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光學技術的應用范文1
關鍵詞 熒光顯微術 課程 教學 思考
中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.074
“熒光顯微術原理及應用”是一門非常重視實踐性的技術基礎課?！盁晒怙@微術原理及應用”是基于北京農學院現有研究生課程的基礎上擬向農業生產類、生物專業、動物專業以及園林專業的一年級碩士研究生開設的公共選修課，希望通過該課程的開設，為研究生開展學術研究奠定一定的實驗技術基礎。該課程對于研究生掌握科學研究中的細胞生物學觀察方法，培養學生獨立進行科學研究的素養和能力具有重要作用。作為新開研究生課程，基于北京農學院的實際情況對“熒光顯微術原理及應用”的教學與實驗進行了如下設置及思考。
1“熒光顯微術原理及應用”課程開設的必要性
1.1研究手段和技術的發展的需要
物質吸收電磁輻射后進入激發態，而受到激發的原子或分子在去激發過程中再發射波長比激發光波長更長的光，這種再發射的光稱為熒光。生物體內有些物質有自發熒光，如葉綠素或細胞壁的某些成分，受紫外線照射后發出熒光；生物體內大部分物質本身不能發出熒光，但如果用特異性的熒光染料標記后，經紫外線或其他波長的光照射后也可以發出熒光，這種熒光可以被熒光顯微鏡捕獲，并進行定量分析。因此，熒光顯微術就是基于熒光對這類物質進行研究的技術。熒光顯微鏡依據觀察物體大小及原理又可以分為多種。常用的有體式熒光顯微鏡、熒光顯微鏡和激光共聚焦掃描顯微鏡等等。
體視熒光顯微鏡能對微小樣品進行快速、清晰的顯微觀察，并實現完全無漂移的三維立體成像，配有較長的工作距離，不僅能夠獲得較大的景深和光學細節，還能保證樣品的真實色彩；對樣品能進行實體測量；具有良好的操控系統，可提供優良的重復性從而使實驗過程簡化。但是體式熒光顯微鏡有缺陷性。其放大倍率較低，適合于研究對象的整體觀察和活體觀察以及一些較大的器官和組織的觀察，不適合觀察小組織或細胞。
與體式熒光顯微鏡相比，熒光顯微鏡放大倍數較高，工作距離較短?？梢杂^察更多的細節。能在組織、細胞和亞細胞的水平上研究細胞內物質的定位、營養成分的吸收、運輸，以及化學物質的分布及定位等?？梢赃M行活體或固定材料的觀察。
激光掃描共聚焦顯微鏡是上個世紀80年展起來的一種非常精密的儀器設備。它以光學為基礎，將機械、電子、計算機等融為一體。與體式熒光顯微鏡和熒光顯微鏡不同，激光共聚焦以激光為光源，可以把標本分成多個光學斷層，逐層進行掃描并成像，因此是一種新顯微層面的研究手段。此外，由于激光共聚焦顯微鏡對細胞和組織連續光學切片無損傷，而且能夠對活體細胞進行實時的動態觀察，使它在生物科學的研究中占有獨特的地位。目前，人們已廣泛應用該技術來觀察和分析細胞內的微細結構和分子在細胞內的分布，例如細胞內游離鈣、活性氧、轉錄因子、表面分子、細胞凋亡、細胞膜流動性、胞內分子的運動、細胞間的縫隙連接、蛋白問的相互作用等方面。
傳統的熒光顯微鏡配備的是膠卷相機，膠卷的沖洗非常復雜、耗時耗力。隨著科學技術的發展，數字成像系統也應用到熒光顯微術上。其中電荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）就是與熒光顯微鏡密切相關的數碼攝像產品。它能夠將熒光顯微鏡拍攝的顯微攝影產品通過USB接口傳輸到電腦中，便于圖像的采集研究。隨著技術的進一步發展，分辨率也越來越高，因此通過CCD，可以拍攝到分辨率更高的圖片。
1.2課程設置的需要
根據本校研究生現有課程以及科研工作的需要，特開設“熒光顯微術原理及應用”?，F有的課程“植物顯微技術”注重石蠟切片，尤其是實驗環節甚少涉及顯微鏡；而現有的“電子顯微鏡”課程主要講述超薄切片和透射電鏡以及掃描電鏡的原理及使用。因而“熒光顯微術原理及應用”課程的開設，填補了兩者之間的空檔，能夠更好地為廣大教師和研究生的科學研究工作服務。
1.3科學研究的需要
隨著學校教師科研項目的增多、科學研究的深入，越來越需要使用相應的技術手段，例如研究特定基因功能，需要進行轉基因驗證，一般加入GFP，YFP等報告基因，此r需在激光掃描共聚焦顯微鏡下進行觀察將基因表達的蛋白進行定位并分析。
1.4現有實驗平臺的支持
北京農學院農業應用新技術北京市重點實驗室下設三個研究平臺，其中顯微平臺具備體式熒光顯微鏡、倒置熒光顯微鏡、正置熒光顯微鏡和Leiea的激光掃描共聚焦掃描顯微鏡等大型儀器設備，為本課程的順利開設提供了物質基礎。
1.5教輔人員的配備
開設本課程的教師具有多年教學經驗以及多年管理體式熒光顯微鏡、正置熒光顯微鏡、倒置熒光顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡等設備的經驗，為本課程的順利開設奠定了理論和實踐基礎。
2安排合理的教學和實驗內容
2.1理論與實踐相結合的教學理念
熒光顯微術具有非常強的技術性和應用性，但理論知識的學習也是必不可少的。掌握了理論知識，能夠促進實踐應用。利用熒光進行顯微觀察的顯微鏡有許多種，根據本校的設備基礎結合教師們的研究需求，重點選擇體式熒光顯微鏡、熒光顯微鏡和激光掃描共聚焦顯微鏡等內容。首先，要進行相關的理論講解，使研究生們掌握理論基礎，在此基礎上設計一些獨立、完整的小實驗，使學生能夠掌握相應儀器的使用方法。例如利用體式熒光顯微鏡進行轉基因材料的鑒定。體式熒光顯微鏡具有較大的景深，能夠非常方便地觀察轉綠色熒光蛋白或紅色熒光蛋白的轉基因材料，如草莓、番茄、板栗、海棠、百合、玉米等。大大簡化了原來在顯微鏡下觀察的繁瑣的前處理過程。
