光学原理

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光学原理范文第1篇

一、引言

80年代中期，美国MIT林肯实验室的威尔得坎普率先提出了“二元光学”的概念，二元光学有别于传统光学元件制造方法，基于衍射光学的原理，元件表面采用浮雕结构，制造上可以采用现有集成电路生产方法，由于采用二元掩模故称为二元光学。关于二元光学的准确定义，至今还没有统一的看法，但目前的共识是二元光学基于光波衍射理论，利用计算机辅助设计、并采用超大规模集成电路制造工艺在元件表面蚀刻产生不同台阶深度的浮雕结构，形成具有极高衍射效率的衍射光学元件，是光学与微电子学相互渗透交叉的前沿学科。它的出现将给传统光学设计和加工工艺带来新的革命。

二、二元光学元件设计理论

二元光学元件的设计类似于传统的光学元件的设计方法，已知入射光的光场分布，以及所要达到的输出平面的光场分布，如何计算中间光学元件的参数，使得入射光经过光学系统后光场分布符合设计要求。但是它们之间不同之处在于传统光学设计软件采用的是光线追击以及传递函数的设计方法，而二元光学采用的是衍射理论及傅立叶光学的分析方法。但是在设计方法上仍有其共同点：如修正算法、模拟退火法、二元搜索法等也同样适合于二元光学元件的设计。由于在许多情况下，二元光学元件的特征尺寸在波长量级或亚波长量级，故标量衍射理论已不在适用，因此必须发展描述光偏振特性和不同偏振光之间相互作用的矢量衍射理论。

三、二元光学元件制作工艺

二元光学元件的制作最初利用早期大规模集成电路的微电子加工技术，但二元光学元件是一种表面三维浮雕结构，需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度因此与微电子加工技术相比，二元光学元件的制作难度更大，通常的制作过程如下：

首先按实际要求（包括波长范围、孔径、焦距、分辨率等），通过计算机设计确定器件表面的相位分布，然后按照相位的表面台阶数，通过半导体集成电路制版等方法研制多个振幅型掩膜，将掩膜覆盖在涂有感光层材料的基片上，通过计算机控制的电子束、离子束或激光蚀刻机，在片基上产生符合要求的表面台阶起伏，将所有掩膜曝光一遍，每次曝光位置都要严格地定位与对准，最终方可产生符合要求的具有L个相位台阶的二元光学元件。一般来说，用上述方法产生二元光学元件母版，通过母版复制，可进行批量生产。

以二次量化产生四位相台阶的二元光栅为例具体介绍工艺：首先用电子束或其它方法制成两块模版，然后在基片上蒸镀抗蚀物质，涂感光材料（铝），将第一块掩膜版（线对较稀）覆盖在感光材料光刻一次，用氰化钾腐蚀感光物质未遮盖的铝后清洗感光材料，再将基片置于高分子蚀刻机上对已光刻部分进行蚀刻，蚀刻深度由计算机控制，同样方法进行第二次蚀刻，最后得到二次量化四位表面台阶光栅。

四、二元光学元件的具体应用

二元光学的出现，拓宽了普通光学应用范围。原则上利用二元光学元件可以实现所有能够想得到的光学系统和组件。先决条件是具备先进的微结构制作工艺和方法。目前二元光学元件主要有以下几种具体应用：

（一）图形识别和图像处理

利用二元光学元件制成新的图像识别系统，使整个系统对物体形状和各个细节的灵敏度提高，而对其尺寸和转动位置的灵敏度降低。二元光学可以制成细如发丝的微透镜阵列，能够方便的与其它光学元件集成，是新一代图像处理系统中十分有效，且密集的部件。利用这种系统进行图像识别和图像处理，利用这些微透镜阵列可使入射光聚焦于微小的光电探测器上，而通常光电探测器又与自己的图像处理器相耦合，整个系统结构紧凑。

