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光学工程的研究方向范文1
一.基本条件(考生必须同时满足下列各项条件)
1.普通招考的考生(直接攻博、硕博连读按原办法执行)且符合《南开大学2016年博士生招生说明》中的博士报考条件;
2.入学时年龄不超过45周岁;
3.培养类别:电子信息与光学工程学院只招收全日制攻读博士生，考生被录取后必须全脱产学习，学生档案和工资关系必须全部转入我校;
4.外语水平要求：符合以下任一项：
(1)通过国家六级(六级成绩达到425分)或国家四级成绩达到550分;
(2)托福(TOEFL)成绩达到90分以上(老TOEFL达到600分);
(3)雅思(IELTS)成绩达到6分以上;
(4)GRE成绩1300分以上(新标准260分以上);
(5)在英语国家或地区获得过硕士学位;
5.健康状况符合南开大学研究生入学体检标准。
二.可接收“申请考核制”博士的导师及招生名额
2016年南开大学博士招生专业目录中电子信息与光学工程学院全部导师;
电子信息与光学工程学院博士生招生计划名额含直接攻博、硕博连读生、“申请考核制”博士生、普通招考考生。
三.选拔程序
1.网上报名
以“申请考核制”报考我院的考生需在“全国研究生招生信息网”报名，报名时考试方式必须选择“申请考核制”。
网上报名时间：2015年10月25日至11月5日
网上报名网址：yz.chsi.com.cn/bsbm
2.提交申请材料
考生须于2015年11月5日前(以邮戳为准)邮寄申请材料，申请材料建议以快递方式邮寄。
邮寄地址：天津市南开区卫津路94号南开大学电子信息与光学工程学院研究生办公室(主楼206)
邮政编码：300071
联系电话：022-23507740
提交材料清单(材料要求A4纸规格按顺序排列)：
(1)《南开大学2016年“申请考核制”博士研究生考核申请表》;
(2)《报考南开大学2016年攻读博士学位研究生登记表》;
(3)提交两份攻读博士学位《专家推荐信》;其中一份由考生硕士阶段的指导导师填写。(推荐信是学院确定博士生资格的重要依据，推荐人须给予足够的重视。推荐书应由推荐人根据自己对考生的了解，实事求是、客观的亲自填写，并签字密封)。
(4)申请人二代身份证复印件;
(5)学位、学历证书复印件(应届硕士生提交学生证复印件)，境外获得学位考生需提供教育部留学服务中心学历认证证书复印件;
(6)本科和硕士阶段的学习成绩单(须加盖研究生院或人事部门公章);
(7)硕士学位论文(应届硕士生提交硕士学位论文开题报告);
(8)获奖证书、、获得专利及其它原创性研究成果的证明材料;
(9)外语水平能力证书复印件(CET6、TOEFL、IELTS等);
(10)《research proposal》，要求3000字左右;
以上提供材料均认为是真实可靠的，如有伪造，一经招生单位发现，立即取消其录取资格。
3.学院审核
(1)学院研究生办公室负责材料形式审查，审查材料是否齐全、填写是否规范、审核基本条件是否符合报考条件。特别对应届生的学生证、已获硕士学位人员的硕士学位证书，境外获得学历者提供的教育部留学服务中心的学位认证进行查验。检查合格者按报考导师进行分类整理，转报考导师。由报考导师提出意见后一并提交到“资格审核组”评估。
(2)学院以光学工程和电子科学与技术、信息与通信工程两个学位评定分委员会作为光学工程和电子科学与技术两个学科“资格审核组”，负责评估考生提交的申请材料，评估内容包括：考生的学习成绩、参与各类课题研究实践情况、硕士论文、发表文章以及获奖、拟攻读博士学位期间的研究计划等。
“专业审核组”填写《南开大学电子信息与光学工程学院2016博士研究生“申请考核制”资格评估考核表》，并给出百分制成绩(60分以下为不合格)，择优确定入围考生名单。并报研究生招生办公室审批。审批通过后，于2015年11月18日前学院对外公示入围考核人员名单(公示期为十个工作日)。
4.综合考核
各学科组成由申请导师参加的5名及以上相关研究方向教授组成“综合考核专家组”，对通过审核并在网上报名的考生进行接收综合考核，考核内容包括：
(1) 笔试：内容含心理健康、专业英语翻译(100分钟)
(2) 面试：考核考生本科和硕士期间课程学习成绩、科研成果水平、英语水平(含口语、听力、写作能力)、综合素质(含身体素质、心理健康、语言表达能力、逻辑思维能力等)等方面。重点考察考生科研创新能力和专业学术潜质等综合素质。
每个申请人需准备10分钟PPT展示，PPT内容需含个人简介、学习成绩、课题研究、发表成果、拟攻读博士学位期间的研究计划等内容。
面试结束后，“综合考核专家组”成员需填写《南开大学博士研究生“申请考核制”综合考核记录表》，并给出评语和百分制成绩。
考核成绩低于60分的不予录取，根据成绩确定拟录取名单，考核成绩将在学院网站进行公示，公示期为十个公示日。
5.拟录取名单审核
根据各“综合考核专家组”上报的拟录取名单，学院“招生工作领导小组”进行综合汇总、复核。提出电子信息与光学工程学院 “申请考核制”博士最终拟录取名单，11月26日前上报学校。由学校研究生录取工作领导小组进行审核，审核通过后由电光学院公示“申请考核制”博士拟录取名单，公示期为十个工作日。
6.录取
凡被以“申请考核制”方式录取为我校博士研究生的考生被录取后须全脱产学习，需将档案和工资关系全部转入我校，方可发放录取通知书。
四.监督机制
学院将建立以主管院长和各学科负责人为主要成员的学院“招生工作领导小组”;学位评定分委员会组成的“资格审核组”;各专业老师组成的“综合考核专家组”三级审核制度，确保选拔的公平、公正、公开。
考生在通过“申请考核制”申请攻读博士学位过程中，如果对综合考核等方面有疑问，可首先向学院提出申诉，由学院研究生“招生工作领导小组”对考生提出的申诉进行调查及处理。如果考生对学院研究生“招生工作领导小组”做出的申诉处理仍有异议，可进一步向学校争议委员会提出申诉，并由学校争议委员会按照教育部及学校相关文件要求做出裁决。