2.2選擇合適的教學內容
根據研究生的研究需求結合學術發展的進展，選擇合適的教學內容。理論課程內容主要分為五個部分。第一部分顯微鏡的發展簡史。包括顯微鏡的發展，熒光的發現、發展、選擇及使用、熒光蛋白的發現、發展和使用等等。第二部分為體式熒光顯微鏡，包括其理論及應用。第三部分為熒光顯微鏡，包括理論及應用。第四部分為激光掃描共聚焦顯微鏡的理論和應用。第五部分：其他熒光顯微技術，如更為先進的雙光子熒光顯微鏡、轉盤激光掃描共聚焦顯微鏡等內容。
2.3設置合理的實驗內容
教學中想盡辦法引導學生把理論知識和其自身的科學研究有機結合，提高學生的興趣和對知識的掌握能力?；诒拘＾r業應用新技術北京市重點實驗室顯微平臺的儀器設備配置情況，結合研究生研究課題的需求，設置相應的較為系統性的小實驗。
體式熒光顯微鏡因其景深較大，可以觀察較大的實驗材料。例如可以觀察本校不同研究團隊的轉基因材料以及較大的組織塊等。前期已經成功觀察到了根的轉基因熒光。
熒光顯微鏡觀察花粉管內囊泡運輸。首先需要選擇合適的花粉。不同物種的花粉其萌發時間及生長速度差異巨大，要選擇生長速度合適的花粉。首先要培養花粉管，其次用熒光染料FM 4-64標記囊泡，在此過程中需要學生分組合作，配置所需試劑，隨后在顯微鏡下觀察花粉萌發及花粉管生長情況。接著選擇合適的花粉管，用熒光染料FM 4-64標記囊泡，隨后在熒光顯微鏡下觀察囊泡運輸情況并采集圖像，利用軟件對熒光進行定量分析，得出相應結論，撰寫實驗報告。
利用激光共聚焦顯微鏡采集花粉管內游離鈣離子信號。植物細胞因具細胞壁，鈣離子標記較楦叢櫻時間較長，能夠鍛煉研究生的動手能力?；ǚ酃芘囵B完畢后用Fluo 4 AM標記鈣離子，用xyt的模式觀察鈣離子的動態變化，利用軟件進行熒光定量分析，得出相應結論，撰寫實驗報告。
3考核方式的探索
根據本門課程注重實驗的特點，以及出于對學生基本實驗技能、創新意識、創造性思維、科學思想、科學態度等進行全面評價，總成績評定由三部分組成：（1）上課及參加實驗的考勤（占30%）；（2）自己制作并進行顯微觀察的圖片質量（占40%）；（3）實驗報告寫作及其對實驗中出現問題的分析情況（占30%）。課程論文內附有學生自己拍攝的自己制作的切片的顯微照片，以及對照片出現的問題分析。
光學技術的應用范文2
【關鍵詞】教育技術;三維成像;光技術;虛擬現實
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097(2009)12―0102―04
一 虛擬現實研究現狀
虛擬現實技術是許多相關學科領域交叉、集成的產物。它的研究內容涉及到人工智能、計算機科學、電子學、傳感器、計算機圖形學、智能控制、超聲波、心理學等。我們必須清醒地認識到,雖然這個領域的技術潛力是巨大的,應用前景也是很廣闊的,但仍存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術障礙。
就像電影《黑客帝國》里描述的那樣,未來的我們竟可以生活在一個由電腦控制的虛擬世界里。在這個世界里,我們同樣擁有各種感覺,同樣擁有親戚朋友,同樣擁有工作,同樣擁有現實世界的一切“真實”。只是,這一切都是虛擬的[1]。虛擬現實如果應用于教育有可能是教育技術仿真的一個飛躍。虛擬現實營造了“自主學習”的環境,由傳統的“以教促學”的學習方式代之以由學習者通過自身與信息和環境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式,能做到在教學活動中“學生為主體、教師為主導”。將其引入課堂,展現那些在傳統的教學模式中無法實現的教學過程、虛擬各種實驗設備和實訓環境,甚至用于遠程教育,從而生動地表現教學內容。因此,虛擬現實技術進入高校教學的研究,勢必將會對探索發展現代教育思想、提高教學質量水平、改善實驗培訓環境、優化教學過程、加速培養現代化的專業技術人才產生深遠的影響[2]。
如何顯示虛擬場景呢?現在應用的虛擬現實廣角(寬視野)的立體顯示,主要采用多通道平面或環幕立體投影展示系統,需配戴跟蹤頭部運動的虛擬現實頭套,另外一些設備還需要數據手套和數據衣。這些系統使用復雜,局限性強,仿真效果差,價格昂貴推廣不易。本文虛擬仿真顯示的設計構思是采用光技術,利用光投影機投射而成的3D全息展示系統,人可以通過使用各種特殊裝置將自己“投射”到這個環境中,并操作、控制環境,實現特殊的目的,即人是這種環境的主宰。能將課堂教學情景、課件內容立體真三維可視化,再配合聲音、資源庫、智能系統等雙向互動,完全模擬真實情景,與現場無異,它具備更大的顯示尺寸、更寬的視野、更多的顯示內容、更高的顯示分辨率,以及更具沖擊力和沉浸感的視覺效果。
