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光学技术的应用范文1
关键词 荧光显微术 课程 教学 思考
中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/ki.kjdks.2017.05.074
“荧光显微术原理及应用”是一门非常重视实践性的技术基础课。“荧光显微术原理及应用”是基于北京农学院现有研究生课程的基础上拟向农业生产类、生物专业、动物专业以及园林专业的一年级硕士研究生开设的公共选修课，希望通过该课程的开设，为研究生开展学术研究奠定一定的实验技术基础。该课程对于研究生掌握科学研究中的细胞生物学观察方法，培养学生独立进行科学研究的素养和能力具有重要作用。作为新开研究生课程，基于北京农学院的实际情况对“荧光显微术原理及应用”的教学与实验进行了如下设置及思考。
1“荧光显微术原理及应用”课程开设的必要性
1.1研究手段和技术的发展的需要
物质吸收电磁辐射后进入激发态，而受到激发的原子或分子在去激发过程中再发射波长比激发光波长更长的光，这种再发射的光称为荧光。生物体内有些物质有自发荧光，如叶绿素或细胞壁的某些成分，受紫外线照射后发出荧光；生物体内大部分物质本身不能发出荧光，但如果用特异性的荧光染料标记后，经紫外线或其他波长的光照射后也可以发出荧光，这种荧光可以被荧光显微镜捕获，并进行定量分析。因此，荧光显微术就是基于荧光对这类物质进行研究的技术。荧光显微镜依据观察物体大小及原理又可以分为多种。常用的有体式荧光显微镜、荧光显微镜和激光共聚焦扫描显微镜等等。
体视荧光显微镜能对微小样品进行快速、清晰的显微观察，并实现完全无漂移的三维立体成像，配有较长的工作距离，不仅能够获得较大的景深和光学细节，还能保证样品的真实色彩；对样品能进行实体测量；具有良好的操控系统，可提供优良的重复性从而使实验过程简化。但是体式荧光显微镜有缺陷性。其放大倍率较低，适合于研究对象的整体观察和活体观察以及一些较大的器官和组织的观察，不适合观察小组织或细胞。
与体式荧光显微镜相比，荧光显微镜放大倍数较高，工作距离较短。可以观察更多的细节。能在组织、细胞和亚细胞的水平上研究细胞内物质的定位、营养成分的吸收、运输，以及化学物质的分布及定位等。可以进行活体或固定材料的观察。
激光扫描共聚焦显微镜是上个世纪80年展起来的一种非常精密的仪器设备。它以光学为基础，将机械、电子、计算机等融为一体。与体式荧光显微镜和荧光显微镜不同，激光共聚焦以激光为光源，可以把标本分成多个光学断层，逐层进行扫描并成像，因此是一种新显微层面的研究手段。此外，由于激光共聚焦显微镜对细胞和组织连续光学切片无损伤，而且能够对活体细胞进行实时的动态观察，使它在生物科学的研究中占有独特的地位。目前，人们已广泛应用该技术来观察和分析细胞内的微细结构和分子在细胞内的分布，例如细胞内游离钙、活性氧、转录因子、表面分子、细胞凋亡、细胞膜流动性、胞内分子的运动、细胞间的缝隙连接、蛋白问的相互作用等方面。
传统的荧光显微镜配备的是胶卷相机，胶卷的冲洗非常复杂、耗时耗力。随着科学技术的发展，数字成像系统也应用到荧光显微术上。其中电荷耦合元件（Charge-coupled Device，CCD）就是与荧光显微镜密切相关的数码摄像产品。它能够将荧光显微镜拍摄的显微摄影产品通过USB接口传输到电脑中，便于图像的采集研究。随着技术的进一步发展，分辨率也越来越高，因此通过CCD，可以拍摄到分辨率更高的图片。
1.2课程设置的需要
根据本校研究生现有课程以及科研工作的需要，特开设“荧光显微术原理及应用”。现有的课程“植物显微技术”注重石蜡切片，尤其是实验环节甚少涉及显微镜；而现有的“电子显微镜”课程主要讲述超薄切片和透射电镜以及扫描电镜的原理及使用。因而“荧光显微术原理及应用”课程的开设，填补了两者之间的空档，能够更好地为广大教师和研究生的科学研究工作服务。
1.3科学研究的需要
随着学校教师科研项目的增多、科学研究的深入，越来越需要使用相应的技术手段，例如研究特定基因功能，需要进行转基因验证，一般加入GFP，YFP等报告基因，此r需在激光扫描共聚焦显微镜下进行观察将基因表达的蛋白进行定位并分析。
1.4现有实验平台的支持
北京农学院农业应用新技术北京市重点实验室下设三个研究平台，其中显微平台具备体式荧光显微镜、倒置荧光显微镜、正置荧光显微镜和Leiea的激光扫描共聚焦扫描显微镜等大型仪器设备，为本课程的顺利开设提供了物质基础。
1.5教辅人员的配备
开设本课程的教师具有多年教学经验以及多年管理体式荧光显微镜、正置荧光显微镜、倒置荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜等设备的经验，为本课程的顺利开设奠定了理论和实践基础。
2安排合理的教学和实验内容
2.1理论与实践相结合的教学理念
荧光显微术具有非常强的技术性和应用性，但理论知识的学习也是必不可少的。掌握了理论知识，能够促进实践应用。利用荧光进行显微观察的显微镜有许多种，根据本校的设备基础结合教师们的研究需求，重点选择体式荧光显微镜、荧光显微镜和激光扫描共聚焦显微镜等内容。首先，要进行相关的理论讲解，使研究生们掌握理论基础，在此基础上设计一些独立、完整的小实验，使学生能够掌握相应仪器的使用方法。例如利用体式荧光显微镜进行转基因材料的鉴定。体式荧光显微镜具有较大的景深，能够非常方便地观察转绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白的转基因材料，如草莓、番茄、板栗、海棠、百合、玉米等。大大简化了原来在显微镜下观察的繁琐的前处理过程。
