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篇1

關(guān)鍵詞 激光電離； 飛行時(shí)間質(zhì)譜； 元素成像； 半定量； 瓷片

1 引 言

陶瓷是伴隨著人類活動(dòng)的古老物件之一。瓷器的碎片經(jīng)常被發(fā)現(xiàn)于各個(gè)古跡遺址中，對古瓷片的胎體、釉面等組成的元素檢測能夠?yàn)榭脊艑W(xué)歷史學(xué)的研究提供豐富而有意義的信息，如古瓷原料分析、制作工藝研究、瓷片的聚類分析等\。目前應(yīng)用于瓷片元素分析常用的方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICPMS）\、激光濺射電感耦合等離子體質(zhì)譜（LAICPMS）\、激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）\、能量色散X射線熒光 （EDXRF） 探針技術(shù)\、質(zhì)子誘發(fā)X射線熒光分析（PIXE）\及中子活化分析（INNA）等。與以上這些方法相比，利用激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜法（LITOFMS）對瓷片的分析無需繁瑣的樣品前處理，具有固體表面直接分析，譜圖干擾少，金屬元素和非金屬元素同時(shí)快速檢測的優(yōu)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)室自行研制的LITOFMS已被成功應(yīng)用于地質(zhì)樣品、環(huán)境樣品，甚至一些生物樣品等多種固體樣品表面金屬元素及非金屬元素的半定量分析\；又在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了新的激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜固體表面元素成像分析系統(tǒng)，且該成像分析體系已在礦石樣品表面元素成像分析中得以應(yīng)用\。瓷片作為不易消解、質(zhì)地堅(jiān)硬的固體樣品，若利用本實(shí)驗(yàn)室研制的LITOFMS及元素成像分析系統(tǒng)對其表面進(jìn)行直接的元素分析，不僅可以實(shí)現(xiàn)瓷片胎體和釉面中金屬元素及非金屬元素的半定量檢測；還能夠滿足表面部分元素非均勻分布的樣品如青花瓷瓷片的表面多元素成像分析。

本實(shí)驗(yàn)對一塊北宋龍泉青瓷瓷片及一塊仿古青瓷瓷片進(jìn)行了釉面和胎體中元素檢測，獲得兩塊瓷片中非金屬元素在內(nèi)的多元素半定量分析結(jié)果，并對比出這兩種不同瓷片中所含元素種類及含量的差異；對一塊明代青花瓷片進(jìn)行了表面元素成像分析，得到Fe, Mn, Co等非金屬元素在內(nèi)的多元素成像圖。2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)室自行研制的激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（LITOFMS）已建立的激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜固體元素成像分析系統(tǒng)（其結(jié)構(gòu)和參數(shù)見參考文獻(xiàn)\）；低速金剛石切割機(jī)（沈陽科晶公司）；超聲波清洗機(jī)。

去離子水（18.3 MΩ?cm）；丙酮（分析純）；北宋龍泉青瓷瓷片，仿古青瓷瓷片，明代青花瓷瓷片由瓷器收藏家王傳明先生慧贈(zèng)。

2.2 北宋龍泉青瓷瓷片和仿古青瓷瓷片中元素的檢測

將瓷片樣品用切割機(jī)切割成約1 cm×1 cm的小瓷片，每種瓷片各切割兩塊；再從中分別各取一塊，利用切割機(jī)小心切除其釉面，露出胎體。繼而將切割好的4塊瓷片在超聲波清洗機(jī)中清洗，烘干，并用丙酮擦洗，以確保待分析樣品表面潔凈。在自制的激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜上進(jìn)行兩種瓷片的胎體及釉面的元素分析。實(shí)驗(yàn)過程中離子源、離子透鏡和飛行時(shí)間質(zhì)量分析器的電參數(shù)設(shè)置見表1。表1 儀器操作參數(shù)設(shè)置

Table 1 Typical operating parameters

激光脈沖頻率 Laser pulse frequency 10 HzSlit Ground激光波長 Laser wavelength532 nmElectrode 1, 2, 5, 6 of Einzel 2Ground

光波脈寬 Laser pulse duration4.4 nsElectrode 3 of Einzel 2

2420 V

3 結(jié)果與討論

3.1 北宋龍泉青瓷瓷片和仿古青瓷瓷片中元素的檢測

目前，已有多種分析方法對瓷片中的元素進(jìn)行檢測分析，有些甚至采用了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)大量瓷片的聚類分析和未知種類瓷片的鑒別\。圖1和圖2即為利用激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜（LITOFMS）對北宋龍泉青瓷瓷片及仿古青瓷瓷片胎體和釉面的元素分析所獲得的譜圖。除了金屬元素，譜圖上也展現(xiàn)了非金屬元素，如O, Si, P等，并且瓷片中的主體元素O, Al, Si, K, Ca等及微量元素P, Ti, Mn, Cr在譜圖中均可清晰看到。使用元素的分離子流除以總離子流的方法可以得到該元素的半定量含量，并根據(jù)元素的常見氧化物形式，可以得到如表3所示的各元素氧化物的無標(biāo)樣半定量分析結(jié)果\。實(shí)驗(yàn)中所檢測的仿古青瓷從外觀顏色上與所檢測的北宋龍泉青瓷非常接近，肉眼較難判別，但分析結(jié)果表明：兩者無論是元素的含量還是種類均存在差異。就胎體中的元素而言，對比圖1中a2與b2，北宋龍泉青瓷

表3 龍泉青瓷和仿古青瓷胎體及釉面元素含量 （%）

Table 3 Element compositions （%） of the body and glaze of Longquan celadon shard made in Song Dynasty （Longquan porcelain） and the imitation of ancient celadon shard （Fake porcelain）

Analite胎體Body龍泉清瓷

Longquan porcelain仿青瓷

Fake porcelain

釉面 Glaze龍泉清瓷Longquan porcelain仿青瓷

Fake porcelain

Na2O

0.10.30.10.5

MgO0.20.30.60.2Al2O322.127.313.614.3SiO2

67.456.264.962.2P2O5－

－0.13－K2O7.710.05.8

7.8CaO0.060.1013.714.6

TiO20.080.70.060.03

Cr2O3－－－0.003

MnO－0.60.080.02Fe2O32.45.01.00.5

瓷片不含Mn，相反仿古青瓷瓷片的元素譜圖上出現(xiàn)了明顯的Mn信號。兩種瓷片的釉面元素也存在差異（圖2）。北宋龍泉青瓷瓷片中含有P，而仿古青瓷瓷片中沒有；由此可以推測前者的瓷釉在制作過程中添加過草木灰作為助熔劑\；另外，Cr只在存在于仿瓷青瓷瓷片釉面中。對比同種瓷片的胎體元素和釉面元素，可發(fā)現(xiàn)釉面中的Ca的含量比胎體中高得多，這與瓷釉原料長石中的Ca含量較高有關(guān)，此

圖1 北宋龍泉青瓷瓷片胎體元素譜圖 （a1）, 放大質(zhì)量范圍48～55（a2）; 仿青瓷瓷片胎體元素譜圖（b1），放大質(zhì)量范圍48～55（b2）

Fig．1 Mass spectra of the body of Longquan celadon shard made in Song Dynasty （a1） and magnified at mass range 48－56 （a2）； Mass spectra of the body of the imitation of ancient celadon shard （b1） and magnified at mass range 48－56 （b2）

圖2 北宋龍泉青瓷瓷片釉面元素譜圖（a1）, 放大質(zhì)量范圍30～32和48～55（a2）；仿古青瓷瓷片釉面元素譜圖（b1），放大質(zhì)量范圍30～32和48～55（b2）

Fig．2 Mass spectra of the glaze of Longquan celadon shard made in Song Dynasty （a1） and magnified at mass range 30－32 and 48－56 （a2）；Mass spectra of the glaze of the imitation of ancient celadon shard （b1） and magnified at mass range 30－32 and 48－56 （b2）

結(jié)果與其它分析方法所獲得的結(jié)果相吻合\。

3.2 明代青花瓷瓷片中多元素成像分析

青花瓷作為我國傳統(tǒng)的釉下彩瓷器，其利用鈷土礦作為著色青料，在白色瓷胎上圖繪后高溫?zé)贫@色。青花瓷中所用青料包括進(jìn)口的蘇麻離青和國產(chǎn)的石子青、平等青等，這些青料主要成分有氧化鈷，其中，國產(chǎn)鈷料與進(jìn)口鈷料相比具有高錳低鈷的特點(diǎn)\。圖3是該明代青花瓷瓷片的多元素成像分析圖，圖中的顏色條形標(biāo)尺為各元素的百分含量；其中，圖3a為樣品的實(shí)際分析區(qū)域，其余圖則為各元素的成像分析圖。圖3b和圖3c中Co、Mn的含量范圍說明該實(shí)驗(yàn)所分析的明代青花瓷瓷片的鈷料具有國產(chǎn)鈷料的高錳低鈷的特點(diǎn)\。另外可以推測,由于燒制以及長期存放的過程，釉面下的青料將逐漸向瓷片表面擴(kuò)散，從而出現(xiàn)青花瓷片的白色釉面和青色釉面兩部分元素的不均勻分布，這些元素則主要是鈷料中所含的元素，如：Co, Mn, Fe等。對比實(shí)際樣品被分析的表面區(qū)域及元素成像圖（圖3），可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合上述推測。利用激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜所進(jìn)行的瓷片表面多元素成像分析與單一的瓷片元素檢測相比，能夠?qū)⒋善亩S空間信息和元素含量信息結(jié)合，更全面地展示出瓷片表面各個(gè)元素及其含量分布的實(shí)際情況。如圖3所示，除了可以觀察到Co, Mn, Fe, Ni這些元素在青釉中的含量高于白釉中的含量，還發(fā)現(xiàn)作為釉面主要元素之一的Ca的含量呈現(xiàn)出白釉高于青釉的趨勢，所形成的Ca的元素成像圖恰好與上述幾種元素成像圖呈互補(bǔ)關(guān)系；對于其它的金屬或非金屬元素（如：Al, Si等）無明顯的青白兩色釉面的不均勻分布，故所獲得的其元素成像圖幾乎均勻一致。

圖3 明代青花瓷瓷片成像區(qū)域（a）和多種的元素成像圖（b～p）

Fig．3 Photograph of the imaging area of Ming Dynasty porcelain （a） and elemental images of （b～p）

3.3 小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室自行研制的LITOFMS儀對一塊北宋龍泉青瓷片及一塊仿古青瓷片進(jìn)行了釉面和胎體中元素檢測，獲得兩塊瓷片中非金屬元素在內(nèi)的多元素半定量分析結(jié)果，并對比出這兩種外觀顏色相近但種類不同瓷片中所含元素種類及含量的差異；又對一塊表面元素非均勻分布的明代青花瓷片進(jìn)行了表面元素成像分析，得到Co, Mn, Fe, Si, P等非金屬元素在內(nèi)的多元素成像圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自制的激光電離飛行時(shí)間質(zhì)譜儀以及元素成像分析系統(tǒng)可以滿足瓷片表面元素的無標(biāo)樣半定量檢測及多元素成像分析，并有望進(jìn)一步利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析實(shí)現(xiàn)大量瓷片的聚類分析及未知種類瓷片的鑒別。

References

1 LI QingLin, WANG Ran, HE ShiWei, YAO ZhengQuan. Journal of Wuhan University （Natural Science Edition）, 2010, 56 （1）： 26～30

李清臨, 王 然, 賀世偉, 姚政權(quán). 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：理學(xué)版, 2010, 56 （1）： 26～30

2 LIU ShunMin, YANG DaWei, LI RongWu, LI GuoXia, CHENG HuanSheng, ZHENG JiongXin, CHEN LiFang. Atom. Energ. Sci. Technol., 2010, 44（2）: 253～256

