光电成像技术范文

导语：如何才能写好一篇光电成像技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

篇1

关键词 激光电离； 飞行时间质谱； 元素成像； 半定量； 瓷片

1 引 言

陶瓷是伴随着人类活动的古老物件之一。瓷器的碎片经常被发现于各个古迹遗址中，对古瓷片的胎体、釉面等组成的元素检测能够为考古学历史学的研究提供丰富而有意义的信息，如古瓷原料分析、制作工艺研究、瓷片的聚类分析等\。目前应用于瓷片元素分析常用的方法有电感耦合等离子体质谱（ICPMS）\、激光溅射电感耦合等离子体质谱（LAICPMS）\、激光诱导击穿光谱（LIBS）\、能量色散X射线荧光 （EDXRF） 探针技术\、质子诱发X射线荧光分析（PIXE）\及中子活化分析（INNA）等。与以上这些方法相比，利用激光电离飞行时间质谱法（LITOFMS）对瓷片的分析无需繁琐的样品前处理，具有固体表面直接分析，谱图干扰少，金属元素和非金属元素同时快速检测的优点。

本实验室自行研制的LITOFMS已被成功应用于地质样品、环境样品，甚至一些生物样品等多种固体样品表面金属元素及非金属元素的半定量分析\；又在此基础上进一步发展了新的激光电离飞行时间质谱固体表面元素成像分析系统，且该成像分析体系已在矿石样品表面元素成像分析中得以应用\。瓷片作为不易消解、质地坚硬的固体样品，若利用本实验室研制的LITOFMS及元素成像分析系统对其表面进行直接的元素分析，不仅可以实现瓷片胎体和釉面中金属元素及非金属元素的半定量检测；还能够满足表面部分元素非均匀分布的样品如青花瓷瓷片的表面多元素成像分析。

本实验对一块北宋龙泉青瓷瓷片及一块仿古青瓷瓷片进行了釉面和胎体中元素检测，获得两块瓷片中非金属元素在内的多元素半定量分析结果，并对比出这两种不同瓷片中所含元素种类及含量的差异；对一块明代青花瓷片进行了表面元素成像分析，得到Fe, Mn, Co等非金属元素在内的多元素成像图。2 实验部分

2.1 仪器与试剂

本实验室自行研制的激光电离飞行时间质谱（LITOFMS）已建立的激光电离飞行时间质谱固体元素成像分析系统（其结构和参数见参考文献\）；低速金刚石切割机（沈阳科晶公司）；超声波清洗机。

去离子水（18.3 MΩ・cm）；丙酮（分析纯）；北宋龙泉青瓷瓷片，仿古青瓷瓷片，明代青花瓷瓷片由瓷器收藏家王传明先生慧赠。

2.2 北宋龙泉青瓷瓷片和仿古青瓷瓷片中元素的检测

将瓷片样品用切割机切割成约1 cm×1 cm的小瓷片，每种瓷片各切割两块；再从中分别各取一块，利用切割机小心切除其釉面，露出胎体。继而将切割好的4块瓷片在超声波清洗机中清洗，烘干，并用丙酮擦洗，以确保待分析样品表面洁净。在自制的激光电离飞行时间质谱上进行两种瓷片的胎体及釉面的元素分析。实验过程中离子源、离子透镜和飞行时间质量分析器的电参数设置见表1。表1 仪器操作参数设置

Table 1 Typical operating parameters

激光脉冲频率 Laser pulse frequency 10 HzSlit Ground激光波长 Laser wavelength532 nmElectrode 1, 2, 5, 6 of Einzel 2Ground

光波脉宽 Laser pulse duration4.4 nsElectrode 3 of Einzel 2

2420 V

3 结果与讨论

3.1 北宋龙泉青瓷瓷片和仿古青瓷瓷片中元素的检测

目前，已有多种分析方法对瓷片中的元素进行检测分析，有些甚至采用了数据统计分析实现大量瓷片的聚类分析和未知种类瓷片的鉴别\。图1和图2即为利用激光电离飞行时间质谱（LITOFMS）对北宋龙泉青瓷瓷片及仿古青瓷瓷片胎体和釉面的元素分析所获得的谱图。除了金属元素，谱图上也展现了非金属元素，如O, Si, P等，并且瓷片中的主体元素O, Al, Si, K, Ca等及微量元素P, Ti, Mn, Cr在谱图中均可清晰看到。使用元素的分离子流除以总离子流的方法可以得到该元素的半定量含量，并根据元素的常见氧化物形式，可以得到如表3所示的各元素氧化物的无标样半定量分析结果\。实验中所检测的仿古青瓷从外观颜色上与所检测的北宋龙泉青瓷非常接近，肉眼较难判别，但分析结果表明：两者无论是元素的含量还是种类均存在差异。就胎体中的元素而言，对比图1中a2与b2，北宋龙泉青瓷

表3 龙泉青瓷和仿古青瓷胎体及釉面元素含量 （%）

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胎体Body龙泉清瓷

Longquan porcelain仿青瓷

Fake porcelain

釉面 Glaze龙泉清瓷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谱图上出现了明显的Mn信号。两种瓷片的釉面元素也存在差异（图2）。北宋龙泉青瓷瓷片中含有P，而仿古青瓷瓷片中没有；由此可以推测前者的瓷釉在制作过程中添加过草木灰作为助熔剂\；另外，Cr只在存在于仿瓷青瓷瓷片釉面中。对比同种瓷片的胎体元素和釉面元素，可发现釉面中的Ca的含量比胎体中高得多，这与瓷釉原料长石中的Ca含量较高有关，此

图1 北宋龙泉青瓷瓷片胎体元素谱图 （a1）, 放大质量范围48～55（a2）; 仿青瓷瓷片胎体元素谱图（b1），放大质量范围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）

图2 北宋龙泉青瓷瓷片釉面元素谱图（a1）, 放大质量范围30～32和48～55（a2）；仿古青瓷瓷片釉面元素谱图（b1），放大质量范围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）

结果与其它分析方法所获得的结果相吻合\。

3.2 明代青花瓷瓷片中多元素成像分析

青花瓷作为我国传统的釉下彩瓷器，其利用钴土矿作为着色青料，在白色瓷胎上图绘后高温烧制而显色。青花瓷中所用青料包括进口的苏麻离青和国产的石子青、平等青等，这些青料主要成分有氧化钴，其中，国产钴料与进口钴料相比具有高锰低钴的特点\。图3是该明代青花瓷瓷片的多元素成像分析图，图中的颜色条形标尺为各元素的百分含量；其中，图3a为样品的实际分析区域，其余图则为各元素的成像分析图。图3b和图3c中Co、Mn的含量范围说明该实验所分析的明代青花瓷瓷片的钴料具有国产钴料的高锰低钴的特点\。另外可以推测,由于烧制以及长期存放的过程，釉面下的青料将逐渐向瓷片表面扩散，从而出现青花瓷片的白色釉面和青色釉面两部分元素的不均匀分布，这些元素则主要是钴料中所含的元素，如：Co, Mn, Fe等。对比实际样品被分析的表面区域及元素成像图（图3），可知实验结果基本符合上述推测。利用激光电离飞行时间质谱所进行的瓷片表面多元素成像分析与单一的瓷片元素检测相比，能够将瓷片的二维空间信息和元素含量信息结合，更全面地展示出瓷片表面各个元素及其含量分布的实际情况。如图3所示，除了可以观察到Co, Mn, Fe, Ni这些元素在青釉中的含量高于白釉中的含量，还发现作为釉面主要元素之一的Ca的含量呈现出白釉高于青釉的趋势，所形成的Ca的元素成像图恰好与上述几种元素成像图呈互补关系；对于其它的金属或非金属元素（如：Al, Si等）无明显的青白两色釉面的不均匀分布，故所获得的其元素成像图几乎均匀一致。

