的知识方法与应用掌握不全，要加强对于几何光学的知识补给，以满足我国对于光学领域人才的需求。教师要注重几何光学教学的内容与实践的结合，让我国的几何光学应用领域得到全面的发展。

二、几何光学教学内容现代化应用实践

在几何光学中最基础的就是反射、折射的原理，在现代的技术中对于这两个原理的应用也是最广泛的，而其中的利用全反射原理主要的一个应用就是光纤通信，目前光纤通讯可以说是互联网通讯中最重要的通讯方式之一，所涉及到的应用也是最广泛的。利用几何光学教学内容的反射原理制造的光学投影仪，利用光的成像原理所制造出的数码相机，利用光的反射原理制作的哈文望远镜等，我国目前已经对于几何光学在现代化的应用中做出了一定的成就，在此基础之上，还要对几何光学的教学内容进一步的拓展，进而使学生对于几何光学的知识储备更加具体全面，将有助于对学生科学素质的培养。

（一）光纤通讯

通过发射端将所要传输的光线转化成信号，然后再将其调制到激光器发出的激光束上面，让光线的强度因为信号的幅度而具有不同的变化，之后再通过光纤将其发送出去；而在接收端检测器将收到光信号变换为电信号，经解调后恢复成为原来由信息，以此就形成了光纤通讯。

（二）自聚焦透镜

当光线在空气中传播遇到不同介质时，会使其原有的传播方向发生改变。传统透镜是通过控制透镜表面的曲率的改变，来使其产生的光程差将光线汇聚成一点。对于1/4节距的自聚焦透镜来说，当从一端射入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一面上。而这种端面聚焦的功能就是传统曲面透镜所无法达到的。自聚焦透镜是光纤通讯中的无源器件中不可或缺的基础光学器件，自聚焦透镜也在现代的光学仪器中得到了广泛的引用，例如：枪的瞄准器、耦合器、光开关、光隔离器以及波分复用器。

（三）光学投影仪

将资料放在工作台上，在经过光线的照明之后，让其由物镜经过光镜，从而反射到投影屏上，就形成了一个与原有资料完全相反的影像。或是完全相同的影像。资料就通过了放大，成像在投影屏上，之后再利用工作_上的数位测量系统，对投影屏上的资料轮廓进行座标测量，也可利用投影屏旋转角度数显系统对工件轮廓的角度进行测量。光学投影仪成像分为正像和反像两种。

（四）数码相机

光线通过镜头进入相机内部，再通过数码相机具有的成像元件的转化，最终将光线形成具体的影像。数码相机的主要的成像元件包括CCD和CMOS，其特点是在光线通过的时候，根据光线的不同组成从而转化为不同的电子信号，进而形成完整的光学成像。

（五）哈文望远镜

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【关键词】 光电子技术 光医学 光保健 学科现状 发展趋势

一 引言

生物医学光学与光子学是光学或者说光子学现展的一个分支学科。由于光学与光子学是具有极强应用背景的学科，所以“生物医学光子技术”这一多学科交叉的新兴研究领域在20世纪末叶也随之应运而生。

激光技术作为一项重大的科技成就，为研究生命科技和疾病的发生、发展开辟了新的途径，为保健和临床诊疗提供了崭新的手段,推动人类科学技术进入新的发展阶段。

可以把与光的产生、传播、操纵、探测和利用有关的物理现象和技术包括在内的科学及工程笼统地简称为光学。用光学最广的含义来概括各研究领域及其相关交叉分支时必然包括了激光和光电子技术。运用光学及其技术研究光与人体组织的相互作用问题可归之于“组织光学”范畴。它是研究光辐射能量在生物组织体内的传播规律以及有关组织光学特性的测量方法的一门新兴交叉学科，是光医学（光诊断和光治疗）的理论基础。经过40多年的发展，激光与光电子技术在人类的保健、医疗以及生命科学中产生了很大影响。

在医学领域，光电子技术使各种新疗法，包括从激光心脏手术到用光学图像系统的关节内窥镜进行微损膝关节修复等，成为可能或得以实现。目前，科学家们正致力于研究光学技术在非侵入式诊断和检测上的应用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“无针”监控等。激光在医学上的最早应用虽然集中在治疗方面，然而在80年代初期起便开始了光诊断技术的探索。指望无损害地获得诊断信息是这些研究的驱动力之一，其中在物理学中高度发展的光谱技术有望在诊断医学中得到应用。利用光纤把光传输到身体内部的能力，可以完成膀胱、结肠和肺等器官的检查。随着医学诊断方法向无损化方向发展，利用光电子学技术对组织体进行鉴别和诊断，有可能更早期、更精确地诊断各种疾病。近年来，人们开始把这种诊断方法称之为“光活检”。

随着现代医学模式的转变、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，从20世纪80年代后期起，“激光美容术”在世界各地包括在我国各大城市逐渐地开展。保健美容是光电子技术应用越来越活跃的领域。激光技术应用于美容外科的起步较早，使得一些在美容整形外科很棘手的疾病，如太田痣、血管瘤等治疗变得简易有效。到20世纪末，人们又开发了一种称为光子嫩肤术的新美容技术。它基于选择性的光热解作用，有效地改善肌肤的质地和弹性，达到美容的效果。之所以用激光或强脉冲光进行非消融性的嫩肤或治疗越来越流行，是因为这类手术具有无损、不必住院、几乎无副作用和无疼痛，从而使受术者容易接受的优点。

国家自然科学基金委员会先后二次在“光子学与光子技术”以及“生物医学光学”优先资助领域战略研究报告中分别指出：近年来生物医学光学与光子学的迅猛兴起，令人瞩目，并因而引发出一门新兴的学科－生物医学光子学（Biomedophotonics）。研究报告选定了近期优先研究领域包括生物光子学、医学光子学基础研究、医学临床的光学诊断和激光医学中的重要课题等诸方面。

福建师范大学在1974年成立了“医用激光及其应用技术”研究组，以激光与光电子技术为基础，围绕激光医学应用的核心技术开展研究与开发。至二十世纪九十年代，跟随该领域的国际走向，转入激光医学技术的基础理论研究工作，在国内率先开展了生物组织光学与光剂量学的研究。伴随研究工作的深入开展，逐步形成了我们有特色的若干前沿研究方向，并于2005年获准立项建设医学光电科学与技术教育部重点实验室。