劉舜民, 楊大偉, 李融武, 李國霞, 承煥生, 鄭炯鑫, 陳麗芳. 原子能科學(xué)技術(shù), 2010, 44（2）: 253～256

3 FENG XiangQian, FENG SongLin, ZHANG WenJiang, FAN ChangSheng, QUAN KuiShan. Nucl. Phys. Rev., 2005, 22（1）: 142～144

馮向前, 馮松林, 張文江, 樊昌生, 權(quán)奎山. 原子核物理評論, 2005, 22（1）: 142～144

4 Li B P, Greig A, Zhao J X, Collerson K D, Quan K S, Meng Y H, Ma Z L. J. Archaeol. Sci., 2005, 32（2）: 251～259

5 Robertson J D, Neff H, Higgins B． Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 2002, 189（14）: 378～381

6 Kuzuya M, Murakami M, Maruyama N. Spectrochim. Acta B., 2003, 58（5）： 957～965

7 Cheng H S, Zhang Z Q, Zhang B, Yang F J. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 2004, 219220： 16～19

8 Xie G X, Feng S L, Feng X Q, Li Y Q, Han H Y, Wang Y Q, Zhu J H, Yan L T, Li L. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B, 2009, 267（5）： 821～824

9 He J, Huang R F, Yu Q, Lin Y M, Hang W, Huang B L. J. Mass. Spectrom., 2009, 44（5）: 780～785

10 Yu Q, Huang R F, Li L F, Lin L, Hang W, He J, Huang B L. Anal. Chem., 2009, 81（11）: 4343～4348

11 Chen L Z, Lin L, Yu Q, Yan X M, He J, Huang B L. J. Am. Soc. Mass. Spectr., 2009, 20（7）： 1355～1358

12 Yu Q, Chen L Z, Hang W, He J, Huang B L. TrACTrend. Anal. Chem., 2009, 20（7）： 1355～1358

13 Huang R F, Zhang B C, Zou D X, Hang W, He J, Huang B L. Anal. Chem., 2011, 83（3）： 1102～1107

14 HUANG RongFu, ZOU DongXuan, ZHANG BoChao, GONG ZhenBin, HANG Wei, HE Jian, HUANG BenLi. Chem. J. Chinese Universities, 2010, 30（11）： 2113～2115

黃榮夫, 鄒冬璇, 張伯超, 弓振斌, 杭 緯, 何 堅(jiān), 黃本立. 高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30（11）： 2113～2115

15 Feliu M J, Edreira M C, Martin J. Anal. Chim. Acta, 2004, 502（2）： 241～250

16 ZHU TieQuan, LIU NaiTao, MAO ZhenWei. Chinese J. Spectrosc. Lab., 2010, 27（5）: 1753～1756

朱鐵權(quán), 劉乃濤, 毛振偉. 光譜實(shí)驗(yàn)室, 2010, 27（5）: 1753～1756

17 Fandiwell P D , Jingri W D. China Ceram., 1989, 3: 58～59

Fandiwell P D , Jingri W D. 中國陶瓷, 1989, 3: 58～59

18 CHEN YaoCheng, GUO YanYi, ZHANG ZhiGang. J. Chinese Ceram. Soc., 1978, 6（4）: 225～246

陳堯成, 郭演儀, 張志剛. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 1978, 6（4）: 225～246

Elemental Analysis of Porcelain Shards by Laser Ionization

TimeofFlight Mass Spectrometry

ZOU DongXuan, YIN ZhiBin, ZHANG BoChao, HANG Wei*, HUANG BenLi

（Department of Chemistry, College of Chemistry and Chemical Engineering,

Xiamen University, Xiamen 361005, China）

Abstract The elemental analysis of ancient porcelain shards plays an important role in porcelain provenance study and identification of early precious porcelain. In this study, a piece of Longquan celadon shard made in Song Dynasty and a piece of an imitation of ancient celadon shard were collected. A application of the laser ionization timeofflight mass spectrometry （LITOFMS） in the elements detection of the body and glaze of both porcelain shards was presented. The elemental analysis results of both shards were found to be different. Also, a piece of blue and white porcelain shard of Ming Dynasty was analyzed and elemental images of Co, Mn, Fe, Ni, Ba, Ca, Mg, Na, Al, Si, P, K, Cu, Zn and Rb were subsequently acquired by a surface elemental imaging system which was developed based on the laser ionization timeofflight mass spectrometry （LITOFMS） .

篇2

關(guān)鍵詞：光電成像；性能優(yōu)化；光學(xué)設(shè)計(jì)

前言：對光電成像系統(tǒng)性能的評價(jià)主要涉及光學(xué)系統(tǒng)和光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化。在對光電成像系統(tǒng)的優(yōu)化過程中，涉及材料、機(jī)械和電子等多門學(xué)科。隨著科技的不斷發(fā)展，陣列探測器更新?lián)Q代的速度相對較快，為了滿足陣列探測器的發(fā)展需求，加強(qiáng)對光電成像系統(tǒng)的研究，并且對其進(jìn)行性能優(yōu)化具有重要的價(jià)值。

1.對光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化

對光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化目標(biāo)主要是對光學(xué)和電學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且提升光電成像系統(tǒng)的性能，同時(shí)降低系統(tǒng)的制作成本。在光電成像系統(tǒng)中，探測器的性能主要是由電荷擴(kuò)散、幾何尺寸和位相時(shí)鐘等因素決定。在使用的過程中，探測器的性能同樣受到環(huán)境、運(yùn)輸和溫度等因素的影響。

在設(shè)計(jì)師對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)成像倍率和瞬時(shí)視場角來決定光學(xué)系統(tǒng)的焦距；并且要根據(jù)信噪比來設(shè)計(jì)孔徑；同時(shí)要根據(jù)尺寸來設(shè)計(jì)相應(yīng)的視場角；另外，要根據(jù)使用換環(huán)境和加工難度來設(shè)計(jì)相應(yīng)的傳遞函數(shù)余量。在理想的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，艾里斑直徑為2.44λF，光學(xué)系統(tǒng)函數(shù)的截止頻率為1/λF，探測器函數(shù)的截止頻率為1/d，當(dāng)艾里斑直徑為1個(gè)像元時(shí)，艾里斑直徑為d，光學(xué)函數(shù)截止頻率為2.44/d。但是當(dāng)艾里斑為一個(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)明顯的缺乏采樣，繼而會(huì)導(dǎo)致探測器受到一定程度的限制。當(dāng)系統(tǒng)傳遞相應(yīng)的頻譜時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致成像失真[1]。

針對系統(tǒng)成像的失真問題，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，可以采用增加空間采樣頻率的方式來提升系統(tǒng)的分辨率。其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，當(dāng)系統(tǒng)的艾里斑直徑為2個(gè)像元時(shí)，系統(tǒng)同樣欠缺采樣，這種設(shè)計(jì)方式主要應(yīng)用于航空相機(jī)和空間相機(jī)，其傳遞函數(shù)相比于設(shè)計(jì)值較低。第二，當(dāng)艾里斑函數(shù)為3個(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的傳遞函數(shù)較為容易達(dá)到0.1，其一般應(yīng)用于中小型的光電成像系統(tǒng)。第三，當(dāng)艾里斑函數(shù)為4個(gè)像元時(shí)，光電系統(tǒng)的分辨率相對較高，適用于實(shí)驗(yàn)室等設(shè)計(jì)環(huán)境。由此可見，在光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中，增加系統(tǒng)空間采樣頻率的方式可以較好的提升系統(tǒng)的分辨率，進(jìn)而可以達(dá)到光電系統(tǒng)的使用性能[2]。

2 系統(tǒng)誤差對函數(shù)的影響

在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于涉及、制造和使用的過程中會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，繼而會(huì)降低傳遞函數(shù)，從而會(huì)影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。根據(jù)科學(xué)研究顯示，其影響性能的因素主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1波像差對函數(shù)的影響

在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，波像差會(huì)對系統(tǒng)的分辨率產(chǎn)生較大的影響，而在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，加工環(huán)境、設(shè)計(jì)和使用等變化均可以影響波像差的變化，從而會(huì)影響光電成像系統(tǒng)的使用性能。在光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其下降因子與波像差之間的關(guān)系如公式1所示：

在公式1中，Wmrs是系統(tǒng)的波像差，單位是波長，ATF（v）是函數(shù)的下降因子，表示空間頻率。當(dāng)系統(tǒng)的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125時(shí)，系統(tǒng)的下降因子會(huì)達(dá)到在最低值。因此，在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)光學(xué)成像系統(tǒng)的過程中，需要對波像差和函數(shù)下降因子進(jìn)行合理的分析，以便可以保證系統(tǒng)的使用性能[3]。

2.2離焦對函數(shù)的影響

在光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)調(diào)焦過程中出現(xiàn)誤差，對系統(tǒng)的函數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)離焦的彌散斑直徑是d的時(shí)候，離焦的函數(shù)如公式2所示：

在公式2中，MTF（u）為離焦，當(dāng)探測器像元的尺寸分別為10%d-d時(shí)，離焦函數(shù)的下降幅度越來越大。在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，為了保證系統(tǒng)的分散率，必須將探測器的像元尺寸控制在30%d以內(nèi)，以便可以保證光電成像系統(tǒng)的使用效率。

2.3像移對函數(shù)的影響

在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，在曝光時(shí)間內(nèi)，像在像面內(nèi)會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)，從而會(huì)在一定程度上導(dǎo)致函數(shù)下降。像移主要包括線性異動(dòng)、高頻隨機(jī)振動(dòng)和正弦振動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)的線性位移數(shù)值為d時(shí)，系統(tǒng)函數(shù)如公式3所示：

在公式3中，ud主要代表空間頻率，當(dāng)系統(tǒng)探測器像元的尺寸分別為10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d時(shí)，像移的下降幅度會(huì)逐漸增大。

在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，光電的函數(shù)主要是由波像差、離焦和像移的乘積得到。對于光學(xué)遙感中的光電成像系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的過程中，可以將空間頻率設(shè)置在0.5左右，在光電系統(tǒng)加工后，其函數(shù)應(yīng)該控制在0.2左右。而系統(tǒng)最終應(yīng)用的函數(shù)應(yīng)該控制在0.1左右[4]。因此，在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，只有設(shè)計(jì)師根據(jù)實(shí)際使用要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，才可以達(dá)到最佳的使用性能。

3 系統(tǒng)的平均傳遞函數(shù)

在光電成像系統(tǒng)中，光學(xué)傳遞函數(shù)在線性空間內(nèi)屬于不變的系統(tǒng)，但是探測器取樣會(huì)不斷的發(fā)生變化。在系統(tǒng)的使用中，為了滿足系統(tǒng)的使用需求，設(shè)計(jì)師可以采用平均函數(shù)的方式來表示空間頻率的變化，以便可以更好的對光電成像系統(tǒng)的性能進(jìn)行優(yōu)化。在光電成像系統(tǒng)的使用中，隨著系統(tǒng)sin函數(shù)和cos數(shù)值的不斷增加，系統(tǒng)的相位值會(huì)逐漸縮小，并且逐漸趨于標(biāo)準(zhǔn)理論值。在數(shù)據(jù)的使用過程中，規(guī)定相應(yīng)的相位等于0.因此，在光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)該盡量的減少函數(shù)的數(shù)值，以便可以保證系統(tǒng)的分辨率。

4 系統(tǒng)的信噪比

在光電成像系統(tǒng)的使用過程中，信噪比是影響系統(tǒng)的重要指標(biāo)。在信噪比的使用過程中，主要分為紅外系統(tǒng)信噪比和光系統(tǒng)信噪比。其分別如公式4和公式5所示。

在公式4中，主要表示紅外系統(tǒng)的信噪比，其中F為孔徑數(shù)，L為地面的輻射亮度。通過公式4，可以較好的對系統(tǒng)的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

在公式5中，Se為信號電子數(shù)，Ne為噪聲電子數(shù)，De為暗信號輸出的電子數(shù)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師要根據(jù)實(shí)際情況來合理的選擇信噪比的數(shù)值。

結(jié)語：光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)系著其分辨率的大小，繼而會(huì)影響人們對光電系統(tǒng)的使用性能。希望通過本文的相關(guān)介紹，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)光電成像系統(tǒng)的過程中，可以合理的設(shè)計(jì)像移、離焦和波像差，以便可以更好的提升光電系統(tǒng)的使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]石涵，都東，蘇志宏，等.醫(yī)用全身正電子發(fā)射成像探測系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)熱點(diǎn)和進(jìn)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2015，01（12）：218-224.