图3 明代青花瓷瓷片成像区域（a）和多种的元素成像图（b～p）

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

3.3 小结

本实验采用实验室自行研制的LITOFMS仪对一块北宋龙泉青瓷片及一块仿古青瓷片进行了釉面和胎体中元素检测，获得两块瓷片中非金属元素在内的多元素半定量分析结果，并对比出这两种外观颜色相近但种类不同瓷片中所含元素种类及含量的差异；又对一块表面元素非均匀分布的明代青花瓷片进行了表面元素成像分析，得到Co, Mn, Fe, Si, P等非金属元素在内的多元素成像图。实验结果表明，自制的激光电离飞行时间质谱仪以及元素成像分析系统可以满足瓷片表面元素的无标样半定量检测及多元素成像分析，并有望进一步利用数据统计分析实现大量瓷片的聚类分析及未知种类瓷片的鉴别。

References

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

李清临, 王 然, 贺世伟, 姚政权. 武汉大学学报：理学版, 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

刘舜民, 杨大伟, 李融武, 李国霞, 承焕生, 郑炯鑫, 陈丽芳. 原子能科学技术, 2010, 44（2）: 253～256

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

冯向前, 冯松林, 张文江, 樊昌生, 权奎山. 原子核物理评论, 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

黄荣夫, 邹冬璇, 张伯超, 弓振斌, 杭 纬, 何 坚, 黄本立. 高等学校化学学报, 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

朱铁权, 刘乃涛, 毛振伟. 光谱实验室, 2010, 27（5）: 1753～1756

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

Fandiwell P D , Jingri W D. 中国陶瓷, 1989, 3: 58～59

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

陈尧成, 郭演仪, 张志刚. 硅酸盐学报, 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

关键词：光电成像；性能优化；光学设计

前言：对光电成像系统性能的评价主要涉及光学系统和光电成像系统的优化。在对光电成像系统的优化过程中，涉及材料、机械和电子等多门学科。随着科技的不断发展，阵列探测器更新换代的速度相对较快，为了满足阵列探测器的发展需求，加强对光电成像系统的研究，并且对其进行性能优化具有重要的价值。

1.对光电成像系统的性能优化

对光电成像系统的性能优化目标主要是对光学和电学内容进行设计，并且提升光电成像系统的性能，同时降低系统的制作成本。在光电成像系统中，探测器的性能主要是由电荷扩散、几何尺寸和位相时钟等因素决定。在使用的过程中，探测器的性能同样受到环境、运输和温度等因素的影响。

在设计师对光学系统进行设计时，要根据成像倍率和瞬时视场角来决定光学系统的焦距；并且要根据信噪比来设计孔径；同时要根据尺寸来设计相应的视场角；另外，要根据使用换环境和加工难度来设计相应的传递函数余量。在理想的光学系统设计中，艾里斑直径为2.44λF，光学系统函数的截止频率为1/λF，探测器函数的截止频率为1/d，当艾里斑直径为1个像元时，艾里斑直径为d，光学函数截止频率为2.44/d。但是当艾里斑为一个像元时，系统明显的缺乏采样，继而会导致探测器受到一定程度的限制。当系统传递相应的频谱时，将会导致成像失真[1]。

针对系统成像的失真问题，设计师在设计系统的过程中，可以采用增加空间采样频率的方式来提升系统的分辨率。其主要体现在以下几个方面：第一，当系统的艾里斑直径为2个像元时，系统同样欠缺采样，这种设计方式主要应用于航空相机和空间相机，其传递函数相比于设计值较低。第二，当艾里斑函数为3个像元时，光电系统的传递函数较为容易达到0.1，其一般应用于中小型的光电成像系统。第三，当艾里斑函数为4个像元时，光电系统的分辨率相对较高，适用于实验室等设计环境。由此可见，在光电成像系统的性能优化设计中，增加系统空间采样频率的方式可以较好的提升系统的分辨率，进而可以达到光电系统的使用性能[2]。

2 系统误差对函数的影响

在光学成像系统的设计中，由于涉及、制造和使用的过程中会出现相应的误差，继而会降低传递函数，从而会影响光电成像系统的使用性能。根据科学研究显示，其影响性能的因素主要体现在以下几个方面：

2.1波像差对函数的影响

在光学系统的设计中，波像差会对系统的分辨率产生较大的影响，而在系统的设计中，加工环境、设计和使用等变化均可以影响波像差的变化，从而会影响光电成像系统的使用性能。在光电系统的设计中，其下降因子与波像差之间的关系如公式1所示：

在公式1中，Wmrs是系统的波像差，单位是波长，ATF（v）是函数的下降因子，表示空间频率。当系统的Wmrs=0.05，0.07，0.1和0.125时，系统的下降因子会达到在最低值。因此，在设计师设计光学成像系统的过程中，需要对波像差和函数下降因子进行合理的分析，以便可以保证系统的使用性能[3]。

2.2离焦对函数的影响

在光学成像系统的设计中，需要对系统进行调焦，当调焦过程中出现误差，对系统的函数会产生较大的影响。当离焦的弥散斑直径是d的时候，离焦的函数如公式2所示：

在公式2中，MTF（u）为离焦，当探测器像元的尺寸分别为10%d-d时，离焦函数的下降幅度越来越大。在设计师设计系统的过程中，为了保证系统的分散率，必须将探测器的像元尺寸控制在30%d以内，以便可以保证光电成像系统的使用效率。

2.3像移对函数的影响

在光电成像系统的使用过程中，在曝光时间内，像在像面内会出现移动，从而会在一定程度上导致函数下降。像移主要包括线性异动、高频随机振动和正弦振动。当系统的线性位移数值为d时，系统函数如公式3所示：

在公式3中，ud主要代表空间频率，当系统探测器像元的尺寸分别为10%d、20%d、30%d、40%d、50%d和d时，像移的下降幅度会逐渐增大。

在光电成像系统的设计过程中，光电的函数主要是由波像差、离焦和像移的乘积得到。对于光学遥感中的光电成像系统，在设计的过程中，可以将空间频率设置在0.5左右，在光电系统加工后，其函数应该控制在0.2左右。而系统最终应用的函数应该控制在0.1左右[4]。因此，在光电成像系统的使用过程中，只有设计师根据实际使用要求来进行设计，才可以达到最佳的使用性能。

3 系统的平均传递函数

在光电成像系统中，光学传递函数在线性空间内属于不变的系统，但是探测器取样会不断的发生变化。在系统的使用中，为了满足系统的使用需求，设计师可以采用平均函数的方式来表示空间频率的变化，以便可以更好的对光电成像系统的性能进行优化。在光电成像系统的使用中，随着系统sin函数和cos数值的不断增加，系统的相位值会逐渐缩小，并且逐渐趋于标准理论值。在数据的使用过程中，规定相应的相位等于0.因此，在光电成像系统的设计过程中，设计师应该尽量的减少函数的数值，以便可以保证系统的分辨率。

4 系统的信噪比

在光电成像系统的使用过程中，信噪比是影响系统的重要指标。在信噪比的使用过程中，主要分为红外系统信噪比和光系统信噪比。其分别如公式4和公式5所示。

在公式4中，主要表示红外系统的信噪比，其中F为孔径数，L为地面的辐射亮度。通过公式4，可以较好的对系统的数值进行计算。

在公式5中，Se为信号电子数，Ne为噪声电子数，De为暗信号输出的电子数。在系统的设计中，设计师要根据实际情况来合理的选择信噪比的数值。

结语：光电成像系统的设计关系着其分辨率的大小，继而会影响人们对光电系统的使用性能。希望通过本文的相关介绍，设计师在设计光电成像系统的过程中，可以合理的设计像移、离焦和波像差，以便可以更好的提升光电系统的使用性能。

参考文献：

[1]石涵，都东，苏志宏，等.医用全身正电子发射成像探测系统技术的研发热点和进展[J].生物医学工程学杂志，2015，01（12）：218-224.

[2]张颖，牛燕雄，吕建明，等.星载光电成像系统建模与性能评估[J].激光与光电子学进展，2015，02（13）：148-154.