2.2选择合适的教学内容
根据研究生的研究需求结合学术发展的进展，选择合适的教学内容。理论课程内容主要分为五个部分。第一部分显微镜的发展简史。包括显微镜的发展，荧光的发现、发展、选择及使用、荧光蛋白的发现、发展和使用等等。第二部分为体式荧光显微镜，包括其理论及应用。第三部分为荧光显微镜，包括理论及应用。第四部分为激光扫描共聚焦显微镜的理论和应用。第五部分：其他荧光显微技术，如更为先进的双光子荧光显微镜、转盘激光扫描共聚焦显微镜等内容。
2.3设置合理的实验内容
教学中想尽办法引导学生把理论知识和其自身的科学研究有机结合，提高学生的兴趣和对知识的掌握能力。基于本校农业应用新技术北京市重点实验室显微平台的仪器设备配置情况，结合研究生研究课题的需求，设置相应的较为系统性的小实验。
体式荧光显微镜因其景深较大，可以观察较大的实验材料。例如可以观察本校不同研究团队的转基因材料以及较大的组织块等。前期已经成功观察到了根的转基因荧光。
荧光显微镜观察花粉管内囊泡运输。首先需要选择合适的花粉。不同物种的花粉其萌发时间及生长速度差异巨大，要选择生长速度合适的花粉。首先要培养花粉管，其次用荧光染料FM 4-64标记囊泡，在此过程中需要学生分组合作，配置所需试剂，随后在显微镜下观察花粉萌发及花粉管生长情况。接着选择合适的花粉管，用荧光染料FM 4-64标记囊泡，随后在荧光显微镜下观察囊泡运输情况并采集图像，利用软件对荧光进行定量分析，得出相应结论，撰写实验报告。
利用激光共聚焦显微镜采集花粉管内游离钙离子信号。植物细胞因具细胞壁，钙离子标记较楦丛樱时间较长，能够锻炼研究生的动手能力。花粉管培养完毕后用Fluo 4 AM标记钙离子，用xyt的模式观察钙离子的动态变化，利用软件进行荧光定量分析，得出相应结论，撰写实验报告。
3考核方式的探索
根据本门课程注重实验的特点，以及出于对学生基本实验技能、创新意识、创造性思维、科学思想、科学态度等进行全面评价，总成绩评定由三部分组成：（1）上课及参加实验的考勤（占30%）；（2）自己制作并进行显微观察的图片质量（占40%）；（3）实验报告写作及其对实验中出现问题的分析情况（占30%）。课程论文内附有学生自己拍摄的自己制作的切片的显微照片，以及对照片出现的问题分析。
光学技术的应用范文2
【关键词】教育技术;三维成像;光技术;虚拟现实
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097(2009)12―0102―04
一 虚拟现实研究现状
虚拟现实技术是许多相关学科领域交叉、集成的产物。它的研究内容涉及到人工智能、计算机科学、电子学、传感器、计算机图形学、智能控制、超声波、心理学等。我们必须清醒地认识到,虽然这个领域的技术潜力是巨大的,应用前景也是很广阔的,但仍存在着许多尚未解决的理论问题和尚未克服的技术障碍。
就像电影《黑客帝国》里描述的那样,未来的我们竟可以生活在一个由电脑控制的虚拟世界里。在这个世界里,我们同样拥有各种感觉,同样拥有亲戚朋友,同样拥有工作,同样拥有现实世界的一切“真实”。只是,这一切都是虚拟的[1]。虚拟现实如果应用于教育有可能是教育技术仿真的一个飞跃。虚拟现实营造了“自主学习”的环境,由传统的“以教促学”的学习方式代之以由学习者通过自身与信息和环境的相互作用来得到知识、技能的新型学习方式,能做到在教学活动中“学生为主体、教师为主导”。将其引入课堂,展现那些在传统的教学模式中无法实现的教学过程、虚拟各种实验设备和实训环境,甚至用于远程教育,从而生动地表现教学内容。因此,虚拟现实技术进入高校教学的研究,势必将会对探索发展现代教育思想、提高教学质量水平、改善实验培训环境、优化教学过程、加速培养现代化的专业技术人才产生深远的影响[2]。
如何显示虚拟场景呢?现在应用的虚拟现实广角(宽视野)的立体显示,主要采用多通道平面或环幕立体投影展示系统,需配戴跟踪头部运动的虚拟现实头套,另外一些设备还需要数据手套和数据衣。这些系统使用复杂,局限性强,仿真效果差,价格昂贵推广不易。本文虚拟仿真显示的设计构思是采用光技术,利用光投影机投射而成的3D全息展示系统,人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中,并操作、控制环境,实现特殊的目的,即人是这种环境的主宰。能将课堂教学情景、课件内容立体真三维可视化,再配合声音、资源库、智能系统等双向互动,完全模拟真实情景,与现场无异,它具备更大的显示尺寸、更宽的视野、更多的显示内容、更高的显示分辨率,以及更具冲击力和沉浸感的视觉效果。
美国麻省一位叫Chad Dyne的29岁理工研究生发明了一种空气投影和交互技术,这是显示技术上的一个里程碑,它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。此技术来源海市蜃楼的原理,将图像投射在水蒸气上,由于分子震动不均衡,可以形成层次和立体感很强的图像。另据报道,日本公司Science and Technology发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像,这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时,混合成的气体变成灼热的浆状物质,并在空气中形成一个短暂的3D图像。还有,南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员目前宣布他们成功研制一种360度全息显示屏,这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像,只不过好像有点危险。可以说这些技术很多国家都在研制,毫不夸张的说这项技术它包含了未来,谁最先使用这项技术,谁就最先走入未来的先进技术行列。[3]