五.招生咨询
电子信息与光学工程学院招生信息请查询以下网页：it.nankai.edu.cn;
咨询电话：022-23507740。
办公地点：南开大学主楼206室。
六.其他事项
1.“申请考核制”选拔方式只招收非定向普通考生，各类专项计划不得以该方式进行招考。
2.学习年限、毕业就业、学费、奖助学金、学生住宿按南开大学招生简章的规定执行;
3.有关指导教师的情况可参阅电子信息与光学工程学院网站信息;
光学工程的研究方向范文2
（兰州城市学院培黎工程技术学院，甘肃兰州730070）
摘要：构建光学课程的教学新模式，培养大学生的科研创新能力，以适应新升本院校建设教学应用型本科大学、实施高教强省战略的需要，我们从创新教育理念出发，在教学实践中进行了一些尝试并取得了良好的效果。
关键词 ：新升本院校；光学；教学新模式；科研训练
DOI：10.16083/j.cnki.22-1296/g4.2015.06.019
中图分类号：G642.0文献标识码： A 文章编号：1671—1580（2015）06—0044—02
基金或课题：甘肃省教育科学“十二五”规划课题（［2012］GSGXG045）；兰州城市学院教育教学研究项目（2012-JY-38，2013-JY-16）。
收稿日期：2014—12—22
作者简介：郭中华（1979— ），女，甘肃金昌人。兰州城市学院培黎工程技术学院，副教授，研究方向：光学及光学实验教学。
郑庭海（1971— ），男，陕西延安人。兰州城市学院培黎工程技术学院，副教授，研究方向：教育管理。
经典的光学理论和实验方法在促进科学技术进步方面一直发挥着重要的作用，而光学课程是物理学专业的重要基础课。面向地方经济建设，以应用型本科教育为发展目标，光学课程的教学体系也应转变为以科学素质的教育为主， 注重教育的社会功用，培养知识与技能兼备的高层次应用型人才，形成教学与科研的良好互动。面对现代光学技术的飞速发展、知识体系的不断更新及教学手段的现代化等因素，如何优化课程结构，重新构造课程体系，选取适合于应用型本科教学目标的光学教学内容，改变传统的教学培养模式，焕发传统学科的生命力，培养研究型和创新型人才显得尤为迫切。
结合多年的课堂教学经验以及大量的调研工作，我们以课程体系的改革与创新为契机，构建体现应用型本科院校特点的光学课程教学模式，突出学生创新能力的培养。从教学内容的选取、开放实验平台的建设、加强与周边学科的关联几个方面入手，形成了自己的一些特色，并取得了良好的教学效果。
一、简化经典教学内容，引入学科发展新技术，实现教学内容的现代化
适当引入现代光学知识内容，介绍学科发展的新技术，开阔学生的视野，实现教学内容的现代化，这是光学课程教学内容改革的趋势，［1］ ［2］对于学生探求基础知识的价值、潜移默化地培养学生的科学素养和思维能力是十分必要的。
对于经典光学的教学内容改革，［3］ ［4］不应该只是内容的简单扩充，而要把教学内容中最基本的原理和现代光学技术理论中能够相对应的基础知识作为重点，对教学内容进行更新和整合。比如：对光的干涉和衍射现象的原理分析，需要涉及非常复杂的数学过程，这些过程现在完全可以简化，因为利用科学计算程序的数值方法不仅可以进行精确计算，［5］还可以进行数值仿真和模拟，所以只需要讲清图样的分布特点即可；在几何光学部分，简化一些基本原理，诸如费马原理在反射、折射原理中的推导、理想光具组作图法求像和像差原理介绍等，加入以基本光学原理为基础的现代光学技术介绍，如光导纤维及其应用、光电开关、指纹锁、集成光学简介等；对于光的量子理论不宜过多讲解光电效应等学生熟知的现象，而应该从光的本性角度来分析光与物质相互作用的量子光学规律；在现代光学基础部分加入激光技术的发展和应用研究等内容，开拓学生的知识视野。
在教学中渗透前沿科技基础知识，拉近学生和前沿知识的距离。比如：在光纤传光原理中可引入梯度折射率材料的基本理论、自聚焦透镜的成像特征以及光栅光纤传感技术的介绍，［6］指点学生联系光栅、光纤、折射率这几个知识点进行思考，使学生认识到基础知识具有的生命力和反映的时代性，激发学生获取新知识的求知欲，借此机会可让学生查阅资料，了解其相关发展和应用，还可以设计相关的实验项目或创新课题，进行分析或演示等。
二、借助现代教育技术构建开放实验平台，在强调物理概念的同时，构建物理图像，进行素质教育和创新教育
在光学课程的教学中，常存在着理论内容和实验教学的脱节，因此，在课堂教学中应注重相应实验现象的讲解，让学生了解实验装置结构，建立数量级的概念，强调物理概念的同时构建物理图像，可以借助现代教育技术来实现学习资源的优化。依托校园网、高等学校教学资源网和数字图书馆，提供丰富的教学课件、讲义及多媒体素材等，扩大学生知识的信息量，将基础理论、科研进展及光学技术的应用结合起来。
此外，依托丰富的教学资源和当前的硬件设备构建开放实验平台。首先，开放课程实验教学内容，学生可结合自己的学习计划和时间安排选取实验内容、设计实验方案、选择所需的实验仪器，在教师的指导下进行测试和结果分析，充分发挥学习的主观能动性；其次，响应学院实验室开放的政策，开设开放性实验项目，拓展光学、光学实验的广度和深度，启发学生去建立物理图像，由此增加近代光学新知识的引入，增加物理学知识在工业、科技等领域中的应用范例；最后，结合课程实验，启发学生进行课程设计和教学研究，同时，鼓励和引导学生积极参与大学生物理科技作品竞赛、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛项目、大学生科技创新项目等科技活动，发挥学生的创造性，这不仅可以使学生了解本专业领域的工程实际问题或学科前沿动态，还有利于学生科学素质的培养。
