序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇現代光學測量技術范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

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光學三維測量技術按測量原理可以分為攝影測量方法、結構光技術和光學干涉方法。攝影測量法是基于多視角的非主動式測量方法。在普通照明（陽光、日光燈）情況下，由攝像頭獲取多視角物體圖像，利用計算機查找多幅圖像的同態標記點，進而獲得物體的表面形貌。結構光技術通過不同寬度且明暗相間的結構光照射被測物體表面，獲取到的經物體調制的圖像，再經過計算獲取物體的立體形貌信息。光學干涉法是利用干涉原理進行測量，具有高精度、高分辨率等優點。以下介紹幾種常見的光學三維測量方法。三維激光掃描技術根據光學三角形測量原理，以激光作為光源，光電探測器接收反射光，通過對采集到數據進行計算得到物體的深度信息。三維激光掃描儀包括發射器和接收器。發射器射出一束脈沖激光，激光經過物體表面漫反射，沿相同路線射入接收器。由脈沖激光發射到反射被接收的時間tL可計算出掃描點到掃描儀的距離值S。掃描儀內精密測量系統獲取每個激光脈沖的水平方向角琢和垂直方向角度茁。依據上述數據計算出掃描點的三維空間坐標（XP、YP、ZP）[1]。

雙目視覺技術屬于攝影測量方法，是通過視差原理被動測量三維數據的技術。雙目視覺技術測量物體三維形貌的原理是，從兩個或以上的視角去觀察一個物體，獲得多張不同視角下物體的二維圖片，根據三角測量原理得出同一個像素點的坐標偏差，以此獲得測量物體的三維形態。此過程與人眼的立體視覺原理相類似。面結構光系統由投影儀和數碼相機組成。投影儀將明暗相間光柵條紋投影到待測物體上。物體高度的變化引起光柵條紋的形變。條紋形變可認為是載波信號相位和振幅被空間物體調制。數碼相機拍攝調制后的圖像，對其進行解調制，獲得物體的整個高度信息值，依照三角法原理，形成物體的三維立體影像[3]。

2光學三維測量的應用

光學三維測量技術具有諸多優勢，如非接觸式測量、高精確度、快速獲得結果等。光學三維測量技術主要應用在虛擬現實、逆向工程、醫學工程等領域。

2.1虛擬現實

利用光學三維測量技術對實物外形進行三維形貌掃描，經過三維建模軟件處理，在計算機內生成人物、場景的三維模型。由三維模型生成人物動作，實現動畫制作，滿足電腦游戲、CG特效等場合需要。

2.2逆向工程

逆向工程是利用光學三維測量設備獲取物體表面上所有點的三維立體坐標，根據坐標點信息利用三維設計軟件進行實物模型重建的過程。逆向工程獲得的模型被用于改進、完善原有的產品，被廣泛地應用到磨具開發、汽車制造等領域，是現代產品快速開發的重要技術手段。

2.3生物、醫學工程

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關鍵詞：幾何光學；教學內容；現代化；實踐應用

前言：隨著幾何光學的教學內容的現代化實踐應用越來越廣泛，相關的科員人員對于幾何光學的現代化應用的研究也越來越關注，幾何光學作為物理學科中的重要組成部分，它是以光線為基礎，研究光線在各種介質中的傳播規律與現象，從而制造出各種具有實用價值的光學儀器，為我國的光學現代化應用提供了重要的前提，奠定了堅實的基礎。而在幾何光學現代化的環境下，要不斷的對幾何光學的教學內容進行改進，從而制定出更加科學合理的教學大綱，讓學生對于幾何光學的知識掌握的更加全面具體，從而提高學的創新能力與科學素養。

一、幾何光學教學內容概述

（一）幾何光學的定義

幾何光學是光學學科中的分支學科，它是以光線為基礎，研究光的傳播和成像規律的實用性學科。在幾何光學中，把物體看做是幾何點，將它所發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，根據光線的傳播規律，研究物體被透鏡或其他光學元件所能成像的過程，將其應用到光學儀器的設計方面具有很高的實用價值。

（二）幾何光學的教學內容

我國目前對于幾何光學的教學內容主要包括：（1）幾何光學的基本定律；（2）費馬原理；（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）共軸球面系統的逐次成像法；（10）共軸球面系統旁軸成像的矩陣方法；（11）光學儀器的應用；（12）現代光學的介紹及應用；（13）光的衍射；（14）光的干涉；等有關幾何光學的主要內容。幾何光學作為普通物理的基礎學科，無論是教學模式還是教程都主要是以幾何光學為主，這就導致了我國物理專業的本科畢業生對幾何光學的知識方法與應用掌握不全，要加強對于幾何光學的知識補給，以滿足我國對于光學領域人才的需求。教師要注重幾何光學教學的內容與實踐的結合，讓我國的幾何光學應用領域得到全面的發展。

二、幾何光學教學內容現代化應用實踐

在幾何光學中最基礎的就是反射、折射的原理，在現代的技術中對于這兩個原理的應用也是最廣泛的，而其中的利用全反射原理主要的一個應用就是光纖通信，目前光纖通訊可以說是互聯網通訊中最重要的通訊方式之一，所涉及到的應用也是最廣泛的。利用幾何光學教學內容的反射原理制造的光學投影儀，利用光的成像原理所制造出的數碼相機，利用光的反射原理制作的哈文望遠鏡等，我國目前已經對于幾何光學在現代化的應用中做出了一定的成就，在此基礎之上，還要對幾何光學的教學內容進一步的拓展，進而使學生對于幾何光學的知識儲備更加具體全面，將有助于對學生科學素質的培養。

（一）光纖通訊

通過發射端將所要傳輸的光線轉化成信號，然后再將其調制到激光器發出的激光束上面，讓光線的強度因為信號的幅度而具有不同的變化，之后再通過光纖將其發送出去；而在接收端檢測器將收到光信號變換為電信號，經解調后恢復成為原來由信息，以此就形成了光纖通訊。

（二）自聚焦透鏡

當光線在空氣中傳播遇到不同介質時，會使其原有的傳播方向發生改變。傳統透鏡是通過控制透鏡表面的曲率的改變，來使其產生的光程差將光線匯聚成一點。對于1/4節距的自聚焦透鏡來說，當從一端射入一束平行光時，經過自聚焦透鏡后光線會匯聚在另一面上。而這種端面聚焦的功能就是傳統曲面透鏡所無法達到的。自聚焦透鏡是光纖通訊中的無源器件中不可或缺的基礎光學器件，自聚焦透鏡也在現代的光學儀器中得到了廣泛的引用，例如：槍的瞄準器、耦合器、光開關、光隔離器以及波分復用器。