篇3

2、光电成像器件及宽束电子光学：主要从事各种光电成像器件的原理与技术、设计、检测及应用技术，宽束电子光学系统及设计等方面的研究工作。

3、虚拟现实与增强现实技术：主要从事虚拟现实与增强现实算法、技术、系统，及其在各领域的应用等方面的研究工作。

4、微光与红外热成像技术：主要从事微光与红外成像探测理论、技术与系统的设计、测试、模拟仿真及总体技术，目标与环境光学特性，图像目标探测、识别与跟踪技术等方面的研究工作。

篇4

关键词：激光成像；后向散射；距离选通技术；CCD

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)11-2645-02

近年来，夜视技术不断发展，广泛应用于民用和军用领域。根据夜视工作原理不同，夜视系统可以分为两大类：以微光夜视和红外热成像为代表的被动夜视系统和以采用激光或红外灯作照明源为代表的主动夜视系统。

被动成像系统，隐蔽性好，但工作距离和成像效果受到天空背景照度、气象条件、目标温度对比等诸多限制，在一些特殊的探测领域如远程暗弱目标探测，恶劣气象条件观测，水下目标成像等场合将会遇到极大的困难[1]。

主动成像系统由于自带照明光源，受外界自然环境的影响较小，成像效果一般比被动系统好。然而，传统的主动式红外夜视系统，由于体积大、重量重、隐蔽性差等缺点，其应用范围在不断缩小。采用激光作为照射光源，利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点,对远、小、暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量,减小背景辐射的影响，提高系统对远、小、暗目标的精确跟踪和成像测量能力,获得远距离目标的高分辨率图像,从而实现对远距离目标的探测。如选用合适的成像波长，还可以应用于水下成像[7-8]，并且可以在无温差、零照度环境中成像。此外还具有抗电磁干扰和抗隐身能力强的特点，被公认为目前最具潜力的复杂背景下的目标探测模式。由于激光在大气中传输时，会受到空气中气体分子和悬浮微粒(雨、雾、烟、尘等)吸收和散射、后向散射、背景辐射等影响。同时，激光束经过远距离传输，又经目标漫反射，实际返回的光能很弱。在能见度较差的情况下，需要增加激光的功率来获得远距离目标的高分辨率图像。而随着激光功率的增加，大气后向散射作用也随之增加，强大的后向散射光会淹没大量的有用信号不能探测和识别目标。本文拟采用脉冲激光器照射目标，通过距离选通技术克服大气后向散射和背景杂光的影响，从而提高成像系统的作用距离。

1 距离选通激光成像原理

激光器发射很强的短脉冲，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到摄像机，在目标反射光未到达摄像机时，摄像机处于关闭状态，当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。根据所要求的景深，摄像机快门开启一段时间，可以获得从目标反射回来的光所形成的图像，从而排除后向散射光，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。当摄像机接收到从目标反射回来的激光脉冲信号后，再将选通门关闭，使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通门宽度和激光脉冲宽度足够短，那么就能去除大部分后向散射大大提高返回信号的信噪比。

本文采用近红外脉冲激光器和开门时间可控的CCD设计出了一种距离选通激光主动成像系统。该系统主要由像增强CCD、脉冲激光器、同步控制电路三部分组成。其结构框图如图1所示。工作过程为：激光电源打开，发射激光，根据目标距离CCD距离和激光器自身延迟时间，由延时电路控制ICCD快门打开，根据图像质量，调节激光束的聚焦状态(发散角)和ICCD镜头，直到接收清晰图像为止。

2 距离选通激光成像主要关键技术

在距离选通激光成像系统中，涉及到的关键技术主要有：激光器的选择、精确延时控制电路和CCD的选择[2]。

2.1 激光器的选择

激光器是距离选通激光成像系统的发射器件，它主要用于提供照射目标能量。在此系统中根据成像2km的距离计算，要求激光的峰值功率达到1000W以上；要求单兵携带，小型一体化对激光器提出了更高要求。

因此该系统对激光光源的主要要求是：① 峰值功率：具有一定的输出功率或能量，该系统使用脉冲激光器，要求要有较高的峰值功率，以保证有足够的作用距离。② 中心波长的选择：即与CCD光电转换效率要匹配，大气传输性能好。③ 光束质量：激光光束质量好。④ 脉冲宽度：要求较窄的脉冲宽度，以便更好地将脉冲信号同后向散射分开。⑤ 寿命长，体积小，重量轻。

从功率和体积分析：目前，实用的激光器主要有气体激光器，固体激光器和半导体激光器[3]。气体激光器光束质量好，功率大，但是一般体积庞大，不能小型化[3]。固体激光器主要分为闪光灯泵浦和半导体激光器泵浦，半导体激光器泵浦与闪光灯泵浦方式相比，其谱线线宽窄（

从激光中心波长分析，激光波长的选择必须综合考虑CCD的光电转换效率、大气传输衰减性能以及镜头的透过率等。从现有的激光成像系统，有采用1.06um近红外、532nm 绿光、808 或 880nm 近红外；如果选用工作波长为1.06um的近红外，普通CCD的光电转换效率很低，相对光电转换效率只有0.07％。如果采用相应波段的CCD，价格太高；532nm 绿光属于可见光，容易被敌方侦测到。且两者穿透战场烟尘的能力较差。

综上考虑我们选用808nm 近红外的激光二极管阵列。

2.2 精确延时控制电路

为消除大气后向散射作用，通常采用距离选通技术，距离选通技术是利用脉冲激光器和选通型CCD摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在CCD摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像[4,6]。

其工作过程为激光器发射很强的短脉冲照射目标，这时接收器的选通门是关闭的，这样就挡住了大气中悬浮微粒引起的后向散射光；当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。选通门开启持续时间与激光脉冲一致。接收到从目标反射回来的激光脉冲信号后， 再将选通门关闭， 使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器。这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使得只能探测到目标附近的反射光，那么就能大大提高回波信号的信噪比。

在这里涉及到的关键技术有三点：

① 激光脉冲信号的产生

根据CCD的工作频率，要求产生周期为25Hz，脉冲宽度从50ns～100μs可调的脉冲信号，通过计算可以算出占空比为1.25×10－4%～0.25%，占空比很少，现有的器件很难满足要求，可以采用FPGA或CPLD技术。

② 时间同步控制

激光器按照设定的脉冲宽度和周期发射激光脉冲，同步控制电路根据目标距离及系统延迟计算同步延时时间，再向CCD发送曝光触发信号，实现快门对回波的距离选通。在这里同步控制精度要求在ns级范围。

③ 焦距同步控制。

根据延迟时间，计算作用距离，控制镜头焦距与激光作用距离一致。

2.3 CCD选择

接收机要求具有外触发功能、高空间分辨率和高量子效率，噪声低，有足够的增益动态范围。大多数图像探测器使用CCD摄像机，但是在微光条件下不能提供高分辨率图像，对激光器功率要求高。因此可以采用近红外摄像系统实现距离选通成像[5]。

近红外摄像系统由光学系统和成像电路系统两部分组成，完成对目标的实时监测。

光学系统需要具备两个功能：与红外激光光源相匹配，实现对激光波长的单透，截至其它波长的杂光；实现镜头的成像功能。

近红外摄像系统的CCD成像电路安装在光学系统之后，完成光电转换、曝光控制、数据输出等功能。主要包括CCD传感器、CCD驱动电路、时序发生器与电源变换等功能。

3 试验

该项目组对红外距离选通激光成像系统进行了原理验证：光源采用氙灯泵浦脉冲Nd：YAG激光器，波长1064nm，脉冲宽度10ns，频率4Hz，能量100mJ。CCD采用带外触发功能的摄像机。在夜晚对500m目标进行了照射，先采用非主动照明，照明图像如图1所示；再采用主动照明不采用距离选通技术，获取图像如图2所示；最后采用激光选通技术，获取图像如图3所示。

图1 非主动照明夜间图像图2 主动非距离选通图像 图3 距离选通图像

从实验图像，可以看出：在夜间看不到图像的情况下，采用激光照明，可以看到图像。图2不采用距离选通技术，图像有很明显的后向散射光，几乎看不清图像。图3加入距离选通技术，图像清晰，很好的抑制了后向散射光。可见该方案可行。

4 结论

本文讨论了激光成像探测系统的基本原理及所涉及的主要关键技术，提出了一种基于距离选通方法的激光主动成像系统，并进行了原理验证试验。激光距离选通成像技术能够克服被动成像的缺点，能大大减少激光成像的后向散射，提高图像的信噪比，可以在全天候、零照度条件下工作，在目标探测、侦察、瞄准、跟踪和导航等军事领域和搜索、营救、车辆识别等非军事领域具有重要的实用价值和广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 徐效文.应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究[D].中国科学院研究生院,2004.