（二）用于生物视觉模拟系统

目前视觉数据计算机评价系统以探测器为基础，可以产生类似于照相机的图像，从这些图像中经过大量计算，获得诸如角度、表面等特征，最后再以绘图说明物体。使用微型二元光学透镜，不仅缩小占位空间，而且可把数据加工用处理器直接制作到每个探测器单元上，制成有效的仿生视觉系统，代替目前所用人工模拟试验。在此基础上，还可制成适应亮度变化的、识别运动物体的、自动测出物体变化位置的图像传感器。

（三）二元光学元件

可广泛用于各种成像系统如制成高分辨率的平方米尺寸的三维平面像屏，用作小型折叠式照相机的广角镜头，CD游戏机和电视机光学系统；光学通信技术上的乘法器；图像电话的神经网络系统等。

光学原理范文第2篇

关键词：无创血糖检测； 葡萄糖浓度； 调制频率； 光声光谱法

中图分类号： O 657文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.001

引言

糖尿病（diabetes mellitus）是由于体内胰岛素缺乏引起的代谢紊乱性疾病或内分泌疾病，病症最初为体内血糖失控，血糖浓度的异常导致体内代谢紊乱，引起糖尿病酮症、心脑血管病、肾病、眼病等并发症[1]，以高血糖为主要特征，是一种世界范围内的流行疾病。随着生活水平的提高，糖尿病的发病率日益上升。据国际糖尿病联盟统计，20世纪90年代全球糖尿病患者约为1 亿人，然而到2007年，该数字已经迅速增长到2.46亿人，预计到2025年，全球将有3.8亿人受到糖尿病的困扰。目前，中国已成为仅次于印度的糖尿病第二大国[2]。

光学原理范文第3篇

关键词：面形检测； 图像预处理； 区域立体匹配； 面形实验

中图分类号： TN 247 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.005

Abstract：The projection method， that is a method of 3D surface profile detection based on the combination of linear structured light scanning measurement and stereoscopic vision measurement， can detect the surface profile of optical component online quickly and accurately. In this paper，an image processing algorithm is presented including preprocessing， areabased stereo matching， curve fitting and surface characterization testing， to recover the surface profile model of optical component. The results of the experiments show that this method can reconstruct the threedimensional exterior characteristics of the optical component truly and accurately. Therefore， the research is feasible and has research value.

Keywords： surface characterization inspection； image preprocessing； areabased stereo matching； surface characterization experiment

引 言

在光学仪器制造领域中，准确地检测和评定光学元件面形对提高光学元件加工表面的质量，研究光学元件表面的几何特性，探究光学元件的使用性能等都有着至关重要的意义。依据透镜面形检测理论，搭建实验平台并利用MATLAB和VC++软件进行重建模拟。

1 测量原理

本文采用基于投影的检测方法[14]，原理如图1所示，线结构光垂直入射被测光学元件表面形成全反射，立体视觉系统采集多组线结构光全反射图片，通过MATLAB及VC++软件对原始图片进行图像处理，进而重建光学元件的三维面形，算法流程如图2所示。

2 图像预处理

由于受到外界环境，人为因素的多种干扰和限制，实验采集到的原始图片并不能直接应用，需要进行图像滤波和直方图均衡化处理，目的是为了去除噪声影响和平衡图像对的亮度差异。滤波后的图像对如图3所示，直方图均衡化的图像对如图4所示。

3 基于区域的立体匹配分析

3.1 匹配原理

本文采用区域立体匹配[57]，原理如图5所示。假设一个像素点的邻域像素点和该点具有相同的视差，在基准图左图上选择一点P（x，y）作为待匹配点，以该点的像素坐标作为中心点，选择尺寸大小为W×W匹配窗口，此时在右图中以d为搜索范围计算同一极线上P（x，y）与P′（x+i，y）（i=1，2，…，d）的相似度，P′（x+i，y）（i=1，2，…，d）中的每个点跟P（x，y）一样都要创建一个大小为W×W的像素邻域，计算左右两幅图像中窗口包含的灰度值之间的相似性差异，用相关函数来表示，当两幅图像的一致性度量达到最大值，就认为与点P（x，y）匹配成功，匹配过程如图6所示。