美國麻省一位叫Chad Dyne的29歲理工研究生發明了一種空氣投影和交互技術,這是顯示技術上的一個里程碑,它可以在氣流形成的墻上投影出具有交互功能的圖像。此技術來源海市蜃樓的原理,將圖像投射在水蒸氣上,由于分子震動不均衡,可以形成層次和立體感很強的圖像。另據報道,日本公司Science and Technology發明了一種可以用激光束來投射實體的3D影像,這種技術是利用氮氣和氧氣在空氣中散開時,混合成的氣體變成灼熱的漿狀物質,并在空氣中形成一個短暫的3D圖像。還有,南加利福尼亞大學創新科技研究院的研究人員目前宣布他們成功研制一種360度全息顯示屏,這種技術是將圖像投影在一種高速旋轉的鏡子上從而實現三維圖像,只不過好像有點危險?？梢哉f這些技術很多國家都在研制,毫不夸張的說這項技術它包含了未來,誰最先使用這項技術,誰就最先走入未來的先進技術行列。[3]
二 光技術及其應用效果
1 三維成像如何顯示
人看周圍的世界時,由于兩只眼睛的位置不同,得到的圖像略有不同,這些圖像在腦子里融合起來,就形成了一個關于周圍世界的整體景象,這個景象中包括了距離遠近的信息。當然,距離信息也可以通過其他方法獲得,例如眼睛焦距的遠近、物體大小的比較等[4]。
根據人眼立體視覺的特性,實現立體電視的方式也對應為兩大類:一類是利用兩眼的視差特性,使一對視差信號的兩幅圖像同時出現在屏幕上,讓兩眼分別觀看這兩幅圖像來獲得立體感覺;第二類是利用一只眼睛也能獲得立體感的特性,將一對視差信號的兩幅圖像先后輪流地出現在屏幕上,從而獲得立體感覺。
第三種就是真三維成像,本文擬推薦應用光技術全息三維成像,使用普通光束即可(不需銀幕真三維)。這個系統可以用來拍攝諸如籃球比賽的三維影片。如果你的家中有三維播放機,你就可以在虛擬現實狀態下觀看籃球比賽,觀看者會感覺自己仿佛就在場內一樣(見圖1)。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發展。同理,課堂教學也能夠獲得同樣的視覺和聽覺效果。
圖1 三維播放機
2 如何實現光電三維成像
使用課堂多媒體光電三維成像設備,主教室和各分教室雙方的三維立體全息圖像便瞬間出現在對方面前,讓兩個不同空間的人同時出現在一個空間,就好像一個真人站在你面前一樣(見圖2),然后你便可以和他隨意交談,使用各種表情,那是一種呈現在空氣中的光學立體影像,不需要任何屏幕之類的媒質,不像今天的網絡衛星遠程教學、可視電話還需要一個屏幕才能顯像。光虛擬現實技術可很好地應用到虛擬學習環境的建立。它可以虛擬地建立起與真實環境相近的學習場景,可以把遠處的人或物以三維的形式投影在空氣之中,使學生似乎已處于真實環境之中。另外,比如配一套可觸摸超聲波虛擬三維物體的系統設備?？墒褂脩敉ㄟ^超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,讓人們感覺如同把三維圖像掌握在手中一樣。
圖2兩個不同空間的人同時出現在一個空間
3 虛擬光電三維成像應用原理
以光干涉為例,獲得相干光的方法:兩列或幾列光波在空間相遇時相互迭加,在某些區域始終加強,在另一些區域則始終削弱,形成穩定的強弱分布的現象。不過,只有兩列光波的頻率相同,位相差恒定,振動方向一致的相干光源,才能產生光的干涉。[5]
因此,由兩個(或兩個以上的)光束,在滿足一定條件下迭加時,在交迭區的不同地點呈現穩定的互相加強或減弱的現象,稱為干涉現象。通常兩個獨立的光源或同一光源上的兩個不同部分都不會產生干涉現象。運用某些方法,如光的反射或折射,可以將同一光源發出的光分成兩個光束,當這兩光束在空間經不同路徑而重新聚合時,就能實現干涉現象。
通常采用的方法有兩種:分波陣面法和分振幅法。如楊氏雙縫、菲涅爾雙面鏡、洛埃鏡和薄膜干涉等。下面分析楊氏雙縫干涉原理,如圖4。
圖4楊氏雙縫干涉原理
由垂直于紙面的單縫發出的柱面波的波前被s1和s2兩縫分成部分,當兩束光到達屏幕P點時,將產生相干疊加,P點的光強
由此可知:半波長的偶數倍加強,半波長的奇數倍減弱。
光的衍射原理:光離開直線路徑繞到障礙物幾何陰影里去的現象叫光的衍射,只有當小孔、單縫或小屏的尺寸小于波長或和波長差不多時,才能觀察到明顯的衍射現象[6]。
全息技術是利用干涉和衍射原理記錄并再現物體真實的三維圖像的記錄和再現的技術[7]。
根據相干光干涉、光的衍射原理和利用全息技術原理推理,三維攝像機采用激光作為照明光源,并將光源發出的光分為兩束,一束直接射向感光板,另一束經被攝物的反射后再射向感光板。兩束光在感光片上疊加產生干涉,感光板上各點的感光程度不僅隨強度也隨兩束光的位相關系而不同。所以全息攝影不僅記錄了物體上的反光強度,也記錄了位相信息,如圖4。
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圖4 全息三維攝影原理
感光板采集后的三維動態數字信息被記錄傳輸全息到存儲器,播放時用三維全息投影機播放存儲的全息動態三維數字信息,同時利用激光去照射投射的干涉光和衍射光形成的空間立體虛擬光屏上,人眼透過空間立體光屏就能看到原來被拍攝物體完全相同的三維立體像(見圖5)。
圖5 動態全息三維投影光電成像
當然,被拍攝的不只是人和物體,同樣也包含場景。虛擬光電三維成像就是利用相干光和衍射光等技術以及激光、全息照相等其它相關技術來實現光的空間三維成像,根據前面所述是可行的,可達到虛擬仿真所需圖像的目的。利用全息投影機,將拍攝全息影像以大畫面顯示,實現真正無需戴眼鏡的3D效果。這才是立體顯示的終極目標。其時,“人的頭腦就是一部全像攝影機[8]?！?而“世界是一張全息圖[9]”。全息三維立體顯示正在向全息彩色立體電視和電影的方向發展[10]。目前,國外已經有電視、展示等部分行業開始使用這項技術[11]。由于全息立體顯示所需要的技術比較復雜,資金投入相對較高,因此目前還沒有得到普遍應用。相信隨著技術的發展,成本的降低,使用投影技術實現真正全息立體顯示將會成為普遍現象?？赏诹Ⅲw電影、電視、展覽、顯微術、干涉度量學、投影光刻、軍事偵察監視、水下探測、金屬內部探測、保存珍貴的歷史文物、藝術品、信息存儲、遙感,研究和記錄物理狀態變化極快的瞬時現象、瞬時過程(如爆炸和燃燒)等各個方面獲得廣泛應用。