（三）光學投影儀

將資料放在工作臺上，在經過光線的照明之后，讓其由物鏡經過光鏡，從而反射到投影屏上，就形成了一個與原有資料完全相反的影像。或是完全相同的影像。資料就通過了放大，成像在投影屏上，之后再利用工作_上的數位測量系統，對投影屏上的資料輪廓進行座標測量，也可利用投影屏旋轉角度數顯系統對工件輪廓的角度進行測量。光學投影儀成像分為正像和反像兩種。

（四）數碼相機

光線通過鏡頭進入相機內部，再通過數碼相機具有的成像元件的轉化，最終將光線形成具體的影像。數碼相機的主要的成像元件包括CCD和CMOS，其特點是在光線通過的時候，根據光線的不同組成從而轉化為不同的電子信號，進而形成完整的光學成像。

（五）哈文望遠鏡

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【關鍵詞】 光電子技術 光醫學 光保健 學科現狀 發展趨勢

一 引言

生物醫學光學與光子學是光學或者說光子學現展的一個分支學科。由于光學與光子學是具有極強應用背景的學科，所以“生物醫學光子技術”這一多學科交叉的新興研究領域在20世紀末葉也隨之應運而生。

激光技術作為一項重大的科技成就，為研究生命科技和疾病的發生、發展開辟了新的途徑，為保健和臨床診療提供了嶄新的手段,推動人類科學技術進入新的發展階段。

可以把與光的產生、傳播、操縱、探測和利用有關的物理現象和技術包括在內的科學及工程籠統地簡稱為光學。用光學最廣的含義來概括各研究領域及其相關交叉分支時必然包括了激光和光電子技術。運用光學及其技術研究光與人體組織的相互作用問題可歸之于“組織光學”范疇。它是研究光輻射能量在生物組織體內的傳播規律以及有關組織光學特性的測量方法的一門新興交叉學科，是光醫學（光診斷和光治療）的理論基礎。經過40多年的發展，激光與光電子技術在人類的保健、醫療以及生命科學中產生了很大影響。

在醫學領域，光電子技術使各種新療法，包括從激光心臟手術到用光學圖像系統的關節內窺鏡進行微損膝關節修復等，成為可能或得以實現。目前，科學家們正致力于研究光學技術在非侵入式診斷和檢測上的應用，如乳腺癌的早期探查、糖尿病患者葡萄糖的“無針”監控等。激光在醫學上的最早應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的探索。指望無損害地獲得診斷信息是這些研究的驅動力之一，其中在物理學中高度發展的光譜技術有望在診斷醫學中得到應用。利用光纖把光傳輸到身體內部的能力，可以完成膀胱、結腸和肺等器官的檢查。隨著醫學診斷方法向無損化方向發展，利用光電子學技術對組織體進行鑒別和診斷，有可能更早期、更精確地診斷各種疾病。近年來，人們開始把這種診斷方法稱之為“光活檢”。

隨著現代醫學模式的轉變、健康概念的更新以及人民生活水平的提高，從20世紀80年代后期起，“激光美容術”在世界各地包括在我國各大城市逐漸地開展。保健美容是光電子技術應用越來越活躍的領域。激光技術應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易有效。到20世紀末，人們又開發了一種稱為光子嫩膚術的新美容技術。它基于選擇性的光熱解作用，有效地改善肌膚的質地和彈性，達到美容的效果。之所以用激光或強脈沖光進行非消融性的嫩膚或治療越來越流行，是因為這類手術具有無損、不必住院、幾乎無副作用和無疼痛，從而使受術者容易接受的優點。

國家自然科學基金委員會先后二次在“光子學與光子技術”以及“生物醫學光學”優先資助領域戰略研究報告中分別指出：近年來生物醫學光學與光子學的迅猛興起，令人矚目，并因而引發出一門新興的學科－生物醫學光子學（Biomedophotonics）。研究報告選定了近期優先研究領域包括生物光子學、醫學光子學基礎研究、醫學臨床的光學診斷和激光醫學中的重要課題等諸方面。

福建師范大學在1974年成立了“醫用激光及其應用技術”研究組，以激光與光電子技術為基礎，圍繞激光醫學應用的核心技術開展研究與開發。至二十世紀九十年代，跟隨該領域的國際走向，轉入激光醫學技術的基礎理論研究工作，在國內率先開展了生物組織光學與光劑量學的研究。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年獲準立項建設醫學光電科學與技術教育部重點實驗室。