目前，实验中心已开放多项开放性实验项目，并指导学生撰写和发表相关研究论文多篇，同时，指导学生参与科技创新项目、课外学术科技作品项目，多次获得省级和国家级奖励。这种以团队合作形式进行的实践活动使得学生综合应用所学知识分析和解决实际问题，不仅扩大了学生的知识视野，启发他们的思维，而且通过这些活动培养了学生的设计思想和敢于创新的精神，更重要的是，他们的团队协作能力、交流表达能力等科研素养也得到了有效的提高。
三、深入研究课程内容与周边学科的联系，打开学生的创新思路
能源问题是当今人类致力于开发利用的重点领域，而目前我国可再生能源专业人才自主研发能力薄弱。2006年，我国开始实施的《可再生能源法》明确规定，教育行政部门应当将可再生能源知识和技术纳入普通教育、职业教育课程。
我院为了培养能源利用的应用型人才，迎接新能源时代的到来，开设了新能源科学与工程专业。依托其实验平台，我们在光电检测、光电性质研究和光伏技术应用等方面开设了研究性实验项目，从相关科研项目或生活实际需求中提取原料和课题供给学生从事研究，并积极组织学生参加各种交流活动，进行研究性实验。
四、结束语
我们在光学课程方面进行了上述积极有益的探索和改革，提升了课程教学的整体水平，获得了良好的教学效果，学生的动手能力、团队合作能力、综合素质有了明显的提高，很多学生愿意继续深造，报考光学、光学工程方向的研究生。但是课程改革是一项长期的工作，需要从多方面、多层次开展，需要不断地与时俱进，以创新教育理念为出发点，以后可以研究将现代化教学手段的应用与开放式教学相结合；探讨双语教学、讨论指导课等新的教学方式、教学方法的改革；探讨课程群的建设，包括精品课建设、教辅资料建设、加强信息物理基础教育等；引入更加人性化、立体化的考核方式，公平体现学生的学习能力，并对教学效果进行评价，以提高学校人才培养质量和社会服务能力，促进新升本院校整体教育教学质量的提高。
［
参考文献］
［1］陈万金等.关于高师光学课程体系和教学内容改革的思考与实践［J］.吉林师范大学学报（自然科学版），2006（2）.
［2］于国萍，游璞.改革光学教材，适应社会需要［J］.光电子技术与信息，2005（2）.
［3］赵凯华，钟锡华.光学［M］.北京：北京大学出版社，2008.
［4］姚启钧.光学教程［M］.北京：高等教育出版社，2008.
光学工程的研究方向范文3
实验室的科学研究总体上以适应世界科学技术发展和国国民经济中长期发展战略的需求为出发点，以探索精密测试技术及仪器学科领域的前沿科学技术问题为主，注重新兴交叉学科和综合技术的研究。主要研究方向包括：(1)激光及光电测试技术，(2)新型传感器及仪器自动化，(3)纳米测试及微型光机电集成技术及系统，(4)信息光学及光存储。
实验室清华大学实验区为了使学科发展均衡，特别是把深圳研究院的“光机电研究室”扩建为一个分室。调整后，清华大学精密测试技术与仪器国家重点实验室研究人员的年龄结构更加合理。目前实验区内共有研究人员96名。其中，有工程院院士1名、教授（研究员）31名、 副教授（高级工程师）35名，实验室专职技术管理人员5人（高级实验师3人）。
在2004年的科研项目中，清华实验区承担了国家“973”两个专题项目中的6个子课题；国家“863”课题9项；国家自然基金重点项目1项，面上项目19项：其中1项为国家杰出青年基金；省部重点科研项目6项；国际合作研究项目4个；重大国际合作研究1项。其科研成果年均获国家科技奖1～2项、省部级5～6项；2002到2004三年共获专利权129项。年均200多篇，2004年SCI收录54篇；2004年科研经费达到了3844余万。
原始创新 成绩斐然
清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的科学研究注重应用基础研究，并以国家的实际需求为最终目标，实验室的许多研究是原创性的，并在实际应用中取得了一系列成果。
超高密度超快速光学体全息存储及相关识别技术研究取得进展
光学体全息存储具有存储密度高、并行传输、冗余度高、寻址速度快和具有关联寻址功能等诸多优点，是光存储研究中最重要的领域之一。实验室在超高密度超快速体全息存储机理、关键技术、小型化系统集成和应用等方面取得了突破性进展，使我国在这一领域的研究达到了国际先进水平。
该项技术的研究成果对于军用、医疗、金融、广播电视等领域大型数据库等数据存储、加密保存和快速传输，制导导弹武器的目标快速跟踪识别锁定等具有十分重要的实用意义。成果的部分相关技术已转为国防重点基金项目实施；该项技术的成功对于提高我国国防能力，保障国家和社会安全等方面研究具有重要意义。
新型微流体器件设计、加工、测试和应用研究成绩显著
新型的微流体系统技术是一个涉及微机械、流动控制和测试等多学科交叉的技术领域，微流体器件与系统在生化检测、医学和航天等领域有重要应用。该项研究是在 “集成微光机电系统”国家“973”项目等的研究基础上完成的，成功实现“微流动机理和技术基础器件和系统设计微制造技术微测试技术应用研究”的微流体技术平台。突破了几个关键技术，研制出了多种关键微器件和应用系统，如：高灵敏度的微量流体控制的微泵和微阀器件及其测试技术、阵列微喷和微推进器系统及其测试技术、生物微量采样和分析芯片的微型仪器技术等。该项技术的研究已经协助创建了两个高科技企业，已有正在发展的产业和应用；以微流体技术平台作为微流体系统开发的基础，将会衍生更多经济和社会效益大的技术和产品。
双频激光理论、现象、器件和在精密计量中的应用研究实现突破
这是一项经长期研究获得的较系统、完整的成果之一：从原理提出，到新器件的研制，再到这些新器件的新特性（效应）的观察发现，然后又利用这些发现创造出新的传感器。在长期的研究中，实验室发现了两个偏振激光模的在腔调谐中的相互竞争（抑制）效应和HeNe激光器和半导体激光器的回馈自混合纳米干涉条纹。首次研究成了以下激光器和测量仪器：应力双折射产生激光频率分裂及双折射双频激光器， 可获得40MHz以上的频差；研制成塞曼-双折射双频激光器，可以产生1 MHz到几百MHz的频率差；成功地将一支普通氦氖激光器“演变”成一个可判向的测量位移的激光器“激光器纳米测尺”；研究成功了激光频率分裂波片测量仪；双折射外腔回馈波片测量仪和激光器偏振、纵模、纵模分裂和模竞争教学实验系统等系列产品。