[2] 徐效文.激光距离选通成像关键技术[J].激光技术,2003,27(6),603-605.

[3] 孙志慧,邓甲昊,闫小伟.国外激光成像探测系统的发展现状及其关键技术[J].科技导报,2008,26(3):74-79.

[4] 赵岩,翟百臣.激光距离选通成像同步控制系统的设计与实现[J].红外与激光工程,2005,34(5):526-529.

[5] 徐效文,郭劲.一种改进的激光距离选通成像系统[J].激光与红外,2004,34(1):3-5.

[6] 王冬梅,张涛,闰丰.基于距离选通的激光主动照明技术的研究[J].微计算机信息,2006,22(7-1):48-50.

篇5

什么是蓝光鼠标

蓝光鼠标是采用了蓝光引擎的光学鼠标，典型特征是鼠标底部发出蓝色的光线。典型产品包括微软BlueTrack蓝影技术的“越野蓝影”鼠标、雷柏7100蓝光鼠标等。

传统光电鼠标有什么优劣

通常所说的“光电鼠标”，其实是有三种类型的引擎：传统的红色LED光学引擎和红色激光引擎，最新的LED蓝光引擎。

1　红色LED光学鼠标的优劣

红色LED光学鼠标主要由发光二极管，透镜组件，光学引擎以及控制芯片组成。

光学鼠标底部的LED灯光以30度角射向桌面，照射出粗糙的表面所产生的阴影，然后再通过平面的折射透过另外一块透镜反馈到传感器上。

鼠标移动的时候，成像传感器连续记录漫反射得到的阴影图案(可以想象为照相机在连续拍照)，数字信号处理器对前后的“照片”进行对比，得到鼠标的移动轨迹。

原理简述：红色LED发光、漫反射成像

优势：LED节能且寿命长、成本低、易制造。

劣势：鼠标适应能力差，需鼠标垫。

2　红色激光鼠标的优劣

根据中学物理就可以知道，鼠标的激光光源照射在工作表面会产生干涉条纹并形成光斑传感器通过这些光斑点的位置就能定位X、Y轴坐标，从而计算出光标移动的数值。

原理简述：红色激光发光、镜面反射成像

优势一：激光的镜面反射图案能产生更大的反差，使成像传感器得到的图像更易辨别，鼠标定位更加精确。

优势二：因为激光是单一波长光，聚焦很好，反射强度比红色LED光要强，适应的工作表面也就更多。

劣势：成本高昂、寿命较LED短。

蓝光鼠标的优势

因为微软BIueTrack蓝影技术是目前比较典型的蓝光技术，以下的蓝光鼠标原理都基于微软“蓝影鼠标”的例子。“越野蓝影”鼠标使用的是和传统红光LED光学鼠标一样的LED光源(只是改为蓝色)，但是，它实际上综合了两种传统光电鼠标的优点。

从光路示意图可以看到，蓝光LED发射出的光线通过校准镜片汇集，照射在工作表面上，再反射到成像镜片，经过二次汇集，在成像传感器上威像。成像传感器相当于一台高速连拍照相机，能够在每秒钟拍摄数千张照片，并将它们传送至图像处理芯片，经过芯片对每张照片的对比，最终得出鼠标移动的轨迹。

从微软“越野蓝影”蓝光鼠标的内部拆解图可以看到蓝色的LFD光源。蓝色光源加上透镜汇聚效果使最终进入成像镜头的光束量达到激光引擎的4倍，能够让光学传感器获得更大的进光量。

小知识：为什么鼠标的光学传感器需薹更大的进光量

举一个例子，拍照时照片需要足够的曝光，可以通过加大光圈(增加进光量)或者是延长曝光时间(降低快门，单位时间内拍摄速度)来实现。为了精确定位光学传感器是不可能降低拍摄速度的，所以增大进光量不仅可以让光学传感器拍出的每张照片都能够有足够的曝光，同时还可以提供足够的进光量使光学传感器在单位时间内尽可能多地拍摄出鼠标移动轨迹图片，达到更加精确的定位效果。

原理简述：蓝色LED发光、镜面反射成像

优势一：结合红色LED光学鼠标的优点，采用蓝色LED光源，成本低，易制造，且具有LED的节能优势。同样的电池，蓝光鼠标续航时间比红光鼠标大约高出33％。

优势二：结合红色激光鼠标的优点，采用比红色LED光波长更短的蓝光，进光量大，镜面反射成像原理使它的成像细节更清晰，从而使鼠标的定位更精确。在CS等射击游戏中，蓝光鼠标的瞄准更精确，位置移动也会更快。

优势三：短波长和镜面反射成像原理使蓝光鼠标的表面适应性更强，可以适应多种材质表面。带着蓝光鼠标外出，可以彻底抛弃鼠标垫。无线蓝光鼠标也能实现真正的自由移动。

从下面的对比测试图可以看到蓝光鼠标和传统光学鼠标在适应性上的差别。

篇6

关键词：物理光学；应用光学；教学实践；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0077-02

“物理光学与应用光学”是信息光学的重要技术基础，是电子信息科学与技术专业的学科基础课。物理光学从光的电磁理论出发讲述了光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性。应用光学不涉及光的波动本性，以光的直线、独立传播、折射、反射等实验定律为基础，研究受限光束的成像，特殊光电传播过程的规律；在光学系统中进行光路追迹，研究光学系统成像特性、应用及初步设计。通过“物理光学与应用光学”课程的学习不仅使学生建立起有关光的电磁理论的完整体系，能够运用光的电磁理论分析光的波动性、光在不同介质（包括物理光学元件和几何光学元件）中的传播和控制问题，能够解决光电工程中的基本光学技术问题；同时还能使学生了解现代光学的发展和前沿，以及在光电技术中的应用；为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习打下基础。因此，“物理光学与应用光学”课程是“现代光电子”“光学信息处理”“光纤通信”“光电传感技术”等课程的重要基础理论课程，也是光通信、光电子、光信息、光学工程类专业的考研课程。

一、“物理光学与应用光学”课程的内容及特点

内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业从2006级学生开始开设“物理光学与应用光学”课，其内容包括：光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、光的衍射，几何光学基础，理想光学系统，光学系统的象差基础，光学仪器等。从教学中发现学生学习该课程时感到很吃力，通过调查发现主要因为以下几个方面：一是由于中学的光学知识少而简单，与大学“物理光学与应用光学”知识跨度很大；二是物理光学部分涉及到的理论用到的数学知识太难；三是应用光学部分概念、公式多且抽象难记；四是本课程数学公式推导繁杂使学生望而生畏，难以提起兴趣；五是内蒙古工业大学的“物理光学与应用光学”课程纯理论，无相应的实验；六是教材和课堂教学与实际应用、当今光学领域的前沿技术脱节，学生对光学的运用和前景感到迷茫。因此，加强对“物理光学与应用光学”基础课的教学研究、适应教学要求和学生学习要求，充分调动学生的学习积极性，提高教学质量十分必要。

二、教学内容及方法的改进

考虑到“物理光学与应用光学”课程的重要性，根据该课程理论性较强、概念较抽象的特点，为了提高学生学习“物理光学与应用光学”课程的积极性，从教学内容、教学方法、教学手段、教学课件、加强实践性教学环节等方面进行了调整。

第一，从教学内容上进行调整。自2007级学生开始，增加了ZEMAX光学设计软件的介绍。ZEMAX是一套综合性的光学设计仿真软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能。通过该部分内容的学习，学生能够初步设计出简单的单镜头及双单镜头，增强了学生的动手能力，可以适当辅助对概念的理解。