二 國內外現狀

光學在生命科學中的應用，在經歷了一個緩慢的發展階段后，由于激光與新穎的光子技術的介入，進入了一個迅速發展的新階段。與光學有關的技術沖擊著人類健康領域，正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段，并為醫療診斷提供了革命性的新方法。特別在近十多年來，與蓬勃的學術研究活動相對應，國際上出現了專門的研究性學術雜志，如：Laurin 出版公司于1991年發行了“Bio-Photonics”新雜志。美國光學學會重要的會刊之一“Applied Optics”也于1996年將其“Optical Technology”欄目擴充為“ Optical Technology and Biomedical Optics”，并定期出版有關生物醫學光學的論文專集。SPIE亦于1996年創辦了期刊Journal of Biomedical Optics，且聲譽日隆。到2004年，該刊的SCI影響因子已達3.541。當前，發達國家普遍對生物醫學光子學學科給予了高度重視。例如，在美國國家衛生研究院（NIH）新成立的國家生物醫學影像與生物工程研究所（NIBIB）中，生物醫學光子學也成為其主要資助的領域。近三年中，美國NIH已經召開過4次研討會，認為新的在體生物光子學方法可用于癌癥和其它疾病的早期檢測、診斷和治療。新一代的在體光學成像技術正處在從實驗室轉向癌癥臨床應用的重要時刻。在NIH的支持下，美國國家癌癥研究所（NCI）正在計劃5年投資1800萬美元，招標建立“在體光學成像和/或光譜技術轉化研究網絡（NTROI）”，其研究內容主要包括：光學成像對比度的產生機理、在體光學成像技術與方法、臨床監測、新光學成像方法的驗證、系統研制與集成等五個方面。2000年底，在美國NIBIB的首批支持項目中，光學成像方法約占30%。2000年7月，美國NIH投資2000萬美元，開展小動物成像方法項目（SAIRPs）研究，受到生命科學界的高度關注，其中光學成像方法是研究重點之一。美國國家科學基金會（NSF）在2000-2002年了4次關于生物醫學光子學研究（Biophotonics Partnership Initiative）的招標指南。“9.11”事件后，美國國防部啟動了“應激狀態下的認知活動”(Cognition under stress)項目，采用的研究方法就是光學成像技術。美國加州大學Davis分校于2002年10月宣布：未來10年內，將投資5200萬美元建立生物醫學光子學科學技術中心（The Center for Biophotonics Science and Technology），其中4000萬美元由NSF支持。在學術交流活動方面，國際光學界規模最大西部光子學會議（Photonics West）上，每年的四個大分會之一即是生物醫學光學會議（BiOS），論文均超過大會總數的三分之一，如，2003年關于BiOS的專題為19個，占整個會議的19/52=36.5%；2004年，IBOS會議專題為20個，占整個會議的20/55=36.4%。另外，每年還召開歐洲生物醫學光子學會議。除疾病早期診斷、生理參數監測外，在基因表達、蛋白質―蛋白質相互作用、新藥研發和藥效評價等研究中，特別是近年來的Science, Nature, PNAS等國際權威刊物發表的論文表明，光子學技術也正在發揮至關重要的作用。在某些領域，如眼科，光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現，并以最小的無損或微損療法代替外科手術，如膝關節的修復。現在，用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段，包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。光學技術還為生物學研究提供了新的手段，如人體內部造影、測量、分析和處理等。共焦激光掃描顯微鏡能將詳細的生物結構的三維圖象展現出來，在亞細胞層次監測化學組成和蛋白質相互作用空間和時間特征。以雙光子激發熒光技術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深度、降低對生物體的損傷，而且還開辟了在細胞內進行高度定位的光化學療法。近場技術將分辨率提高到衍射極限以上，可以探測細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化學結構排序系統的關鍵組成部分。光學在生物技術方面的其它應用還包括采用“DNA芯片”的高級復雜系統，和采用傳輸探針的簡單系統。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，能夠在生物環境中實現細胞或微觀粒子的操縱與控制，或在10-12m范圍內實現力學參數的測量。結合光子學和納米技術已經可以探測細胞機械活動，揭示細胞水平上隱秘的生命過程，利用納米器件甚至可以檢測和操縱原子和分子，這可以應用在細胞水平的醫學領域。高技術的進步，如：微芯片極大地加速了生物光子學的發展進程。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量分子、組織和器官圖像成為可能。許多生物醫學光子學技術已經在臨床上應用于早期疾病監測或生理參量的測量，如血壓，血液化學，pH，溫度，或測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，反射和光學相干成像）的各種光學概念出現在功能成像的重要領域。從大腦到竇體再到腹部，精確導位和追蹤，對于精確定位醫療儀器在三維手術空間的位置具有重要的作用。基于分子探針的光子技術可以識別發生疾病時產生的分子報警，將真正實現令人激動的、個人的、分子水平的醫學。

我國的研究基礎與條件雖然相對落后，研究投入不足，但生物醫學光子學是一門正在興起和不斷發展的學科，在這一新興交叉學科上國內外處于一個起跑線上。近年來，在國家自然科學基金委、省部委以及其它基金項目的資助下，我國在生物醫學光子學的研究中取得了很大的進展，尤其是2000年第152次主題為 “生物醫學光子學與醫學成像若干前沿問題”、第217次主題為“生物分子光子學”的香山會議后，有許多學校和科研單位開展了生物醫學光子學的研究工作，并初步建成了幾個具有代表性的、具有自己研究特色和明確科研方向的研究機構或實驗室，并在生物醫學光學成像（如OCT、光聲光譜成像、雙光子激發熒光成像、二次諧波成像、光學層析成像等）、組織光學理論及光子醫學診斷、分子光子學（包括成像與分析）、生物醫學光譜、X射線相襯成像、光學功能成像、認知光學成像、PDT光劑量學、高時空譜探測技術及儀器研究等方面取得了顯著的研究成果。發表了許多研究論文，申請了許多發明專利，有些已經獲得產業化。國家自然科學基金委員會生命科學部與信息科學部聯合發起并承辦的全國光子生物學與光子醫學學術研討會已經舉辦了六屆。這對我國生物醫學光子學學科的發展起到了積極的推動作用。在我國近年所召開的亞太地區光子學會議中，有關生物醫學光子學的內容已大幅增加，成為主要的研討專題。我國的生物醫學光子學研究和學術活動也方興未艾，呈現與國際同步的態勢。在基礎研究、應用基礎研究以及對新技術的掌握方面跟蹤國際先進水平，但國內科研經費的投入相對較小，科研隊伍規模不大，原創性的科研成果與國外有較大差距。和國外的發展水平相比，我國的生物醫學光子學發展還存在以下問題：

（1）盡管從事生物醫學光子學的科研單位很多，但取得突破性、創新性的研究成果很少，主要是由于我們的科研隊伍在組織、組成上還不合理，過于分散、開展的內容繁雜，難以將有限的資金投入到一些有利于國計民生的及上水平的研究方向上；另外許多單位的研究重復，缺乏合作，導致水平低下；

（2）和國外相比，研究經費無論在絕對值還是相對值上均投入十分不夠；

（3）缺乏研究成果產業化的引導機制。

三 醫學光電科學與技術（福建師范大學）教育部重點實驗室概況

“醫學光電科學與技術”教育部重點實驗室設立于福建師范大學物理與光電信息科技學院（激光與光電子技術研究所）內，作為本學科開展科研研究和實施建設與發展的一個基礎平臺。實驗室已有30年發展歷史，1973年成立福建師范學院物理系激光實驗室，1984年成為福建師范大學激光研究所實驗室，1995年為福建省首期211重點學科《應用光子學》學科實驗室，2003年5月26日經福建省科技廳批準成立“光子技術福建省重點實驗室”，2005年7月28日經教育部批準立項建設教育部重點實驗室。實驗室座落于福建師范大學長安山校園內。

30年多來，實驗室在生物組織光學、醫學光譜與光學成像技術、光診斷及光診療技術、信息技術光學及其生物醫學應用等四個主要方向上努力開拓，承擔并完成了數十項國家與省部重點、重大項目課題，取得一批代表我國本領域研究水平的科研成果，其中十五以來獲省部級科技進步一等獎1項，二等獎2項，三等獎2項，其它省級以上獎勵12項。在國內外重要刊物發表的論文以及被SCI、EI收錄的論文均超過100篇。

實驗室目前承擔著國家與省級重要課題50余項，科研經費超過2000萬元。其中國家自然科學基金項目11項，國家教育部、科技部、衛生部項目9項，福建省科技重大專項1項，其它省級重要項目近30項。