[2]張穎，牛燕雄，呂建明，等.星載光電成像系統(tǒng)建模與性能評估[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2015，02（13）：148-154.

篇3

2、光電成像器件及寬束電子光學(xué)：主要從事各種光電成像器件的原理與技術(shù)、設(shè)計(jì)、檢測及應(yīng)用技術(shù)，寬束電子光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)等方面的研究工作。

3、虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)：主要從事虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)算法、技術(shù)、系統(tǒng)，及其在各領(lǐng)域的應(yīng)用等方面的研究工作。

4、微光與紅外熱成像技術(shù)：主要從事微光與紅外成像探測理論、技術(shù)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試、模擬仿真及總體技術(shù)，目標(biāo)與環(huán)境光學(xué)特性，圖像目標(biāo)探測、識別與跟蹤技術(shù)等方面的研究工作。

篇4

關(guān)鍵詞：激光成像；后向散射；距離選通技術(shù)；CCD

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2011)11-2645-02

近年來，夜視技術(shù)不斷發(fā)展，廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。根據(jù)夜視工作原理不同，夜視系統(tǒng)可以分為兩大類：以微光夜視和紅外熱成像為代表的被動(dòng)夜視系統(tǒng)和以采用激光或紅外燈作照明源為代表的主動(dòng)夜視系統(tǒng)。

被動(dòng)成像系統(tǒng)，隱蔽性好，但工作距離和成像效果受到天空背景照度、氣象條件、目標(biāo)溫度對比等諸多限制，在一些特殊的探測領(lǐng)域如遠(yuǎn)程暗弱目標(biāo)探測，惡劣氣象條件觀測，水下目標(biāo)成像等場合將會(huì)遇到極大的困難[1]。

主動(dòng)成像系統(tǒng)由于自帶照明光源，受外界自然環(huán)境的影響較小，成像效果一般比被動(dòng)系統(tǒng)好。然而，傳統(tǒng)的主動(dòng)式紅外夜視系統(tǒng)，由于體積大、重量重、隱蔽性差等缺點(diǎn)，其應(yīng)用范圍在不斷縮小。采用激光作為照射光源，利用激光的高亮度、高方向性和高單色性等特點(diǎn),對遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)或其局部進(jìn)行照射，以增加返回信號的能量,減小背景輻射的影響，提高系統(tǒng)對遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)的精確跟蹤和成像測量能力,獲得遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高分辨率圖像,從而實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測。如選用合適的成像波長，還可以應(yīng)用于水下成像[7-8]，并且可以在無溫差、零照度環(huán)境中成像。此外還具有抗電磁干擾和抗隱身能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被公認(rèn)為目前最具潛力的復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測模式。由于激光在大氣中傳輸時(shí)，會(huì)受到空氣中氣體分子和懸浮微粒(雨、霧、煙、塵等)吸收和散射、后向散射、背景輻射等影響。同時(shí)，激光束經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸，又經(jīng)目標(biāo)漫反射，實(shí)際返回的光能很弱。在能見度較差的情況下，需要增加激光的功率來獲得遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高分辨率圖像。而隨著激光功率的增加，大氣后向散射作用也隨之增加，強(qiáng)大的后向散射光會(huì)淹沒大量的有用信號不能探測和識別目標(biāo)。本文擬采用脈沖激光器照射目標(biāo)，通過距離選通技術(shù)克服大氣后向散射和背景雜光的影響，從而提高成像系統(tǒng)的作用距離。

1 距離選通激光成像原理

激光器發(fā)射很強(qiáng)的短脈沖，對目標(biāo)進(jìn)行照射，由目標(biāo)反射的激光返回到攝像機(jī)，在目標(biāo)反射光未到達(dá)攝像機(jī)時(shí)，攝像機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)反射光到達(dá)攝像機(jī)時(shí)，選通門開啟，讓來自目標(biāo)的反射光進(jìn)入攝像機(jī)。根據(jù)所要求的景深，攝像機(jī)快門開啟一段時(shí)間，可以獲得從目標(biāo)反射回來的光所形成的圖像，從而排除后向散射光，這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的反射光有關(guān)。當(dāng)攝像機(jī)接收到從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號后，再將選通門關(guān)閉，使背景輻射等其他的干擾光不能進(jìn)入接收器，這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的反射光有關(guān)。如果選通門寬度和激光脈沖寬度足夠短，那么就能去除大部分后向散射大大提高返回信號的信噪比。

本文采用近紅外脈沖激光器和開門時(shí)間可控的CCD設(shè)計(jì)出了一種距離選通激光主動(dòng)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由像增強(qiáng)CCD、脈沖激光器、同步控制電路三部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。工作過程為：激光電源打開，發(fā)射激光，根據(jù)目標(biāo)距離CCD距離和激光器自身延遲時(shí)間，由延時(shí)電路控制ICCD快門打開，根據(jù)圖像質(zhì)量，調(diào)節(jié)激光束的聚焦?fàn)顟B(tài)(發(fā)散角)和ICCD鏡頭，直到接收清晰圖像為止。

2 距離選通激光成像主要關(guān)鍵技術(shù)

在距離選通激光成像系統(tǒng)中，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：激光器的選擇、精確延時(shí)控制電路和CCD的選擇[2]。

2.1 激光器的選擇

激光器是距離選通激光成像系統(tǒng)的發(fā)射器件，它主要用于提供照射目標(biāo)能量。在此系統(tǒng)中根據(jù)成像2km的距離計(jì)算，要求激光的峰值功率達(dá)到1000W以上；要求單兵攜帶，小型一體化對激光器提出了更高要求。

因此該系統(tǒng)對激光光源的主要要求是：① 峰值功率：具有一定的輸出功率或能量，該系統(tǒng)使用脈沖激光器，要求要有較高的峰值功率，以保證有足夠的作用距離。② 中心波長的選擇：即與CCD光電轉(zhuǎn)換效率要匹配，大氣傳輸性能好。③ 光束質(zhì)量：激光光束質(zhì)量好。④ 脈沖寬度：要求較窄的脈沖寬度，以便更好地將脈沖信號同后向散射分開。⑤ 壽命長，體積小，重量輕。

從功率和體積分析：目前，實(shí)用的激光器主要有氣體激光器，固體激光器和半導(dǎo)體激光器[3]。氣體激光器光束質(zhì)量好，功率大，但是一般體積龐大，不能小型化[3]。固體激光器主要分為閃光燈泵浦和半導(dǎo)體激光器泵浦，半導(dǎo)體激光器泵浦與閃光燈泵浦方式相比，其譜線線寬窄（

從激光中心波長分析，激光波長的選擇必須綜合考慮CCD的光電轉(zhuǎn)換效率、大氣傳輸衰減性能以及鏡頭的透過率等。從現(xiàn)有的激光成像系統(tǒng)，有采用1.06um近紅外、532nm 綠光、808 或 880nm 近紅外；如果選用工作波長為1.06um的近紅外，普通CCD的光電轉(zhuǎn)換效率很低，相對光電轉(zhuǎn)換效率只有0.07％。如果采用相應(yīng)波段的CCD，價(jià)格太高；532nm 綠光屬于可見光，容易被敵方偵測到。且兩者穿透戰(zhàn)場煙塵的能力較差。

綜上考慮我們選用808nm 近紅外的激光二極管陣列。

2.2 精確延時(shí)控制電路

為消除大氣后向散射作用，通常采用距離選通技術(shù)，距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通型CCD攝像機(jī)，以時(shí)間的先后分開不同距離上的散射光和目標(biāo)的反射光，使被觀察目標(biāo)反射回來的輻射脈沖剛好在CCD攝像機(jī)選通工作的時(shí)間內(nèi)到達(dá)攝像機(jī)并成像[4,6]。

其工作過程為激光器發(fā)射很強(qiáng)的短脈沖照射目標(biāo)，這時(shí)接收器的選通門是關(guān)閉的，這樣就擋住了大氣中懸浮微粒引起的后向散射光；當(dāng)反射光到達(dá)攝像機(jī)時(shí)，選通門開啟，讓來自目標(biāo)的反射光進(jìn)入攝像機(jī)。選通門開啟持續(xù)時(shí)間與激光脈沖一致。接收到從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號后， 再將選通門關(guān)閉， 使背景輻射等其他的干擾光不能進(jìn)入接收器。這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的反射光有關(guān)。如果選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很窄，使得只能探測到目標(biāo)附近的反射光，那么就能大大提高回波信號的信噪比。

在這里涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有三點(diǎn)：

① 激光脈沖信號的產(chǎn)生

根據(jù)CCD的工作頻率，要求產(chǎn)生周期為25Hz，脈沖寬度從50ns～100μs可調(diào)的脈沖信號，通過計(jì)算可以算出占空比為1.25×10－4%～0.25%，占空比很少，現(xiàn)有的器件很難滿足要求，可以采用FPGA或CPLD技術(shù)。

② 時(shí)間同步控制

激光器按照設(shè)定的脈沖寬度和周期發(fā)射激光脈沖，同步控制電路根據(jù)目標(biāo)距離及系統(tǒng)延遲計(jì)算同步延時(shí)時(shí)間，再向CCD發(fā)送曝光觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)快門對回波的距離選通。在這里同步控制精度要求在ns級范圍。

③ 焦距同步控制。

根據(jù)延遲時(shí)間，計(jì)算作用距離，控制鏡頭焦距與激光作用距離一致。

2.3 CCD選擇

接收機(jī)要求具有外觸發(fā)功能、高空間分辨率和高量子效率，噪聲低，有足夠的增益動(dòng)態(tài)范圍。大多數(shù)圖像探測器使用CCD攝像機(jī)，但是在微光條件下不能提供高分辨率圖像，對激光器功率要求高。因此可以采用近紅外攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)距離選通成像[5]。

近紅外攝像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)和成像電路系統(tǒng)兩部分組成，完成對目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

光學(xué)系統(tǒng)需要具備兩個(gè)功能：與紅外激光光源相匹配，實(shí)現(xiàn)對激光波長的單透，截至其它波長的雜光；實(shí)現(xiàn)鏡頭的成像功能。

近紅外攝像系統(tǒng)的CCD成像電路安裝在光學(xué)系統(tǒng)之后，完成光電轉(zhuǎn)換、曝光控制、數(shù)據(jù)輸出等功能。主要包括CCD傳感器、CCD驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)序發(fā)生器與電源變換等功能。

3 試驗(yàn)

該項(xiàng)目組對紅外距離選通激光成像系統(tǒng)進(jìn)行了原理驗(yàn)證：光源采用氙燈泵浦脈沖Nd：YAG激光器，波長1064nm，脈沖寬度10ns，頻率4Hz，能量100mJ。CCD采用帶外觸發(fā)功能的攝像機(jī)。在夜晚對500m目標(biāo)進(jìn)行了照射，先采用非主動(dòng)照明，照明圖像如圖1所示；再采用主動(dòng)照明不采用距離選通技術(shù)，獲取圖像如圖2所示；最后采用激光選通技術(shù)，獲取圖像如圖3所示。

圖1 非主動(dòng)照明夜間圖像圖2 主動(dòng)非距離選通圖像 圖3 距離選通圖像

從實(shí)驗(yàn)圖像，可以看出：在夜間看不到圖像的情況下，采用激光照明，可以看到圖像。圖2不采用距離選通技術(shù)，圖像有很明顯的后向散射光，幾乎看不清圖像。圖3加入距離選通技術(shù)，圖像清晰，很好的抑制了后向散射光?？梢娫摲桨缚尚小?/p>

4 結(jié)論

本文討論了激光成像探測系統(tǒng)的基本原理及所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于距離選通方法的激光主動(dòng)成像系統(tǒng)，并進(jìn)行了原理驗(yàn)證試驗(yàn)。激光距離選通成像技術(shù)能夠克服被動(dòng)成像的缺點(diǎn)，能大大減少激光成像的后向散射，提高圖像的信噪比，可以在全天候、零照度條件下工作，在目標(biāo)探測、偵察、瞄準(zhǔn)、跟蹤和導(dǎo)航等軍事領(lǐng)域和搜索、營救、車輛識別等非軍事領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐效文.應(yīng)用激光主動(dòng)成像探測小暗目標(biāo)的技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院研究生院,2004.