二 国内外现状

光学在生命科学中的应用，在经历了一个缓慢的发展阶段后，由于激光与新颖的光子技术的介入，进入了一个迅速发展的新阶段。与光学有关的技术冲击着人类健康领域，正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段，并为医疗诊断提供了革命性的新方法。特别在近十多年来，与蓬勃的学术研究活动相对应，国际上出现了专门的研究性学术杂志，如：Laurin 出版公司于1991年发行了“Bio-Photonics”新杂志。美国光学学会重要的会刊之一“Applied Optics”也于1996年将其“Optical Technology”栏目扩充为“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有关生物医学光学的论文专集。SPIE亦于1996年创办了期刊Journal of Biomedical Optics，且声誉日隆。到2004年，该刊的SCI影响因子已达3.541。当前，发达国家普遍对生物医学光子学学科给予了高度重视。例如，在美国国家卫生研究院（NIH）新成立的国家生物医学影像与生物工程研究所（NIBIB）中，生物医学光子学也成为其主要资助的领域。近三年中，美国NIH已经召开过4次研讨会，认为新的在体生物光子学方法可用于癌症和其它疾病的早期检测、诊断和治疗。新一代的在体光学成像技术正处在从实验室转向癌症临床应用的重要时刻。在NIH的支持下，美国国家癌症研究所（NCI）正在计划5年投资1800万美元，招标建立“在体光学成像和/或光谱技术转化研究网络（NTROI）”，其研究内容主要包括：光学成像对比度的产生机理、在体光学成像技术与方法、临床监测、新光学成像方法的验证、系统研制与集成等五个方面。2000年底，在美国NIBIB的首批支持项目中，光学成像方法约占30%。2000年7月，美国NIH投资2000万美元，开展小动物成像方法项目（SAIRPs）研究，受到生命科学界的高度关注，其中光学成像方法是研究重点之一。美国国家科学基金会（NSF）在2000-2002年了4次关于生物医学光子学研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招标指南。“9.11”事件后，美国国防部启动了“应激状态下的认知活动”(Cognition under stress)项目，采用的研究方法就是光学成像技术。美国加州大学Davis分校于2002年10月宣布：未来10年内，将投资5200万美元建立生物医学光子学科学技术中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000万美元由NSF支持。在学术交流活动方面，国际光学界规模最大西部光子学会议（Photonics West）上，每年的四个大分会之一即是生物医学光学会议（BiOS），论文均超过大会总数的三分之一，如，2003年关于BiOS的专题为19个，占整个会议的19/52=36.5%；2004年，IBOS会议专题为20个，占整个会议的20/55=36.4%。另外，每年还召开欧洲生物医学光子学会议。除疾病早期诊断、生理参数监测外，在基因表达、蛋白质―蛋白质相互作用、新药研发和药效评价等研究中，特别是近年来的Science, Nature, PNAS等国际权威刊物发表的论文表明，光子学技术也正在发挥至关重要的作用。在某些领域，如眼科，光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现，并以最小的无损或微损疗法代替外科手术，如膝关节的修复。现在，用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段，包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。光学技术还为生物学研究提供了新的手段，如人体内部造影、测量、分析和处理等。共焦激光扫描显微镜能将详细的生物结构的三维图象展现出来，在亚细胞层次监测化学组成和蛋白质相互作用空间和时间特征。以双光子激发荧光技术为代表的非线性成像方法，不仅可以改善荧光成像方法的探测深度、降低对生物体的损伤，而且还开辟了在细胞内进行高度定位的光化学疗法。近场技术将分辨率提高到衍射极限以上，可以探测细胞膜上生物分子的相互作用、离子通道等等。激光器已成为确定DNA化学结构排序系统的关键组成部分。光学在生物技术方面的其它应用还包括采用“DNA芯片”的高级复杂系统，和采用传输探针的简单系统。激光钳提供了一种在显微镜下方能看见的一种新奇的、前所未有的操作方法，能够在生物环境中实现细胞或微观粒子的操纵与控制，或在10-12m范围内实现力学参数的测量。结合光子学和纳米技术已经可以探测细胞机械活动，揭示细胞水平上隐秘的生命过程，利用纳米器件甚至可以检测和操纵原子和分子，这可以应用在细胞水平的医学领域。高技术的进步，如：微芯片极大地加速了生物光子学的发展进程。集成电路、传感器元件和相连电路的小型化、集成化促使在体和体外测量分子、组织和器官图像成为可能。许多生物医学光子学技术已经在临床上应用于早期疾病监测或生理参量的测量，如血压，血液化学，pH，温度，或测量病理生物体或临床上有重要意义的生化物种的存在与否。描述不同光谱特性（如荧光，散射，反射和光学相干成像）的各种光学概念出现在功能成像的重要领域。从大脑到窦体再到腹部，精确导位和追踪，对于精确定位医疗仪器在三维手术空间的位置具有重要的作用。基于分子探针的光子技术可以识别发生疾病时产生的分子报警，将真正实现令人激动的、个人的、分子水平的医学。

我国的研究基础与条件虽然相对落后，研究投入不足，但生物医学光子学是一门正在兴起和不断发展的学科，在这一新兴交叉学科上国内外处于一个起跑线上。近年来，在国家自然科学基金委、省部委以及其它基金项目的资助下，我国在生物医学光子学的研究中取得了很大的进展，尤其是2000年第152次主题为 “生物医学光子学与医学成像若干前沿问题”、第217次主题为“生物分子光子学”的香山会议后，有许多学校和科研单位开展了生物医学光子学的研究工作，并初步建成了几个具有代表性的、具有自己研究特色和明确科研方向的研究机构或实验室，并在生物医学光学成像（如OCT、光声光谱成像、双光子激发荧光成像、二次谐波成像、光学层析成像等）、组织光学理论及光子医学诊断、分子光子学（包括成像与分析）、生物医学光谱、X射线相衬成像、光学功能成像、认知光学成像、PDT光剂量学、高时空谱探测技术及仪器研究等方面取得了显著的研究成果。发表了许多研究论文，申请了许多发明专利，有些已经获得产业化。国家自然科学基金委员会生命科学部与信息科学部联合发起并承办的全国光子生物学与光子医学学术研讨会已经举办了六届。这对我国生物医学光子学学科的发展起到了积极的推动作用。在我国近年所召开的亚太地区光子学会议中，有关生物医学光子学的内容已大幅增加，成为主要的研讨专题。我国的生物医学光子学研究和学术活动也方兴未艾，呈现与国际同步的态势。在基础研究、应用基础研究以及对新技术的掌握方面跟踪国际先进水平，但国内科研经费的投入相对较小，科研队伍规模不大，原创性的科研成果与国外有较大差距。和国外的发展水平相比，我国的生物医学光子学发展还存在以下问题：