中科院半導體研究所原所長王啟明院士任重點實驗室學術委員會主任，副主任由黃尚廉院士和謝樹森教授擔任。另有九位國內外著名的激光、光電子與醫學學科交叉的院士、專家或資深教授擔任委員，其中海外委員兩人。他們規劃、指導并檢查本學科實驗室的建設與發展。

重點實驗室主要學術帶頭人、實驗室學術委員會常務副主任謝樹森教授是中國光學學會副理事長、福建省光學學會理事長、國家有突出貢獻的中青年專家、光學工程專業博導、全國勞動模范，是我國醫學光電科學與技術領域的學術帶頭人與開拓者。實驗室主任陳榮教授、副主任李暉教授均為國務院特殊津貼專家，實驗室常務副主任陳建新教授來自于北京大學的優秀博士后研究員。重點實驗室擁有穩定的可持續開展高水平科研的學術梯隊，其中的中青年學術帶頭人或學術骨干包括1位閩江學者特聘教授、1位福建師范大學特聘教授、3位國務院特殊津貼專家、2位全國優秀教師、2位福建省優秀教師和15位博士。

重點實驗室與國內外學術界建立了并保持著廣泛的聯系。重點實驗室已設立面向國內外的開放課題基金。已批準并實施來自浙江大學、廈門大學、上海光機所、西安交通大學、華南師范大學、天津醫科大學、上海市激光醫學研究中心等單位知名學者的開放課題。

重點實驗室已具備良好的科研軟硬件環境。現有面積近5000平方米，儀器設備原值2500多萬元。重點實驗室各項管理制度健全。

“醫學光電科學與技術”重點實驗室，在我國現代科學技術領域特色鮮明，在我國相關學科處于領頭地位，有較大影響。重點實驗室建設將有力促進福建省科技創新能力建設，促使福建師范大學迅速向高水平、有特色、開放型的綜合性大學邁進。同時，重點實驗室的建設與發展將有力促進我國醫學光電科學與相關學科的發展，為廣大民眾的身心健康，為海峽西岸的科技、社會與經濟發展做出重大貢獻。

四 發展趨勢和展望

光子學及其技術已廣泛應用或滲透到生物科學和醫學的諸多方面，被科學界所認同和重視。生物醫學光學已經成為國際光學學科重要發展方向之一。生物醫學光子學的發展，將為現代醫學和生命科學帶進嶄新的時代。本學科的發展將繼續體現了多學科交叉的特點，研究領域涉及到了生物學、醫學、和光學，還有化學等不同大學科的方方面面。技術開發與臨床應用研究的結合將越來越密切。一般認為，光學領域未來發展的重點是將各種復雜的光學系統和技術更加廣泛地應用于保健和醫療。當今世界中,與光子學有關的技術沖擊著人類對生命體的認知及人類健康領域。基于現代激光與光電子技術的生物醫學光子學技術將為生命科學研究帶來具有原始性創新的重要科研成果，并可望形成有重大社會影響和經濟效益的產業。

在醫學領域，光子學技術正在改變著藥物療法和常規手術的實施手段,并為醫療診斷提供了新方法。在某些領域,如眼科,光學和激光技術已成熟地應用于臨床實踐。激光還使治療腎結石和皮膚病的新療法得以實現,并以無損或微損療法代替外科手術,如膝關節的修復。現在,用激光技術和光激勵的藥物相結合可治好某些癌癥。以光學診斷技術為基礎的流動血細胞測量儀可用于監測愛滋病患者體內的病毒攜帶量。還有一些光學技術正處于無損醫學應用的試驗階段,包括控制糖尿病所進行的無損血糖監測和乳腺癌的早期診斷等。

在基礎研究方面，研究重點在于從細胞，甚至是亞細胞尺度層次揭示病變組織與正常組織之間的差異，為新技術開發以及應用提供理論依據。另一方面，研究光與人體組織之間的相互作用以及所產生的光化學、光熱和光機械效應。在技術的應用方面，研究重點轉向比較各種技術中光源（相干光源/非相干光源、波長、功率密度、偏振性、連續/脈沖光源、脈沖持續時間等）和個體差異（年齡、性別、臨床癥狀、發病史、發病時間等）對診斷或治療結果的影響，在確定各種技術臨床適應癥的同時，進一步實用化各種技術。此外，還在不斷開發新的實用于不同疾病的診斷、治療和監測技術。

值得關注的是，國外從事“生物醫學光學”領域研究的高校或研究機構中，來自大陸的中國學者的數量越來越多。這有助于使國內外的學術交流更加有效，并可以預期國內與國外在該領域的研究水平差距將不斷縮小。

今后若干年內醫學光電科技學科需關注的重大科學問題和優先研究領域如下：

（一）醫學光子學基礎

在組織光學方面，其中最主要的有光在組織體內傳播的特殊方式、組織光學性質的描述以及有關實驗技術的開發和完善等。組織光學是醫學光子技術的理論基礎。光在生物組織中的運動學（如光的傳播）問題和動力學（如光的探測）問題是研究的主要內容，目的是要研究生物組織的光學性質和確定某靶位單位面積上的光能流率。應優先解決測量技術和實驗精度的問題，利用近場光學顯微技術、光鑷技術測量活體組織的光學參量。在理論建模方面，建立生物組織中光的傳輸理論和數值模擬方法。具體開展的研究工作應包括：1）光在生物組織中傳輸理論：要用更復雜的理論來描述生物組織的光學性質以及光在其中的傳播行為。建立準確的組織光學模型，使之能反映生物組織空間結構及其尺寸分布情況、組織各個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，使之適應新的條件，并能在某些情況下求出光在生物組織中傳輸的基本性質。2）光傳輸的蒙特卡羅模擬：繼續開發新的更為有效的算法以適應生物組織的多樣性和復雜性的要求。除了了解光在組織中的分布，還在探索從大量數字模擬中得到生物組織中光的宏觀分布與其光學性質基本參量之間的經驗關系。另外，發展非穩態的光傳輸的蒙特卡羅模擬方法也是一個重要的研究方向，從中可以獲得比穩態條件下更多的信息。

組織光學參數的測量方法和技術方面，尚未獲得人體各種組織的可靠實驗數據。發展和完善活體的無損檢測尤為重要。在這方面，時間分辨率與頻率分辨率的測量方法引人注目。

（二）醫學光子學光譜診斷技術

醫學光子學光譜（非成像）診斷技術實質上是利用從組織體反射、散射、發射出來的光，經過適當的放大、探測以及信號處理，來獲取組織內部的病變信息，從而達到診斷疾病的目的。