第二，在教学方法上进行适当调整。在物理光学部分适当减少繁杂的数学推导，注重物理思想的讲解；物理光学部分数学推导往往是繁杂、冗长和枯燥的，要耗费大量的课堂教学时间，而且容易使学生望而生畏。简化数学推导，以光学中的光学定律和物理问题为线索，让学生了解光学定律的适用范围可以提高学生的学习积极性。比如光的电磁理论部分菲涅耳公式的数学推导比较繁琐，而且公式难记，为此在教学中不要求学生掌握推导公式，而要求学生会用公式分析反射系数、透射系数及反射率、透射率与入射角和界面两边折射率的关系即可。在教学过程中注重对比，如在讲解迈克尔逊干涉仪、马赫泽德干涉仪及法布里干涉仪时，对三种干涉仪的工作原理及应用进行比较，学生掌握起来更容易；在讲解衍射问题时将单峰衍射、圆孔衍射、矩孔衍射及多缝衍射的实验装置，衍射图样的特点及亮暗条纹的位置，条纹宽度等对比讲解，学生在对比基础上理解记忆的效果更好。在几何光学的成像问题中，将单球面折射、球面反射及透镜的成像进行对比，包括成像公式、焦距的表达式及放大率的公式进行对比，在光学仪器部分将放大镜、显微镜及望远镜的放大率进行对比，这样更有利于学生对公式的理解记忆及应用。

第三，在课件制作上加入phy3D演示。如，讲解凸凹透镜的成像、球面镜的反射成像、玻璃球的成像在推导完成像公式时要进行相应部分的光路图的phy3D演示，这些演示可以任意改变物距、像距或焦距，学生能够直观地观察到这些系统在成像过程中物距、像距和焦距之间的关系，弥补了枯燥的单纯理论计算的缺点。再如，在讲述迈克尔逊干涉仪时通过3D演示，学生可以清楚地看到光的传播过程，通过调整两镜的距离及位置看到干涉图样的变化，有助于加强理解。光的衍射问题向来是学生理解的难点，通过phy3D的演示学生能够清楚地看到障碍物尺寸变化时衍射图样的变化。

第四，加强实践性教学环节。为了培养复合型的实用人才，要求学生必须具有一定的实际工作技能，以便走上工作岗位后能很快地适应工作环境。因此，为锻炼培养学生的实际操作能力，增强学生毕业后的工作适应性，教学中必须高度重视实践教学环节，而毕业设计正好能增强学生的光学设计水平，从而培养出既有理论又有实践水平的高级专门人才。自引入ZEMAX光学设计软件以来，物理系三届毕业生中已有七名学生用ZEMAX光学设计软件完成了毕业设计，且设计效果良好。

第五，改革考试内容和考试方法，命题从以知识立意为主转变为以能力立意为主，加强了概念题、应用题以及与图形结合的判断题，适当出一些开放题、讨论题；改变一卷定总评的情况，采取措施多元化测试学生的能力，比如将学生论文、平时作业成绩、期中考试成绩、期末考试的分数折算计入总评等，每次考试后都坚持进行分析评估，找出教学中的薄弱环节。

三、教学中还存在的问题及今后的计划

第一，“物理光学与应用光学”是内蒙古工业大学电子信息科学与技术专业的学科基础课，目前没有设置相应的专业实验，理论和实践有所脱节，加大了学生对理论理解的难度。

第二，没有将光学的最新发展融入教学。针对以上问题，一是应尽快引入演示实验，利用实验室现有的仪器设备进行演示；通过实验能使学生接触并使用一些典型的光学系统为学生后续专业课程的学习和今后的工作中利用或组合这些光学系统进行创造性工作打下基础。二是增加现代光学基础内容，将光学的最新发展和研究成果融入讲授内容，使学生能紧跟科技发展步伐，这样不但可以扩展学生的基础知识，还可以开阔学生的视野，激发学生的学习兴趣，同时可以使学生了解学科前沿的概况及其发展动态，进一步拓宽学生的知识面，使他们的知识结构更趋合理。三是教学内容的重点和难点应通过课前预留预习作业与课后作业的方式分解消化；上课时应针对重点和难点问题采用讨论式等多种教学手段，以培养学生的创新精神和自主学习的能力。四是充分利用现代信息技术手段，将传统教学手段和辅助教学方式相结合，提高教学效果。针对课堂教学的重点、难点，利用CAI课件、录像、网络资源等增加学生对知识的感性认识，帮助学生掌握教学内容。五是在完成基本教学任务的前提下，针对不同层次学生的需求，适当扩充一些知识，这样既可以巩固所学知识，还可以提高学生的动手动脑能力，为将来的就业打下一定的基础；对有志向考研的学生，可以提前给他们提供一些重点院校的考试真题，让他们有所准备，并能够根据自己的能力选择合适的院校，以免到了大四盲目选择考研院校。

以上是笔者从事“物理光学与应用光学”教学的一些体会、所做的改进与尝试以及下一步努力的方向，希望通过改革使“物理光学与应用光学”课程的教学质量有所提高。

参考文献：

[1]张崇善.探究式：课堂教学改革之理想选择[J].教育理论与实践，2001，21（11）：39-42.

[2]段晓燕，等.从问题出发进行教学设计的课程体系[J].电气电子教学学报，2007，29（5）：112-113.

[3]谈恒英.注重综合改革，建设物理光学精品课程[J].光电子技术与信息，2004，17（6）：83-85.

[4]李玉红.光学课程教学改革实践与成果[J].高等理科教育，2006，

（2）：97-99.

[5]蔡履中.在基础光学教学中贯彻以人为本的素质教育思想的探讨与实践[J].大学物理，2004，23（4）：47-58.

[6]刘风英.关于波动光学教学改革的实践与设想[J].工科物理，

1999，9（5）：48-49.

篇7

关键词 教学方法 研讨式教学 应用光学 创新能力

专业课程是本科生培养方案的重要组成部分，主要介绍与专业相关的知识和技术，它架起了所学基础知识到实际应用的一个桥梁，对于本科生毕业后走向相关的技术岗位或进一步学习深造都具有重要的作用。但是受传统教学理念和方法的影响，目前在专业课程特别是专业基础课程的教学中，大多还是采取知识传授为主的教学方式，即教师讲授为主，学生被动接受，真正参与到教学活动的程度不高，教学效果有待提高，教学改革特别是教学方法与手段的革新迫在眉睫。

现代教学理念主张要让学生成为教学活动的主体，重点培养学生的创新能力和科研能力，突破传统的以知识传授为主的教学方法，教师更应该注重去启发和引导学生进行自主学习和探究。二十世纪九十年代以来，以美国为代表的西方发达国家在高等教育中积极倡导研究讨论式教学，美国博耶委员会发表的著名研究报告《重建本科教育――美国研究型大学蓝图》中将研究型教学模式明确为本科教学的基本要求，其中研讨式教学方法是研究型教学的重要组成部分。新世纪以来，由于高校扩招带来了一系列的问题，包括生源质量不断下降、师资力量和教学资源紧缺、毕业学生整体水平在不断下降等。针对此，国内高校也积极开展了教育教学改革，其中课程教学改革是重要的组成部分。2005年，教育部在“关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见”中强调“要积极推动研究型教学，提高大学生的创新能力”，对开展研讨式教学做出了明确的要求。

“应用光学”课程是光学工程及相近专业开展光学理论和光学技术教育的专业基础，主要讲授几何光学的基本理论与应用，侧重于典型光学系统的结构、设计、成像特性分析以及实际应用，对学生学习光学设计、光信息理论等后续课程和从事光学研究具有十分重要的作用。它不仅是与我国光学仪器等相关专业一同诞生的传统课程，也是全球具有悠久光学工程教育历史的国际一流大学共同拥有的一门经典课程。“应用光学”是我校军用光电工程专业学生的一门专业基础课，为后续专业课程（如“物理光学”、“军用光电技术”、“军用光电系统与装备”、“激光原理”等）的学习奠定必备的基础知识。针对该课程应用性较强的特点和当前教学内容及教学方法存在的不足之处，紧紧围绕军用光电专业学生的培养目标，探索了研讨式教学方法在专业课程教学中的应用，取得了较好的教学效果，为下一步在其它专业课程中全面实施研讨式教学模式打下了基础。