二 光技术及其应用效果
1 三维成像如何显示
人看周围的世界时,由于两只眼睛的位置不同,得到的图像略有不同,这些图像在脑子里融合起来,就形成了一个关于周围世界的整体景象,这个景象中包括了距离远近的信息。当然,距离信息也可以通过其他方法获得,例如眼睛焦距的远近、物体大小的比较等[4]。
根据人眼立体视觉的特性,实现立体电视的方式也对应为两大类:一类是利用两眼的视差特性,使一对视差信号的两幅图像同时出现在屏幕上,让两眼分别观看这两幅图像来获得立体感觉;第二类是利用一只眼睛也能获得立体感的特性,将一对视差信号的两幅图像先后轮流地出现在屏幕上,从而获得立体感觉。
第三种就是真三维成像,本文拟推荐应用光技术全息三维成像,使用普通光束即可(不需银幕真三维)。这个系统可以用来拍摄诸如篮球比赛的三维影片。如果你的家中有三维播放机,你就可以在虚拟现实状态下观看篮球比赛,观看者会感觉自己仿佛就在场内一样(见图1)。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展。同理,课堂教学也能够获得同样的视觉和听觉效果。
图1 三维播放机
2 如何实现光电三维成像
使用课堂多媒体光电三维成像设备,主教室和各分教室双方的三维立体全息图像便瞬间出现在对方面前,让两个不同空间的人同时出现在一个空间,就好像一个真人站在你面前一样(见图2),然后你便可以和他随意交谈,使用各种表情,那是一种呈现在空气中的光学立体影像,不需要任何屏幕之类的媒质,不像今天的网络卫星远程教学、可视电话还需要一个屏幕才能显像。光虚拟现实技术可很好地应用到虚拟学习环境的建立。它可以虚拟地建立起与真实环境相近的学习场景,可以把远处的人或物以三维的形式投影在空气之中,使学生似乎已处于真实环境之中。另外,比如配一套可触摸超声波虚拟三维物体的系统设备。可使用户通过超声波高度逼真地触摸到虚拟图像,让人们感觉如同把三维图像掌握在手中一样。
图2两个不同空间的人同时出现在一个空间
3 虚拟光电三维成像应用原理
以光干涉为例,获得相干光的方法:两列或几列光波在空间相遇时相互迭加,在某些区域始终加强,在另一些区域则始终削弱,形成稳定的强弱分布的现象。不过,只有两列光波的频率相同,位相差恒定,振动方向一致的相干光源,才能产生光的干涉。[5]
因此,由两个(或两个以上的)光束,在满足一定条件下迭加时,在交迭区的不同地点呈现稳定的互相加强或减弱的现象,称为干涉现象。通常两个独立的光源或同一光源上的两个不同部分都不会产生干涉现象。运用某些方法,如光的反射或折射,可以将同一光源发出的光分成两个光束,当这两光束在空间经不同路径而重新聚合时,就能实现干涉现象。
通常采用的方法有两种:分波阵面法和分振幅法。如杨氏双缝、菲涅尔双面镜、洛埃镜和薄膜干涉等。下面分析杨氏双缝干涉原理,如图4。
图4杨氏双缝干涉原理
由垂直于纸面的单缝发出的柱面波的波前被s1和s2两缝分成部分,当两束光到达屏幕P点时,将产生相干叠加,P点的光强
由此可知:半波长的偶数倍加强,半波长的奇数倍减弱。
光的衍射原理:光离开直线路径绕到障碍物几何阴影里去的现象叫光的衍射,只有当小孔、单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时,才能观察到明显的衍射现象[6]。
全息技术是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的记录和再现的技术[7]。
根据相干光干涉、光的衍射原理和利用全息技术原理推理,三维摄像机采用激光作为照明光源,并将光源发出的光分为两束,一束直接射向感光板,另一束经被摄物的反射后再射向感光板。两束光在感光片上叠加产生干涉,感光板上各点的感光程度不仅随强度也随两束光的位相关系而不同。所以全息摄影不仅记录了物体上的反光强度,也记录了位相信息,如图4。
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图4 全息三维摄影原理
感光板采集后的三维动态数字信息被记录传输全息到存储器,播放时用三维全息投影机播放存储的全息动态三维数字信息,同时利用激光去照射投射的干涉光和衍射光形成的空间立体虚拟光屏上,人眼透过空间立体光屏就能看到原来被拍摄物体完全相同的三维立体像(见图5)。
图5 动态全息三维投影光电成像
当然,被拍摄的不只是人和物体,同样也包含场景。虚拟光电三维成像就是利用相干光和衍射光等技术以及激光、全息照相等其它相关技术来实现光的空间三维成像,根据前面所述是可行的,可达到虚拟仿真所需图像的目的。利用全息投影机,将拍摄全息影像以大画面显示,实现真正无需戴眼镜的3D效果。这才是立体显示的终极目标。其时,“人的头脑就是一部全像摄影机[8]。” 而“世界是一张全息图[9]”。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影的方向发展[10]。目前,国外已经有电视、展示等部分行业开始使用这项技术[11]。由于全息立体显示所需要的技术比较复杂,资金投入相对较高,因此目前还没有得到普遍应用。相信随着技术的发展,成本的降低,使用投影技术实现真正全息立体显示将会成为普遍现象。可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感,研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如爆炸和燃烧)等各个方面获得广泛应用。