4 光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同
虛擬現實技術利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的虛擬環境,用戶通過使用各種交互設備,同虛擬環境中的實體相互作用,使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流,是一種先進的數字化人機接口技術。
光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同見表1。
表1光電三維成像與其它虛擬現實技術的異同
光電三維成像 其它虛擬現實技術
實時三維可視化 同左
虛擬環境由基于真實數據建立的數字模型組合而成,嚴格遵循工程項目設計的標準和要求,屬于科學仿真系統。 同左
操縱者親身體驗虛擬三維空間,身臨其境。具有雙向互動功能,沒有時間限制,可真實詳盡的展示。 同左
以高性能計算機為核心的虛擬環境,視覺無需配帶眼鏡、頭盔顯示器,以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、通過超聲波高度逼真地觸摸到虛擬圖像,省卻了數據手套和數據衣等外部隨身設備。味覺、嗅覺與觸覺反饋系統等功能單元構成。是一種較為接近人們生理習慣,較易接受的一個虛擬物理環境。 以高性能計算機為核心的虛擬環境,以頭盔顯示器為核心的視覺系統、以語音識別、聲音合成與聲音定位為核心的聽覺系統、以方位跟蹤器、數據手套和數據衣為主體的身體方位姿態跟蹤設備[12]。以及味覺、嗅覺、觸覺與力覺反饋系統等功能單元構成。
三 未來課堂教學應用虛擬現實技術的研究方向
未來的新型多媒體教學將是以多媒體技術、計算機技術、網絡通信技術、自動控制技術、傳感技術、光技術、人工智能和虛擬現實技術等的有機結合,能夠全面整合網絡各種“資源”而形成先進的網絡多媒體教學平臺。在這種教學平臺上,多媒體教室不再是孤立的,它已融入到校園網教學系統中,并以校園網資源為“背景”構建出一個富有時代特色的現代化教學環境:即集教學、管理、娛樂為一體的“數字化校園”[13]。多媒體課室是現代教學環境建設的重要組成部分,是教育技術信息傳遞的展示平臺,是教師了解、聯系、應用教育技術的橋梁。因此,虛擬現實技術建構的仿真場景對教育的發展起到多么重要的作用。
設想,未來的三維虛擬場景將更接近現實,先進的傳感設備,采集現場場景內所有物質,將采集到的信息,利用現代分析技術,特別是儀器分析方法,測定分子的鏈和聚集態結構實時進行物質“分子結構[14]”分析,比如人的外觀形態、表層分子結構、味道分子結構、溫度大小、色彩聲音觸覺等。并將所得分析結果編組成信息傳輸,還可實時同步遠程分子結構重組,重現虛擬仿真場景,與現場無異。編組后的信息壓縮存儲于智能資源庫,用戶只要登陸虛擬平臺,即可將編組信息異步分子結構重組重現虛擬仿真場景。不但場景與現場無異,所有物體和人物都與真的相似,有觸覺、味道、溫度、聲音、感情等。信息顯示終端可能會配置物體、味道、溫度等所需的分子編組箱,編組信息按菜單提取并按分子結構重組。應用原理如圖6所示范。
圖6未來的三維虛擬現實應用結構圖
未來的虛擬校園為的是要提供學生與講師們另一個溝通的平臺,給學生提供一個能夠共同學習、互動、分享以及引導創意的空間。學生們在日益普及的虛擬世界里也能感受得到身為學生的歸屬感,提倡學生們在現實與虛擬校園中的社交活動。也吸引來自世界各地的訪客通過虛擬世界來了解大學,并與在線的學生與講師們溝通。用戶可以自由塑造自己的虛擬人物,甚至把虛擬人物打扮成和現實的自己相似的造型。在虛擬教室上課的情況和現實的課堂情況相似,每個學生需找個位子坐下,而講師在課室的中央或在學生中間授課。虛擬課堂上可以展示幻燈片,播放影像、音樂,還可以通過虛擬的麥克風同時與多名學生即時交談,與現實無異。
當然,教學不是盲目地追求科技的步伐,但科技確實能夠有效地輔助教學。虛擬和現實的教學平臺,各有不同的教學效果。能夠巧妙地融合兩種平臺,來傳授教學重點,才能有效地引發學生學習的興趣,達到教學的目的。
四 結束語
信息時代的到來,社會節奏的加快,知識呈現出高速增長和快速更新之勢。隨著科學技術的發展,還會有更多的新技術應用在教育技術中,光技術就是其中重要的一項,21世紀將是光技術應用發展的時代。我們相信,隨著三維虛擬仿真技術的快速發展和軟硬件技術的不斷進步,在不遠的將來,真正意義上的虛擬現實技術將為人類娛樂、教育和經濟發展做出新的更大的貢獻。
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參考文獻
[1]林京彤,虛擬現實技術漫談[EB/OL].
[2]虛擬現實技術走進高校[EB/OL].
[3]3D全息投影技術[EB/OL].
[4]虛擬現實[EB/OL].
[5]光的干涉[EB/OL].
[6]光的衍射[EB/OL].