（1）尽管从事生物医学光子学的科研单位很多，但取得突破性、创新性的研究成果很少，主要是由于我们的科研队伍在组织、组成上还不合理，过于分散、开展的内容繁杂，难以将有限的资金投入到一些有利于国计民生的及上水平的研究方向上；另外许多单位的研究重复，缺乏合作，导致水平低下；

（2）和国外相比，研究经费无论在绝对值还是相对值上均投入十分不够；

（3）缺乏研究成果产业化的引导机制。

三 医学光电科学与技术（福建师范大学）教育部重点实验室概况

“医学光电科学与技术”教育部重点实验室设立于福建师范大学物理与光电信息科技学院（激光与光电子技术研究所）内，作为本学科开展科研研究和实施建设与发展的一个基础平台。实验室已有30年发展历史，1973年成立福建师范学院物理系激光实验室，1984年成为福建师范大学激光研究所实验室，1995年为福建省首期211重点学科《应用光子学》学科实验室，2003年5月26日经福建省科技厅批准成立“光子技术福建省重点实验室”，2005年7月28日经教育部批准立项建设教育部重点实验室。实验室座落于福建师范大学长安山校园内。

30年多来，实验室在生物组织光学、医学光谱与光学成像技术、光诊断及光诊疗技术、信息技术光学及其生物医学应用等四个主要方向上努力开拓，承担并完成了数十项国家与省部重点、重大项目课题，取得一批代表我国本领域研究水平的科研成果，其中十五以来获省部级科技进步一等奖1项，二等奖2项，三等奖2项，其它省级以上奖励12项。在国内外重要刊物发表的论文以及被SCI、EI收录的论文均超过100篇。

实验室目前承担着国家与省级重要课题50余项，科研经费超过2000万元。其中国家自然科学基金项目11项，国家教育部、科技部、卫生部项目9项，福建省科技重大专项1项，其它省级重要项目近30项。

中科院半导体研究所原所长王启明院士任重点实验室学术委员会主任，副主任由黄尚廉院士和谢树森教授担任。另有九位国内外著名的激光、光电子与医学学科交叉的院士、专家或资深教授担任委员，其中海外委员两人。他们规划、指导并检查本学科实验室的建设与发展。

重点实验室主要学术带头人、实验室学术委员会常务副主任谢树森教授是中国光学学会副理事长、福建省光学学会理事长、国家有突出贡献的中青年专家、光学工程专业博导、全国劳动模范，是我国医学光电科学与技术领域的学术带头人与开拓者。实验室主任陈荣教授、副主任李晖教授均为国务院特殊津贴专家，实验室常务副主任陈建新教授来自于北京大学的优秀博士后研究员。重点实验室拥有稳定的可持续开展高水平科研的学术梯队，其中的中青年学术带头人或学术骨干包括1位闽江学者特聘教授、1位福建师范大学特聘教授、3位国务院特殊津贴专家、2位全国优秀教师、2位福建省优秀教师和15位博士。

重点实验室与国内外学术界建立了并保持着广泛的联系。重点实验室已设立面向国内外的开放课题基金。已批准并实施来自浙江大学、厦门大学、上海光机所、西安交通大学、华南师范大学、天津医科大学、上海市激光医学研究中心等单位知名学者的开放课题。

重点实验室已具备良好的科研软硬件环境。现有面积近5000平方米，仪器设备原值2500多万元。重点实验室各项管理制度健全。

“医学光电科学与技术”重点实验室，在我国现代科学技术领域特色鲜明，在我国相关学科处于领头地位，有较大影响。重点实验室建设将有力促进福建省科技创新能力建设，促使福建师范大学迅速向高水平、有特色、开放型的综合性大学迈进。同时，重点实验室的建设与发展将有力促进我国医学光电科学与相关学科的发展，为广大民众的身心健康，为海峡西岸的科技、社会与经济发展做出重大贡献。

四 发展趋势和展望

光子学及其技术已广泛应用或渗透到生物科学和医学的诸多方面，被科学界所认同和重视。生物医学光学已经成为国际光学学科重要发展方向之一。生物医学光子学的发展，将为现代医学和生命科学带进崭新的时代。本学科的发展将继续体现了多学科交叉的特点，研究领域涉及到了生物学、医学、和光学，还有化学等不同大学科的方方面面。技术开发与临床应用研究的结合将越来越密切。一般认为，光学领域未来发展的重点是将各种复杂的光学系统和技术更加广泛地应用于保健和医疗。当今世界中,与光子学有关的技术冲击着人类对生命体的认知及人类健康领域。基于现代激光与光电子技术的生物医学光子学技术将为生命科学研究带来具有原始性创新的重要科研成果，并可望形成有重大社会影响和经济效益的产业。

在医学领域，光子学技术正在改变着药物疗法和常规手术的实施手段,并为医疗诊断提供了新方法。在某些领域,如眼科,光学和激光技术已成熟地应用于临床实践。激光还使治疗肾结石和皮肤病的新疗法得以实现,并以无损或微损疗法代替外科手术,如膝关节的修复。现在,用激光技术和光激励的药物相结合可治好某些癌症。以光学诊断技术为基础的流动血细胞测量仪可用于监测爱滋病患者体内的病毒携带量。还有一些光学技术正处于无损医学应用的试验阶段,包括控制糖尿病所进行的无损血糖监测和乳腺癌的早期诊断等。

在基础研究方面，研究重点在于从细胞，甚至是亚细胞尺度层次揭示病变组织与正常组织之间的差异，为新技术开发以及应用提供理论依据。另一方面，研究光与人体组织之间的相互作用以及所产生的光化学、光热和光机械效应。在技术的应用方面，研究重点转向比较各种技术中光源（相干光源/非相干光源、波长、功率密度、偏振性、连续/脉冲光源、脉冲持续时间等）和个体差异（年龄、性别、临床症状、发病史、发病时间等）对诊断或治疗结果的影响，在确定各种技术临床适应症的同时，进一步实用化各种技术。此外，还在不断开发新的实用于不同疾病的诊断、治疗和监测技术。

值得关注的是，国外从事“生物医学光学”领域研究的高校或研究机构中，来自大陆的中国学者的数量越来越多。这有助于使国内外的学术交流更加有效，并可以预期国内与国外在该领域的研究水平差距将不断缩小。