生物組織的自體熒光與藥物熒光光譜技術，內容涉及光敏劑的吸收譜、激發與發射熒光譜以及各種波長激光激發下正常組織與病變組織內源性熒光基團特征光譜等。現在人們所謂的特征熒光峰實際上只是卟啉分子的熒光峰。客觀和科學地判斷激光熒光光譜對腫瘤的診斷標準是十分必要的。目前，某些癌瘤的藥物熒光診斷已進入臨床試用，自體熒光的應用尚處于摸索之中。需要開展激光激發生物組織和細胞內物質的機理研究，探討激光誘發組織自體熒光與癌組織病理類型的相關性以及新型光敏劑的熒光譜、熒光產額和最佳激發波長等方面的研究，以期獲得極其穩定、可靠的特征數據，為診斷技術的發展提供科學依據。

近年來，拉曼光譜技術應用于醫學中已顯示出它在靈敏度、分辨率、無損傷等方面的優勢。應開發并完善重要醫學物質拉曼光譜數據庫，并使基于拉曼光譜分析的小型、高效、適用于體表與體內的醫用拉曼光譜儀和診斷儀將在醫學臨床獲得更廣泛的應用。

超快時間分辨光譜比穩態光譜在技術上更靈敏、更客觀和更具有選擇性。因此，將脈寬為ps、fs量級的超短激光脈沖光源用于醫學受到廣泛重視，其一，應發展超快時間分辨熒光光譜技術，用于測量生物組織及生物分子的熒光衰變時間，分析癌組織分子馳豫動力學性質等，為進一步研究自體熒光法診斷惡性腫瘤提供基礎數據；其二，應發展超快時間分辨漫反射（透射）光譜技術。以時域的角度測量組織的漫反射，從而間接確定組織的光學特征。這是一種全新的、適用于活體的、無損和實時的測量方法，為確知光與生物組織的相互作用，解決醫學光子學中基礎測量問題開辟一條新徑。

（三）醫學光子學成像診斷技術

發展出具有無輻射損傷、高分辨率、非侵入、實時、安全的光子學成像診斷技術，并具有經濟、小型、且能監測活體組織內部處于自然狀態化學成分等特點的醫療診斷設備。主要的醫學光子學成像診斷技術包括：

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

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

紅外熱成像：紅外熱成像是利用紅外探測器測量人體和動物的正常與病變組織的溫度差異來診斷病變及其位置，現已在醫學診斷中得到廣泛的應用，如乳腺腫瘤的診斷。

光學相干層析成像技術：一種非侵入式無損成像技術，并且可以與顯微鏡、手持探針、內窺鏡、醫用導管、腹腔鏡等相結合使用，從而具有廣闊的應用領域。而且，OCT能進行眾多功能成像，如分光鏡OCT、多普勒OCT、偏振OCT：也可以與眾多成像技術結合使用，如熒光、雙光子、二次諧波成像等技術。

熒光壽命成像：受超短光脈沖激發后，熒光團，包括自體熒光團如NADH、FAD等和外源熒光團，如有機熒光染料、熒光蛋白等，所發出熒光的壽命取決于熒光團的分子種類及其所處的微環境，如pH、離子濃度（如Ca2+、Na+等）、氧壓等，因此熒光壽命的測量和成像，有助于提供生物組織的功能信息。和內窺鏡結合，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確性的早期癌癥診斷方法。

光聲作用成像：利用超聲場在生物組織中的優良傳輸特性和激光在生物組織中的選擇性吸收特性,將超聲定位技術和光學高靈敏度檢測技術結合,以實現無損傷臨床醫學的結構和功能層析診斷。預期成像深度遠好于目前的光學成像方法,對于較厚生物組織成像及臨床應用特別具有吸引力,可為及早發現一些特殊病變提供一種無損、有效、高準確度的方法。

非線性光學成像：雙光子激發熒光顯微成像、二次諧波等成像技術由于具有三維高空間分辨率，對比度高、對生物組織的損傷小等優點，研究工作重點是擴展成像技術在生物醫學領域的應用范圍，重點解決研制小型化內窺型診斷設備所面臨的相關技術問題。

人體經絡的光學表征及其調控功能：已經用不少事實證明了經脈循行路線的現象，也初步顯示了人體體表沿十四經脈路線存在的紅外輻射軌跡。然而，至今未能用西醫的形態學或生理學方法證明它的存在，也不能明晰地闡明“經絡”的實質。可以利用已發展的生物醫學光子學諸多成像技術為工具，研究這個具有中國特色的中醫學中的重大問題。

4.醫用激光治療技術（激光醫學）

強激光治療：是當前激光醫學中最成熟和最重要的領域。隨著新型醫用激光器的不時出現，如：鈦激光、鉺激光、準分子激光等，強激光治療技術的臨床用途也逐漸增多，提出一些新的問題。關于這些新型激光器及新的工作方式對人體組織的作用特點的認識還相對不足，基本沒有適合國人組織特性的治療參數。為此需加強研究激光與生物組織間的作用關系，特別是在諸多有效療法中已獲得重要應用的激光與生物組織間的作用關系；研究不同激光參數（包括波長、功率密度、能量密度與運轉方式等）對不同生物組織、人體器官組織及病變組織的作用關系，取得系統的數據，同時也有必要加強新型激光器及新的工作方式的臨床適應證的研究。

低強度激光治療：非熱或低強度激光輻射可作為一種輔助治療手段，其作用機理尚不清楚。對弱激光治療機理的認識有待于整個基礎醫學的提高，如充分認識細胞基因表達與調控、細胞代謝的調控、免疫反應的調控等，同時還需研究不同弱激光劑量對這些調控的影響，這才能提高弱激光治療的針對性和療效。針對目前臨床上盲目夸大療效、照射劑量嚴重混亂的局面，建議重點扶持2-3個弱激光研究中心，集中財力與人力進行弱激光的細胞生物學效應研究；弱激光生物調節作用和細胞生物學現象（基因調控和細胞凋亡）的量效關系、弱激光鎮痛的分子生物學機制以及弱激光與細胞免疫（抗菌、抗毒素、抗病毒等）的關系及其機制。尋求弱激光生物刺激效應的可能機制與量效關系；規范臨床治療參數與操作等。

光動力學治療（PDT）是當前激光醫學中最具活力且發展迅速的領域。光動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、類風濕性關節炎等常規手段難以奏效的良性疾病的治療研究中取得一系列進展，并結合內鏡技術的發展等，其應用領域得到很大的延伸和擴展。這些都說明發展光動力療法具有重要的社會和經濟效益。應當重點資助PDT相關產品的國產化，扶持新一代國產光敏劑的開發及相應激光器的產業化，資助新一代光敏劑光動力學治療的機理研究。作用機理、光動力療法各要素對光動力學效應的影響、建立數學模型、新型光敏劑光動力學效應的研究，為開拓光動力療法新的應用領域取得系統的數據。