[7]全息技術[EB/OL].
[8]宇宙只是幻象,世界是意識的全息投影[EB/OL]
[9]世界是一張全息圖[EB/OL].
[10]全息攝影[EB/OL].
[11]激光全息投影[EB/OL].
[12]虛擬現實開發平臺[EB/OL].
[13]李學哲.多媒體教學的發展方向[J].現代教育技術,
2006,(2):54-55.
光學技術的應用范文3
關鍵詞：CCD技術 光學實驗 教學數字化
中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）07-0088-01
CCD是一種電荷耦合元件，亦稱為CCD圖像傳感器，可將光學影像轉化為數字信號，在將影像轉換為數字信號后輸入到計算機中，可進行數字處理，得到實驗所需的數據。在獲取圖像像素數據時，一般采用先選取圖像一端Y方向上各點的point值，再將Y軸向另一端推移，可得到圖像所有像素的point值，進而進行處理。以下將列舉幾種光學實驗的例子，進一步闡述其應用方法。
1 光學實驗舉例
1.1 光的衍射實驗（以圓孔衍射為例）
在普通物理實驗中，用CCD視頻裝置代替刻度板和光屏，在排除雜光干擾的情況下，調整好CCD的位置，可以在計算機視頻中可到圓孔衍射的圖像。在圓孔的夫瑯合費衍射中，假設圓孔半徑為0.1mm，透鏡L2與CCD視頻裝置的合焦距f=50cm，所用單色光波長為589.3nm，則可得衍射圖樣中艾里斑的半徑大小為1.5cm左右，遠遠大于CCD攝像裝置的分辨距離。通過調節CCD的焦距可使圖案達到最清晰。
處理圖案像素時，可得到圖案中的每一個像素point值。具體處理方法為：For x = 1 To Picture1.ScaleWidth
For y = 1 To Picture1.ScaleHeight
c = c & strRGB（Picture1.Point（x - 1， y - 1））
如果直接用point值進行作圖，可能會因為point值過大造成圖像出錯，此時可將point值進一步進行處理，轉化為圖像RGB值。
Dim r As Integer， g As Integer， b As Integer
r = （color And &HFF） Mod 256
g = （（color And &HFF00） ＼ &H100） Mod 256
b = （（color And &HFF0000） ＼ &H10000） Mod 256
strRGB = "RGB（" & b & "，" & g & "，" & r & "）"
得到圖像各點的RGB之后，重新計算各點的光強度值，記作Y，此時Y的值在較小數值范圍內，容易作圖與控制
Y=0.212671*R+0.715160*G+0.072169*B
在圖像中做橫縱坐標，其中橫坐標為衍射圖像中經過艾里斑圓心的水平軸的坐標，縱坐標是此坐標上各點的Y值。
可得到類似圖1的結果：
兩圖為改變孔徑大小所得到的結果不同。
在具體的計算時，需要將真實的艾里斑大小進行定標?？梢酝ㄟ^下述方法解決，在原有光路上用2mm狹縫代替圓孔，保持CCD位置不變，此時可得到2mm狹縫像所對應的像素X，根據透鏡成像原理，狹縫像的寬度L=狹縫的物距/狹縫的像距。則CCD圖像上2mm所對應的長度為X/L.利用此原理定標可得圖像中所有距離的實際長度。
1.2 光的干涉實驗（以牛頓環為例）
在光的干涉中，牛頓環實驗是典型實驗，在現有的實驗過程中，一般用讀數顯微鏡進行數據記錄，人眼讀數過程中將產生較大誤差，且十分繁瑣。將CCD安裝在原來的讀數顯微鏡上，并將圖像傳入進計算機處理，將提高效率和準確率。
牛頓環干涉實驗基本光路圖如圖2所示。
可用1.1中結尾處定標的方法對固定位置的CCD圖像進行定標。得到圖像后通過自編軟件確定各級干涉亮環的半徑大小，通過公式進行計算可得牛頓環半徑。通過此方法可大大提高計算速率與準確度。
1.3 莫爾條紋與光譜
莫爾條紋：同上述實驗，在光源后加兩片相交的光柵或絲網，在光柵或者絲網后添加一CCD裝置，通過自編軟件可得相對運動時的物理量等內容。光譜：將少量光線通過狹縫后經過棱鏡或者光柵分光，可得到該光線的光譜，在一定角度設置一CCD裝置，固定好所有器件的角度，進行不透光密封處理，再連接如計算機進行定標作圖等處理，就可得小型簡易光譜儀。
2 總結
2.1 CCD光學教學的整合
可以通過以下兩種途徑使CCD光學教學系統更加完備：1、通過位置固定和標準大小配置，使CCD裝置在各個子實驗中裝拆方便。2、通過在計算機中建立同一界面，使數據處理部分集中，便于教學。
2.2 CCD光學教學應用前景