今后若干年内医学光电科技学科需关注的重大科学问题和优先研究领域如下：

（一）医学光子学基础

在组织光学方面，其中最主要的有光在组织体内传播的特殊方式、组织光学性质的描述以及有关实验技术的开发和完善等。组织光学是医学光子技术的理论基础。光在生物组织中的运动学（如光的传播）问题和动力学（如光的探测）问题是研究的主要内容，目的是要研究生物组织的光学性质和确定某靶位单位面积上的光能流率。应优先解决测量技术和实验精度的问题，利用近场光学显微技术、光镊技术测量活体组织的光学参量。在理论建模方面，建立生物组织中光的传输理论和数值模拟方法。具体开展的研究工作应包括：1）光在生物组织中传输理论：要用更复杂的理论来描述生物组织的光学性质以及光在其中的传播行为。建立准确的组织光学模型，使之能反映生物组织空间结构及其尺寸分布情况、组织各个部分的散射与吸收特性以及折射率在一定条件下的变化情况；改造传输方程，使之适应新的条件，并能在某些情况下求出光在生物组织中传输的基本性质。2）光传输的蒙特卡罗模拟：继续开发新的更为有效的算法以适应生物组织的多样性和复杂性的要求。除了了解光在组织中的分布，还在探索从大量数字模拟中得到生物组织中光的宏观分布与其光学性质基本参量之间的经验关系。另外，发展非稳态的光传输的蒙特卡罗模拟方法也是一个重要的研究方向，从中可以获得比稳态条件下更多的信息。

组织光学参数的测量方法和技术方面，尚未获得人体各种组织的可靠实验数据。发展和完善活体的无损检测尤为重要。在这方面，时间分辨率与频率分辨率的测量方法引人注目。

（二）医学光子学光谱诊断技术

医学光子学光谱（非成像）诊断技术实质上是利用从组织体反射、散射、发射出来的光，经过适当的放大、探测以及信号处理，来获取组织内部的病变信息，从而达到诊断疾病的目的。

生物组织的自体荧光与药物荧光光谱技术，内容涉及光敏剂的吸收谱、激发与发射荧光谱以及各种波长激光激发下正常组织与病变组织内源性荧光基团特征光谱等。现在人们所谓的特征荧光峰实际上只是卟啉分子的荧光峰。客观和科学地判断激光荧光光谱对肿瘤的诊断标准是十分必要的。目前，某些癌瘤的药物荧光诊断已进入临床试用，自体荧光的应用尚处于摸索之中。需要开展激光激发生物组织和细胞内物质的机理研究，探讨激光诱发组织自体荧光与癌组织病理类型的相关性以及新型光敏剂的荧光谱、荧光产额和最佳激发波长等方面的研究，以期获得极其稳定、可靠的特征数据，为诊断技术的发展提供科学依据。

近年来，拉曼光谱技术应用于医学中已显示出它在灵敏度、分辨率、无损伤等方面的优势。应开发并完善重要医学物质拉曼光谱数据库，并使基于拉曼光谱分析的小型、高效、适用于体表与体内的医用拉曼光谱仪和诊断仪将在医学临床获得更广泛的应用。

超快时间分辨光谱比稳态光谱在技术上更灵敏、更客观和更具有选择性。因此，将脉宽为ps、fs量级的超短激光脉冲光源用于医学受到广泛重视，其一，应发展超快时间分辨荧光光谱技术，用于测量生物组织及生物分子的荧光衰变时间，分析癌组织分子驰豫动力学性质等，为进一步研究自体荧光法诊断恶性肿瘤提供基础数据；其二，应发展超快时间分辨漫反射（透射）光谱技术。以时域的角度测量组织的漫反射，从而间接确定组织的光学特征。这是一种全新的、适用于活体的、无损和实时的测量方法，为确知光与生物组织的相互作用，解决医学光子学中基础测量问题开辟一条新径。

（三）医学光子学成像诊断技术

发展出具有无辐射损伤、高分辨率、非侵入、实时、安全的光子学成像诊断技术，并具有经济、小型、且能监测活体组织内部处于自然状态化学成分等特点的医疗诊断设备。主要的医学光子学成像诊断技术包括：

超快时间分辨成像技术：以超短脉冲激光作为光源，根据光脉冲在组织内传播时的时间分辨特性，使用门控技术分离出漫反射脉冲中未被散射的所谓早期光，进行成像。正在研究的典型时间门有条纹照相机、克尔门、电子全息等。

散射成像技术：包括光子密度波散射层析成像、组织深度光谱测量以及复合成像等，利用红外光源，光子密度波在生物组织中的穿透深度可达几个毫米，在低散射的人脑组织中甚至可达30mm。

红外热成像：红外热成像是利用红外探测器测量人体和动物的正常与病变组织的温度差异来诊断病变及其位置，现已在医学诊断中得到广泛的应用，如乳腺肿瘤的诊断。

光学相干层析成像技术：一种非侵入式无损成像技术，并且可以与显微镜、手持探针、内窥镜、医用导管、腹腔镜等相结合使用，从而具有广阔的应用领域。而且，OCT能进行众多功能成像，如分光镜OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以与众多成像技术结合使用，如荧光、双光子、二次谐波成像等技术。

荧光寿命成像：受超短光脉冲激发后，荧光团，包括自体荧光团如NADH、FAD等和外源荧光团，如有机荧光染料、荧光蛋白等，所发出荧光的寿命取决于荧光团的分子种类及其所处的微环境，如pH、离子浓度（如Ca2+、Na+等）、氧压等，因此荧光寿命的测量和成像，有助于提供生物组织的功能信息。和内窥镜结合，可用于胃癌、食道癌等疾病的早期诊断，是一种很有前途的具有高灵敏度、高特异性以及高诊断准确性的早期癌症诊断方法。

光声作用成像：利用超声场在生物组织中的优良传输特性和激光在生物组织中的选择性吸收特性,将超声定位技术和光学高灵敏度检测技术结合,以实现无损伤临床医学的结构和功能层析诊断。预期成像深度远好于目前的光学成像方法,对于较厚生物组织成像及临床应用特别具有吸引力,可为及早发现一些特殊病变提供一种无损、有效、高准确度的方法。

非线性光学成像：双光子激发荧光显微成像、二次谐波等成像技术由于具有三维高空间分辨率，对比度高、对生物组织的损伤小等优点，研究工作重点是扩展成像技术在生物医学领域的应用范围，重点解决研制小型化内窥型诊断设备所面临的相关技术问题。