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

五 結論

醫學光子學及其技術的學科發展，對生命科學有重要且積極的意義。在醫學領域，將為解決長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值和意義，其中的重大突破將起到類似X射線和CT技術在人類文明進步史上的重要推動作用，在知識經濟崛起的時代還可能產生和帶動一批高新技術產業。

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課題組成員：

1.謝樹森：教授、博士導師，中國光學學會副理事長，福建省光學學會理事長

2.李 暉：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室

3.陳 榮：福建師范大學 醫學光電科學與技術教育部重點實驗室

篇(4)

關鍵詞 數字電影；光學技術；系統

中圖分類號 J938 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）174-0030-02

21世紀的社會發展主要是以知識經濟與信息技術為主，尤其是信息技術的發展，給社會中的各個行業、各個領域帶來不小的沖擊。電影行業是社會眾多行業之一，也受到了來自科學技術的影響，老式的放映膠卷模式已經逐漸被取消，如今的電影行業以數字化電影為主。數字電影在放映的過程中是要依靠一定的技術才得以有效的實施，其中最主要的是光學技術，而且在新時展之下，光學技術也隨之發生了更大的變化與進步，可以說如今的電影行業發展如此迅速，光學技術在其中發揮了不可忽視的作用。

1 光學技術和數字放映系統

光學技術是一項應用于電影放映方面的技術，往深層次研究的話，所謂的光學，指的就是以對光研究為基礎，來探討“光”這種特殊物質與其他普通物質作用的各種作用。數字電影放映系統作為現如今電影行業主要的放映形式，主要依靠的是放映系統，隨著膠片電影淡出電影舞臺，數字電影不僅繼承了原有膠片電影的優勢，更在此基礎之上改變放映的形式，改變了膠片電影所帶來的不足之處，優化了電影放映的技術，通過數據拷貝的方式進行有效的傳遞與播放，使得電影不會在放映的過程中由于次數的增加而影響播放的質量，促進了電影行業的發展。

2 光學技術在數字電影放映中的應用分析

技術的發展，無論是對人們的日常生活還是對社會的進步發展，都發揮著重要的作用。為此，本文主要講的就是有關應用于數字電影放映所使用的技術，那么，光學技術是如何應用在數字電影的放映系統中呢？主要是分為以下幾個方面。

2.1 光學技術在數字電影成像中的應用

光學原理，在數字電影放映的過程中所使用的光學技術就是要在這一原理的基礎上進行的。文中所講的數字電影，就不得不提到投影技術，在現代的電影投影技術方面最常見的3種方式就是液晶顯示、直接光學放大以及數字化光處理，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字化光處理技術，這一技術所使用的原理就是用所集合的半導體晶片效應來促使電路圍繞著固定的S進行旋轉，從而發生有規律的偏轉，在控制電場電路的基礎上，光線就會照在微鏡上發出不同方向的反射，因而通過鏡頭就會射到大銀幕上，銀幕上也就會產生微鏡的效果。簡單講，就是光學技術的使用，使得數字電影的投影成像呈現的更好，展現在大熒幕上的畫面質量是良好的。

光學技術使用在數字電影的放映系統中是一個寬泛的概念，其實它可以分為若干個小的方面，接下來要分析的就是光學技術在數字電影彩色成像的應用。在電影最早出現的年代，呈現在大銀幕上的電影畫面都是黑白色調的，而如今我們觀看的電影都是五彩繽紛，極具色彩畫面，達成這一效果的原因就是在數字電影中應用了光學技術，在光學理論中，通過藍、綠、紅3種濾光片，在光的照射下可以形成多彩的顏色，電影放映中就是應用了這一原理，通過數字處理技術對色彩的順序進行處理，在通過RGB格式的數據由DMD進行存儲，接受光系統的聚集，再將所接受到的白光照射到先前已經存儲完畢的DMD上，藍、綠、紅這3種純原色的色彩會不斷按照順序投射到DMD上，DMD的圖像就會投射到大屏幕上，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 光學技術在終端投影鏡頭中的應用

在研究光學技術的成像問題之后，接下來要談論的就是光學在終端投影鏡頭中的應用。首先，光學這一門學科較為復雜化，應用在數字電影的放映系統中也正是利用了光學這一復雜性的特點，數字電影在運用的過程中使用了更多的光學參數，立足具體問題具體分析的原則，應用到實際的工作中。其次，數字電影在影院的放映過程中，其放映距離都是固定的，因此關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，但是利用光學技術進行調整，從而生產出了40mm～120mm的十分鐘變焦鏡頭，這種鏡頭的產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以下兩個方面的方式，一方面，對電影放映機在放映的過程中所涉及到光學部分進行實地測量，以最為直接的方式得到數據，但這一方式的困難點就在于用于測量光學部分的儀器無論是在價錢還是在操作系數上都是比較有難度的，因此，在實施的過程中會難以操作；另一方面，基于光的逆向原則基礎之上，結合產生的數據以及聚光片和分光作用的數據，從而計算出工作距離，這一方式相對于前一種方式而言，在操作性上更為簡單。

2.3 光學技術所涉及的鏡頭結構和成像應用

光學技術所涉及到的光學原理，既能讓人簡單明了又可以復雜的讓人摸不著頭腦，將這一項技術應用在數字電影的放映系統中，在很大程度上解決了原先膠片電影所帶來的不足之處，優化了電影放映系統，使得電影行業得到快速的發展，光學技術在這一發展過程中貢獻了不少的力量。光學技術涉及到電影放映系統的方方面面，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之內，也就是說最佳的距離是在0.5～0.7之間，前面已經提到鏡頭焦距最合適的是40mm～120mm的十分鐘變焦鏡頭，如果將兩者結合在一起的話，那么兩者的比例就會直線上升到3，但是在這過程中就會出現一些問題，為了能夠更好的起到協調的作用，可以通過遠心的鏡頭結構，再通過全權分離的方式對遠心光路進行改進，促進其發展。另一方面，借助光學原理來投影成像，極有可能會受到光學的相差而產生一定的影響，因此，在使用光學技術的時候一定要注意利用光學原理減少像素差，從而使得所呈現的影片質量完好。

3 結論

數字電影已經成為電影行業的主流產品，而光學技術在數字電影放映系統中應用的最為廣泛，并且在放映系統中發揮了重要的作用，在了解光學技術和數字電影放映系統的基礎上，對光學技術在數字電影放映過程中的應用分析，希望可以加深對光學技術的了解，促進光學技術得到進一步發展，從而促進電影行業的發展。