1课程特点与当前教学方法存在的不足

专业课程的学习是我校军用光电工程专业本科学生大学教学训练的重要组成部分，为将来走向工作岗位熟悉现代光电装备打下基础。“应用光学”主要是利用几何光学的方法分析各类光学系统的性能特点，是一门应用性很强的课程，目前教学内容主要包括“几何光学基本原理”、“光学系统设计与像差分析”和“光学系统”三部分。其中，“光学系统”部分与设计应用结合最紧密，包括望远镜系统、显微镜系统、照相机系统、投影仪系统、激光光学系统、光纤光学系统、红外光学系统等。对这些系统的了解与学习，对于军用光电工程专业学生将来在工作岗位上能够熟练掌握与操作光电类武器装备十分重要。但是，目前的教学内容不太适合军用光电工程专业学生的培养，而且当前的教学方法也存在一些不足。

1.1教材缺乏技术更新、军事特色和趣味性

我校课程标准中选用的教材是安连达教授等编写的《应用光学》（北京理工大学出版社，2002年3月第3版）。该书对于一般的光电和光信息类专业而言，是一本较好的《应用光学》课程教材，概念和基本原理介绍非常清晰，光学系统的选择也具有普遍的代表性。但是，对于我校军用光电工程专业的学生而言，该教材存在以下几个不足之处：

（1）缺乏技术更新。纵观人类科技发展的历史，最新的技术大多最先应用到军事方面。随着现代科技的日新月异，近些年来出现了许多先进的应用光学系统，如基于先进CCD和CMOS的现代新型光电成像系统、光场相机、超光谱成像、超光学分辨率显微镜等，教材编写时不可能把这些内容也包括进去，但是这些先进的技术都可能很快应用到军事上。因此，在教学内容的选择时有必要适时引入一些最新的光学系统，在课堂上对这些系统的工作原理和技术特点进行讨论分析，从而加深学生对应用光学基本原理和概念的理解，同时帮助学生掌握最新的科技动态。

（2）缺乏军事特色。我校培养的军用光电工程专业学生都是为部队服务的，他们将来面对的主要是军用光学系统，而教材介绍的主要是通用光学系统，军事特色不明显。针对此，我们在教学中删除了部分光学系统，如显微镜系统和投影仪系统，同时增加了军用望远镜、夜视仪、红外相机、大功率光纤激光系统等教学内容，选择了一些已经装备部队的典型系统进行介绍，使教学更有针对性，也极大地激发了学生的学习兴趣。此外，我们还引入了一些与现代武器装备密切相关的新技术、新系统，使学生能够更好地紧跟新军革和军队信息化建设的步伐。

（3）缺乏趣味性。几何光学基本原理、光学系统像差分析和典型光学系统的介绍相对比较单调乏味，缺乏趣味性，很难充分调动学生的积极性。针对此，除了在教学手段和方法上进行了革新，在教学内容上也进行了扩展，如在课堂上进行了部分基本原理的演示实验、补充介绍了部分日常光学现象等。其中，增加的“色散光学系统”重点介绍了彩虹的形成及其特性，利用几何光W的基本原理与方法对彩虹进行了详细的分析，同时在教室里面给大家制造了彩虹，收到了很好的效果，大大激发了学生的学习兴趣。

1.2传统教学方法不利于培养学生的创新思维和创新能力

当前，“应用光学”课程教学手段和方法还是比较传统，大部分时间是教师在讲授知识，学生长期处于被动接受的状态。这种教学模式，对于基本概念和基本理论的介绍都已经显得有些死板、陈旧和滞后，对于应用性很强的“光学系统”部分的教学就更加不合适了，很难调动起学生的积极性，非常不利于学生创新意识和创新能力的培养。针对此，我们在“应用光学”课程的教学过程中，始终将学生创新意识和创新能力的培养摆在首位，特别强调学生运用所学知识分析和解决实际问题的能力的锻炼。借鉴在本科专业课程“光电成像技术”教学改革中的经验，我们始终将启发式教学穿插于教学的各个环节，努力引导学生去发现问题、分析问题和寻找解决的方案。针对重点教学内容，我们采取了研讨式教学方法，具体根据情况包括课堂分组讨论和专题研讨两种形式，受到了学生的热烈欢迎。根据教学内容，我们还灵活运用案例教学，选取了一些军事特点突出的科研成果进行介绍。此外，我们还适时进行课堂演示实验，如水柱传光、三环效应、棱镜色散、晶体双折射、超连续谱激光等等，加深学生对基本原理和基本概念的理解。我们尽量让每一位学生都有机会参与其中，不仅活跃了课堂气氛，同时也大大激发了学生的学习兴趣，促使他们去积极思考与研究。

2研讨式教学方法探索与实践

研讨式教学是在教师的指导下，充分发挥学生的主观能动性，通过学生自我学习来获取知识和强化能力培养与素质提高的一种教学方法。由于学生参与的程度很高，同时带有很强的启发性，对于学生创新思维和创新能力的培养非常有帮助，因此自提出以来，研讨式教学方法就受到了广大教师和学生的推崇，在专业课程教学中取得了很好的效果。研讨式教学方法能够将教师的主导作用和学生的主体作用统一起来，将知识传授和能力锻炼统一起来，符合新型军事人才培养的目标。我们将研讨式教学方法引入到“应用光学”中，打破传统以知识传授为主的教学模式，重点培养学生的创新意识和创新能力，在具体实施过程别强调以下几个事项。

2.1通过课前调查充分了解学生的基本情况

由于我校“应用光学”课程面向的军用光电工程专业包括技术类和指挥类，不同类型的学生培养目标和培养方案有所区别，此外在以往课程的学习情况、专业知识结构等方面也不尽相同。即使是相同类型的学生，不同年级之间也会存在诸如兴趣爱好、性格特点等方面的差异，所有这些都会导致学生对课程教学期望值的不同。根据以往的做法和经验，非常有必要在课程教学开始之前对授课学生进行一次详细的调研，内容包括人数、姓名、籍贯、毕业学校、性格特点、兴趣爱好、以往课程学习情况、专业知识结构等基本情况，以及学生对教学内容的兴趣分布、学习期望等。一方面，根据调研结果对学生进行了分组，在尊重学生选择的基础上尽量将各类学生混合分组，这样不仅有利于讨论的开展，而且能相互促进。另一方面，根据调研的情况，对教学和讨论内容进行适当调整，更有利于研讨式教学取得好的效果。此外，通过课前调研，还可以拉近与学生的距离，增进亲近感，同时还可以在教学过程中做到有的放矢，大大提高教学效率。

2.2基本概念精讲，重点内容研讨

对于光学系统中涉及到的基本概念和工作原理以精讲为主，在教学过程别注重灵活运用启发式、案例式、实物演示等多种教学方法。需要学生重点掌握和理解的内容，则采取研讨式教学。例如在介绍“激光光学系统”时，我们采取设问和启发的教学方式，介绍了激光产生的历史、机理和主要特征，重点通过介绍普朗克、爱因斯坦等伟大科学家对激光发明的贡献，学习了他们分析问题和解决问题的创新思维方式；采取一般讲授的方式，介绍了高斯光束的定义、特征参数等。通过这种精讲的方式，让学员掌握了最基本的物理概念，有利于后面讨论的有效开展。紧接着，我们分组讨论了“高斯光束成像和球面波成像之间的区别”。由于通过前面的认真讲解，学生对高斯光束的特点已经很清楚了，结合前面学过的球面波成像知识，使得讨论进行得较为深入，取得了较好的效果。通过讨论，不仅加深了使学生对“高斯光束及其透镜变换”重点内容的理解，而且锻炼了学生运用所学知识分析实际问题的能力。