近年来，精密测试技术与仪器国家重点实验室清华大学实验区也是一系列重大奖项的获得者。2002年，由陆达，潘龙法等完成的“电影数字制作系统及应用研究开发”获得国家科技进步二等奖；2003年，由冯冠平、朱惠忠、刘岩、董永贵等主持完成的“石英数字式力传感器及系列全数字化电子衡器的研究与产业化”获得国家发明二等奖。由叶声华，殷纯永等主持完成的“几何量计量仪器现场校准方法和装置”和由周兆英，朱荣，王晓浩 , 熊沈蜀完成的“MEMS的载体测控系统及其关键技术研究”则分别荣获2004年和2005年的国家发明二等奖。
在省部级科技奖方面，精密测试技术与仪器国家重点实验室清华大学实验区也是建树颇丰。由周兆英、叶雄英、王晓浩等主持完成的“新型微流体器件、结构加工和相关应用研究”获得了2003年度教育部技术发明一等奖；由金国藩、何庆声、曹良才等主持完成的“超高密度超快速光学体全息存储及相关识别技术研究”和由徐端颐，潘龙法等主持完成的“高密度光盘存储技术”则同时获得2005年度教育部技术发明一等奖。
志在一流 勇攀高峰
精密测试技术与仪器国家重点实验室清华大学实验区的学术带头人是金国藩教授。金教授是博士导师，中国工程院院士、教育部科技委副主任，世界光学学会副主席、亚太地区仪器与控制学会主席，美国光学学会（OSA）和国际光学工程学会(SPIE)资深会员。曾任国家自然科学基金委副主任、中国光学学会副主席、中国仪器仪表学会副主席、清华大学精密仪器系主任、机械学院院长等职。自上世纪60年代起从事光学工程研究，是我国光学领域的知名学者，曾主持几十项重大重点科研项目，是我国光学信息存储、信息光学和二元光学的开创人与奠基人，曾获得全国科学大会奖、中国工程院中国工程奖、国家科技进步三等奖，国家教委科技进步一等奖、二等奖、三等奖和第四届国家图书奖提名奖及全国优秀科技图书奖暨科技进步奖（科技著作）二等奖、北京市科技进步一等奖等多个奖项，在国内外220余篇，培养博士研究生40余名，硕士研究生60余名。
光学工程的研究方向范文4
作者简介:宋宇（1979-）, 男, 辽宁沈阳人，讲师, 主要研究方向: 计算机视觉;李庆玲（1979-）, 女, 四川仁寿人，助理研究员, 主要研究方向: 康复机器人、假肢控制。
文章编号:1001-9081（2011）07-1815-03doi:10.3724/SP.J.1087.2011.01815
（1.北京交通大学 电子信息工程学院, 北京100044;2.哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室, 哈尔滨 150080;
3.中国科学院 自动化研究所, 北京100190）
（）
摘 要：光学显微视觉系统的主要特点在于景深短，难以获取反映显微场景的全面信息。为解决该问题，提出基于小波分析的光学显微视觉系统景深扩展策略，分为局部清晰图像获取和多聚焦图像融合两个阶段：首先，以定义的小波系数活性水平为依据，构造了新型清晰度评价函数和聚焦曲线全局极值搜索策略来实现快速自动聚焦、获取局部显微场景信息的目的；然后，为实现多局部聚焦显微图像的融合，设计了小波系数活性水平选择型融合规则来融合获取的多个局部显微场景信息。实验表明，提出方法可有效扩展光学显微镜的景深。
关键词:小波分析；显微视觉；自动聚焦；多聚焦图像融合；景深
中图分类号:TP242.6+2文献标志码:A
Focus depth extension for microscopic visual system based on wavelet analysis
SONG Yu1,2, LI Qing-ling2,3
（1.School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;
2.State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150080, China;
3.Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
Abstract: The main characteristic of optical microscopic visual is a short depth of focus, so it is difficult to obtain overall microscopic scene information. To overcome the problem, a wavelet analysis based strategy was proposed. It consists of two parts: the local information acquisition and the global information fusion. Firstly, based on the designed wavelet activity level measurement, a robust auto-focusing algorithm with new image sharpness function and fast global maximum searching strategy were designed to acquire local microscopic visual information. Secondly, an image wavelet activity level measurement based multi-focus images fusion scheme was presented. At last, the experimental results verify the validity of the proposed strategy.