[2] 徐效文.激光距離選通成像關(guān)鍵技術(shù)[J].激光技術(shù),2003,27(6),603-605.

[3] 孫志慧,鄧甲昊,閆小偉.國外激光成像探測系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)[J].科技導(dǎo)報(bào),2008,26(3):74-79.

[4] 趙巖,翟百臣.激光距離選通成像同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].紅外與激光工程,2005,34(5):526-529.

[5] 徐效文,郭勁.一種改進(jìn)的激光距離選通成像系統(tǒng)[J].激光與紅外,2004,34(1):3-5.

[6] 王冬梅,張濤,閏豐.基于距離選通的激光主動(dòng)照明技術(shù)的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2006,22(7-1):48-50.

篇5

什么是藍(lán)光鼠標(biāo)

藍(lán)光鼠標(biāo)是采用了藍(lán)光引擎的光學(xué)鼠標(biāo)，典型特征是鼠標(biāo)底部發(fā)出藍(lán)色的光線。典型產(chǎn)品包括微軟BlueTrack藍(lán)影技術(shù)的“越野藍(lán)影”鼠標(biāo)、雷柏7100藍(lán)光鼠標(biāo)等。

傳統(tǒng)光電鼠標(biāo)有什么優(yōu)劣

通常所說的“光電鼠標(biāo)”，其實(shí)是有三種類型的引擎：傳統(tǒng)的紅色LED光學(xué)引擎和紅色激光引擎，最新的LED藍(lán)光引擎。

1　紅色LED光學(xué)鼠標(biāo)的優(yōu)劣

紅色LED光學(xué)鼠標(biāo)主要由發(fā)光二極管，透鏡組件，光學(xué)引擎以及控制芯片組成。

光學(xué)鼠標(biāo)底部的LED燈光以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面所產(chǎn)生的陰影，然后再通過平面的折射透過另外一塊透鏡反饋到傳感器上。

鼠標(biāo)移動(dòng)的時(shí)候，成像傳感器連續(xù)記錄漫反射得到的陰影圖案(可以想象為照相機(jī)在連續(xù)拍照)，數(shù)字信號處理器對前后的“照片”進(jìn)行對比，得到鼠標(biāo)的移動(dòng)軌跡。

原理簡述：紅色LED發(fā)光、漫反射成像

優(yōu)勢：LED節(jié)能且壽命長、成本低、易制造。

劣勢：鼠標(biāo)適應(yīng)能力差，需鼠標(biāo)墊。

2　紅色激光鼠標(biāo)的優(yōu)劣

根據(jù)中學(xué)物理就可以知道，鼠標(biāo)的激光光源照射在工作表面會(huì)產(chǎn)生干涉條紋并形成光斑傳感器通過這些光斑點(diǎn)的位置就能定位X、Y軸坐標(biāo)，從而計(jì)算出光標(biāo)移動(dòng)的數(shù)值。

原理簡述：紅色激光發(fā)光、鏡面反射成像

優(yōu)勢一：激光的鏡面反射圖案能產(chǎn)生更大的反差，使成像傳感器得到的圖像更易辨別，鼠標(biāo)定位更加精確。

優(yōu)勢二：因?yàn)榧す馐菃我徊ㄩL光，聚焦很好，反射強(qiáng)度比紅色LED光要強(qiáng)，適應(yīng)的工作表面也就更多。

劣勢：成本高昂、壽命較LED短。

藍(lán)光鼠標(biāo)的優(yōu)勢

因?yàn)槲④汢IueTrack藍(lán)影技術(shù)是目前比較典型的藍(lán)光技術(shù)，以下的藍(lán)光鼠標(biāo)原理都基于微軟“藍(lán)影鼠標(biāo)”的例子?！霸揭八{(lán)影”鼠標(biāo)使用的是和傳統(tǒng)紅光LED光學(xué)鼠標(biāo)一樣的LED光源(只是改為藍(lán)色)，但是，它實(shí)際上綜合了兩種傳統(tǒng)光電鼠標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)。

從光路示意圖可以看到，藍(lán)光LED發(fā)射出的光線通過校準(zhǔn)鏡片匯集，照射在工作表面上，再反射到成像鏡片，經(jīng)過二次匯集，在成像傳感器上威像。成像傳感器相當(dāng)于一臺(tái)高速連拍照相機(jī)，能夠在每秒鐘拍攝數(shù)千張照片，并將它們傳送至圖像處理芯片，經(jīng)過芯片對每張照片的對比，最終得出鼠標(biāo)移動(dòng)的軌跡。

從微軟“越野藍(lán)影”藍(lán)光鼠標(biāo)的內(nèi)部拆解圖可以看到藍(lán)色的LFD光源。藍(lán)色光源加上透鏡匯聚效果使最終進(jìn)入成像鏡頭的光束量達(dá)到激光引擎的4倍，能夠讓光學(xué)傳感器獲得更大的進(jìn)光量。

小知識：為什么鼠標(biāo)的光學(xué)傳感器需薹更大的進(jìn)光量

舉一個(gè)例子，拍照時(shí)照片需要足夠的曝光，可以通過加大光圈(增加進(jìn)光量)或者是延長曝光時(shí)間(降低快門，單位時(shí)間內(nèi)拍攝速度)來實(shí)現(xiàn)。為了精確定位光學(xué)傳感器是不可能降低拍攝速度的，所以增大進(jìn)光量不僅可以讓光學(xué)傳感器拍出的每張照片都能夠有足夠的曝光，同時(shí)還可以提供足夠的進(jìn)光量使光學(xué)傳感器在單位時(shí)間內(nèi)盡可能多地拍攝出鼠標(biāo)移動(dòng)軌跡圖片，達(dá)到更加精確的定位效果。

原理簡述：藍(lán)色LED發(fā)光、鏡面反射成像

優(yōu)勢一：結(jié)合紅色LED光學(xué)鼠標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，采用藍(lán)色LED光源，成本低，易制造，且具有LED的節(jié)能優(yōu)勢。同樣的電池，藍(lán)光鼠標(biāo)續(xù)航時(shí)間比紅光鼠標(biāo)大約高出33％。

優(yōu)勢二：結(jié)合紅色激光鼠標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)，采用比紅色LED光波長更短的藍(lán)光，進(jìn)光量大，鏡面反射成像原理使它的成像細(xì)節(jié)更清晰，從而使鼠標(biāo)的定位更精確。在CS等射擊游戲中，藍(lán)光鼠標(biāo)的瞄準(zhǔn)更精確，位置移動(dòng)也會(huì)更快。

優(yōu)勢三：短波長和鏡面反射成像原理使藍(lán)光鼠標(biāo)的表面適應(yīng)性更強(qiáng)，可以適應(yīng)多種材質(zhì)表面。帶著藍(lán)光鼠標(biāo)外出，可以徹底拋棄鼠標(biāo)墊。無線藍(lán)光鼠標(biāo)也能實(shí)現(xiàn)真正的自由移動(dòng)。

從下面的對比測試圖可以看到藍(lán)光鼠標(biāo)和傳統(tǒng)光學(xué)鼠標(biāo)在適應(yīng)性上的差別。

篇6

關(guān)鍵詞：物理光學(xué)；應(yīng)用光學(xué)；教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”是信息光學(xué)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課。物理光學(xué)從光的電磁理論出發(fā)講述了光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、衍射、偏振特性。應(yīng)用光學(xué)不涉及光的波動(dòng)本性，以光的直線、獨(dú)立傳播、折射、反射等實(shí)驗(yàn)定律為基礎(chǔ)，研究受限光束的成像，特殊光電傳播過程的規(guī)律；在光學(xué)系統(tǒng)中進(jìn)行光路追跡，研究光學(xué)系統(tǒng)成像特性、應(yīng)用及初步設(shè)計(jì)。通過“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的學(xué)習(xí)不僅使學(xué)生建立起有關(guān)光的電磁理論的完整體系，能夠運(yùn)用光的電磁理論分析光的波動(dòng)性、光在不同介質(zhì)（包括物理光學(xué)元件和幾何光學(xué)元件）中的傳播和控制問題，能夠解決光電工程中的基本光學(xué)技術(shù)問題；同時(shí)還能使學(xué)生了解現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展和前沿，以及在光電技術(shù)中的應(yīng)用；為“光電子技術(shù)”“激光原理”“光纖通信”等后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。因此，“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程是“現(xiàn)代光電子”“光學(xué)信息處理”“光纖通信”“光電傳感技術(shù)”等課程的重要基礎(chǔ)理論課程，也是光通信、光電子、光信息、光學(xué)工程類專業(yè)的考研課程。

一、“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的內(nèi)容及特點(diǎn)

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)從2006級學(xué)生開始開設(shè)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課，其內(nèi)容包括：光在各向同性介質(zhì)、各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，光的干涉、光的衍射，幾何光學(xué)基礎(chǔ)，理想光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)的象差基礎(chǔ)，光學(xué)儀器等。從教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程時(shí)感到很吃力，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要因?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面：一是由于中學(xué)的光學(xué)知識少而簡單，與大學(xué)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”知識跨度很大；二是物理光學(xué)部分涉及到的理論用到的數(shù)學(xué)知識太難；三是應(yīng)用光學(xué)部分概念、公式多且抽象難記；四是本課程數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)繁雜使學(xué)生望而生畏，難以提起興趣；五是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程純理論，無相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)；六是教材和課堂教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用、當(dāng)今光學(xué)領(lǐng)域的前沿技術(shù)脫節(jié)，學(xué)生對光學(xué)的運(yùn)用和前景感到迷茫。因此，加強(qiáng)對“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”基礎(chǔ)課的教學(xué)研究、適應(yīng)教學(xué)要求和學(xué)生學(xué)習(xí)要求，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)質(zhì)量十分必要。

二、教學(xué)內(nèi)容及方法的改進(jìn)

考慮到“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的重要性，根據(jù)該課程理論性較強(qiáng)、概念較抽象的特點(diǎn)，為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的積極性，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、教學(xué)課件、加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行了調(diào)整。

第一，從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行調(diào)整。自2007級學(xué)生開始，增加了ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的介紹。ZEMAX是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化、公差等分析功能。通過該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠初步設(shè)計(jì)出簡單的單鏡頭及雙單鏡頭，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，可以適當(dāng)輔助對概念的理解。