2.3合适的讨论主题是关键

选择合适的讨论主题是研讨式教学能否取得成功的关键。借鉴在《光电成像技术基础》中的成功做法，我们在讨论主题的选择时遵循了以下三条基本原则：（1）重点性原则，即要求主题选题紧扣重点教学内容，如在“光纤光学系统”一节讨论了“光纤单模传输条件”、在“偏振光学系统”一节讨论了“如何利用偏振片和四分之一波片区分各类偏振光”等，加深学生对基本物理概念的理解；（2）军事性原则，即选题紧密结合国内军事热点，增长学生的见识，让学生了解世界军事动态，为此在“红外光学系统”中讨论了“美军装备使用的典型红外光学成像系统”、在“望远镜系统”中讨论了“国内外典型的军用望远镜系统”等，极大地激发了学生的兴趣；（3）前沿性原则，即立足于应用光学发展的前沿方向进行选题，如在“显微镜系统”中，讨论了获得2014年诺贝尔奖的“超分辨荧光显微成像技术”，在“激光光学系统”中，结合我们自己的科研工作讨论了“如何将高斯光束通过透镜组合有效耦合进空芯光纤？”让学生了解了学科发展的前沿动态，调动了学习积极性。

2.4灵活采取多种讨论形式

为了更好地进行研讨式教学和锻炼学生的创新能力，根据教学内容的特点，在教学过程中我们注意了以下两个结合：一是课前给出问题课堂有准备的讨论与课堂随机讨论相结合，二是课堂小讨论与主题研讨比赛相结合。如在介绍“色散光学系统”，课前给大家准备了“彩虹是如何形成的？”“彩带的顺序如何？”“彩虹一般出现在什么时间？什么方位？”“双彩虹是如何形成的？彩带的顺序如何？”“彩虹是偏振的吗？”“为什么我们看到的彩虹都是弧形且弯向地面？”“如何获得圆形彩虹？”等十几个问题，让大家去查阅相关资料，然后在课堂上利用一节课的时间有重点地进行了讨论。通过这种方式，不仅激发了学生的兴趣，而且加深了学生对彩虹的理解。在“光纤光学系统”教学过程中，在给出光纤单模传输条件之后，马上进行了“有什么办法可以实现无截止单模传输？”的讨论，充分调动的学生的创新思维，锻炼了他们灵活运用所学知识的能力，同时引出了下面的话题――光子晶体光纤。针对“现代新型光电成像系统”一节的特点，课前让学生自学了CCD和CMOS的工作原理，并确定了讨论主题“CCD与CMOS的主要区别”，然后利用课堂时间进行了研讨比赛，受到了学生的欢迎。

2.5合理分组，积极讨论，及时总结

分组的合理与否对于研讨式教学能否取得好的效果至关重要。在实施过程中，我们根据学生的特点和不同的主题，对学生进行动态分组，每组四到五人，主题可以是给定的，也可以是学生自己选择的。成员之间进行任务分工，通过查阅相关文献和分析总结，最后形成总的演讲报告，并由一名组员进行汇报。在每组汇报完后，其他同学可以提出问题，开展积极的交流讨论，对于需要深入了解的内容课后进一步调研。为了进一步提高讨论效果，我们及时针对研讨内容、汇报形式等进行讲评。内容主要从新颖性、条理性、系统性等方面进行评估，汇报形式主要对PPT制作质量、汇报人对内容的熟悉程度、回答提问情况等方面进行评价，最后把其它各组学生评价成绩（占60%）和教师评价成绩（占40%）进行综合打分，并以40%的比例纳入课程的最终考核成绩。通过总结讲评，能够及时发现和纠正研讨过程中出现的问题，也调动了学生参与的积极性，充分发挥每位学生的长处，从而在各小组之间形成了一种良好的竞争意识，不仅使学生在研讨中加深了对基本概念和基本原理的理解，同时也极大地拓展了知识面。

3结束语

篇8

汽车避撞技术是当今社会的一个研究热点，是在交通安全领域实现现代化的重要保障。随着公路建设的迅速发展，交通事故的预防越来越引起人们的广泛关注，汽车智能避撞技术是减少公路撞车事故、改善交通安全状况的有效途径之一，因此对汽车智能避撞技术的研究和开发显得尤为迫切。

【关键词】

汽车 避撞技术

汽车避撞技术首先解决的问题是汽车之间的安全距离。汽车与汽车之间超过了这个安全距离，就应该能自动报警，并采取制动措施。目前测定汽车之间安全距离的方法有以下五种，下面分别就其各自测距的优缺点进行了介绍。

1超声波测距

超声波一般指频率在20KH七以上的机械波，具有穿透性较强、衰减小、反射能力强等特点，超声波测距仪器一般由发射器、接收器和信号处理装置三部分组成。工作时，超声波发射器不断发出一系列连续的脉冲，并给测量逻辑电路提供一个短脉冲。超声波接收器则在接收到遇障碍物反射回来的反射波后，也向测量逻辑电路提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。超声波测距原理简单，成本低、制作方便，但其在高速行驶的汽车上的应用有一定局限性，这是因为超声波的传输速度受天气影响较大，不同的天气条件下传播速度不一样；另一方面是对于远距离的障碍物，由于反射波过于微弱，使得灵敏度下降。故超声波测距常用于在短距离测距，最佳距离为4一5米，一般应用在汽车倒车防撞系统上。

2激光测距

目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成像式激光雷达和成像式激光雷达。

非成像式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是：从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内的光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差，即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。

成像式激光雷达又可分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。扫描成像激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成像式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成像激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成像速度。

在汽车测距系统中，非成像式激光雷达更具有实用价值。同成像式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时还要考虑省电、低价、对人眼安全等因素。

3.CCD摄像系统测距

CCD（Charge Coupled Device）摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成像，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标，这一系统称为双目摄像系统。

4红外线测距

红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。同时，任何物体在任何时候都会发出红外线。车载仪器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。由于红外线人类肉眼感知不到，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军用汽车上。

5雷达测距

雷达的名称来自“无线电探测和测距”（Radio Detection And Ranging），顾名思义，它向目标发射一定的无线电波，通过其反射回来的电波信号检测目标，并利用收发信号的时延测量目标的距离。雷达诞生于上世纪三十年代的第二次世界大战期间，当时由于军事上的迫切要求，雷达获得了广泛的应用和发展。之后，随着科技的发展，雷达技术日臻完善，现代雷达不仅能完成对目标的探测和测距，还能完成测角、测速、跟踪和成像等功能。虽然雷达技术主要用于军事方面，但其在民用领域也发挥着越来越大的作用。雷达在民用服务的主要应用包括有气象雷达，探地雷达和应用于机场、港口、和公路的交通管制雷达。从上世纪七十年代起，人们开始将雷达技术用于汽车自动防撞器中，称之为“汽车防撞预警雷达”（简称“汽车防撞雷达”）。

由于汽车防撞雷达具有带宽大、波束窄、天线尺寸小的特点，微波/毫米波汽车防撞雷达已经成为汽车防撞装置的首选方式。雷达以其轻便小巧，具有简单的构造和较低的功耗等优点，成为了目前汽车防撞雷达领域最具代表性的工作体制。能在雨、雪、雾等恶劣天气环境下工作，作用距离较远，比上述几种技术具有优越性，汽车防撞雷达逐渐成为汽车自动防撞器的主流技术。

参考文献：

[1] 蒋飞. 汽车主动避撞雷达系统的研究[D]. 武汉理工大学， 2006.

[2] 武守俊. 毫米波汽车防撞雷达设计及其信号处理算法研究[D]. 电子科技大学， 2007.