Key words: wavelet analysis; microscopic vision; auto-focusing; multi-focus image fusion; focus depth
0 引言
光学显微镜由于可以提供微米（亚微米）级的测量精度而且价格相对低廉，被广泛地采用为微操作系统中的传感器件［1］。与宏观光学视觉传感器不同的是，光学显微镜的景深狭小，一般在0.2～120μm［2］，这就为光学显微视觉系统引入了两个主要问题：1）仅当被观测的物于显微镜焦平面内时，才能得到用于后续处理、分析的清晰显微图像，物距稍有偏差就会造成图像细节模糊；2）由于显微视场中的被观测物体不可能同时位于焦平面上（如有一定高度差的被观测物体），通过光学显微镜难以同时观测到显微视场内的被观测物体的全部信息。解决了以上两个问题，就可将光学显微视觉纳入到宏观视觉的技术的框架之内，利用常规宏观视觉、图像处理的技术手段完成显微视觉处理工作。
自动聚焦［3］是获取局部清晰显微图像的有效手段。其中涉及了清晰度函数以及清晰度函数最大化搜索策略两个子问题：清晰度函数是显微图像清晰程度的定量数学描述；清晰度函数最大化搜索策略要解决的问题是通过控制光学显微镜沿其光轴运动，快速找到使清晰度函数达到全局最大值的位置，使得操作者通过人机交互选取的显微图像兴趣区（Region Of Interest,ROI）内的图像最为清晰。代表性的自动聚焦方法主要有基于空域像素灰度梯度的算法（Tenenbaum 梯度、Brenner梯度）；基于频域高频分量和的算法（离散傅里叶变换、离散小波变换）和基于图像像素灰度统计学的算法（方差、熵）三类方法［4］。
然而，通过自动聚焦仅能获取局部清晰的显微图像，难以得到一幅光学显微镜视野内处于不同深度位置上的所有观测物体均清晰成像的景深扩展图像。为解决该问题，本文以离散小波变换为理论工具，综合自动聚焦与多聚焦图像融合技术，提出局部信息获取、全局信息融合的显微视觉景深扩展策略：首先，同时考虑图像小波系数能量及小波系数的局部区域方向梯度能量，给出了图像小波高频系数活性水平测度的定义；然后，基于小波高频系数活性水平测度，分别探讨了快速局部清晰显微图像获取方法和多局部清晰显微图像的融合策略；最后，通过实验验证了提出的显微视觉景深扩展策略的有效性。
1 图像小波系数活性水平测度
根据数字图像的小波分解理论，大小为M×N的数字图像f（x,y）的第j尺度的4频带小波分解表达为：
Wφ（j,m,n）∑M－1x0∑N－1y0f（x,y）φj,m,n
Wiψ（j,m,n）∑M－1x0∑N－1y0f（x,y）ψij,m,n
（1）
式中：φj,m,n为j尺度下的尺度函数；Wφ（j,m,n）为图像在j0尺度下的最粗分辨率估计；ψij,m,n（i{H,V,D}）为图像的j尺度下的水平、垂直和对角（分别用符号H、V、D表示）三个方向的小波函数；Wψ（j,m,n）为分解得到的H、V、D三个方向的小波细节分量。关于小波分析、Mallat快速塔式算法及图像小波分解与重构的详尽相关理论与方法见文献［5］。
令j 代表图像的小波分解尺度，k0，1，2，3代表第j分解层的4个频带，定义小波系数局部梯度能量为：
Grad（Wj,k（m,n））max{KPWj,k（m,n）,
P1～4}（2）
式中：Wj,k（m,n）为第j尺度、第k频带、索引位置（m,n）处的小波系数；KP为图1所示的4个方向梯度卷积核（P1代表135°方向，P2代表垂直方向，P3代表水平度方向，P4代表45°方向）。
定义小波系数能量为：
S（Wj,k（m,n））Wj,k（m,n）（3）
同时考虑小波系数能量和小波系数的局部方向梯度能量，定义小波系数活性水平测度为二者的乘积：
A（Wj,k（m,n））Grad（Wj,k（m,n））Wj,k（m,n）（4）
图1 4个方向梯度卷积核
2 局部清晰显微图像获取
2.1 图像清晰度函数
显微图像清晰度分析是局部结构强度分析到全局信息综合的过程，利用数学工具提取图像的局部结构信息，并以聚焦兴趣区内图像局部强度的总和来代表清晰度［4］。根据定义的小波系数活性水平测度，设计的清晰度评价函数表示为：
F（z）∑（i,j）∈ROIAHL（i,j）+ALH（i,j）+AHH（i,j） （5）
式中:F（z）为深度方向位置z的图像清晰度值；AHL,ALH,AHH 为经一层小波分解后，图像ROI内三个高频子带的小波系数活性水平测度。
2.2 爬山搜索―曲线拟合一步定位搜索策略
为实现鲁棒、快速的自动聚焦，设计了一种智能化的全局最大化搜索策略，称为爬山搜索―曲线拟合一步定位搜索策略，具体过程分为两步：
1）盲人爬山搜索。爬山搜索类似于方程求根的二分法，先以一定的步长从区间的一端向另一端搜索，当越过极值点后再将步长减半反向搜索，如此反复，直到搜索区间的长度达到要求的精度为止。在内存中开辟数组记录当前采样位置的图像清晰度和前两次采样时刻的图像清晰度，参考图2，则爬山越过全局峰值点后，这几个清晰度值间应满足以下关系:
F（z（t））
F（z（t－2））
其中：（z（t）,F（z（t）））为当前时刻采样位置及清晰度值，（z（t－1）,F（z（t－1）））为前一时刻采样位置及清晰度值，（z（t－2）,F（z（t－2）））为前二时刻采样位置及清晰度值。
图2 爬山搜索越过峰值后采样点的关系