人体经络的光学表征及其调控功能：已经用不少事实证明了经脉循行路线的现象，也初步显示了人体体表沿十四经脉路线存在的红外辐射轨迹。然而，至今未能用西医的形态学或生理学方法证明它的存在，也不能明晰地阐明“经络”的实质。可以利用已发展的生物医学光子学诸多成像技术为工具，研究这个具有中国特色的中医学中的重大问题。

4.医用激光治疗技术（激光医学）

强激光治疗：是当前激光医学中最成熟和最重要的领域。随着新型医用激光器的不时出现，如：钛激光、铒激光、准分子激光等，强激光治疗技术的临床用途也逐渐增多，提出一些新的问题。关于这些新型激光器及新的工作方式对人体组织的作用特点的认识还相对不足，基本没有适合国人组织特性的治疗参数。为此需加强研究激光与生物组织间的作用关系，特别是在诸多有效疗法中已获得重要应用的激光与生物组织间的作用关系；研究不同激光参数（包括波长、功率密度、能量密度与运转方式等）对不同生物组织、人体器官组织及病变组织的作用关系，取得系统的数据，同时也有必要加强新型激光器及新的工作方式的临床适应证的研究。

低强度激光治疗：非热或低强度激光辐射可作为一种辅助治疗手段，其作用机理尚不清楚。对弱激光治疗机理的认识有待于整个基础医学的提高，如充分认识细胞基因表达与调控、细胞代谢的调控、免疫反应的调控等，同时还需研究不同弱激光剂量对这些调控的影响，这才能提高弱激光治疗的针对性和疗效。针对目前临床上盲目夸大疗效、照射剂量严重混乱的局面，建议重点扶持2-3个弱激光研究中心，集中财力与人力进行弱激光的细胞生物学效应研究；弱激光生物调节作用和细胞生物学现象（基因调控和细胞凋亡）的量效关系、弱激光镇痛的分子生物学机制以及弱激光与细胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的关系及其机制。寻求弱激光生物刺激效应的可能机制与量效关系；规范临床治疗参数与操作等。

光动力学治疗（PDT）是当前激光医学中最具活力且发展迅速的领域。光动力疗法具备了诊断和治疗肿瘤、心脑血管病等人类重大疾病的潜力。光动力疗法在鲜红斑痣、老年性眼底黄斑病变、某些顽固性皮肤病、类风湿性关节炎等常规手段难以奏效的良性疾病的治疗研究中取得一系列进展，并结合内镜技术的发展等，其应用领域得到很大的延伸和扩展。这些都说明发展光动力疗法具有重要的社会和经济效益。应当重点资助PDT相关产品的国产化，扶持新一代国产光敏剂的开发及相应激光器的产业化，资助新一代光敏剂光动力学治疗的机理研究。作用机理、光动力疗法各要素对光动力学效应的影响、建立数学模型、新型光敏剂光动力学效应的研究，为开拓光动力疗法新的应用领域取得系统的数据。

激光美容与光子嫩肤术：利用激光或强脉冲光照射皮肤后的选择性光热解效应，即靶组织（病灶）和正常组织对光的吸收率的差别，使激光在损伤靶组织的同时避免正常组织的损伤这一原则，达到去皱、去文身、脱毛和治疗各种皮肤病或达到美容的效果。

五 结论

医学光子学及其技术的学科发展，对生命科学有重要且积极的意义。在医学领域，将为解决长期困扰人类的疑难顽疾如心血管疾病和癌症的早期诊治提供可能性，从而提高人类的生存价值和意义，其中的重大突破将起到类似X射线和CT技术在人类文明进步史上的重要推动作用，在知识经济崛起的时代还可能产生和带动一批高新技术产业。

参考文献

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〔16〕 Hongqin Yan, Shusen Xie, Hui Li et al. Optical imaging method.

课题组成员：

1.谢树森：教授、博士导师，中国光学学会副理事长，福建省光学学会理事长

2.李 晖：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

3.陈 荣：福建师范大学 医学光电科学与技术教育部重点实验室

篇(4)

关键词 数字电影；光学技术；系统

中图分类号 J938 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）174-0030-02

21世纪的社会发展主要是以知识经济与信息技术为主，尤其是信息技术的发展，给社会中的各个行业、各个领域带来不小的冲击。电影行业是社会众多行业之一，也受到了来自科学技术的影响，老式的放映胶卷模式已经逐渐被取消，如今的电影行业以数字化电影为主。数字电影在放映的过程中是要依靠一定的技术才得以有效的实施，其中最主要的是光学技术，而且在新时展之下，光学技术也随之发生了更大的变化与进步，可以说如今的电影行业发展如此迅速，光学技术在其中发挥了不可忽视的作用。

1 光学技术和数字放映系统

光学技术是一项应用于电影放映方面的技术，往深层次研究的话，所谓的光学，指的就是以对光研究为基础，来探讨“光”这种特殊物质与其他普通物质作用的各种作用。数字电影放映系统作为现如今电影行业主要的放映形式，主要依靠的是放映系统，随着胶片电影淡出电影舞台，数字电影不仅继承了原有胶片电影的优势，更在此基础之上改变放映的形式，改变了胶片电影所带来的不足之处，优化了电影放映的技术，通过数据拷贝的方式进行有效的传递与播放，使得电影不会在放映的过程中由于次数的增加而影响播放的质量，促进了电影行业的发展。

2 光学技术在数字电影放映中的应用分析

技术的发展，无论是对人们的日常生活还是对社会的进步发展，都发挥着重要的作用。为此，本文主要讲的就是有关应用于数字电影放映所使用的技术，那么，光学技术是如何应用在数字电影的放映系统中呢？主要是分为以下几个方面。

2.1 光学技术在数字电影成像中的应用

光学原理，在数字电影放映的过程中所使用的光学技术就是要在这一原理的基础上进行的。文中所讲的数字电影，就不得不提到投影技术，在现代的电影投影技术方面最常见的3种方式就是液晶显示、直接光学放大以及数字化光处理，而在这3种方式之中使用的最为广泛也最为成熟的就是数字化光处理技术，这一技术所使用的原理就是用所集合的半导体晶片效应来促使电路围绕着固定的S进行旋转，从而发生有规律的偏转，在控制电场电路的基础上，光线就会照在微镜上发出不同方向的反射，因而通过镜头就会射到大银幕上，银幕上也就会产生微镜的效果。简单讲，就是光学技术的使用，使得数字电影的投影成像呈现的更好，展现在大荧幕上的画面质量是良好的。