第二，在教學(xué)方法上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在物理光學(xué)部分適當(dāng)減少繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，注重物理思想的講解；物理光學(xué)部分?jǐn)?shù)學(xué)推導(dǎo)往往是繁雜、冗長和枯燥的，要耗費(fèi)大量的課堂教學(xué)時(shí)間，而且容易使學(xué)生望而生畏。簡化數(shù)學(xué)推導(dǎo)，以光學(xué)中的光學(xué)定律和物理問題為線索，讓學(xué)生了解光學(xué)定律的適用范圍可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。比如光的電磁理論部分菲涅耳公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)比較繁瑣，而且公式難記，為此在教學(xué)中不要求學(xué)生掌握推導(dǎo)公式，而要求學(xué)生會(huì)用公式分析反射系數(shù)、透射系數(shù)及反射率、透射率與入射角和界面兩邊折射率的關(guān)系即可。在教學(xué)過程中注重對比，如在講解邁克爾遜干涉儀、馬赫澤德干涉儀及法布里干涉儀時(shí)，對三種干涉儀的工作原理及應(yīng)用進(jìn)行比較，學(xué)生掌握起來更容易；在講解衍射問題時(shí)將單峰衍射、圓孔衍射、矩孔衍射及多縫衍射的實(shí)驗(yàn)裝置，衍射圖樣的特點(diǎn)及亮暗條紋的位置，條紋寬度等對比講解，學(xué)生在對比基礎(chǔ)上理解記憶的效果更好。在幾何光學(xué)的成像問題中，將單球面折射、球面反射及透鏡的成像進(jìn)行對比，包括成像公式、焦距的表達(dá)式及放大率的公式進(jìn)行對比，在光學(xué)儀器部分將放大鏡、顯微鏡及望遠(yuǎn)鏡的放大率進(jìn)行對比，這樣更有利于學(xué)生對公式的理解記憶及應(yīng)用。

第三，在課件制作上加入phy3D演示。如，講解凸凹透鏡的成像、球面鏡的反射成像、玻璃球的成像在推導(dǎo)完成像公式時(shí)要進(jìn)行相應(yīng)部分的光路圖的phy3D演示，這些演示可以任意改變物距、像距或焦距，學(xué)生能夠直觀地觀察到這些系統(tǒng)在成像過程中物距、像距和焦距之間的關(guān)系，彌補(bǔ)了枯燥的單純理論計(jì)算的缺點(diǎn)。再如，在講述邁克爾遜干涉儀時(shí)通過3D演示，學(xué)生可以清楚地看到光的傳播過程，通過調(diào)整兩鏡的距離及位置看到干涉圖樣的變化，有助于加強(qiáng)理解。光的衍射問題向來是學(xué)生理解的難點(diǎn)，通過phy3D的演示學(xué)生能夠清楚地看到障礙物尺寸變化時(shí)衍射圖樣的變化。

第四，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。為了培養(yǎng)復(fù)合型的實(shí)用人才，要求學(xué)生必須具有一定的實(shí)際工作技能，以便走上工作崗位后能很快地適應(yīng)工作環(huán)境。因此，為鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，增強(qiáng)學(xué)生畢業(yè)后的工作適應(yīng)性，教學(xué)中必須高度重視實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，而畢業(yè)設(shè)計(jì)正好能增強(qiáng)學(xué)生的光學(xué)設(shè)計(jì)水平，從而培養(yǎng)出既有理論又有實(shí)踐水平的高級專門人才。自引入ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件以來，物理系三屆畢業(yè)生中已有七名學(xué)生用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)效果良好。

第五，改革考試內(nèi)容和考試方法，命題從以知識立意為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅芰α⒁鉃橹?，加?qiáng)了概念題、應(yīng)用題以及與圖形結(jié)合的判斷題，適當(dāng)出一些開放題、討論題；改變一卷定總評的情況，采取措施多元化測試學(xué)生的能力，比如將學(xué)生論文、平時(shí)作業(yè)成績、期中考試成績、期末考試的分?jǐn)?shù)折算計(jì)入總評等，每次考試后都堅(jiān)持進(jìn)行分析評估，找出教學(xué)中的薄弱環(huán)節(jié)。

三、教學(xué)中還存在的問題及今后的計(jì)劃

第一，“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”是內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，目前沒有設(shè)置相應(yīng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)，理論和實(shí)踐有所脫節(jié)，加大了學(xué)生對理論理解的難度。

第二，沒有將光學(xué)的最新發(fā)展融入教學(xué)。針對以上問題，一是應(yīng)盡快引入演示實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的儀器設(shè)備進(jìn)行演示；通過實(shí)驗(yàn)?zāi)苁箤W(xué)生接觸并使用一些典型的光學(xué)系統(tǒng)為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和今后的工作中利用或組合這些光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)造性工作打下基礎(chǔ)。二是增加現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容，將光學(xué)的最新發(fā)展和研究成果融入講授內(nèi)容，使學(xué)生能緊跟科技發(fā)展步伐，這樣不但可以擴(kuò)展學(xué)生的基礎(chǔ)知識，還可以開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)可以使學(xué)生了解學(xué)科前沿的概況及其發(fā)展動(dòng)態(tài)，進(jìn)一步拓寬學(xué)生的知識面，使他們的知識結(jié)構(gòu)更趨合理。三是教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)和難點(diǎn)應(yīng)通過課前預(yù)留預(yù)習(xí)作業(yè)與課后作業(yè)的方式分解消化；上課時(shí)應(yīng)針對重點(diǎn)和難點(diǎn)問題采用討論式等多種教學(xué)手段，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和自主學(xué)習(xí)的能力。四是充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，將傳統(tǒng)教學(xué)手段和輔助教學(xué)方式相結(jié)合，提高教學(xué)效果。針對課堂教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)，利用CAI課件、錄像、網(wǎng)絡(luò)資源等增加學(xué)生對知識的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生掌握教學(xué)內(nèi)容。五是在完成基本教學(xué)任務(wù)的前提下，針對不同層次學(xué)生的需求，適當(dāng)擴(kuò)充一些知識，這樣既可以鞏固所學(xué)知識，還可以提高學(xué)生的動(dòng)手動(dòng)腦能力，為將來的就業(yè)打下一定的基礎(chǔ)；對有志向考研的學(xué)生，可以提前給他們提供一些重點(diǎn)院校的考試真題，讓他們有所準(zhǔn)備，并能夠根據(jù)自己的能力選擇合適的院校，以免到了大四盲目選擇考研院校。

以上是筆者從事“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”教學(xué)的一些體會(huì)、所做的改進(jìn)與嘗試以及下一步努力的方向，希望通過改革使“物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)質(zhì)量有所提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]張崇善.探究式：課堂教學(xué)改革之理想選擇[J].教育理論與實(shí)踐，2001，21（11）：39-42.

[2]段曉燕，等.從問題出發(fā)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的課程體系[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29（5）：112-113.

[3]談恒英.注重綜合改革，建設(shè)物理光學(xué)精品課程[J].光電子技術(shù)與信息，2004，17（6）：83-85.

[4]李玉紅.光學(xué)課程教學(xué)改革實(shí)踐與成果[J].高等理科教育，2006，

（2）：97-99.

[5]蔡履中.在基礎(chǔ)光學(xué)教學(xué)中貫徹以人為本的素質(zhì)教育思想的探討與實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2004，23（4）：47-58.

[6]劉風(fēng)英.關(guān)于波動(dòng)光學(xué)教學(xué)改革的實(shí)踐與設(shè)想[J].工科物理，

1999，9（5）：48-49.

篇7

關(guān)鍵詞 教學(xué)方法 研討式教學(xué) 應(yīng)用光學(xué) 創(chuàng)新能力

專業(yè)課程是本科生培養(yǎng)方案的重要組成部分，主要介紹與專業(yè)相關(guān)的知識和技術(shù)，它架起了所學(xué)基礎(chǔ)知識到實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)橋梁，對于本科生畢業(yè)后走向相關(guān)的技術(shù)崗位或進(jìn)一步學(xué)習(xí)深造都具有重要的作用。但是受傳統(tǒng)教學(xué)理念和方法的影響，目前在專業(yè)課程特別是專業(yè)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中，大多還是采取知識傳授為主的教學(xué)方式，即教師講授為主，學(xué)生被動(dòng)接受，真正參與到教學(xué)活動(dòng)的程度不高，教學(xué)效果有待提高，教學(xué)改革特別是教學(xué)方法與手段的革新迫在眉睫。

現(xiàn)代教學(xué)理念主張要讓學(xué)生成為教學(xué)活動(dòng)的主體，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力，突破傳統(tǒng)的以知識傳授為主的教學(xué)方法，教師更應(yīng)該注重去啟發(fā)和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究。二十世紀(jì)九十年代以來，以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家在高等教育中積極倡導(dǎo)研究討論式教學(xué)，美國博耶委員會(huì)發(fā)表的著名研究報(bào)告《重建本科教育――美國研究型大學(xué)藍(lán)圖》中將研究型教學(xué)模式明確為本科教學(xué)的基本要求，其中研討式教學(xué)方法是研究型教學(xué)的重要組成部分。新世紀(jì)以來，由于高校擴(kuò)招帶來了一系列的問題，包括生源質(zhì)量不斷下降、師資力量和教學(xué)資源緊缺、畢業(yè)學(xué)生整體水平在不斷下降等。針對此，國內(nèi)高校也積極開展了教育教學(xué)改革，其中課程教學(xué)改革是重要的組成部分。2005年，教育部在“關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見”中強(qiáng)調(diào)“要積極推動(dòng)研究型教學(xué)，提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力”，對開展研討式教學(xué)做出了明確的要求。

“應(yīng)用光學(xué)”課程是光學(xué)工程及相近專業(yè)開展光學(xué)理論和光學(xué)技術(shù)教育的專業(yè)基礎(chǔ)，主要講授幾何光學(xué)的基本理論與應(yīng)用，側(cè)重于典型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、成像特性分析以及實(shí)際應(yīng)用，對學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)設(shè)計(jì)、光信息理論等后續(xù)課程和從事光學(xué)研究具有十分重要的作用。它不僅是與我國光學(xué)儀器等相關(guān)專業(yè)一同誕生的傳統(tǒng)課程，也是全球具有悠久光學(xué)工程教育歷史的國際一流大學(xué)共同擁有的一門經(jīng)典課程?！皯?yīng)用光學(xué)”是我校軍用光電工程專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)專業(yè)課程（如“物理光學(xué)”、“軍用光電技術(shù)”、“軍用光電系統(tǒng)與裝備”、“激光原理”等）的學(xué)習(xí)奠定必備的基礎(chǔ)知識。針對該課程應(yīng)用性較強(qiáng)的特點(diǎn)和當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)方法存在的不足之處，緊緊圍繞軍用光電專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)，探索了研討式教學(xué)方法在專業(yè)課程教學(xué)中的應(yīng)用，取得了較好的教學(xué)效果，為下一步在其它專業(yè)課程中全面實(shí)施研討式教學(xué)模式打下了基礎(chǔ)。

1課程特點(diǎn)與當(dāng)前教學(xué)方法存在的不足

專業(yè)課程的學(xué)習(xí)是我校軍用光電工程專業(yè)本科學(xué)生大學(xué)教學(xué)訓(xùn)練的重要組成部分，為將來走向工作崗位熟悉現(xiàn)代光電裝備打下基礎(chǔ)?！皯?yīng)用光學(xué)”主要是利用幾何光學(xué)的方法分析各類光學(xué)系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，目前教學(xué)內(nèi)容主要包括“幾何光學(xué)基本原理”、“光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與像差分析”和“光學(xué)系統(tǒng)”三部分。其中，“光學(xué)系統(tǒng)”部分與設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)合最緊密，包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、顯微鏡系統(tǒng)、照相機(jī)系統(tǒng)、投影儀系統(tǒng)、激光光學(xué)系統(tǒng)、光纖光學(xué)系統(tǒng)、紅外光學(xué)系統(tǒng)等。對這些系統(tǒng)的了解與學(xué)習(xí)，對于軍用光電工程專業(yè)學(xué)生將來在工作崗位上能夠熟練掌握與操作光電類武器裝備十分重要。但是，目前的教學(xué)內(nèi)容不太適合軍用光電工程專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)，而且當(dāng)前的教學(xué)方法也存在一些不足。