实验选取9×9的匹配窗口，采用TSUKUBA提供的立体图像对来分析这三种不同算子得到视差图的差异。如图7（a）、（b）所示为原始图像对，输出的理想视差图如图7（c）所示，不同算子得到的视差图如图7（d）、（e）、（f）所示。将不同算子得到的视差图与理想视差图进行比较可知，SAD算子得到的视差图精确度略高于SSD算子和NCC算子，且该算子匹配速度较快，故本文实验选用SAD算子进行立体匹配实验。

3.3 匹配窗口分析

较为常用的区域立体匹配窗口有5×5、7×7、9×9、11×11。匹配窗口越小得到的视差图细节轮廓越清晰，但同时产生的杂点较多，在视觉上有破碎感；匹配窗口越大得到的视差图整体平滑性较好，但细节轮廓较模糊。

实验选取SAD算子，仍然采用TSUKUBA提供的立体图像对来分析不同匹配窗口得到视差图的差异，如图8（a）、（b）、（c）、（d）所示。

由图8可知，匹配窗口越大，获得视差图的细节和边缘越模糊，但同时虚假匹配点产生的越少，图像也越平滑。因此，实验选用9×9的匹配窗口。

3.4 透镜区域立体匹配实验

本文采用的是平行双目视觉系统，所以基于区域的立体匹配过程只需在左右两幅图的同一水平位置上去寻找相应的匹配点即可。匹配过程选用SAD算子和9×9匹配窗口进行，图9为经过图像处理的视差图。

4 曲线拟合

用单一像素提取视差图中圆环的坐标点，通过最小二乘法对这些坐标点进行圆拟合获得圆心坐标以及圆半径，拟合结果如图10所示。为了方便进行三角剖分，还需要将图10中的拟合图进行叠加，叠加结果如图11所示。

5 光学元件面形实验

5.1 光学元件三维模型重建实验

在曲线拟合过程中，已用单一像素提取了视差图中圆环和曲线的多个二维平面坐标点，为了真实还原透镜面形，还需进行三维空间坐标点的计算，由于本文搭建的实验平台是平行放置的双目立体视觉系统，故采用平行双目立体视觉系统的三维空间点坐标计算方法[8]来进行二维平面坐标点到三维空间坐标点的转化。

将得到的三维空间离散坐标点进行Delaunay 标准的BowyerWatson三角剖分算法[910]来实现透镜的三维面形还原，剖分过程如图12所示，并在VC++环境中使用OpenGL库，绘出了三维立体透镜模型图像如图13所示。如图14给出了在MATLAB环境中还原出来的透镜表面的微观情况。

5.2 Taylor Hobson轮廓仪实验

Taylor Hobso轮廓仪是通过仪器的触针在被测物表面滑移来进行检测的，可以直接按某种评定标准读数或描绘出表面轮廓曲线的形状，通过Taylor Hobso轮廓仪检测该透镜，其一维面形图如图15所示，透镜轮廓图如图16所示。

5.3 ZYGO干涉仪实验

ZYGO干涉仪是目前非接触式检测光学元件面形较为成熟的实验仪器，能够还原被测光学元件的一维及三维面形图，可计算出光学元件表面最大波峰值与最小波谷值之差的PV值和均方根误差（RMS）值，其强度图如图17所示，一维面形图如图18所示，三维面形图如图19所示。

5.4 实验结果及结论

投影法实验对口径14 mm，曲率半径13 mm的球面镜进行的检测，通过VC++环境进行三角剖分，得到了透镜面形的立体三维图形，同时利用MATLAB软件还原出透镜表面的微观情况，并计算出评价透镜表面面形的重要参数――PV值和RMS值。