光学技术使用在数字电影的放映系统中是一个宽泛的概念，其实它可以分为若干个小的方面，接下来要分析的就是光学技术在数字电影彩色成像的应用。在电影最早出现的年代，呈现在大银幕上的电影画面都是黑白色调的，而如今我们观看的电影都是五彩缤纷，极具色彩画面，达成这一效果的原因就是在数字电影中应用了光学技术，在光学理论中，通过蓝、绿、红3种滤光片，在光的照射下可以形成多彩的颜色，电影放映中就是应用了这一原理，通过数字处理技术对色彩的顺序进行处理，在通过RGB格式的数据由DMD进行存储，接受光系统的聚集，再将所接受到的白光照射到先前已经存储完毕的DMD上，蓝、绿、红这3种纯原色的色彩会不断按照顺序投射到DMD上，DMD的图像就会投射到大屏幕上，从而形成了方形的像素，而这些像素的形成正是人类肉眼可以看到的图像，也就形成了精彩绝伦的电影画面。

2.2 光学技术在终端投影镜头中的应用

在研究光学技术的成像问题之后，接下来要谈论的就是光学在终端投影镜头中的应用。首先，光学这一门学科较为复杂化，应用在数字电影的放映系统中也正是利用了光学这一复杂性的特点，数字电影在运用的过程中使用了更多的光学参数，立足具体问题具体分析的原则，应用到实际的工作中。其次，数字电影在影院的放映过程中，其放映距离都是固定的，因此关于镜头焦距的问题有多种选择，尽管镜头的成本是非常贵的，但是利用光学技术进行调整，从而生产出了40mm～120mm的十分钟变焦镜头，这种镜头的产生在一定程度上减少了所需要用到的成本。最后，工作距离的确定可以通过以下两个方面的方式，一方面，对电影放映机在放映的过程中所涉及到光学部分进行实地测量，以最为直接的方式得到数据，但这一方式的困难点就在于用于测量光学部分的仪器无论是在价钱还是在操作系数上都是比较有难度的，因此，在实施的过程中会难以操作；另一方面，基于光的逆向原则基础之上，结合产生的数据以及聚光片和分光作用的数据，从而计算出工作距离，这一方式相对于前一种方式而言，在操作性上更为简单。

2.3 光学技术所涉及的镜头结构和成像应用

光学技术所涉及到的光学原理，既能让人简单明了又可以复杂的让人摸不着头脑，将这一项技术应用在数字电影的放映系统中，在很大程度上解决了原先胶片电影所带来的不足之处，优化了电影放映系统，使得电影行业得到快速的发展，光学技术在这一发展过程中贡献了不少的力量。光学技术涉及到电影放映系统的方方面面，电影放映镜头的工作距离与焦距之间的比例是维持在一定的系数之内，也就是说最佳的距离是在0.5～0.7之间，前面已经提到镜头焦距最合适的是40mm～120mm的十分钟变焦镜头，如果将两者结合在一起的话，那么两者的比例就会直线上升到3，但是在这过程中就会出现一些问题，为了能够更好的起到协调的作用，可以通过远心的镜头结构，再通过全权分离的方式对远心光路进行改进，促进其发展。另一方面，借助光学原理来投影成像，极有可能会受到光学的相差而产生一定的影响，因此，在使用光学技术的时候一定要注意利用光学原理减少像素差，从而使得所呈现的影片质量完好。

3 结论

数字电影已经成为电影行业的主流产品，而光学技术在数字电影放映系统中应用的最为广泛，并且在放映系统中发挥了重要的作用，在了解光学技术和数字电影放映系统的基础上，对光学技术在数字电影放映过程中的应用分析，希望可以加深对光学技术的了解，促进光学技术得到进一步发展，从而促进电影行业的发展。

参考文献

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[2]赫巍.数字电影放映技术在农村电影放映中的应用[J].新闻研究导刊，2016，7（9）.

篇(5)

基于多光束干涉理论建立了单层薄膜的透射率模型，并且得到了薄膜透射率与厚度及折射率之间的关系的数学模型，进而利用遗传算法求解该数学模型。根据薄膜透射光谱数学模型的特殊性，按照实际的精度需求，有针对性地选取了遗传算法中种群大小、交叉概率和变异概率等关键参数，并且针对透射光谱的具体情况，设计了离散化的适应度函数。最终的拟合结果表明，基于遗传算法的透射光谱法能够快速、准确地得到薄膜的光学参数。

关键词：

透射光谱； 薄膜光学参数； 遗传算法

中图分类号： TN 20文献标志码： 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着现代光学技术的发展，光学薄膜成为提高各种光学元器件性能的一种重要手段。近几年新的薄膜技术的国家标准相应出台[1]，也使薄膜参数的检测方法受到更多的重视。目前，制备光学薄膜的主要工艺包括：物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和溶胶凝胶法等。物理气相沉积主要包括：热蒸发、溅射、离子镀等[2]。

现有的薄膜参数测试方法很难同时测量薄膜的各个参数。测量薄膜厚度的常用仪器有：台阶仪、椭偏仪[3]。台阶仪通过金属探针在样品表面划动，检测出台阶状薄膜表面的高度差，因有物理接触会划伤样品表面，而且必须在样品表面构建台阶结构。椭偏仪通过测试透射的偏振光的偏振性变化，可以得到样品的厚度，虽然精度较高，但是需要已知材料的折射率。测量薄膜材料的折射率可以通过薄膜波导法，在一定的波长范围内，通过导模的泄露模虽然可以测得某确定波长的折射率和大致的薄膜厚度，但是需要薄膜的厚度达到一定的条件，并且只能测试某些特定波长的折射率。传统的光谱法测量薄膜的材料色散曲线，需要在已知薄膜厚度的情况下，通过单纯性法迭代优化后才能得到相应的折射率与波长的曲线模型[47]。在某些特殊情况下的薄膜透射光谱中，单纯性法并不能准确获得足够数量或者足够明确的极值点的数量，从而不能完成对薄膜参数的迭代测量。

面对生产加工中的实际需求，需要获得一种高精度的、快速方便的测量方法，同时获得所需光学薄膜的厚度、折射率波长曲线，尤其是针对某些不能通过预先测量获得折射率的薄膜。

1氧化物薄膜制备及光谱测试

本实验利用镀膜技术制备了多种常用薄膜材料。采用了OPTORUN的800式镀膜机，以厚度为3 mm的同一批次生产的K 9光学玻璃作为衬底，制作了多种薄膜材料样品。本文以氟化镁（MgF2）薄膜为例，由PE公司的Lambda1050紫外可见近红外分光光度计测得氟化镁薄膜透射光谱，如图1所示。