1.1教材缺乏技術(shù)更新、軍事特色和趣味性

我校課程標(biāo)準(zhǔn)中選用的教材是安連達(dá)教授等編寫的《應(yīng)用光學(xué)》（北京理工大學(xué)出版社，2002年3月第3版）。該書對于一般的光電和光信息類專業(yè)而言，是一本較好的《應(yīng)用光學(xué)》課程教材，概念和基本原理介紹非常清晰，光學(xué)系統(tǒng)的選擇也具有普遍的代表性。但是，對于我校軍用光電工程專業(yè)的學(xué)生而言，該教材存在以下幾個(gè)不足之處：

（1）缺乏技術(shù)更新?？v觀人類科技發(fā)展的歷史，最新的技術(shù)大多最先應(yīng)用到軍事方面。隨著現(xiàn)代科技的日新月異，近些年來出現(xiàn)了許多先進(jìn)的應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)，如基于先進(jìn)CCD和CMOS的現(xiàn)代新型光電成像系統(tǒng)、光場相機(jī)、超光譜成像、超光學(xué)分辨率顯微鏡等，教材編寫時(shí)不可能把這些內(nèi)容也包括進(jìn)去，但是這些先進(jìn)的技術(shù)都可能很快應(yīng)用到軍事上。因此，在教學(xué)內(nèi)容的選擇時(shí)有必要適時(shí)引入一些最新的光學(xué)系統(tǒng)，在課堂上對這些系統(tǒng)的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行討論分析，從而加深學(xué)生對應(yīng)用光學(xué)基本原理和概念的理解，同時(shí)幫助學(xué)生掌握最新的科技動(dòng)態(tài)。

（2）缺乏軍事特色。我校培養(yǎng)的軍用光電工程專業(yè)學(xué)生都是為部隊(duì)服務(wù)的，他們將來面對的主要是軍用光學(xué)系統(tǒng)，而教材介紹的主要是通用光學(xué)系統(tǒng)，軍事特色不明顯。針對此，我們在教學(xué)中刪除了部分光學(xué)系統(tǒng)，如顯微鏡系統(tǒng)和投影儀系統(tǒng)，同時(shí)增加了軍用望遠(yuǎn)鏡、夜視儀、紅外相機(jī)、大功率光纖激光系統(tǒng)等教學(xué)內(nèi)容，選擇了一些已經(jīng)裝備部隊(duì)的典型系統(tǒng)進(jìn)行介紹，使教學(xué)更有針對性，也極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，我們還引入了一些與現(xiàn)代武器裝備密切相關(guān)的新技術(shù)、新系統(tǒng)，使學(xué)生能夠更好地緊跟新軍革和軍隊(duì)信息化建設(shè)的步伐。

（3）缺乏趣味性。幾何光學(xué)基本原理、光學(xué)系統(tǒng)像差分析和典型光學(xué)系統(tǒng)的介紹相對比較單調(diào)乏味，缺乏趣味性，很難充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。針對此，除了在教學(xué)手段和方法上進(jìn)行了革新，在教學(xué)內(nèi)容上也進(jìn)行了擴(kuò)展，如在課堂上進(jìn)行了部分基本原理的演示實(shí)驗(yàn)、補(bǔ)充介紹了部分日常光學(xué)現(xiàn)象等。其中，增加的“色散光學(xué)系統(tǒng)”重點(diǎn)介紹了彩虹的形成及其特性，利用幾何光W的基本原理與方法對彩虹進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)在教室里面給大家制造了彩虹，收到了很好的效果，大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1.2傳統(tǒng)教學(xué)方法不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力

當(dāng)前，“應(yīng)用光學(xué)”課程教學(xué)手段和方法還是比較傳統(tǒng)，大部分時(shí)間是教師在講授知識，學(xué)生長期處于被動(dòng)接受的狀態(tài)。這種教學(xué)模式，對于基本概念和基本理論的介紹都已經(jīng)顯得有些死板、陳舊和滯后，對于應(yīng)用性很強(qiáng)的“光學(xué)系統(tǒng)”部分的教學(xué)就更加不合適了，很難調(diào)動(dòng)起學(xué)生的積極性，非常不利于學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。針對此，我們在“應(yīng)用光學(xué)”課程的教學(xué)過程中，始終將學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)擺在首位，特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力的鍛煉。借鑒在本科專業(yè)課程“光電成像技術(shù)”教學(xué)改革中的經(jīng)驗(yàn)，我們始終將啟發(fā)式教學(xué)穿插于教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，努力引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和尋找解決的方案。針對重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，我們采取了研討式教學(xué)方法，具體根據(jù)情況包括課堂分組討論和專題研討兩種形式，受到了學(xué)生的熱烈歡迎。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，我們還靈活運(yùn)用案例教學(xué)，選取了一些軍事特點(diǎn)突出的科研成果進(jìn)行介紹。此外，我們還適時(shí)進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)，如水柱傳光、三環(huán)效應(yīng)、棱鏡色散、晶體雙折射、超連續(xù)譜激光等等，加深學(xué)生對基本原理和基本概念的理解。我們盡量讓每一位學(xué)生都有機(jī)會(huì)參與其中，不僅活躍了課堂氣氛，同時(shí)也大大激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使他們?nèi)シe極思考與研究。

2研討式教學(xué)方法探索與實(shí)踐

研討式教學(xué)是在教師的指導(dǎo)下，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，通過學(xué)生自我學(xué)習(xí)來獲取知識和強(qiáng)化能力培養(yǎng)與素質(zhì)提高的一種教學(xué)方法。由于學(xué)生參與的程度很高，同時(shí)帶有很強(qiáng)的啟發(fā)性，對于學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)非常有幫助，因此自提出以來，研討式教學(xué)方法就受到了廣大教師和學(xué)生的推崇，在專業(yè)課程教學(xué)中取得了很好的效果。研討式教學(xué)方法能夠?qū)⒔處煹闹鲗?dǎo)作用和學(xué)生的主體作用統(tǒng)一起來，將知識傳授和能力鍛煉統(tǒng)一起來，符合新型軍事人才培養(yǎng)的目標(biāo)。我們將研討式教學(xué)方法引入到“應(yīng)用光學(xué)”中，打破傳統(tǒng)以知識傳授為主的教學(xué)模式，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，在具體實(shí)施過程別強(qiáng)調(diào)以下幾個(gè)事項(xiàng)。

2.1通過課前調(diào)查充分了解學(xué)生的基本情況

由于我?！皯?yīng)用光學(xué)”課程面向的軍用光電工程專業(yè)包括技術(shù)類和指揮類，不同類型的學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案有所區(qū)別，此外在以往課程的學(xué)習(xí)情況、專業(yè)知識結(jié)構(gòu)等方面也不盡相同。即使是相同類型的學(xué)生，不同年級之間也會(huì)存在諸如興趣愛好、性格特點(diǎn)等方面的差異，所有這些都會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對課程教學(xué)期望值的不同。根據(jù)以往的做法和經(jīng)驗(yàn)，非常有必要在課程教學(xué)開始之前對授課學(xué)生進(jìn)行一次詳細(xì)的調(diào)研，內(nèi)容包括人數(shù)、姓名、籍貫、畢業(yè)學(xué)校、性格特點(diǎn)、興趣愛好、以往課程學(xué)習(xí)情況、專業(yè)知識結(jié)構(gòu)等基本情況，以及學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣分布、學(xué)習(xí)期望等。一方面，根據(jù)調(diào)研結(jié)果對學(xué)生進(jìn)行了分組，在尊重學(xué)生選擇的基礎(chǔ)上盡量將各類學(xué)生混合分組，這樣不僅有利于討論的開展，而且能相互促進(jìn)。另一方面，根據(jù)調(diào)研的情況，對教學(xué)和討論內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，更有利于研討式教學(xué)取得好的效果。此外，通過課前調(diào)研，還可以拉近與學(xué)生的距離，增進(jìn)親近感，同時(shí)還可以在教學(xué)過程中做到有的放矢，大大提高教學(xué)效率。

2.2基本概念精講，重點(diǎn)內(nèi)容研討

對于光學(xué)系統(tǒng)中涉及到的基本概念和工作原理以精講為主，在教學(xué)過程別注重靈活運(yùn)用啟發(fā)式、案例式、實(shí)物演示等多種教學(xué)方法。需要學(xué)生重點(diǎn)掌握和理解的內(nèi)容，則采取研討式教學(xué)。例如在介紹“激光光學(xué)系統(tǒng)”時(shí)，我們采取設(shè)問和啟發(fā)的教學(xué)方式，介紹了激光產(chǎn)生的歷史、機(jī)理和主要特征，重點(diǎn)通過介紹普朗克、愛因斯坦等偉大科學(xué)家對激光發(fā)明的貢獻(xiàn)，學(xué)習(xí)了他們分析問題和解決問題的創(chuàng)新思維方式；采取一般講授的方式，介紹了高斯光束的定義、特征參數(shù)等。通過這種精講的方式，讓學(xué)員掌握了最基本的物理概念，有利于后面討論的有效開展。緊接著，我們分組討論了“高斯光束成像和球面波成像之間的區(qū)別”。由于通過前面的認(rèn)真講解，學(xué)生對高斯光束的特點(diǎn)已經(jīng)很清楚了，結(jié)合前面學(xué)過的球面波成像知識，使得討論進(jìn)行得較為深入，取得了較好的效果。通過討論，不僅加深了使學(xué)生對“高斯光束及其透鏡變換”重點(diǎn)內(nèi)容的理解，而且鍛煉了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析實(shí)際問題的能力。

2.3合適的討論主題是關(guān)鍵

選擇合適的討論主題是研討式教學(xué)能否取得成功的關(guān)鍵。借鑒在《光電成像技術(shù)基礎(chǔ)》中的成功做法，我們在討論主題的選擇時(shí)遵循了以下三條基本原則：（1）重點(diǎn)性原則，即要求主題選題緊扣重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，如在“光纖光學(xué)系統(tǒng)”一節(jié)討論了“光纖單模傳輸條件”、在“偏振光學(xué)系統(tǒng)”一節(jié)討論了“如何利用偏振片和四分之一波片區(qū)分各類偏振光”等，加深學(xué)生對基本物理概念的理解；（2）軍事性原則，即選題緊密結(jié)合國內(nèi)軍事熱點(diǎn)，增長學(xué)生的見識，讓學(xué)生了解世界軍事動(dòng)態(tài)，為此在“紅外光學(xué)系統(tǒng)”中討論了“美軍裝備使用的典型紅外光學(xué)成像系統(tǒng)”、在“望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)”中討論了“國內(nèi)外典型的軍用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)”等，極大地激發(fā)了學(xué)生的興趣；（3）前沿性原則，即立足于應(yīng)用光學(xué)發(fā)展的前沿方向進(jìn)行選題，如在“顯微鏡系統(tǒng)”中，討論了獲得2014年諾貝爾獎(jiǎng)的“超分辨熒光顯微成像技術(shù)”，在“激光光學(xué)系統(tǒng)”中，結(jié)合我們自己的科研工作討論了“如何將高斯光束通過透鏡組合有效耦合進(jìn)空芯光纖？”讓學(xué)生了解了學(xué)科發(fā)展的前沿動(dòng)態(tài)，調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)積極性。