參考文獻

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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系的數學模型，進而利用遺傳算法求解該數學模型。根據薄膜透射光譜數學模型的特殊性，按照實際的精度需求，有針對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鍵參數，并且針對透射光譜的具體情況，設計了離散化的適應度函數。最終的擬合結果表明，基于遺傳算法的透射光譜法能夠快速、準確地得到薄膜的光學參數。

關鍵詞：

透射光譜； 薄膜光學參數； 遺傳算法

中圖分類號： TN 20文獻標志碼： 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著現代光學技術的發展，光學薄膜成為提高各種光學元器件性能的一種重要手段。近幾年新的薄膜技術的國家標準相應出臺[1]，也使薄膜參數的檢測方法受到更多的重視。目前，制備光學薄膜的主要工藝包括：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）和溶膠凝膠法等。物理氣相沉積主要包括：熱蒸發、濺射、離子鍍等[2]。

現有的薄膜參數測試方法很難同時測量薄膜的各個參數。測量薄膜厚度的常用儀器有：臺階儀、橢偏儀[3]。臺階儀通過金屬探針在樣品表面劃動，檢測出臺階狀薄膜表面的高度差，因有物理接觸會劃傷樣品表面，而且必須在樣品表面構建臺階結構。橢偏儀通過測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。測量薄膜材料的折射率可以通過薄膜波導法，在一定的波長范圍內，通過導模的泄露模雖然可以測得某確定波長的折射率和大致的薄膜厚度，但是需要薄膜的厚度達到一定的條件，并且只能測試某些特定波長的折射率。傳統的光譜法測量薄膜的材料色散曲線，需要在已知薄膜厚度的情況下，通過單純性法迭代優化后才能得到相應的折射率與波長的曲線模型[47]。在某些特殊情況下的薄膜透射光譜中，單純性法并不能準確獲得足夠數量或者足夠明確的極值點的數量，從而不能完成對薄膜參數的迭代測量。

面對生產加工中的實際需求，需要獲得一種高精度的、快速方便的測量方法，同時獲得所需光學薄膜的厚度、折射率波長曲線，尤其是針對某些不能通過預先測量獲得折射率的薄膜。

1氧化物薄膜制備及光譜測試

本實驗利用鍍膜技術制備了多種常用薄膜材料。采用了OPTORUN的800式鍍膜機，以厚度為3 mm的同一批次生產的K 9光學玻璃作為襯底，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測得氟化鎂薄膜透射光譜，如圖1所示。

2理論計算

2.1透射光譜模型建立

利用多光束疊加的原理推導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、…在無窮遠處發生干涉，同理透射光E′1、E′2、E′3、…在無窮遠處發生干涉。其中入射介質為空氣，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學模型

由上述可知，利用透射光譜法求解薄膜參數的過程就是求解式（8）的數學模型，實際上是一個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際上的全局最優解，因此，采用遺傳算法來求解該數學模型。

3.1遺傳算法的簡介

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爾文的進化論與計算機技術結合的啟發式算法，其本質是一種高效的全局搜索算法[10]。遺傳算法相對于傳統算法的顯著優勢有：1）GA搜索過程依靠的是適應度函數，而不依賴于某些函數的求導或者其他信息，所以與目標函數是否是線性函數關系不大；2）GA計算時不依賴于梯度信息，其在整個可行域范圍內進行搜索；3）由于人工編碼，可將參數值限定在合理范圍內，避免出現不合理的解。

3.2遺傳算法的實現

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個變量對應的二進制數組合所得。每個變量在種群中所占位數由其變量范圍的上下限的差值除以精度要求，再轉換為二進制數。轉換所得二進制數的位數即為對應的該變量在種群中所占位數。

以厚度d為例，初始設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所占的種群長度為16位。同理，a、b所對應的種群長度可以由實際范圍計算得到。在得到總的種群長度之后，種群中的每一個個體都由程序隨機生成對應長度的初始種群。

2）適應度函數設計

在遺傳算法中，適應度函數屬于自然環境參數，通過每個個體的適應度函數值來對其進行判定。

在氟化鎂薄膜參數的測定中，針對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，適應度函數也采用了離散點判定的方法。每個個體的適應度函數值為擬合函數值與原函數值相差小于0.1的點的個數。

3）選擇性復制、交叉、變異操作

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

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Generation）

Generation參數決定了算法進行迭代的次數，代數越多越逼近于全局最優解，但是在充分收斂的情況下沒有必要設置較多的代數。在此處為保證充分收斂，同時為節省運算時間，Generation取1 000。

4測試結果

在經過多次的測試后，利用遺傳算法求解光學薄膜透射光譜的數學模型，能夠求解出光學薄膜的光學參數，所得結果見表1。

將擬合所得結果與原始透射光譜相比較，見圖5。可以看到，擬合曲線與原始透射光譜有著較好的重合度，該方法能夠快速準確地算得光學薄膜的參數。

5結論

基于遺傳算法的透射光譜法，通過構建薄膜透射光譜的數學模型，再利用遺傳算法求解光譜模型的待定系數，進而得到薄膜的主要光學參數。以上擬合計算結果表明：由遺傳算法求解出的透射光譜與實驗測得光譜基本一致，求解模型能夠反映薄膜透射光譜的分布情況；在選取恰當的核心參數、合理設計適應度函數后，遺傳算法能夠準確地計算出模型的全局最優解；基于遺傳算法的透射光譜法能夠快速、準確地同時計算出薄膜的主要光學參數。

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篇(6)

關鍵詞：光纖 光纖參數 測試方法 特性參數

中圖分類號：TN818 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）06-0080-02

光纖是包含內部纖芯和外部的包層的光傳輸介質。纖芯負責光的傳輸，而包層負責為光傳輸來提供反射面以及光隔離。根據纖芯和包層的折射率與纖芯和包層的相對折射率可以判斷光纖對于光的束縛能力以及信息傳輸容量的大小。根據各種纖芯與包層不同組合與特定性能的應用要求來進行歸納總結，勢必可歸納出光纖的特性參數以用來測量與研究。

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

1 光纖的特性參數之幾何特性的測量方法

光纖的特性參數之幾何特性參數主要包括對于光纖長度、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。

通過折射近場法來直接測量在光纖橫截面上產生的折射曲線的分布來對幾何尺寸參數進行確定。對于對光纖包層的確定并不難，難就難在對于纖芯的確定。例如對于漸變型光纖的確定，因為光纖包層與光纖纖芯之間的過渡是具有連續性的，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。而針對這一難點，可以通過對于折射率分布情況的研究來確定。