2理论计算

2.1透射光谱模型建立

利用多光束叠加的原理推导单层薄膜的透射光谱[8]。多光束干涉的示意图如图2所示。光波E0入射到第一层薄膜，反射光E1、E2、E3、…在无穷远处发生干涉，同理透射光E′1、E′2、E′3、…在无穷远处发生干涉。其中入射介质为空气，其折射率nk为1，薄膜的折射率为n，基底玻璃的折射率为ng。

假设入射光的振幅为E0，则各透射光束的振幅分别为

3利用遗传算法求解数学模型

由上述可知，利用透射光谱法求解薄膜参数的过程就是求解式（8）的数学模型，实际上是一个多元非线性回归问题的求解。单一使用最小二乘法或者其他遍历算法很难获得实际上的全局最优解，因此，采用遗传算法来求解该数学模型。

3.1遗传算法的简介

遗传算法（genetic algorithm，GA）是由Holland J教授于1975年首次提出的一种将达尔文的进化论与计算机技术结合的启发式算法，其本质是一种高效的全局搜索算法[10]。遗传算法相对于传统算法的显著优势有：1）GA搜索过程依靠的是适应度函数，而不依赖于某些函数的求导或者其他信息，所以与目标函数是否是线性函数关系不大；2）GA计算时不依赖于梯度信息，其在整个可行域范围内进行搜索；3）由于人工编码，可将参数值限定在合理范围内，避免出现不合理的解。

3.2遗传算法的实现

遗传算法的主要工作流程如图4所示。遗传算法的主要工作包括以下几个部分[11]：

1）初始化种群

以氟化镁薄膜为例，此处的初始种群由a、b、d共3个变量对应的二进制数组合所得。每个变量在种群中所占位数由其变量范围的上下限的差值除以精度要求，再转换为二进制数。转换所得二进制数的位数即为对应的该变量在种群中所占位数。

以厚度d为例，初始设定氟化镁薄膜的厚度初值范围为[600，650]，单位为nm，精度为0.001 nm。由于

所以，在初始种群中，厚度d所占的种群长度为16位。同理，a、b所对应的种群长度可以由实际范围计算得到。在得到总的种群长度之后，种群中的每一个个体都由程序随机生成对应长度的初始种群。

2）适应度函数设计

在遗传算法中，适应度函数属于自然环境参数，通过每个个体的适应度函数值来对其进行判定。

在氟化镁薄膜参数的测定中，针对薄膜光谱离散化的特性，并且在透射光谱中存在较多的毛刺，适应度函数也采用了离散点判定的方法。每个个体的适应度函数值为拟合函数值与原函数值相差小于0.1的点的个数。

3）选择性复制、交叉、变异操作

选择性复制、交叉、变异操作都是算法模拟正常生物染色体复制的过程。选择性复制保证了适应度较高的个体有较大的概率复制到下一代。交叉、变异的操作保证了遗传算法能够在全局寻找最优解，而不是收敛于局部最优值。

交叉、变异的频率决定了遗传算法收敛特性的好坏，此处取常用推荐值，交叉的概率为0.25，变异的概率为0.01。

4） 代担Generation）

Generation参数决定了算法进行迭代的次数，代数越多越逼近于全局最优解，但是在充分收敛的情况下没有必要设置较多的代数。在此处为保证充分收敛，同时为节省运算时间，Generation取1 000。

4测试结果

在经过多次的测试后，利用遗传算法求解光学薄膜透射光谱的数学模型，能够求解出光学薄膜的光学参数，所得结果见表1。

将拟合所得结果与原始透射光谱相比较，见图5。可以看到，拟合曲线与原始透射光谱有着较好的重合度，该方法能够快速准确地算得光学薄膜的参数。

5结论

基于遗传算法的透射光谱法，通过构建薄膜透射光谱的数学模型，再利用遗传算法求解光谱模型的待定系数，进而得到薄膜的主要光学参数。以上拟合计算结果表明：由遗传算法求解出的透射光谱与实验测得光谱基本一致，求解模型能够反映薄膜透射光谱的分布情况；在选取恰当的核心参数、合理设计适应度函数后，遗传算法能够准确地计算出模型的全局最优解；基于遗传算法的透射光谱法能够快速、准确地同时计算出薄膜的主要光学参数。

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篇(6)

关键词：光纤 光纤参数 测试方法 特性参数

中图分类号：TN818 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0080-02

光纤是包含内部纤芯和外部的包层的光传输介质。纤芯负责光的传输，而包层负责为光传输来提供反射面以及光隔离。根据纤芯和包层的折射率与纤芯和包层的相对折射率可以判断光纤对于光的束缚能力以及信息传输容量的大小。根据各种纤芯与包层不同组合与特定性能的应用要求来进行归纳总结，势必可归纳出光纤的特性参数以用来测量与研究。

光纤的特性参数有多重，最为基本的有三种特性参数：光纤的几何特性参数、光纤的光学特性参数和光纤的传输特性参数。其次，光纤还具有物理特性和化学特性。但本文只针对光纤的几何特性、光学特性和传输特性的测量方法进行研究。

1 光纤的特性参数之几何特性的测量方法

光纤的特性参数之几何特性参数主要包括对于光纤长度、光纤纤芯的不圆度、光纤包层的不圆度、光纤纤芯的直径、光纤包层的直径、光纤纤芯与光纤包层同心度误差等的研究。

通过折射近场法来直接测量在光纤横截面上产生的折射曲线的分布来对几何尺寸参数进行确定。对于对光纤包层的确定并不难，难就难在对于纤芯的确定。例如对于渐变型光纤的确定，因为光纤包层与光纤纤芯之间的过渡是具有连续性的，所以在光纤包层和光纤纤芯之间不存在明显的界限，所以如何去确定光纤纤芯和光纤包层之间的界限就存在着难点。而针对这一难点，可以通过对于折射率分布情况的研究来确定。

在折射率分布曲线上确定给定值，通过给定值来界定光纤纤芯的边界，而折射率分布曲线上的给定值需要通过对光纤整个截断面的扫描来获取。我们知道，受地球引力影响，光纤在生产过程中的整个横截断面并不能形成理想的圆对称，所以在扫描时应该根据不同情况进行区域分化扫描。光纤包层的折射率是均匀的，所以在扫描光纤包层时幅度可以大一些。而光纤纤芯的折射率存在很大的变化，所以对于光纤纤芯的扫描的幅度应该小一些。折射近场法是测试光纤几何参数尺寸的基本测试方法。