2.4靈活采取多種討論形式

為了更好地進(jìn)行研討式教學(xué)和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，在教學(xué)過程中我們注意了以下兩個(gè)結(jié)合：一是課前給出問題課堂有準(zhǔn)備的討論與課堂隨機(jī)討論相結(jié)合，二是課堂小討論與主題研討比賽相結(jié)合。如在介紹“色散光學(xué)系統(tǒng)”，課前給大家準(zhǔn)備了“彩虹是如何形成的？”“彩帶的順序如何？”“彩虹一般出現(xiàn)在什么時(shí)間？什么方位？”“雙彩虹是如何形成的？彩帶的順序如何？”“彩虹是偏振的嗎？”“為什么我們看到的彩虹都是弧形且彎向地面？”“如何獲得圓形彩虹？”等十幾個(gè)問題，讓大家去查閱相關(guān)資料，然后在課堂上利用一節(jié)課的時(shí)間有重點(diǎn)地進(jìn)行了討論。通過這種方式，不僅激發(fā)了學(xué)生的興趣，而且加深了學(xué)生對彩虹的理解。在“光纖光學(xué)系統(tǒng)”教學(xué)過程中，在給出光纖單模傳輸條件之后，馬上進(jìn)行了“有什么辦法可以實(shí)現(xiàn)無截止單模傳輸？”的討論，充分調(diào)動(dòng)的學(xué)生的創(chuàng)新思維，鍛煉了他們靈活運(yùn)用所學(xué)知識的能力，同時(shí)引出了下面的話題――光子晶體光纖。針對“現(xiàn)代新型光電成像系統(tǒng)”一節(jié)的特點(diǎn)，課前讓學(xué)生自學(xué)了CCD和CMOS的工作原理，并確定了討論主題“CCD與CMOS的主要區(qū)別”，然后利用課堂時(shí)間進(jìn)行了研討比賽，受到了學(xué)生的歡迎。

2.5合理分組，積極討論，及時(shí)總結(jié)

分組的合理與否對于研討式教學(xué)能否取得好的效果至關(guān)重要。在實(shí)施過程中，我們根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和不同的主題，對學(xué)生進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組，每組四到五人，主題可以是給定的，也可以是學(xué)生自己選擇的。成員之間進(jìn)行任務(wù)分工，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和分析總結(jié)，最后形成總的演講報(bào)告，并由一名組員進(jìn)行匯報(bào)。在每組匯報(bào)完后，其他同學(xué)可以提出問題，開展積極的交流討論，對于需要深入了解的內(nèi)容課后進(jìn)一步調(diào)研。為了進(jìn)一步提高討論效果，我們及時(shí)針對研討內(nèi)容、匯報(bào)形式等進(jìn)行講評。內(nèi)容主要從新穎性、條理性、系統(tǒng)性等方面進(jìn)行評估，匯報(bào)形式主要對PPT制作質(zhì)量、匯報(bào)人對內(nèi)容的熟悉程度、回答提問情況等方面進(jìn)行評價(jià)，最后把其它各組學(xué)生評價(jià)成績（占60%）和教師評價(jià)成績（占40%）進(jìn)行綜合打分，并以40%的比例納入課程的最終考核成績。通過總結(jié)講評，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正研討過程中出現(xiàn)的問題，也調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與的積極性，充分發(fā)揮每位學(xué)生的長處，從而在各小組之間形成了一種良好的競爭意識，不僅使學(xué)生在研討中加深了對基本概念和基本原理的理解，同時(shí)也極大地拓展了知識面。

3結(jié)束語

篇8

汽車避撞技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是在交通安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)代化的重要保障。隨著公路建設(shè)的迅速發(fā)展，交通事故的預(yù)防越來越引起人們的廣泛關(guān)注，汽車智能避撞技術(shù)是減少公路撞車事故、改善交通安全狀況的有效途徑之一，因此對汽車智能避撞技術(shù)的研究和開發(fā)顯得尤為迫切。

【關(guān)鍵詞】

汽車 避撞技術(shù)

汽車避撞技術(shù)首先解決的問題是汽車之間的安全距離。汽車與汽車之間超過了這個(gè)安全距離，就應(yīng)該能自動(dòng)報(bào)警，并采取制動(dòng)措施。目前測定汽車之間安全距離的方法有以下五種，下面分別就其各自測距的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹。

1超聲波測距

超聲波一般指頻率在20KH七以上的機(jī)械波，具有穿透性較強(qiáng)、衰減小、反射能力強(qiáng)等特點(diǎn)，超聲波測距儀器一般由發(fā)射器、接收器和信號處理裝置三部分組成。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器不斷發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來的反射波后，也向測量邏輯電路提供一個(gè)短脈沖。最后由信號處理裝置對接收的信號依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出車與障礙物之間的距離。超聲波測距原理簡單，成本低、制作方便，但其在高速行駛的汽車上的應(yīng)用有一定局限性，這是因?yàn)槌暡ǖ膫鬏斔俣仁芴鞖庥绊戄^大，不同的天氣條件下傳播速度不一樣；另一方面是對于遠(yuǎn)距離的障礙物，由于反射波過于微弱，使得靈敏度下降。故超聲波測距常用于在短距離測距，最佳距離為4一5米，一般應(yīng)用在汽車倒車防撞系統(tǒng)上。

2激光測距

目前在汽車上應(yīng)用較廣的激光測距系統(tǒng)可分為非成像式激光雷達(dá)和成像式激光雷達(dá)。

非成像式激光雷達(dá)根據(jù)激光束傳播時(shí)間確定距離。它的工作原理是：從高功率窄脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖經(jīng)發(fā)射物鏡聚焦成一定形狀的光束后，用掃描鏡左右掃描，向空間發(fā)射，照射在前方車輛或其他目標(biāo)上，其反射光經(jīng)掃描鏡、接收物鏡及回輸光纖，被導(dǎo)入到信號處理裝置內(nèi)的光電二極管，利用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)激光二極管啟動(dòng)脈沖與光電二極管的接收脈沖間的時(shí)間差，即可求得目標(biāo)距離。利用掃描鏡系統(tǒng)中的位置探測器測定反射鏡的角度即可測出目標(biāo)的方位。

成像式激光雷達(dá)又可分為掃描成像激光雷達(dá)和非掃描成像激光雷達(dá)。掃描成像激光雷達(dá)把激光雷達(dá)同二維光學(xué)掃描鏡結(jié)合起來，利用掃描器控制激光的射出方向，通過對整個(gè)視場進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測量，即可獲得視場內(nèi)目標(biāo)的三維信息。非掃描成像式激光雷達(dá)將光源發(fā)出的經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制的激光經(jīng)分束器系統(tǒng)分為多束光后沿不同方向射出，照射待測區(qū)域。由于非掃描成像激光雷達(dá)測點(diǎn)數(shù)目大大減少，從而提高了系統(tǒng)三維成像速度。

在汽車測距系統(tǒng)中，非成像式激光雷達(dá)更具有實(shí)用價(jià)值。同成像式激光雷達(dá)相比，具有造價(jià)低、速度快、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。但由于激光雷達(dá)測距儀器工作環(huán)境處于高速運(yùn)動(dòng)的車體中，振動(dòng)大，對其穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求，其體積也受到了一定的限制，同時(shí)還要考慮省電、低價(jià)、對人眼安全等因素。

3.CCD攝像系統(tǒng)測距

CCD（Charge Coupled Device）攝像機(jī)是一種用來模擬人眼的光電探測器。它具有尺寸小、質(zhì)量輕、功耗小、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、光計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)良特性，在汽車行業(yè)也得到了廣泛的應(yīng)用。利用面陣CCD，可獲得被測視野的二維圖像，但無法確定與被測物體之間的距離。只使用一個(gè)CCD攝像機(jī)的系統(tǒng)稱為單目攝像系統(tǒng)，在汽車上常用于倒車后視系統(tǒng)，輔助駕駛員獲得后視死角信息，以避免倒車撞物。為獲得目標(biāo)三維信息，模擬人的雙目視覺原理，利用間隔固定的兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)對同一景物成像，通過對這兩幅圖像進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析處理，即可確定視野中每個(gè)物體的三維坐標(biāo)，這一系統(tǒng)稱為雙目攝像系統(tǒng)。

4紅外線測距

紅外線的波長比可見光線長，是肉眼看不見的光，有顯著的熱效應(yīng)和較強(qiáng)的穿透云霧的能力。同時(shí)，任何物體在任何時(shí)候都會(huì)發(fā)出紅外線。車載儀器通過發(fā)射并接收前方物體反射回的紅外線，依據(jù)信號的強(qiáng)弱及波長的不同，同時(shí)分析時(shí)間差，可分析出前方物體的性質(zhì)及與汽車的距離。由于紅外線人類肉眼感知不到，具有極強(qiáng)的隱蔽性，夜間同樣不妨礙測距儀的工作，故該種測距儀廣泛應(yīng)用在軍用汽車上。

5雷達(dá)測距

雷達(dá)的名稱來自“無線電探測和測距”（Radio Detection And Ranging），顧名思義，它向目標(biāo)發(fā)射一定的無線電波，通過其反射回來的電波信號檢測目標(biāo)，并利用收發(fā)信號的時(shí)延測量目標(biāo)的距離。雷達(dá)誕生于上世紀(jì)三十年代的第二次世界大戰(zhàn)期間，當(dāng)時(shí)由于軍事上的迫切要求，雷達(dá)獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。之后，隨著科技的發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)日臻完善，現(xiàn)代雷達(dá)不僅能完成對目標(biāo)的探測和測距，還能完成測角、測速、跟蹤和成像等功能。雖然雷達(dá)技術(shù)主要用于軍事方面，但其在民用領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越大的作用。雷達(dá)在民用服務(wù)的主要應(yīng)用包括有氣象雷達(dá)，探地雷達(dá)和應(yīng)用于機(jī)場、港口、和公路的交通管制雷達(dá)。從上世紀(jì)七十年代起，人們開始將雷達(dá)技術(shù)用于汽車自動(dòng)防撞器中，稱之為“汽車防撞預(yù)警雷達(dá)”（簡稱“汽車防撞雷達(dá)”）。

由于汽車防撞雷達(dá)具有帶寬大、波束窄、天線尺寸小的特點(diǎn)，微波/毫米波汽車防撞雷達(dá)已經(jīng)成為汽車防撞裝置的首選方式。雷達(dá)以其輕便小巧，具有簡單的構(gòu)造和較低的功耗等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前汽車防撞雷達(dá)領(lǐng)域最具代表性的工作體制。能在雨、雪、霧等惡劣天氣環(huán)境下工作，作用距離較遠(yuǎn)，比上述幾種技術(shù)具有優(yōu)越性，汽車防撞雷達(dá)逐漸成為汽車自動(dòng)防撞器的主流技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣飛. 汽車主動(dòng)避撞雷達(dá)系統(tǒng)的研究[D]. 武漢理工大學(xué)， 2006.

[2] 武守俊. 毫米波汽車防撞雷達(dá)設(shè)計(jì)及其信號處理算法研究[D]. 電子科技大學(xué)， 2007.