在折射率分布曲線上確定給定值，通過給定值來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對光纖整個截斷面的掃描來獲取。我們知道，受地球引力影響，光纖在生產過程中的整個橫截斷面并不能形成理想的圓對稱，所以在掃描時應該根據不同情況進行區域分化掃描。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，所以對于光纖纖芯的掃描的幅度應該小一些。折射近場法是測試光纖幾何參數尺寸的基本測試方法。

2 光纖的特性參數之光學特性的測量方法

光纖的特性參數之光學特性參數主要包括對于光纖模場直徑、單模光纖（成纜）的截止波長、多模光纖的截止波長以及折射率的分布等的研究。

2.1 對于光纖光學特性的光纖模場直徑的測量方法

在單模光纖中，對于光纖橫截面內單模光纖的基膜與電場強度的分布，以及光功率存在于光纖橫截面一定范圍內的多少的衡量，就是模場直徑所要研究的范圍。對于單模光纖的研究，不僅受到模場直徑的定義影響，也受到模場直徑的測量方法影響。所以在測量單模光纖的模場直徑時，根據不同測量方法的優缺點去選擇合適的測量方法顯得尤為重要。主要的測量方法有橫向偏移法和傳輸場法。

2.2 對于光纖光學特性的光纖的截止波長的測量方法

測量光纖的截止波長的方法有很多，其中包括有模場直徑方法、傳導進場法、折射功率法以及傳導功率法和偏振分析法等等。其中的傳導功率法被用作基準測試法，而模場直徑法被用作替代測試法。

傳導功率法，主要是指根據光纖產生的傳導功率與光纖的波長之間存在的關系曲線來確定截止波長的方法。其測量的精確了很高。測量機理主要是根據光纖中存在的衰減機理，確定急劇衰減的位置從而確定截止波長的方法。

模場直徑法，主要是指根據通過對隨著光纖波長而不斷變化的模場直徑的研究來確定截止波長的方法。其測量機理主要是根據在光纖傳輸過渡階段內，截止波長附近會產生模場直徑會產生突變，模場直徑會突然的增加，而正是基于模場直徑的突然增加從而可以以此來判斷截止波長。

2.3 對于光纖光學特性的光纖折射率分布的測量方法

光纖的光學特性主要是在于光纖折射率。而對于光纖折射率的研究主要是針對于光纖剖面的研究。通過對于折射率分布的研究，有許多測量方法被應用，其中根據優缺點可以進行相對應的選擇。而最主要，且應用廣泛的就是，折射進場法和近場掃描法。

3 光纖的特性參數之傳輸特性的測量方法

光纖的特性參數之傳輸特性參數主要包括對于光纖的損耗、光纖的色散以及光纖的非線性效應等的研究。

3.1 對于光纖傳輸特性的色散的測量

光纖在傳輸過程中，光纖的脈沖會根據傳輸距離的改變而發生改變，究其原因，是因為光纖之中存在著色散與模畸變。其中色散主要是指，在單色光在不同的波長的作用下促使群延時不同的一種現象。

光纖產生的色散主要有分為材料色散，波導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。波導色散主要是指模受到光波長度影響產生變異的現象。單模光纖的色散主要是指模內色散，是由群延時受波長影響產生的。

測量光纖在傳輸過程中的色散，有兩種方法：相移法與脈沖時延法。主要是根據光強度產生的波形來劃分的。相移法根據測量不同的光纖波長，在同一個正弦調制信號的相移，所得出的群延時和波長之間的關系，進而計算出光纖色散的系數的一種方法。其測量方法具有測量精度高的優點，且對于測試設備的要求也比較簡單，所以具有廣泛的應用。脈沖時延法是通過測量不同波長的時延差來確定光纖色散的系數。脈沖時延法主要需要喇曼光源以及半導體激光器的光源，其他還有白光脈沖光源等。

3.2 對于光纖傳輸特性的色損耗的測量

光纖在光傳播的過程中，因為距離的不斷增大，會有能量的損耗，其中主要有被光纖內部吸收的損耗，也有光纖外部的傳輸損耗。對于光纖損耗系數的測量，也是光纖參數測量中的一個重要的測量參量。

產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。對此我們可以知道，吸收損耗主要與光纖自身的材質有關；輻射損耗主要與光纖自身的幾何形狀波動有關；散射損耗與光纖自身的結構缺陷和非線性效應有關。光纖的吸收損耗是光纖的本征損耗，包括紫外、紅外和雜質吸收等等組成的。而光纖的散射耗損主要包括波導的散射耗損和瑞利的散射耗損組成。

4 結語

對于現代社會光纖通訊的廣泛普及，對于光纖通訊的研究成為一項重要的研究課題。其中對于光纖參數測量方法的研究也是光纖及光纜測量研究標準中的一個重要的指標，對于監督的完善光纖通訊的質量有著至關重要的作用。本文通過對于光纖特性參數中的幾何特性參數、光學特性參數、傳輸特性參數的研究，分別針對光纖的幾何特性參數中運用折射進場法來研究幾何特性參數尺寸的進行測量；光纖的光學特性參數中的光纖模場直徑法和光纖截止波長的測量方法的研究；光纖的傳輸特性參數對光纖的色散和光纖所產生的損耗的測量方法的研究，來進一步的光纖通訊做進一步系統的深入。

參考文獻

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測控專業主要課程 精密機械與儀器設計、精密機械制造工程、模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎，微型計算機原理與應用、控制工程基礎、信號分析與處理、精密測控與系統等。

測控專業主干學科：光學工程、儀器科學與技術。

測控專業主要實踐性環節：包括軍訓、金工、電工、電子實習，認識實習，生產實習，社會實踐，課程設計，畢業設計(論文)等。

測控專業就業方向 本專業畢業具備精密儀器設計制造以及測量與控制方面的基礎知識與應用能力，能在國民經濟各部門從事測量與控制領域內有關技術、儀器與系統的設計制造、科技開發、應用研究、運行管理。該專業既可以進入生產工程自動化企業從事自動控制、自動化檢測等方面的工作，也可以在科研單位進行儀器儀表的開發和設計，同時還可以在工程檢測領域、計算機應用領域找到適合本專業個人發展的空間。

測控專業培養要求 畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：

1. 具有較扎實的自然科學基礎，較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的表達能力;

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3. 掌握光、機、電、計算機相結合的當代測控技術和實驗研究能力，具有現代測控系統與儀器的設計、開發能力;

4. 具有較強的外語應用能力;