4 光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同
虚拟现实技术利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的虚拟环境,用户通过使用各种交互设备,同虚拟环境中的实体相互作用,使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流,是一种先进的数字化人机接口技术。
光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同见表1。
表1光电三维成像与其它虚拟现实技术的异同
光电三维成像 其它虚拟现实技术
实时三维可视化 同左
虚拟环境由基于真实数据建立的数字模型组合而成,严格遵循工程项目设计的标准和要求,属于科学仿真系统。 同左
操纵者亲身体验虚拟三维空间,身临其境。具有双向互动功能,没有时间限制,可真实详尽的展示。 同左
以高性能计算机为核心的虚拟环境,视觉无需配带眼镜、头盔显示器,以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、通过超声波高度逼真地触摸到虚拟图像,省却了数据手套和数据衣等外部随身设备。味觉、嗅觉与触觉反馈系统等功能单元构成。是一种较为接近人们生理习惯,较易接受的一个虚拟物理环境。 以高性能计算机为核心的虚拟环境,以头盔显示器为核心的视觉系统、以语音识别、声音合成与声音定位为核心的听觉系统、以方位跟踪器、数据手套和数据衣为主体的身体方位姿态跟踪设备[12]。以及味觉、嗅觉、触觉与力觉反馈系统等功能单元构成。
三 未来课堂教学应用虚拟现实技术的研究方向
未来的新型多媒体教学将是以多媒体技术、计算机技术、网络通信技术、自动控制技术、传感技术、光技术、人工智能和虚拟现实技术等的有机结合,能够全面整合网络各种“资源”而形成先进的网络多媒体教学平台。在这种教学平台上,多媒体教室不再是孤立的,它已融入到校园网教学系统中,并以校园网资源为“背景”构建出一个富有时代特色的现代化教学环境:即集教学、管理、娱乐为一体的“数字化校园”[13]。多媒体课室是现代教学环境建设的重要组成部分,是教育技术信息传递的展示平台,是教师了解、联系、应用教育技术的桥梁。因此,虚拟现实技术建构的仿真场景对教育的发展起到多么重要的作用。
设想,未来的三维虚拟场景将更接近现实,先进的传感设备,采集现场场景内所有物质,将采集到的信息,利用现代分析技术,特别是仪器分析方法,测定分子的链和聚集态结构实时进行物质“分子结构[14]”分析,比如人的外观形态、表层分子结构、味道分子结构、温度大小、色彩声音触觉等。并将所得分析结果编组成信息传输,还可实时同步远程分子结构重组,重现虚拟仿真场景,与现场无异。编组后的信息压缩存储于智能资源库,用户只要登陆虚拟平台,即可将编组信息异步分子结构重组重现虚拟仿真场景。不但场景与现场无异,所有物体和人物都与真的相似,有触觉、味道、温度、声音、感情等。信息显示终端可能会配置物体、味道、温度等所需的分子编组箱,编组信息按菜单提取并按分子结构重组。应用原理如图6所示范。
图6未来的三维虚拟现实应用结构图
未来的虚拟校园为的是要提供学生与讲师们另一个沟通的平台,给学生提供一个能够共同学习、互动、分享以及引导创意的空间。学生们在日益普及的虚拟世界里也能感受得到身为学生的归属感,提倡学生们在现实与虚拟校园中的社交活动。也吸引来自世界各地的访客通过虚拟世界来了解大学,并与在线的学生与讲师们沟通。用户可以自由塑造自己的虚拟人物,甚至把虚拟人物打扮成和现实的自己相似的造型。在虚拟教室上课的情况和现实的课堂情况相似,每个学生需找个位子坐下,而讲师在课室的中央或在学生中间授课。虚拟课堂上可以展示幻灯片,播放影像、音乐,还可以通过虚拟的麦克风同时与多名学生即时交谈,与现实无异。
当然,教学不是盲目地追求科技的步伐,但科技确实能够有效地辅助教学。虚拟和现实的教学平台,各有不同的教学效果。能够巧妙地融合两种平台,来传授教学重点,才能有效地引发学生学习的兴趣,达到教学的目的。
四 结束语
信息时代的到来,社会节奏的加快,知识呈现出高速增长和快速更新之势。随着科学技术的发展,还会有更多的新技术应用在教育技术中,光技术就是其中重要的一项,21世纪将是光技术应用发展的时代。我们相信,随着三维虚拟仿真技术的快速发展和软硬件技术的不断进步,在不远的将来,真正意义上的虚拟现实技术将为人类娱乐、教育和经济发展做出新的更大的贡献。
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参考文献
[1]林京彤,虚拟现实技术漫谈[EB/OL].
[2]虚拟现实技术走进高校[EB/OL].
[3]3D全息投影技术[EB/OL].
[4]虚拟现实[EB/OL].
[5]光的干涉[EB/OL].
[6]光的衍射[EB/OL].
[7]全息技术[EB/OL].