篇9

含格状排列像素的CCD应用于数码相机、光学扫描仪与摄影机的感光组件。其光效率可达70%（能捕捉到70%的入射光），优于传统软片的2%，因此CCD迅速获得天文学家的大量采用。

CCD相机与CMOS相机的区别：1、成像过程：CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS 芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。

2、集成性：从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。而CMOS是集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这种工艺与生产数以万计的计算机芯片和存储设备等半导体集成电路的工艺相同，因此生产CMOS的成本相对CCD低很多。同时CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片。

3、速度：CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机。此外CMOS 的地址选通开关可以随机采样，实现子窗口输出，在仅输出子窗口图像时可以获得更高的速度。

篇10

目前国内厂家对直径检测有些仍停留在用量规或卡尺检测的水平上，存在检测速度慢、误差大、产品质量可靠性差等问题，不能满足现代生产发展的需要。从国际上看，美、日、英、德等国都先后研制和开发了各种不同测量范围、不同分辨率和不同测量精度的激光、光电检测系统，可以通过光电传感和非接触测量等先进检测仪器和设备，对直径进行测量。因此，我们国家也相继研究使用了激光、光电高新技术，尤其是光、机、电一体化技术，实现非接触式在线自动检测，以适应对批量生产的快速反应的要求。

CCD摄相器是70年代初发展起来的新型高精度、高灵敏度的光电转换器件，其灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作方便、易于推广等一系列其它光电成像器件不能比拟的优点，三十多年来，CCD技术在高精度、高效率、非接触测量中的应用已成为现代光电及现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域。在现代科学技术和工业技术的迅猛发展的时代，传统的直径测量方法已不适应工业的高精度、高效率的测试要求。随着高精度、高速、自动化测量要求的出现和不断提高，很多新的理论引入到测量仪器的中，出现了集“光、机、电、算”一体化设计的高精度视频显微镜。 显微镜的发展很快，观察细微结构的能力也逐步提高，各种用途的显微镜也相继问世。视频显微镜是机械制造行业、科学研究机关及高等院校的计量部门或车间检查站广泛使用的一种多用途计量仪器。本文主要是基于视频显微镜对各种零件直径测量的研究，视频显微镜是采用CCD摄像机将被测轮廓发大成像在显示屏幕上，在屏幕上可实现精确的瞄准，并以光栅尺作为长度测量传感器，长度值采用数字显示，具有较高的测精度和操作效率。

视频测量显微镜是机械制造行业、科学研究机关及高等院校的计量部门或车间检查站广泛使用的一种多用途计量仪器。该仪器采用CCD摄像机被测轮廓放大成像在显示器屏幕上，在屏幕上可实现精确的瞄准。并以光栅尺作为长度测量传感器，长度值采用数字显示，具有较高的测量精度和操作效率。

仪器的用途十分广泛，其典型测量对象有：

1）测量各种成型零件如样板、样板车刀和各种成型零件或模具形状。

2）测量各种零件的直径、长度；或测量并通过计算求角度。

3）测量印刷电路板上的线条宽度、距离和元件焊装孔的尺寸和位置。

4）测量钻模或孔板上孔的位置、键槽的对称度等形位误差。

有些型号的视频显微镜还可以与计算机连接，利用二维测量软件可以实现坐标点或图像采集并将其处理形成直线、圆、圆弧等元素，进一步可以求取各元素的位置、角度等形为误差以及各元素的距离、交点等相关要素。测量结果可与AUTOCAD

软件进行通讯，为计算机辅助设计提供准确的测绘图形。该软件为选购件。

1 涉及的关键技术

1.1 CCD摄像技术

电荷耦合摄像器件就是用于摄像或像敏的CCD（Charge―Coupled―Devices），又简称为ICCD。它的功能是把二维光学图像信号转变成一维以时间为自变量的视频输出信号。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或电压为信号。CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。用于图像接收的一般是CCD摄像器件。它有线型和面型两大类：二者都需要用光学成像系统将景物图像成像在CCD的像敏面上。像敏面将照在每一像敏单元上的图像照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于像敏单元（MOS电容）中。然后，再转移到CCD的移位寄存器（转移电极下的势阱）中，在驱动脉冲的作用下，使其从CCD的移位寄存器中转移出来，形成时序的视频传号。对于线型器件，它可以直接接收一维光信息，而不能将二为图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必须用扫描的方式来实现。面型CCD是按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可构成二维面型CCD。本文采用面阵CCD，它是二维的图像传感器，它可以直接将二维图像转变成视频信号输出。由于排列方式不同，面阵CCD常有帧转移、隔列转移和线转移和全帧转移方式等。

1.2 精密位移测量技术

光栅尺是一种高精密的位移测量装置，由于其结构简单、分辨率高、价格便宜，从而广泛地应用于机械传动装置的线位移、线速度等静、动态运动参量的测量中。

光栅按工作原理分为物理光栅和计量光栅。物理光栅可做散射元件进行光谱分析及光波长的测定；而计量光栅的刻线较物理光栅粗，利用光栅的莫尔条纹现象进行位移的精密测量和控制。在测量线位移时，采用长光栅（或称为直光栅）；在测量角位移时，采用圆光栅（亦称为辐射光栅或光栅度盘），光栅尺即长光栅是计量光栅的一种。标尺光栅固定在导轨滑坐上，光源、指示光栅、聚光镜和接受器固定在导轨上，并可以随着导轨一起作位移运动。光源发出的光束经过照明系统后成为均匀的平行光照明主光栅。由于主光栅和指示光栅的相对位移而输出交变的莫尔条纹信号。此信号经光电接受元件转换成反映莫尔条纹特征的电信号并输出。在利用光栅进行实际测量时，电信号经电学系统处理后，实现数字显示。莫尔条纹：将两块计量光栅（通常称其中作标准器的一块为主光栅；另一块叫指示光栅）相互叠合；在保证适当的夹角和间隙时，就可以得到电光栅栅距大得多的黑白相间的干涉条纹，把它称为莫尔条纹图案。莫尔条纹的形成，实际上是光通过一对光栅（或称光栅副）时所产生的衍射和干涉的结果。莫尔条纹有横向莫尔条纹、纵向莫尔条纹、斜向莫尔条纹、光闸莫尔条纹等。光栅传感器测量位移主要是利用光闸莫尔条纹原理来实现的。

2 测量系统的误差因素分析

2.1 原理误差CCD的位移误差

主要是由于用这种方法进行测量时，应注意将被测物镜的摄影距离刻度值调至与测量时的共扼条件相对应的摄影距离上。

2.2 CCD摄相器件引起的误差

1）CCD的暗电流和噪声影响测量精度。暗电流的大小是评价CCD 器件好坏的重要指标。暗电流越大，信噪比就越小，对测量精度的影响就越大，CCD的噪声影响也如此。

2）CCD的像元间距为7 ，这个限制了系统精度的提高，要想获得高精度，可以采取细分措施。

3）CCD摄像器件在光电转换过程中的误差如：像敏单元的灵敏度、CCD电荷转移不完全、CCD的拖影等影响。此类误差对结果的影响不大，故可略计。

4）CCD的分辨率的影响，一般分辨率的参数可满足测量精度的要求影响较小。

2.3 光栅尺引起的误差

根据设计原理和方案，光栅副带来的误差应从下面三方面考虑：

1）光栅尺刻划精度带来的误差 ；

2）光栅尺的面形精度带来的误差 ；

3）莫尔条纹信号质量带来的测量误差 。

光栅尺带来的总误差 （1）

2.4 导轨导向精度引起的测量误差

1）导轨的倾斜度带来的误差 ；

2）导轨横向位移偏差带来的误差 。

导轨带来的总误差 （2）

2.5 图象处理带来的误差

图象经程序处理后的边缘并不是理想边缘，再加上鼠标点击时人为误差，导致了精度的影响。

3 结论

本文在探讨了传统的直径测量原理的基础上，开始对视频显微镜直径测量的阐述，以及视频显微镜结构原理与操作方法的研究，运用现代精密测量技术，对直径测量；测量系统中的关键技术的分析；测量系统的误差分析。

视频显微镜的测量系统测量精度高。在机械制造业、科学研究机关都有广泛应用。本文在理论上对其进行了验证，由于作者的水平和时间关系，尚有许多工作有待进一步完善和发展。目前测量系统还没有完全定标，当然要达到实用化程度还需要不断完善。总之，基于对视频显微镜直径测量的研究得到视频显微镜具有较高的测量精度和操作效率。

参考文献：

[1]林家明、杨隆荣，CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景[J].光学技术，1999（6）：43―47.

[3]中国民族摄影协会编辑，照相机的发展简史[J].照相机，2002，4：11―12.