通過CCD技術，配以必要的軟件工具，可以完成教學中難以展示或者耗時較久的光學測試實驗。在某種程度上將復雜、抽象的光學知識變得形象直觀。例如，在無法大量開設實驗課的情況下，通過CCD光學教學演示可使學生在短時間內都能直接觀察到真實的實驗結果。再如，在更需要了解原理和計算過程的光學實驗中，能大量建設繁瑣的觀察、調試、數據記錄過程，方便進入數據處理階段。在光學教學中，此技術有一定的應用前景，是一個值得探討、研究的方向。
參考文獻
光學技術的應用范文4
[關鍵詞]紅外光譜技術；環境科學；應用與展望
中圖分類號：065 文獻標識碼：A 文章編號：1006-0278（2013）05-146-01
現代近紅外光譜分析技術是近些年發展起來的高新科技，它的出現掀起了一場技術革命。它是近二十年來發展的最引人矚目的光譜分析技術，已經被應用到了各個領域，創造出了很多的社會財富與價值。就環境科學來說，紅外光譜技術是目前最重要的分析手段和方法，它對環境的污染程度檢測、污染物的分析、突發性污染的控制都有作用。
一、紅外光譜技術的特點
（一）不需要將樣品做處理
近紅外區內的光散色效應很大，而且穿透深度十分大，這就使近紅外光譜技術能夠利用漫反射直接測定樣品，不需要將樣品做預處理。
（二）可以多個組同時進行測定
紅外光譜技術可以多個組同時進行測定，通過一次的全光譜掃描，可獲得樣品中所有化學成分的光譜信息，再通過相應的數學模型進行計算，就可得到樣品中各種化學成分的含量。
（三）不具有破壞性
沒有破壞性是紅外光譜技術最具有意義的革新，它的分析過程只是對樣品進行光譜信號的獲取，不需要進行其它測試，因此不會破壞或消耗樣品，對樣品的外表及內在結構都不會產生任何影響。
（四）分析的速度快
紅外光譜技術掃描十分迅速，在很短的時間之內就可獲取整個樣品的完整光譜圖，平均的掃描時間是1s到60s。將采集到的光譜迅速地輸到之前建好的數學模型中，就完成對樣品的測定。
（五）可以遠距離進行測試
紅外光譜技術可遠距離采集樣品光譜，并可進行實時的分析，對在線分析特別的適用。利用光導纖維技術進行遠距離的主機取樣，并將光譜信號及時地傳送到主機，就可直接算出樣品的成分含量，確定樣品的性質。
（六）測定的重現性好
紅外光譜技術有非常好的重現性，測試的結果受人為干擾程度小，和常見的化學方法比較，紅外光譜分析技術可顯示出更好的精確性和重現性。
（七）不適合分散樣品分析和痕量分析
在建立紅外光譜技術之前，一定要投入相當多的財力、物力和人力才能得到比較精準的校正模型，這種方法比較適合經常性的質量控制，又經濟又快速，但是對不時常進行分析或是散性樣品的分析就不是很適用了，會浪費資源。
二、紅外光譜技術在國外的應用和發展
紅外光譜技術在國外應用的較早，早在二十世紀初Coblentz就已經發表了百余種有機化合物的紅外光譜圖。五十年代，紅外光譜圖已經積累了很豐富的紅外光譜數據。七十年代由于計算機的蓬勃發展，使得傅里葉變換紅外光譜走進了國外現代化學家的實驗室，成為了結構分析的有效手段。近幾十年，一些新的技術不斷革新、涌現，使得紅外光譜技術在國外得到了更加飛速的發展。
三、紅外光譜技術在環境科學中的應用
紅外光譜技術在環境科學中的應用已經很廣泛了，它對固體、液體、氣體都有很好的監測分析功能。例如：在生產牛奶時，由于要達到出產產品致化的目標，需要保持原料成分的含量一致，還要保持發酵過程的統一。但是，在現實的加工過程中，由于其必須連續進行，不能停止生產來滿足檢測的指標，這時就可以運用紅外光譜技術進行完成。它具有適合在線檢測的特點，與光纖技術結合來實現生產過程的實時控制。這種方式對比常規的理化分析，顯現出快速、準確的優勢。另外，利用紅外光譜和色譜技術相結合的方式，可將很多種氣體中污染物成分的光譜信息進行定性測量，對環境污染的檢測和控制都有很重要的意義。
四、對紅外光譜技術應用的未來展望
紅外光譜技術有很多優點，比如操作方便、檢測速度快、可以同時對多種成分進行分析、無損壞性、無污染性等。隨著時代的不斷發展、信息技術的不斷革新，紅外光譜技術中存在的一些問題和弊端將被逐一解決，其精準度會越來越高、靈敏性也會滿足各個領域的需求。未來，紅外光譜技術在環境科學中的應用會越來越廣泛，并對環境生態的修復起到關鍵性的作用。利用其分析技術有耐受性植物對物質中有機污染物和重金屬的累積作用，從而揭示其污染物介質吸附的過程、提高植物的積累率、探討其作用機理等提供一條新的思路，評估污染物介質對環境的危害和人體健康的威脅提供科學依據，為環境保護、環境生態修復拓展新的空間，是個非常有前途的領域。
五、總結
文章總結了紅外光譜技術的特點、在應用中存在的問題，并對其未來的完善以及在環境科學領域中的發展做了展望。由上我們可得出紅外光譜技術及其聯用技術是科技發展的產物，加以完善和利用，會給人類帶來更多的利益，是科技造福人類的有力證明。
參考文獻：
[1]任瑞娟，柴春祥，魯曉翔.近紅外光譜技術在水產品檢測中的應用展望[J].食品工業科技，2013（02）.