[8]宇宙只是幻象,世界是意识的全息投影[EB/OL]
[9]世界是一张全息图[EB/OL].
[10]全息摄影[EB/OL].
[11]激光全息投影[EB/OL].
[12]虚拟现实开发平台[EB/OL].
[13]李学哲.多媒体教学的发展方向[J].现代教育技术,
2006,(2):54-55.
光学技术的应用范文3
关键词：CCD技术 光学实验 教学数字化
中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0088-01
CCD是一种电荷耦合元件，亦称为CCD图像传感器，可将光学影像转化为数字信号，在将影像转换为数字信号后输入到计算机中，可进行数字处理，得到实验所需的数据。在获取图像像素数据时，一般采用先选取图像一端Y方向上各点的point值，再将Y轴向另一端推移，可得到图像所有像素的point值，进而进行处理。以下将列举几种光学实验的例子，进一步阐述其应用方法。
1 光学实验举例
1.1 光的衍射实验（以圆孔衍射为例）
在普通物理实验中，用CCD视频装置代替刻度板和光屏，在排除杂光干扰的情况下，调整好CCD的位置，可以在计算机视频中可到圆孔衍射的图像。在圆孔的夫琅合费衍射中，假设圆孔半径为0.1mm，透镜L2与CCD视频装置的合焦距f=50cm，所用单色光波长为589.3nm，则可得衍射图样中艾里斑的半径大小为1.5cm左右，远远大于CCD摄像装置的分辨距离。通过调节CCD的焦距可使图案达到最清晰。
处理图案像素时，可得到图案中的每一个像素point值。具体处理方法为：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值进行作图，可能会因为point值过大造成图像出错，此时可将point值进一步进行处理，转化为图像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 & "）"
得到图像各点的RGB之后，重新计算各点的光强度值，记作Y，此时Y的值在较小数值范围内，容易作图与控制
Y=0.212671*R+0.715160*G+0.072169*B
在图像中做横纵坐标，其中横坐标为衍射图像中经过艾里斑圆心的水平轴的坐标，纵坐标是此坐标上各点的Y值。
可得到类似图1的结果：
两图为改变孔径大小所得到的结果不同。
在具体的计算时，需要将真实的艾里斑大小进行定标。可以通过下述方法解决，在原有光路上用2mm狭缝代替圆孔，保持CCD位置不变，此时可得到2mm狭缝像所对应的像素X，根据透镜成像原理，狭缝像的宽度L=狭缝的物距/狭缝的像距。则CCD图像上2mm所对应的长度为X/L.利用此原理定标可得图像中所有距离的实际长度。
1.2 光的干涉实验（以牛顿环为例）
在光的干涉中，牛顿环实验是典型实验，在现有的实验过程中，一般用读数显微镜进行数据记录，人眼读数过程中将产生较大误差，且十分繁琐。将CCD安装在原来的读数显微镜上，并将图像传入进计算机处理，将提高效率和准确率。
牛顿环干涉实验基本光路图如图2所示。
可用1.1中结尾处定标的方法对固定位置的CCD图像进行定标。得到图像后通过自编软件确定各级干涉亮环的半径大小，通过公式进行计算可得牛顿环半径。通过此方法可大大提高计算速率与准确度。
1.3 莫尔条纹与光谱
莫尔条纹：同上述实验，在光源后加两片相交的光栅或丝网，在光栅或者丝网后添加一CCD装置，通过自编软件可得相对运动时的物理量等内容。光谱：将少量光线通过狭缝后经过棱镜或者光栅分光，可得到该光线的光谱，在一定角度设置一CCD装置，固定好所有器件的角度，进行不透光密封处理，再连接如计算机进行定标作图等处理，就可得小型简易光谱仪。
2 总结
2.1 CCD光学教学的整合
可以通过以下两种途径使CCD光学教学系统更加完备：1、通过位置固定和标准大小配置，使CCD装置在各个子实验中装拆方便。2、通过在计算机中建立同一界面，使数据处理部分集中，便于教学。
2.2 CCD光学教学应用前景
通过CCD技术，配以必要的软件工具，可以完成教学中难以展示或者耗时较久的光学测试实验。在某种程度上将复杂、抽象的光学知识变得形象直观。例如，在无法大量开设实验课的情况下，通过CCD光学教学演示可使学生在短时间内都能直接观察到真实的实验结果。再如，在更需要了解原理和计算过程的光学实验中，能大量建设繁琐的观察、调试、数据记录过程，方便进入数据处理阶段。在光学教学中，此技术有一定的应用前景，是一个值得探讨、研究的方向。