即上一采样位置z（t-1）位于焦点附近，z（t-2）与z（t）分别位于焦点的两侧。爬山搜索耗时与精度有关，例如：初始搜索步长设定为300μm，要经6次越过全局峰值后才能达到10μm搜索精度，这无疑将增加自动调焦过程的耗时。为此，设定当爬山搜索精度低于50μm后，就转向峰值曲线拟合定位步骤。
2）峰值曲线拟合定位。在爬山搜索结束后，光学显微镜所已处于正确聚焦位置的附近，假设图像清晰度函数在焦点位置附近的分布曲线为二次曲线，用下式对其进行拟合：
（z）a0z2+a1z+a2（7）
结合满足式（6）的三个图像清晰度函数值及各自的对应物距，可利用拉格朗日插值来求取二次曲线的参数，进而利用式（8）给出的焦点估计位置，驱动电机运动，使光学显微镜一步定位到该位置，完成快速的自动聚焦。
0 z0－（8）
3 多聚焦图像融合
通过对显微视野内处于不同深度位置上物体分别实施自动聚焦，可以得到一系列的局部清晰图像。因而，为了得到一幅显微场景内处于不同深度位置上的观测物体全部清晰成像的景深扩展图像，问题的实质转化为实现多聚焦显微图像的信息融合。
小波分析是信息融合的有效手段，其过程由分解、系数融合和重构三个步骤组成，重点在于小波系数的融合规则。小波系数融合规则大致可分为“选择型”和“权重平均型”两种方式［6-8］，其中“权重平均型”融合规则由于引入平均运算，将不可避免损失高频能量、模糊图像细节，不适用于多聚焦显微图像的融合；“选择型”规则是在多聚焦图像中选取某种准则下“最好”的小波系数来重构图像，可减少融合图像细节的损失。根据定义的小波系数活性水平测度，设计了小波系数活性水平取大的 “选择型”融合规则。以两幅显微图像A和B的融合为例，该规则表示为：
WFj,k（m,n）
WAj,k（m,n）， A（WAj,k（m,n））>A（WBj,k（m,n））
WBj,k（m,n）， A（WAj,k（m,n））≤A（WBj,k（m,n）） （9）
式中：WAj,k（m,n）、WBj,k（m,n）分别为图像A与B的第j层小波分解、第k频带、索引位置（m, n）处的小波系数；WFj,k（m,n）为融合后得到小波系数。
得到融合后各频带的系数后，经窗口一致性检测［8］和重构就得到了输出的融合图像。采用标准Lena图来评价算法性能，图3（a）、（b）为高斯滤波后“人为”制造的部分模糊图像，图3（c）为融合的结果图像。
图3 部分模糊处理后的Lena图及其融合结果
以均方根误差（Root Mean Square,RMS）（式（10））和峰值信噪比（Peak Signal-to-Noise Ratio,PSNR）（式（11））作为客观评价标准［9］，分别采用Biorthogonal小波和Daubechies小波作为基函数进行融合处理，结果见表1、表2。可得到如下结论：当采用Daubechies小波作为基函数、消失矩取4、作5尺度分解时可得到最小的RMS，即图像信息的融合质量最高。
RMS［∑M－1i0∑N－1j0［fp（i,j）－ff（i,j）］2］ （10）
PSNR10 lg （11）
式中：fp（i,j）、ff（i,j）分别为原图像和融合结果图像在索引位置（i,j）处的灰度值。
表1 基于Biorthogonal小波的融合结果
表2 基于Daubechies小波的融合结果
将设计的融合方法与小波系数能量取大（F1）、小波系数方差取大（F2）、小波系数梯度取大（F3）等进行对比（均采用Db4小波作为基函数，作5尺度小波分解）。结果如表3，可以看出，本文提出的方法具有最小的RMS和最高的PSNR，即较其他方法性能更优。
表3 不同方法的融合结果对比
4 实验分析
实验平台为安装在步进马达台上的光学显微视觉系统［4］：光学显微镜为日本骏和V20-507，物镜放大范围为0.75倍～4.5倍，工作距离90mm；安装在目镜处的CCD摄像机为WAT902H微型CCD摄像机。在步进电机、精密丝杠的驱动下光学显微视觉系统可沿光轴方向作可控物距调节运动，运动行程20mm、运动分辨力1μm［1］。
以硅微齿轮和标准量块为例展开信息获取实验。实验原理流程如图4，首先以人机交互的方式选取不同深度方向的观测物体为聚焦兴趣区域（ROI）并实施自动聚焦，聚焦结束后将得到的部分清晰图像存储于缓存中；然后利用设计的多聚焦图像融合方法来扩展光学显微镜的景深，得到一幅反映全部显微观测场景的清晰图像。
图4 显微视觉景深扩展策略
图5为3倍物镜下的硅微齿轮的显微视觉信息获取实验及结果，图5（a）为选取硅微齿轮为兴趣区后经自动聚焦得到的局部清晰显微图像；图5（b）为选取载物台为兴趣区后经自动聚焦后得到的局部清晰显微图像；图5（c）为信息融合结果，得到了一幅硅微齿轮与载物台均清晰成像的显微图像。
图5 硅微齿轮图像的显微视觉景深扩展
图6为4.5倍物镜下标准量块边缘的显微视觉信息获取实验及结果，图6（a）为选取量块为聚焦兴趣区后，经自动聚焦得到的局部清晰显微图像；图6（b）为选取载物台为聚焦兴趣区后，经自动聚焦得到的局部清晰显微图像；图6（c）为融合结果，得到了一幅显微视野内载物台和量块边缘全部清晰的显微图像，有效扩展了光学显微视觉系统的景深。
图6 标准量块图像的显微视觉景深扩展
5 结语
对光显微镜的景深短、信息获取困难的问题展开研究，主要成果有：1）在图像小波分析的基础上，同时考虑图像小波系数能量及小波系数的局部区域方向梯度能量，定义了小波系数活性水平；2）以小波系数活性水平为依据，设计了清晰度评价函数和爬山搜索―曲线拟合定位的聚焦曲线全局极值搜索策略，实现快速自动聚焦、获取局部清晰显微图像的目的；3）以多聚焦图像融合方式扩展光学显微镜的景深，设计了基于小波系数活性水平的融合策略。实验表明，在不变动系统硬件的条件下，提出方法以软件方式实现了光学显微镜的景深扩展。