光學技術的應用范文5
關鍵詞：光纖通信；實驗教學；仿真技術
作者簡介：陳琳（1978-），女，江蘇常州人，上海電力學院電子與信息工程學院，副教授；朱武（1969-），男，湖北隨州人，上海電力學院電子與信息工程學院，教授。（上海 200090）
基金項目：本文系上海市教委重點課程資助項目（項目編號：滬教委高（2011）48號）的研究成果。
中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0147-02
光纖通信是以光波為載波，以光導纖維作為傳輸媒質的一種信息傳輸方式。該技術因具有傳輸容量大、中繼距離長等優良傳輸特性，被廣泛應用于電力傳輸網、通信網和接入網等領域。
“光纖通信”作為通信工程、光電信息工程、電子信息工程專業的核心課程，主要講述了光纖通信的基本概念、傳輸理論、系統組成、新技術等內容。[1]該課程具有涉及內容廣、基礎理論深、知識更新快等特點。為了進一步提高“光纖通信”課程的教學質量，開設了光纖通信實驗課和光纖通信系統課程設計，加強了學生對理論知識的理解，培養了實際動手能力和創新能力。
傳統的實驗教學一般都是安排學生在硬件實驗箱上實現。此類實驗基本為驗證性實驗，只需根據實驗指導書進行簡單操作，無法調動學生的實驗興趣，也限制了對學生創新能力的培養。此外，光通信器件成本較高，需要及時維護，且隨著科技的進步，新的理論和技術迅速產生與發展，需要投入充足的設備經費，不斷更新實驗設備。[2]因此，實踐教學部分除了利用光纖通信實驗箱開設固定的驗證性實驗外，還可利用仿真軟件MATLAB和OPTISYSTEM構建光纖通信系統模型，以提高學生的實驗效率，有效地節省實驗教學成本。[3-6]
一、MATLAB仿真軟件的應用
由于“光纖通信”課程概念繁多，物理規律較為抽象，特別是其中的一些光學現象和規律缺乏細致的數學推導，為學生學習該課程帶來了諸多困難。因此，在“光纖通信”課程教學中可以適當地使用MATLAB仿真軟件所提供的可視化界面，使學生獲得對光學物理現象的感性認識，縮小理論與實際的差距，提高學習效率和效果。
MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效數值計算和可視化軟件。它集數值分析、矩陣計算、信號處理和圖形顯示于一體，具有編程方式自由、簡單易學等特點，已廣泛應用于工程計算和系統仿真等開發環境。利用MATLAB軟件不但可以擺脫繁雜的大規模計算，而且還可以使學生自己動手進行編程，加深對光纖通信基本理論的理解。在編程過程中，可以通過改變仿真參數來直觀地對實驗結果進行計算和分析，大大節省了時間，提高了實驗效率。
在光纖傳輸原理章節中，對于波動理論，一般是通過求解麥克斯韋方程組來導出波動方程，分析電磁場的分布性質，最后獲得光纖的傳輸特性。公式推導過程繁雜，涉及的電磁場與數學知識較多，學生理解困難。因此，在課堂教學中除了引入多媒體的輔助教學手段外，還可以借助MATLAB仿真軟件，幫助學生理解多模和單模光纖的模場分布。
多模光纖中，存在更多的高階模式。根據LP模的特征方程，得到階躍型折射率光纖的模場分布。如第一個高次模LP11模的二維、三維模場分布如圖1（c）、（f）所示。從圖1可以看出，當歸一化頻率V=5時，LP11模有兩個對稱的主瓣，不存在旁瓣現象。
在“光纖通信”課程教學中，引入MATLAB仿真，能夠進一步加深對抽象概念的理解。通過仿真，學生弄清了數學公式和物理概念之間的內在聯系，使理論教學中枯燥的概念可視化，極大地調動了學習主動性和趣味性，有效地提高了教學質量。同時，在編程過程中，學生通過查詢文獻資料和相互討論，較好地培養了團隊合作精神，提高了創新能力。
二、OPTISYSTEM仿真軟件的應用
系統實驗有助于培養學生對理論知識的綜合運用。針對實驗箱可供開設的綜合性、系統性實驗項目較少的情況，可以利用OPTISYSTEM仿真軟件對光學器件和通信系統進行建模。通過仿真軟件對實際操作過程進行模擬，以獲得數據加以分析。
OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司開發的一套光通信系統模擬軟件。它可以幫助用戶規劃、測試和模擬傳輸層的各種類型的光通信網絡，包括局域網、城域網和廣域網；同時提供了從組件、器件到系統各個層面的光通信系統設計和規劃，如TDM/WDM、SDH、光孤子通信等，并利用優化功能仿真計算系統的各項性能參數，通過數據分析和圖形顯示來獲得最佳系統性能。
在OPTISYSTEM系統仿真實驗中，學生可以通過調整參數，對一個光學元器件甚至整個通信系統進行優化設計，直觀地模擬整個光纖通信系統的傳輸過程。利用仿真軟件進行系統性能分析，有利于引導學生對復雜系統進行探索，提高學生對系統性能的全面認識。
例如，波分復用（WDM）系統是現行光纖通信系統的主要架構形式，利用波分復用技術可以實現大容量、長距離的網絡傳輸。但是由于傳統實驗箱的限制，WDM系統難以通過硬件平臺來構建。因此，可以通過OPTISYSTEM軟件來搭建WDM系統，并進行系統性能分析。
WDM系統實驗在OPTISYSTEM仿真平臺上完成。要求學生使用光傳輸系統仿真軟件，搭建8信道的WDM系統，如圖2（a）所示。該系統由波分復用器（WDM）、摻鉺光纖放大器（EDFA）、光纖鏈路、解復用器（WDM Demux）和光接收機等光學器件組成。學生自行設計和搭建系統，配置波分復用、解復用、調制器等參數，并利用虛擬光譜分析儀來觀察8通道波分復用系統的頻譜、誤碼率等特性，如圖2（b）、（c）所示。學生通過調整各模塊的參數、搭建系統模型和分析仿真結果，鞏固了EDFA、波分復用/解復用等方面的理論知識，也為今后對實際WDM系統規劃打下了堅實的基礎。
又如，用OPTISYSTEM軟件設計搭建單模光纖通信系統，如圖3（a）所示。傳輸速率是40Gbit/s，傳輸距離是60km。信源使用的是偽隨機碼發生器，它將數據流發送到非歸零（NRZ）碼電脈沖發生器。經NRZ調制的電信號具有緊湊的頻譜特性，經過馬赫曾德爾調制器（MZM）后轉換成光信號送往光纖信道。為了減小光纖傳輸損耗和色散的影響，在光纖鏈路上添加了摻鉺光纖放大器。接收端經過光纖信道傳輸過來的光信號接入PIN光電檢測器，轉化為電信號后送入低通貝塞爾濾波器。
為了觀測光信號的波形，在光纖通信系統中設置了觀察儀器：光譜儀、光時域信號觀察儀及誤碼率分析儀。對系統中的器件參數設置后進行系統仿真，得到調制后的光信號時域波形和頻譜，如圖3（b）、（c）所示。
這些光器件都可以在OPTISYSTEM軟件的器件庫中選取，并根據需要對每個器件設定參數來獲得較好的系統性能。因此，通過用OPTISYSTEM軟件設計分析，可以了解光通信系統各個器件節點處的波形和頻譜特點，簡單直觀、形象生動。教師可以根據教學大綱設置相應的實驗項目，讓學生課后學習OPTISYSTEM軟件，并引導學生根據實驗內容建立相應的系統模型進行仿真實驗分析。
三、結束語
運用MATLAB/OPTISYSTEM仿真軟件進行實驗教學，很好地彌補了缺少硬件實驗器件所帶來的不足，豐富了實驗教學內容；同時節省了實驗課堂教學時間，加深了學生對系統理論知識的理解和應用。通過對“光纖通信”實驗教學手段和內容的改革，學生對實驗的積極性和創造性得到了普遍提高，實驗教學效果和質量也得到了明顯提升。
參考文獻：
[1]劉增基.光纖通信[M].第2版.西安：西安電子科技大學出版社，2008.