参考文献
光学技术的应用范文4
[关键词]红外光谱技术；环境科学；应用与展望
中图分类号：065 文献标识码：A 文章编号：1006-0278（2013）05-146-01
现代近红外光谱分析技术是近些年发展起来的高新科技，它的出现掀起了一场技术革命。它是近二十年来发展的最引人瞩目的光谱分析技术，已经被应用到了各个领域，创造出了很多的社会财富与价值。就环境科学来说，红外光谱技术是目前最重要的分析手段和方法，它对环境的污染程度检测、污染物的分析、突发性污染的控制都有作用。
一、红外光谱技术的特点
（一）不需要将样品做处理
近红外区内的光散色效应很大，而且穿透深度十分大，这就使近红外光谱技术能够利用漫反射直接测定样品，不需要将样品做预处理。
（二）可以多个组同时进行测定
红外光谱技术可以多个组同时进行测定，通过一次的全光谱扫描，可获得样品中所有化学成分的光谱信息，再通过相应的数学模型进行计算，就可得到样品中各种化学成分的含量。
（三）不具有破坏性
没有破坏性是红外光谱技术最具有意义的革新，它的分析过程只是对样品进行光谱信号的获取，不需要进行其它测试，因此不会破坏或消耗样品，对样品的外表及内在结构都不会产生任何影响。
（四）分析的速度快
红外光谱技术扫描十分迅速，在很短的时间之内就可获取整个样品的完整光谱图，平均的扫描时间是1s到60s。将采集到的光谱迅速地输到之前建好的数学模型中，就完成对样品的测定。
（五）可以远距离进行测试
红外光谱技术可远距离采集样品光谱，并可进行实时的分析，对在线分析特别的适用。利用光导纤维技术进行远距离的主机取样，并将光谱信号及时地传送到主机，就可直接算出样品的成分含量，确定样品的性质。
（六）测定的重现性好
红外光谱技术有非常好的重现性，测试的结果受人为干扰程度小，和常见的化学方法比较，红外光谱分析技术可显示出更好的精确性和重现性。
（七）不适合分散样品分析和痕量分析
在建立红外光谱技术之前，一定要投入相当多的财力、物力和人力才能得到比较精准的校正模型，这种方法比较适合经常性的质量控制，又经济又快速，但是对不时常进行分析或是散性样品的分析就不是很适用了，会浪费资源。
二、红外光谱技术在国外的应用和发展
红外光谱技术在国外应用的较早，早在二十世纪初Coblentz就已经发表了百余种有机化合物的红外光谱图。五十年代，红外光谱图已经积累了很丰富的红外光谱数据。七十年代由于计算机的蓬勃发展，使得傅里叶变换红外光谱走进了国外现代化学家的实验室，成为了结构分析的有效手段。近几十年，一些新的技术不断革新、涌现，使得红外光谱技术在国外得到了更加飞速的发展。
三、红外光谱技术在环境科学中的应用
红外光谱技术在环境科学中的应用已经很广泛了，它对固体、液体、气体都有很好的监测分析功能。例如：在生产牛奶时，由于要达到出产产品致化的目标，需要保持原料成分的含量一致，还要保持发酵过程的统一。但是，在现实的加工过程中，由于其必须连续进行，不能停止生产来满足检测的指标，这时就可以运用红外光谱技术进行完成。它具有适合在线检测的特点，与光纤技术结合来实现生产过程的实时控制。这种方式对比常规的理化分析，显现出快速、准确的优势。另外，利用红外光谱和色谱技术相结合的方式，可将很多种气体中污染物成分的光谱信息进行定性测量，对环境污染的检测和控制都有很重要的意义。
四、对红外光谱技术应用的未来展望
红外光谱技术有很多优点，比如操作方便、检测速度快、可以同时对多种成分进行分析、无损坏性、无污染性等。随着时代的不断发展、信息技术的不断革新，红外光谱技术中存在的一些问题和弊端将被逐一解决，其精准度会越来越高、灵敏性也会满足各个领域的需求。未来，红外光谱技术在环境科学中的应用会越来越广泛，并对环境生态的修复起到关键性的作用。利用其分析技术有耐受性植物对物质中有机污染物和重金属的累积作用，从而揭示其污染物介质吸附的过程、提高植物的积累率、探讨其作用机理等提供一条新的思路，评估污染物介质对环境的危害和人体健康的威胁提供科学依据，为环境保护、环境生态修复拓展新的空间，是个非常有前途的领域。
五、总结
文章总结了红外光谱技术的特点、在应用中存在的问题，并对其未来的完善以及在环境科学领域中的发展做了展望。由上我们可得出红外光谱技术及其联用技术是科技发展的产物，加以完善和利用，会给人类带来更多的利益，是科技造福人类的有力证明。
参考文献：
[1]任瑞娟，柴春祥，鲁晓翔.近红外光谱技术在水产品检测中的应用展望[J].食品工业科技，2013（02）.