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光学工程的研究方向范文5
关键词：干涉；振动测量；信号转化
中图分类号：G642.3 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）45-0275-02
一、引言
机械振动在石油的勘探、发电机组的振动监测、各种机床的振动、铁路和桥梁的振动分析等方面有广泛的应用。随着现代工程技术飞速发展，低频微小振动的测量成为振动测量的主要研究方向之一[1]。
基于激光干涉原理进行的光学测量的激光干涉测量法是一种高精度的测量技术[2]。其测量的分辨率和稳定性可以根据实际的应用情况选择适合的调制解调方法来提高。但是，激光干涉测量技术的测量精度受诸多因素的影响，使得理论与实际操作之间还存在较大的差距[3]。常见的高精度激光干涉测量法包括：零差激光干涉法[4]、外差激光干涉法[5]。
ZYGO公司的7705利用塞曼效应产生最大频差为3.65MHz的双频，其测量分辨率可达1.24nm；ZYGO公司的7712利用声光调制法获得频差为20MHz双频，其测量分辨率可达0.31nm[6]；Renishaw公司的ML10gold干涉仪测量分辨率可达1.24nm，测量范围为80m[7]；英国Renishaw公司Agilent（HP）公司的5519B型外差激光干涉仪的测量范围为±21.2m，测量分辨率可达1.24nm[8]。我国四川大学研制的线位移传感器检定仪测量分辨率可达1nm，测量范围20nm[9]；北京航空材料研究院研制的光外差马赫-泽德干涉仪具有良好的线性和重复性，其测量精度达3nm[10]；清华大学殷纯永教授的研究小组研制的SJD5型双频激光干涉仪分辨率达到0.49nm[11]。
本文优化了光路的设计，设计了检测条纹移动变化的方案，实现了光信号到电信号的转换，提高了测量的速度和准确率，从而提高了系统的测量精度。
二、实验原理
用迈克尔逊干涉仪可以观察到等倾干涉图样和等厚干涉图样，基本光路如图1所示。从光源S发出的一束光，经分束镜G1的后表面分成光强近似相等的反射光束1和透射光束2；反射光束1射出G1后投向反射镜M1，反射回来再穿过G1；光束2经过补偿板G2投向M2反射镜，反射回来再通过G2，在G1的后表面上反射。于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，M2经G1下表面所成的像M2'，因M1和M2'之间为空气层，n≈1，则两相干光束的光程差为
=2dcosδ （1）
当M1和M2严格平行时，形成等倾干涉，否则形成等厚干涉。无论是等倾还是等厚干涉，只要迈克尔逊干涉仪一条干涉臂发生移动时，就会有条纹的移动，M1和M2'之间的距离每增加（或减少）λ/2，视场中有一个条纹移过，所以测试光的反射镜向一个方向发生振动时，干涉条纹就会朝相对应的方向移动，振动的频率的快慢影响观察点的明暗变化的快慢。测试光的反射镜的情况与条纹变化情况一一对应，测量出条纹的变化情况即可得到对应的振动情况。
三、实验设计
用函数信号发生器发出信号，将信号输出到压电陶瓷，压电陶瓷将电信号转化为振动信号，检测光的反光镜与压电陶瓷连接，检测光的光程随压电陶瓷的振动而变化，检测光与参考光形成干涉条纹，干涉条纹随检测光与参考光的光程差的变化而变化，所以干涉条纹的变化即反映了压电陶瓷的振动情况。光电检测器检测到条纹的变化情况，将条纹变化这一变化的图像信号转化为电信号。将转化后的电信号输入到计算机，通过计算机程序的运算，得出压电陶瓷的振动信号。
四、实验结果
用信号发生器作为激励源，驱动纳米振动平台，调节信号发生器使纳米振动平台振动幅度为25纳米，振动频率为20赫兹，频率为20赫兹时振动实验干涉仪输出信号为图2所示。
五、结论
本文所用干涉仪的信号处理电路是针对连续的模拟信号进行分析处理，因此，在现有的示波器检测精度下，测量干涉仪分辨率只由噪声决定。首先对振幅为15纳米、频率为20赫兹的振动信号进行测量，然后再分析振动信号频谱可得，此干涉仪能够进行高信噪比测量，干涉仪振动信号信噪比为30dB，分辨率可达到1nm。从而验证了本文提出的改进型迈克尔逊干涉仪用于低频微小振动测量的可行性。
参考文献：
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光学工程的研究方向范文6
【关键词】光电检测技术 课程内容 实验 考核
【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2016）02-0069-02
随着现代科学技术的快速发展，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用的新兴技术，因其测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、传递信息效率高、自动化程度高等突出特点，成为现代检测技术最重要的手段和方法之一。在工业、农业、军事、航空航天以及日常生活中应用得非常广泛，是现代信息类工科学生必须掌握的知识。