[2]王文珍.光纖通信實踐教學探索[J].中國電力教育，2013，（1）：134.
[3]周雪芳，王天樞.仿真軟件在《光纖通信》實驗教學中的應用研究[J].實驗科學與技術，2011，9（5）：53-56.
[4]汪徐德，李素文，竇德召，等.軟件仿真在《光纖通信》課程中的應用[J].淮北師范大學學報（自然科學版），2012，33（4）：91-94.
光學技術的應用范文6
【關鍵詞】時間分辨熒光免疫技術;免疫酶技術;乙型肝炎血清標志物
時間分辨熒光免疫分析( time-resolved fluores cence immunoassay，TRFIA)是用鑭系元素Eu3+ (銪)螯合物作為示蹤物標記抗原或抗體,在免疫反應完成后加入特殊的增強液,將Eu3+從標記抗原或抗體上解離下來并與增強液中的組分形成新的具有強烈熒光的螯合物,用特定的儀器測定熒光強度,從而判斷反應體系中被測物濃度 TRFIA 具有靈敏度高,特異性強,操作簡便,示蹤物穩定,可進行定量分析,無環境污染等優點。乙肝病毒感染是常見感染性疾病之一,臨床常用酶免技術檢測乙肝病毒血清學標志物,診斷HBV 感染,由于鉤狀效應和敏感性的原因，常造成HBV 感染的漏診。本文對TRFIA 定量檢測乙肝病毒五個血清標志物進行臨床評價為實驗室方法學選擇提供參考,現介紹如下。
1 材料和方法
1．1 標本 355份HBV感染者血清來自本院門診及住院患者。
1．2 試劑 定量檢測HBsAg、HBsAb、HBeAg、HBeAb 和HBcAb試劑盒:上海新波生物技術有限公司產品，批號20030526。EIA 試劑盒:北京金豪生物技術有限公司產品,批號20070512。乙肝病毒血清標志物定值質控樣品:衛生部臨床檢驗中心,批號0703。
1．3 儀器 時間分辨熒光免疫分析儀:Anytest2000。酶標儀:EL2800。
1．4 方法 TRFIA/EIA 試劑盒定量/定性檢測乙肝病毒血清標志物,均嚴格按各自說明書要求進行質控樣品和臨床標本檢測。
1．5 結果判斷 TRF IA 法:HBsAg≥0．5 ng/ml，HBsAb ≥10 m IU/ml，HBeAg ≥0．03 Ncu/ml，HBeAb≥1．5 Ncu/ml，HBcAb≥1．0 NCU/ml為陽性。
2 結果
2．1 TRFIA 敏感性 對HBsAg 0．2 ng/ml、HBsAb 10 mIU/ml、HBeAg 0．5 Ncu/ml、HBeAb 2 Ncu/ml 和HBcAb 0．2 Ncu/ml 質控樣品TRFIA 均可檢出。TRFIA 敏感性見表1。
2．2 TRFIA檢測HBsAg范圍 HBsAg質控樣品0．2、2、5 ng/ml和高值(>10 000 ng/ml) TRFIA 均可檢出。
2．3 TRFIA檢測HBsAg的重復性 用TRFIA對1 ng/ml和HBsAg定值質控血清重復20次測定,CV值為4．35%。
2．4 TRFIA法和EIA法測定355份 臨床血清標本結果見表2。
3 討論
3．1 EIA是目前臨床檢測HBV血清標志物普遍采用的方法,由于各試劑生產廠家所采用的包被基因片段的差異、操作步驟的有所不同(一步法、二步法)及操作時差、污染等因素的影響,致使檢測結果有所出入[1],傳統方法(EIA)對乙肝兩對半血清標志物測定是定性法,只能判斷其陰陽性,無法得知其真正的濃度,對臨床診斷和治療帶來許多不便。而HBV血清標志物定量檢測能較為準確地反映其血清中的含量,可以間接反映體內HBV 復制活躍程度,對臨床藥物療效評價具有重要意義[2]。
3．2 TRFIA法檢測乙肝病毒五項血清學標志物的靈敏度均高于EIA 法,并具有較好的重復性,可檢出>10 000 ng/ml的HBsAg，提示對弱陽性和高濃度HBsAg 標本，TRFIA 檢出率高于EIA。
3．3 檢測結果顯示,兩種方法HBeAg 結果一致率較好,其余4個指標TRFIA 檢測的陽性率均大于EIA，TRFIA 檢測較EIA 檢測更敏感,可減少低濃度的HBsAg、HBeAg 感染患者的漏診[3]。
3．4 TRFIA 對HBsAg>10 000 ng/ml 可檢出,對296 份臨床血清檢測時,2 份HBsAg 高值血清,在1∶100 稀釋后EIA 才出現陽性,而TRFIA 檢測原血清即為陽性。結果表明,與EIA 比較,TRFIA 不易出現高劑量HBsAg 的假陰性。
參 考 文 獻
［1］ 魏來,陶其敏.努力規范肝臟疾病的免疫學診斷.中華檢驗醫學雜志，2003，26(2) :69-71.