光学技术的应用范文5
关键词：光纤通信；实验教学；仿真技术
作者简介：陈琳（1978-），女，江苏常州人，上海电力学院电子与信息工程学院，副教授；朱武（1969-），男，湖北随州人，上海电力学院电子与信息工程学院，教授。（上海 200090）
基金项目：本文系上海市教委重点课程资助项目（项目编号：沪教委高（2011）48号）的研究成果。
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）28-0147-02
光纤通信是以光波为载波，以光导纤维作为传输媒质的一种信息传输方式。该技术因具有传输容量大、中继距离长等优良传输特性，被广泛应用于电力传输网、通信网和接入网等领域。
“光纤通信”作为通信工程、光电信息工程、电子信息工程专业的核心课程，主要讲述了光纤通信的基本概念、传输理论、系统组成、新技术等内容。[1]该课程具有涉及内容广、基础理论深、知识更新快等特点。为了进一步提高“光纤通信”课程的教学质量，开设了光纤通信实验课和光纤通信系统课程设计，加强了学生对理论知识的理解，培养了实际动手能力和创新能力。
传统的实验教学一般都是安排学生在硬件实验箱上实现。此类实验基本为验证性实验，只需根据实验指导书进行简单操作，无法调动学生的实验兴趣，也限制了对学生创新能力的培养。此外，光通信器件成本较高，需要及时维护，且随着科技的进步，新的理论和技术迅速产生与发展，需要投入充足的设备经费，不断更新实验设备。[2]因此，实践教学部分除了利用光纤通信实验箱开设固定的验证性实验外，还可利用仿真软件MATLAB和OPTISYSTEM构建光纤通信系统模型，以提高学生的实验效率，有效地节省实验教学成本。[3-6]
一、MATLAB仿真软件的应用
由于“光纤通信”课程概念繁多，物理规律较为抽象，特别是其中的一些光学现象和规律缺乏细致的数学推导，为学生学习该课程带来了诸多困难。因此，在“光纤通信”课程教学中可以适当地使用MATLAB仿真软件所提供的可视化界面，使学生获得对光学物理现象的感性认识，缩小理论与实际的差距，提高学习效率和效果。
MATLAB是Mathworks公司推出的一套高效数值计算和可视化软件。它集数值分析、矩阵计算、信号处理和图形显示于一体，具有编程方式自由、简单易学等特点，已广泛应用于工程计算和系统仿真等开发环境。利用MATLAB软件不但可以摆脱繁杂的大规模计算，而且还可以使学生自己动手进行编程，加深对光纤通信基本理论的理解。在编程过程中，可以通过改变仿真参数来直观地对实验结果进行计算和分析，大大节省了时间，提高了实验效率。
在光纤传输原理章节中，对于波动理论，一般是通过求解麦克斯韦方程组来导出波动方程，分析电磁场的分布性质，最后获得光纤的传输特性。公式推导过程繁杂，涉及的电磁场与数学知识较多，学生理解困难。因此，在课堂教学中除了引入多媒体的辅助教学手段外，还可以借助MATLAB仿真软件，帮助学生理解多模和单模光纤的模场分布。
多模光纤中，存在更多的高阶模式。根据LP模的特征方程，得到阶跃型折射率光纤的模场分布。如第一个高次模LP11模的二维、三维模场分布如图1（c）、（f）所示。从图1可以看出，当归一化频率V=5时，LP11模有两个对称的主瓣，不存在旁瓣现象。
在“光纤通信”课程教学中，引入MATLAB仿真，能够进一步加深对抽象概念的理解。通过仿真，学生弄清了数学公式和物理概念之间的内在联系，使理论教学中枯燥的概念可视化，极大地调动了学习主动性和趣味性，有效地提高了教学质量。同时，在编程过程中，学生通过查询文献资料和相互讨论，较好地培养了团队合作精神，提高了创新能力。
二、OPTISYSTEM仿真软件的应用
系统实验有助于培养学生对理论知识的综合运用。针对实验箱可供开设的综合性、系统性实验项目较少的情况，可以利用OPTISYSTEM仿真软件对光学器件和通信系统进行建模。通过仿真软件对实际操作过程进行模拟，以获得数据加以分析。
OPTISYSTEM是OPTIWAVE公司开发的一套光通信系统模拟软件。它可以帮助用户规划、测试和模拟传输层的各种类型的光通信网络，包括局域网、城域网和广域网；同时提供了从组件、器件到系统各个层面的光通信系统设计和规划，如TDM/WDM、SDH、光孤子通信等，并利用优化功能仿真计算系统的各项性能参数，通过数据分析和图形显示来获得最佳系统性能。
在OPTISYSTEM系统仿真实验中，学生可以通过调整参数，对一个光学元器件甚至整个通信系统进行优化设计，直观地模拟整个光纤通信系统的传输过程。利用仿真软件进行系统性能分析，有利于引导学生对复杂系统进行探索，提高学生对系统性能的全面认识。
例如，波分复用（WDM）系统是现行光纤通信系统的主要架构形式，利用波分复用技术可以实现大容量、长距离的网络传输。但是由于传统实验箱的限制，WDM系统难以通过硬件平台来构建。因此，可以通过OPTISYSTEM软件来搭建WDM系统，并进行系统性能分析。
WDM系统实验在OPTISYSTEM仿真平台上完成。要求学生使用光传输系统仿真软件，搭建8信道的WDM系统，如图2（a）所示。该系统由波分复用器（WDM）、掺铒光纤放大器（EDFA）、光纤链路、解复用器（WDM Demux）和光接收机等光学器件组成。学生自行设计和搭建系统，配置波分复用、解复用、调制器等参数，并利用虚拟光谱分析仪来观察8通道波分复用系统的频谱、误码率等特性，如图2（b）、（c）所示。学生通过调整各模块的参数、搭建系统模型和分析仿真结果，巩固了EDFA、波分复用/解复用等方面的理论知识，也为今后对实际WDM系统规划打下了坚实的基础。
又如，用OPTISYSTEM软件设计搭建单模光纤通信系统，如图3（a）所示。传输速率是40Gbit/s，传输距离是60km。信源使用的是伪随机码发生器，它将数据流发送到非归零（NRZ）码电脉冲发生器。经NRZ调制的电信号具有紧凑的频谱特性，经过马赫曾德尔调制器（MZM）后转换成光信号送往光纤信道。为了减小光纤传输损耗和色散的影响，在光纤链路上添加了掺铒光纤放大器。接收端经过光纤信道传输过来的光信号接入PIN光电检测器，转化为电信号后送入低通贝塞尔滤波器。
为了观测光信号的波形，在光纤通信系统中设置了观察仪器：光谱仪、光时域信号观察仪及误码率分析仪。对系统中的器件参数设置后进行系统仿真，得到调制后的光信号时域波形和频谱，如图3（b）、（c）所示。
这些光器件都可以在OPTISYSTEM软件的器件库中选取，并根据需要对每个器件设定参数来获得较好的系统性能。因此，通过用OPTISYSTEM软件设计分析，可以了解光通信系统各个器件节点处的波形和频谱特点，简单直观、形象生动。教师可以根据教学大纲设置相应的实验项目，让学生课后学习OPTISYSTEM软件，并引导学生根据实验内容建立相应的系统模型进行仿真实验分析。
三、结束语
运用MATLAB/OPTISYSTEM仿真软件进行实验教学，很好地弥补了缺少硬件实验器件所带来的不足，丰富了实验教学内容；同时节省了实验课堂教学时间，加深了学生对系统理论知识的理解和应用。通过对“光纤通信”实验教学手段和内容的改革，学生对实验的积极性和创造性得到了普遍提高，实验教学效果和质量也得到了明显提升。
参考文献：
[1]刘增基.光纤通信[M].第2版.西安：西安电子科技大学出版社，2008.