自2004年起，光电检测技术课程成为北京信息科技大学光信息科学与技术和测控技术与仪器两个专业共同的一门重要专业课。该课程将光学检测技术与现代微电子技术、计算机技术紧密结合起来，深入讲解各种光电转换技术及器件的原理、特性和基本用法，结合具体应用，详细介绍各种激光干涉、衍射，光纤传感等光电检测方法、技术及系统，最终让学生深入理解光电技术的基础理论和基本知识，对各种光电器件和光电检测技术有一个全面的认识，并且掌握多种光电检测方法，以便在实践中熟练应用，为学生今后的工作打下坚实的基础。理解和掌握这门课程，对于提高学生素质和培养分析能力、创新能力都有重要意义。
同时由于光电检测技术以光电子学为基础，以光电子器件为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用，这正是学院仪器科学与技术和光学工程两个一级学科共同的研究方向。学院众多教师在该方向的长期科学研究过程中，不断加深对光电检测技术的基本理论、实施方法、系统和关键技术的理解和应用，在光、机、电、计算机相结合的激光干涉测量、激光衍射测量、激光跟踪测量、光纤传感检测、光电多自由度监测等各种物理参数测量仪器和系统方面展开了深入研究，取得了丰硕的研究成果并积累了丰富的科研经验。
2013年开始，以精品课程为目标，我们深入开展了光电检测技术课程建设，涉及课程教学内容的更新、实验环节的改进和考核方式的改革等。
一 教学内容
如图所示，一个典型的光电检测系统包括光学处理部分、电子学处理部分，两者通过光电转换部分有机连接成一个整体。与之相对应，光电检测技术课程内容多、发展快、涉及知识面广。为此，我们首先对授课内容进行比较分析和归纳总结，提炼出最基础的关键原理，同时吸取众家之长，结合专业特点，补充有代表性的最新应用。
首先对应用光学、物理光学、信息光学等课程已经讲授的内容大幅度减少授课学时，例如光电检测中常见光源、光学系统和设备相关内容的学时压缩一半；但鉴于辐射度和光度学是专业选修课，一部分学生没有选修，一部分学生选修后掌握不够多，将该部分知识的讲解课时适当增加，补充了一些与学生日常生活关联度高的内容，增强学生学习的兴趣；强化光电转换器件部分，如前所述，该部分所介绍的各种光电转换器件是光电检测技术的关键环节，深入介绍了各种光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、光电成像器件的原理、特性和基础应用，还专门介绍了应用日益广泛的红外热成像探测器；同时考虑到调制解调技术在光电检测系统中的广泛使用，专门对此技术做了重点讲解。调整后整体内容更丰富，兼顾了基础原理和实际应用，学生反馈良好。
――――――――――――――――――――――――
* 北京信息科技大学课程建设项目资助
我们还将课程内容与后续的专业综合实践环节相配合。因为学院两个专业都开设有专业综合实践环节，该环节主要培养学生综合运用所学知识掌握某些光机电系统的设计能力，将所学与实际应用有机结合起来，最终提高学生分析问题和解决问题的能力，培养他们的创新意识及创新能力。光电检测技术正是与专业综合实践相对应的一门重要的综合性课程，我们在授课过程中有意识地将后期综合实践可能涉及的内容经提炼后引入到课程教学中，前期培养学生的综合应用意识和能力，为后续的综合实践环节打好基础。
二 实验环节
课程设有8个学时的实验。通过较充分的实验，使学生在掌握光电检测技术基本理论知识的基础上，培养设计和实施工程实验的能力，并能够对实验结果进行分析。
但我们发现，学生在综合运用理论和技术手段设计系统的能力有所欠缺，主动性不足。为此，我们特别增加了学生自主设计实验，例如让学生自主设计一个光强自动控制装置，能够探测环境的光强，当环境光暗到一定程度后（根据环境情况，制定特定的照度值），能点亮LED。并且环境光越暗，LED越亮。通过此实验，促使学生了解各种光强探测原理及传感器，选择合适的光强探测传感器并设计其驱动电路，掌握输出光强控制方法并设计相关电路，掌握实验调试方法和实验数据分析处理方法。整个实验由学生自主设计，在设计方案审核通过后自主搭建系统并完成功能调试，最终提交完整的设计报告，包括任务分析、调研、系统方案设计、成本核算、具体电路设计、调试过程和测试结果处理。这样的实验学生参与度高、效果更好，对提高学生知识的综合运用能力和手脑结合的能力有较大帮助。
三 考核方式
该课程加强了过程考核，增加了平时作业、课堂表现、小组专题宣讲和实验部分在总成绩中的占比，特别是对于平时表现和实验部分成绩优秀的学生，本人申请获批后，可以免书面考试，以实物作品、论文、竞赛来代替。
对于大多数学生的期末考试，在出题过程中有意识地与课程目标紧密呼应。本课程的课程目标按照工程教育认证标准，主要涉及了通用标准毕业要求各种能力的培养，因此试卷题目也从各个角度对学生的以上能力进行考核。例如，为考核学生了解光电检测技术的现状和发展趋势情况，我们出了让学生填写近年来诺贝尔物理奖主要内容的题目。又比如，为了考核学生掌握基本的创新方法，具有追求创新的态度和意识；具有综合运用理论和技术手段设计系统的能力，设计过程中能够综合考虑经济、环境、法律、安全、健康、伦理等制约因素的情况，我们在考试中有针对性地出了分值较高的光电检测系统综合设计型题目，加强了对学生综合分析和设计能力的考核。
四 结束语
借助光电检测技术课程建设，我们对该课程展开了全面探索和改进，紧密结合工程教育专业认证的要求，梳理了课程教学的内容，增加了学生自主综合实验，改进了课程考核方式，增强了学生的学习兴趣，提高了学生的综合分析和设计能力，初步达到了建设目标。
参考文献
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