篇9

含格狀排列像素的CCD應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)掃描儀與攝影機(jī)的感光組件。其光效率可達(dá)70%（能捕捉到70%的入射光），優(yōu)于傳統(tǒng)軟片的2%，因此CCD迅速獲得天文學(xué)家的大量采用。

CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)的區(qū)別：1、成像過程：CCD與CMOS圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的原理相同，他們最主要的差別在于信號的讀出過程不同；由于CCD僅有一個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出，其信號輸出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每個(gè)像素都有各自的信號放大器，各自進(jìn)行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，其信號輸出的一致性較差。但是CCD為了讀出整幅圖像信號，要求輸出放大器的信號帶寬較寬，而在CMOS 芯片中，每個(gè)像元中的放大器的帶寬要求較低，大大降低了芯片的功耗，這就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。盡管降低了功耗，但是數(shù)以百萬的放大器的不一致性卻帶來了更高的固定噪聲，這又是CMOS相對CCD的固有劣勢。

2、集成性：從制造工藝的角度看，CCD中電路和器件是集成在半導(dǎo)體單晶材料上，工藝較復(fù)雜，世界上只有少數(shù)幾家廠商能夠生產(chǎn)CCD晶元。CCD僅能輸出模擬電信號，需要后續(xù)的地址譯碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器處理，并且還需要提供三組不同電壓的電源同步時(shí)鐘控制電路，集成度非常低。而CMOS是集成在被稱作金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，這種工藝與生產(chǎn)數(shù)以萬計(jì)的計(jì)算機(jī)芯片和存儲(chǔ)設(shè)備等半導(dǎo)體集成電路的工藝相同，因此生產(chǎn)CMOS的成本相對CCD低很多。同時(shí)CMOS芯片能將圖像信號放大器、信號讀取電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器等集成到一塊芯片上，只需一塊芯片就可以實(shí)現(xiàn)相機(jī)的的所有基本功能，集成度很高，芯片級相機(jī)概念就是從這產(chǎn)生的。隨著CMOS成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS成像芯片。

3、速度：CCD采用逐個(gè)光敏輸出，只能按照規(guī)定的程序輸出，速度較慢。CMOS有多個(gè)電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)控制，讀出速度快很多，大部分500fps以上的高速相機(jī)都是CMOS相機(jī)。此外CMOS 的地址選通開關(guān)可以隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸出，在僅輸出子窗口圖像時(shí)可以獲得更高的速度。

篇10

目前國內(nèi)廠家對直徑檢測有些仍停留在用量規(guī)或卡尺檢測的水平上，存在檢測速度慢、誤差大、產(chǎn)品質(zhì)量可靠性差等問題，不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)發(fā)展的需要。從國際上看，美、日、英、德等國都先后研制和開發(fā)了各種不同測量范圍、不同分辨率和不同測量精度的激光、光電檢測系統(tǒng)，可以通過光電傳感和非接觸測量等先進(jìn)檢測儀器和設(shè)備，對直徑進(jìn)行測量。因此，我們國家也相繼研究使用了激光、光電高新技術(shù)，尤其是光、機(jī)、電一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)非接觸式在線自動(dòng)檢測，以適應(yīng)對批量生產(chǎn)的快速反應(yīng)的要求。

CCD攝相器是70年代初發(fā)展起來的新型高精度、高靈敏度的光電轉(zhuǎn)換器件，其靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大、操作方便、易于推廣等一系列其它光電成像器件不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，三十多年來，CCD技術(shù)在高精度、高效率、非接觸測量中的應(yīng)用已成為現(xiàn)代光電及現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的新興領(lǐng)域。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展的時(shí)代，傳統(tǒng)的直徑測量方法已不適應(yīng)工業(yè)的高精度、高效率的測試要求。隨著高精度、高速、自動(dòng)化測量要求的出現(xiàn)和不斷提高，很多新的理論引入到測量儀器的中，出現(xiàn)了集“光、機(jī)、電、算”一體化設(shè)計(jì)的高精度視頻顯微鏡。 顯微鏡的發(fā)展很快，觀察細(xì)微結(jié)構(gòu)的能力也逐步提高，各種用途的顯微鏡也相繼問世。視頻顯微鏡是機(jī)械制造行業(yè)、科學(xué)研究機(jī)關(guān)及高等院校的計(jì)量部門或車間檢查站廣泛使用的一種多用途計(jì)量儀器。本文主要是基于視頻顯微鏡對各種零件直徑測量的研究，視頻顯微鏡是采用CCD攝像機(jī)將被測輪廓發(fā)大成像在顯示屏幕上，在屏幕上可實(shí)現(xiàn)精確的瞄準(zhǔn)，并以光柵尺作為長度測量傳感器，長度值采用數(shù)字顯示，具有較高的測精度和操作效率。

視頻測量顯微鏡是機(jī)械制造行業(yè)、科學(xué)研究機(jī)關(guān)及高等院校的計(jì)量部門或車間檢查站廣泛使用的一種多用途計(jì)量儀器。該儀器采用CCD攝像機(jī)被測輪廓放大成像在顯示器屏幕上，在屏幕上可實(shí)現(xiàn)精確的瞄準(zhǔn)。并以光柵尺作為長度測量傳感器，長度值采用數(shù)字顯示，具有較高的測量精度和操作效率。

儀器的用途十分廣泛，其典型測量對象有：

1）測量各種成型零件如樣板、樣板車刀和各種成型零件或模具形狀。

2）測量各種零件的直徑、長度；或測量并通過計(jì)算求角度。

3）測量印刷電路板上的線條寬度、距離和元件焊裝孔的尺寸和位置。

4）測量鉆?；蚩装迳峡椎奈恢谩㈡I槽的對稱度等形位誤差。

有些型號的視頻顯微鏡還可以與計(jì)算機(jī)連接，利用二維測量軟件可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)點(diǎn)或圖像采集并將其處理形成直線、圓、圓弧等元素，進(jìn)一步可以求取各元素的位置、角度等形為誤差以及各元素的距離、交點(diǎn)等相關(guān)要素。測量結(jié)果可與AUTOCAD

軟件進(jìn)行通訊，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的測繪圖形。該軟件為選購件。

1 涉及的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 CCD攝像技術(shù)

電荷耦合攝像器件就是用于攝像或像敏的CCD（Charge―Coupled―Devices），又簡稱為ICCD。它的功能是把二維光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為自變量的視頻輸出信號。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或電壓為信號。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。用于圖像接收的一般是CCD攝像器件。它有線型和面型兩大類：二者都需要用光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成像在CCD的像敏面上。像敏面將照在每一像敏單元上的圖像照度信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)載流子數(shù)密度信號存儲(chǔ)于像敏單元（MOS電容）中。然后，再轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器（轉(zhuǎn)移電極下的勢阱）中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下，使其從CCD的移位寄存器中轉(zhuǎn)移出來，形成時(shí)序的視頻傳號。對于線型器件，它可以直接接收一維光信息，而不能將二為圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方式來實(shí)現(xiàn)。面型CCD是按一定的方式將一維線型CCD的光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成二維面型CCD。本文采用面陣CCD，它是二維的圖像傳感器，它可以直接將二維圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號輸出。由于排列方式不同，面陣CCD常有幀轉(zhuǎn)移、隔列轉(zhuǎn)移和線轉(zhuǎn)移和全幀轉(zhuǎn)移方式等。

1.2 精密位移測量技術(shù)

光柵尺是一種高精密的位移測量裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、價(jià)格便宜，從而廣泛地應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)裝置的線位移、線速度等靜、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)參量的測量中。

光柵按工作原理分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵可做散射元件進(jìn)行光譜分析及光波長的測定；而計(jì)量光柵的刻線較物理光柵粗，利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行位移的精密測量和控制。在測量線位移時(shí)，采用長光柵（或稱為直光柵）；在測量角位移時(shí)，采用圓光柵（亦稱為輻射光柵或光柵度盤），光柵尺即長光柵是計(jì)量光柵的一種。標(biāo)尺光柵固定在導(dǎo)軌滑坐上，光源、指示光柵、聚光鏡和接受器固定在導(dǎo)軌上，并可以隨著導(dǎo)軌一起作位移運(yùn)動(dòng)。光源發(fā)出的光束經(jīng)過照明系統(tǒng)后成為均勻的平行光照明主光柵。由于主光柵和指示光柵的相對位移而輸出交變的莫爾條紋信號。此信號經(jīng)光電接受元件轉(zhuǎn)換成反映莫爾條紋特征的電信號并輸出。在利用光柵進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，電信號經(jīng)電學(xué)系統(tǒng)處理后，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。莫爾條紋：將兩塊計(jì)量光柵（通常稱其中作標(biāo)準(zhǔn)器的一塊為主光柵；另一塊叫指示光柵）相互疊合；在保證適當(dāng)?shù)膴A角和間隙時(shí)，就可以得到電光柵柵距大得多的黑白相間的干涉條紋，把它稱為莫爾條紋圖案。莫爾條紋的形成，實(shí)際上是光通過一對光柵（或稱光柵副）時(shí)所產(chǎn)生的衍射和干涉的結(jié)果。莫爾條紋有橫向莫爾條紋、縱向莫爾條紋、斜向莫爾條紋、光閘莫爾條紋等。光柵傳感器測量位移主要是利用光閘莫爾條紋原理來實(shí)現(xiàn)的。

2 測量系統(tǒng)的誤差因素分析

2.1 原理誤差CCD的位移誤差

主要是由于用這種方法進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)注意將被測物鏡的攝影距離刻度值調(diào)至與測量時(shí)的共扼條件相對應(yīng)的攝影距離上。

2.2 CCD攝相器件引起的誤差

1）CCD的暗電流和噪聲影響測量精度。暗電流的大小是評價(jià)CCD 器件好壞的重要指標(biāo)。暗電流越大，信噪比就越小，對測量精度的影響就越大，CCD的噪聲影響也如此。

2）CCD的像元間距為7 ，這個(gè)限制了系統(tǒng)精度的提高，要想獲得高精度，可以采取細(xì)分措施。

3）CCD攝像器件在光電轉(zhuǎn)換過程中的誤差如：像敏單元的靈敏度、CCD電荷轉(zhuǎn)移不完全、CCD的拖影等影響。此類誤差對結(jié)果的影響不大，故可略計(jì)。

4）CCD的分辨率的影響，一般分辨率的參數(shù)可滿足測量精度的要求影響較小。

2.3 光柵尺引起的誤差

根據(jù)設(shè)計(jì)原理和方案，光柵副帶來的誤差應(yīng)從下面三方面考慮：

1）光柵尺刻劃精度帶來的誤差 ；

2）光柵尺的面形精度帶來的誤差 ；

3）莫爾條紋信號質(zhì)量帶來的測量誤差 。

光柵尺帶來的總誤差 （1）

2.4 導(dǎo)軌導(dǎo)向精度引起的測量誤差

1）導(dǎo)軌的傾斜度帶來的誤差 ；

2）導(dǎo)軌橫向位移偏差帶來的誤差 。

導(dǎo)軌帶來的總誤差 （2）

2.5 圖象處理帶來的誤差

圖象經(jīng)程序處理后的邊緣并不是理想邊緣，再加上鼠標(biāo)點(diǎn)擊時(shí)人為誤差，導(dǎo)致了精度的影響。

3 結(jié)論

本文在探討了傳統(tǒng)的直徑測量原理的基礎(chǔ)上，開始對視頻顯微鏡直徑測量的闡述，以及視頻顯微鏡結(jié)構(gòu)原理與操作方法的研究，運(yùn)用現(xiàn)代精密測量技術(shù)，對直徑測量；測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)的分析；測量系統(tǒng)的誤差分析。

視頻顯微鏡的測量系統(tǒng)測量精度高。在機(jī)械制造業(yè)、科學(xué)研究機(jī)關(guān)都有廣泛應(yīng)用。本文在理論上對其進(jìn)行了驗(yàn)證，由于作者的水平和時(shí)間關(guān)系，尚有許多工作有待進(jìn)一步完善和發(fā)展。目前測量系統(tǒng)還沒有完全定標(biāo)，當(dāng)然要達(dá)到實(shí)用化程度還需要不斷完善?？傊?，基于對視頻顯微鏡直徑測量的研究得到視頻顯微鏡具有較高的測量精度和操作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]林家明、楊隆榮，CCD攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景[J].光學(xué)技術(shù)，1999（6）：43―47.

[3]中國民族攝影協(xié)會(huì)編輯，照相機(jī)的發(fā)展簡史[J].照相機(jī)，2002，4：11―12.