[2]王文珍.光纤通信实践教学探索[J].中国电力教育，2013，（1）：134.
[3]周雪芳，王天枢.仿真软件在《光纤通信》实验教学中的应用研究[J].实验科学与技术，2011，9（5）：53-56.
[4]汪徐德，李素文，窦德召，等.软件仿真在《光纤通信》课程中的应用[J].淮北师范大学学报（自然科学版），2012，33（4）：91-94.
光学技术的应用范文6
【关键词】时间分辨荧光免疫技术;免疫酶技术;乙型肝炎血清标志物
时间分辨荧光免疫分析( time-resolved fluores cence immunoassay，TRFIA)是用镧系元素Eu3+ (铕)螯合物作为示踪物标记抗原或抗体,在免疫反应完成后加入特殊的增强液,将Eu3+从标记抗原或抗体上解离下来并与增强液中的组分形成新的具有强烈荧光的螯合物,用特定的仪器测定荧光强度,从而判断反应体系中被测物浓度 TRFIA 具有灵敏度高,特异性强,操作简便,示踪物稳定,可进行定量分析,无环境污染等优点。乙肝病毒感染是常见感染性疾病之一,临床常用酶免技术检测乙肝病毒血清学标志物,诊断HBV 感染,由于钩状效应和敏感性的原因，常造成HBV 感染的漏诊。本文对TRFIA 定量检测乙肝病毒五个血清标志物进行临床评价为实验室方法学选择提供参考,现介绍如下。
1 材料和方法
1．1 标本 355份HBV感染者血清来自本院门诊及住院患者。
1．2 试剂 定量检测HBsAg、HBsAb、HBeAg、HBeAb 和HBcAb试剂盒:上海新波生物技术有限公司产品，批号20030526。EIA 试剂盒:北京金豪生物技术有限公司产品,批号20070512。乙肝病毒血清标志物定值质控样品:卫生部临床检验中心,批号0703。
1．3 仪器 时间分辨荧光免疫分析仪:Anytest2000。酶标仪:EL2800。
1．4 方法 TRFIA/EIA 试剂盒定量/定性检测乙肝病毒血清标志物,均严格按各自说明书要求进行质控样品和临床标本检测。
1．5 结果判断 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为阳性。
2 结果
2．1 TRFIA 敏感性 对HBsAg 0．2 ng/ml、HBsAb 10 mIU/ml、HBeAg 0．5 Ncu/ml、HBeAb 2 Ncu/ml 和HBcAb 0．2 Ncu/ml 质控样品TRFIA 均可检出。TRFIA 敏感性见表1。
2．2 TRFIA检测HBsAg范围 HBsAg质控样品0．2、2、5 ng/ml和高值(>10 000 ng/ml) TRFIA 均可检出。
2．3 TRFIA检测HBsAg的重复性 用TRFIA对1 ng/ml和HBsAg定值质控血清重复20次测定,CV值为4．35%。
2．4 TRFIA法和EIA法测定355份 临床血清标本结果见表2。
3 讨论
3．1 EIA是目前临床检测HBV血清标志物普遍采用的方法,由于各试剂生产厂家所采用的包被基因片段的差异、操作步骤的有所不同(一步法、二步法)及操作时差、污染等因素的影响,致使检测结果有所出入[1],传统方法(EIA)对乙肝两对半血清标志物测定是定性法,只能判断其阴阳性,无法得知其真正的浓度,对临床诊断和治疗带来许多不便。而HBV血清标志物定量检测能较为准确地反映其血清中的含量,可以间接反映体内HBV 复制活跃程度,对临床药物疗效评价具有重要意义[2]。
3．2 TRFIA法检测乙肝病毒五项血清学标志物的灵敏度均高于EIA 法,并具有较好的重复性,可检出>10 000 ng/ml的HBsAg，提示对弱阳性和高浓度HBsAg 标本，TRFIA 检出率高于EIA。
3．3 检测结果显示,两种方法HBeAg 结果一致率较好,其余4个指标TRFIA 检测的阳性率均大于EIA，TRFIA 检测较EIA 检测更敏感,可减少低浓度的HBsAg、HBeAg 感染患者的漏诊[3]。
3．4 TRFIA 对HBsAg>10 000 ng/ml 可检出,对296 份临床血清检测时,2 份HBsAg 高值血清,在1∶100 稀释后EIA 才出现阳性,而TRFIA 检测原血清即为阳性。结果表明,与EIA 比较,TRFIA 不易出现高剂量HBsAg 的假阴性。
参 考 文 献
［1］ 魏来,陶其敏.努力规范肝脏疾病的免疫学诊断.中华检验医学杂志，2003，26(2) :69-71.