2 光纤的特性参数之光学特性的测量方法

光纤的特性参数之光学特性参数主要包括对于光纤模场直径、单模光纤（成缆）的截止波长、多模光纤的截止波长以及折射率的分布等的研究。

2.1 对于光纤光学特性的光纤模场直径的测量方法

在单模光纤中，对于光纤横截面内单模光纤的基膜与电场强度的分布，以及光功率存在于光纤横截面一定范围内的多少的衡量，就是模场直径所要研究的范围。对于单模光纤的研究，不仅受到模场直径的定义影响，也受到模场直径的测量方法影响。所以在测量单模光纤的模场直径时，根据不同测量方法的优缺点去选择合适的测量方法显得尤为重要。主要的测量方法有横向偏移法和传输场法。

2.2 对于光纤光学特性的光纤的截止波长的测量方法

测量光纤的截止波长的方法有很多，其中包括有模场直径方法、传导进场法、折射功率法以及传导功率法和偏振分析法等等。其中的传导功率法被用作基准测试法，而模场直径法被用作替代测试法。

传导功率法，主要是指根据光纤产生的传导功率与光纤的波长之间存在的关系曲线来确定截止波长的方法。其测量的精确了很高。测量机理主要是根据光纤中存在的衰减机理，确定急剧衰减的位置从而确定截止波长的方法。

模场直径法，主要是指根据通过对随着光纤波长而不断变化的模场直径的研究来确定截止波长的方法。其测量机理主要是根据在光纤传输过渡阶段内，截止波长附近会产生模场直径会产生突变，模场直径会突然的增加，而正是基于模场直径的突然增加从而可以以此来判断截止波长。

2.3 对于光纤光学特性的光纤折射率分布的测量方法

光纤的光学特性主要是在于光纤折射率。而对于光纤折射率的研究主要是针对于光纤剖面的研究。通过对于折射率分布的研究，有许多测量方法被应用，其中根据优缺点可以进行相对应的选择。而最主要，且应用广泛的就是，折射进场法和近场扫描法。

3 光纤的特性参数之传输特性的测量方法

光纤的特性参数之传输特性参数主要包括对于光纤的损耗、光纤的色散以及光纤的非线性效应等的研究。

3.1 对于光纤传输特性的色散的测量

光纤在传输过程中，光纤的脉冲会根据传输距离的改变而发生改变，究其原因，是因为光纤之中存在着色散与模畸变。其中色散主要是指，在单色光在不同的波长的作用下促使群延时不同的一种现象。

光纤产生的色散主要有分为材料色散，波导色散和单模光纤色散。其中，材料色散主要是受到光纤材料的影响。波导色散主要是指模受到光波长度影响产生变异的现象。单模光纤的色散主要是指模内色散，是由群延时受波长影响产生的。

测量光纤在传输过程中的色散，有两种方法：相移法与脉冲时延法。主要是根据光强度产生的波形来划分的。相移法根据测量不同的光纤波长，在同一个正弦调制信号的相移，所得出的群延时和波长之间的关系，进而计算出光纤色散的系数的一种方法。其测量方法具有测量精度高的优点，且对于测试设备的要求也比较简单，所以具有广泛的应用。脉冲时延法是通过测量不同波长的时延差来确定光纤色散的系数。脉冲时延法主要需要喇曼光源以及半导体激光器的光源，其他还有白光脉冲光源等。

3.2 对于光纤传输特性的色损耗的测量

光纤在光传播的过程中，因为距离的不断增大，会有能量的损耗，其中主要有被光纤内部吸收的损耗，也有光纤外部的传输损耗。对于光纤损耗系数的测量，也是光纤参数测量中的一个重要的测量参量。

产生光纤损耗的原因有很多，而主要的损耗包括吸收损耗、辐射损耗和散射损耗。对此我们可以知道，吸收损耗主要与光纤自身的材质有关；辐射损耗主要与光纤自身的几何形状波动有关；散射损耗与光纤自身的结构缺陷和非线性效应有关。光纤的吸收损耗是光纤的本征损耗，包括紫外、红外和杂质吸收等等组成的。而光纤的散射耗损主要包括波导的散射耗损和瑞利的散射耗损组成。

4 结语

对于现代社会光纤通讯的广泛普及，对于光纤通讯的研究成为一项重要的研究课题。其中对于光纤参数测量方法的研究也是光纤及光缆测量研究标准中的一个重要的指标，对于监督的完善光纤通讯的质量有着至关重要的作用。本文通过对于光纤特性参数中的几何特性参数、光学特性参数、传输特性参数的研究，分别针对光纤的几何特性参数中运用折射进场法来研究几何特性参数尺寸的进行测量；光纤的光学特性参数中的光纤模场直径法和光纤截止波长的测量方法的研究；光纤的传输特性参数对光纤的色散和光纤所产生的损耗的测量方法的研究，来进一步的光纤通讯做进一步系统的深入。

参考文献

[1]岳蕾.光纤参数测试方法的研究[J].现代测量与实验室管理，2008（2）.

[2]陈洪钦.电力通信光纤测量要点[J].科技风，2010（20）.

篇(7)

测控专业主要课程 精密机械与仪器设计、精密机械制造工程、模拟电子技术基础、数字电子技术基础，微型计算机原理与应用、控制工程基础、信号分析与处理、精密测控与系统等。

测控专业主干学科：光学工程、仪器科学与技术。

测控专业主要实践性环节：包括军训、金工、电工、电子实习，认识实习，生产实习，社会实践，课程设计，毕业设计(论文)等。

测控专业就业方向 本专业毕业具备精密仪器设计制造以及测量与控制方面的基础知识与应用能力，能在国民经济各部门从事测量与控制领域内有关技术、仪器与系统的设计制造、科技开发、应用研究、运行管理。该专业既可以进入生产工程自动化企业从事自动控制、自动化检测等方面的工作，也可以在科研单位进行仪器仪表的开发和设计，同时还可以在工程检测领域、计算机应用领域找到适合本专业个人发展的空间。

测控专业培养要求 毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

1. 具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力;

2. 较系统地掌握本专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括机械学、电工电子学、光学、传感器技术、测量与控制、市场经济及企业管理等基础知识;

3. 掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实验研究能力，具有现代测控系统与仪器的设计、开发能力;

4. 具有较强的外语应用能力;