Taylor Hobso轮廓仪和ZYGO干涉仪检测光学元件面形的技术在现阶段来说已经比较成熟，所以将投影法的检测结果与这两种检测仪的检测结果比较即可验证该检测方法的可行性。如表1所示可知，投影法与Taylor Hobso轮廓仪、ZYGO干

涉仪的检测结果中，PV值及RMS值之差约为0.01 μm，对于一个口径较小的透镜来说，这样的结果是较为理想的，其结果与Taylor Hobso轮廓仪、ZYGO干涉仪的检测结果精度较为接近，这样就验证了结构光投影法检测光学元件的方法是可以满足通常的检测要求，具有一定的可行性。

6 结 论

本文提出的投影法光学元件面形检测技术，克服了传统检测方法中对外界环境要求严格的诸多不足之处。实验显示，该方法能够检测还原光学元件三维外貌特性，但后期仍需进一步优化图像处理算法，提高检测精度。

参考文献：

[1]孙国强，许增朴.用于产品造型设计的三维反求测量系统的研究[D].天津：天津科技大学，2007.

[2]王晓林，陈伟民，黄尚廉.光切法三维轮廓测量的原理及其应用[J].光学技术，1997，3（2）：3943.

[3]陈江.二目立体视觉测量系统关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[4]高文，陈熙霖.计算机视觉―算法与系统原理[M].北京：清华大学出版社，1999.

[5]达飞鹏，盖绍彦.光栅投影三维精密测量[M].北京：科学出版社，2011.

[6]HIRSCHMULLER H.Improvements in realtime correlationbased stereo vision[J].IEEE Workshop on Stereo and MultiBaseline Vision.2001，141148.

[7]刘瑜，刘缠牢，苏海.一种基于结构光双目视觉的特征匹配算法研究[J].光学仪器，2014，36（2）：161166.

[8]何勇.双目视觉的车辆场景三维重建方法研究及应用[D].合肥：合肥工业大学，2009.

光学原理范文第4篇

科学与伦理的冲突和较量可以说贯穿了人类进步的始终，而当生命科学的世纪实实在在地现身于历史舞台之际，生命伦理学高擎“不伤害”、“有利”、“尊重”、“公正”和“互助”等原则的大旗，无时无刻不在提醒人们，对与生命有关的高科技不仅要关注“有没有能力做”，更应回答“该不该做”的问题。

（一）

1999年在美国发生的轰动一时的“杰辛格事件”――18岁的遗传性疾病患者杰辛格因接受相关的基因治疗试验，数日内发生强烈的免疫排斥反应，引发多器官衰竭而死亡。现在看来，正是由于该试验的主持者违反了医疗常规，当患者已经出现发烧的异常反应时，出于种种（包括商业方面的）目的，不仅没有停止试验，反而在患者或家属并不知情的情况下，擅自加大转移基因的腺病毒载体颗粒剂量，最终引发了悲剧。

进一步追根溯源，杰辛格事件实际上与1990～1991年首例和第二例人类基因治疗临床试验获得成功后，美国相关机构对基因治疗方案的审批“松绑”有关。程序简化，门槛低了，有关监督管理的神经随之放松，事故也就出来了。

在1992年和1994年国际上对基因治疗连续松绑的情况下，我国没有松绑。1994年8月，卫生部药品评审中心在京主持召开了“人的体细胞治疗和基因治疗”评审及研讨会。与会专家一致认为，凡是进行人体细胞基因治疗的单位，均应遵守中华人民共和国卫生部关于人的体细胞治疗和基因治疗临床研究质控要点的通知要求进行质量控制，并向卫生部新药评审办公室申请，经专家委员会审查，卫生部批准方可实施临床试验或临床验证。

（二）

35岁的特莉是个12岁男孩的母亲。她在她60岁的父亲被诊断出患有亨廷顿舞蹈病（一种遗传性中枢神经退行性病变）后，做了遗传基因检测，结果为阳性。尽管特莉目前还没有任何病变的症状，但她本人和她父亲的医疗记录却使她无法获得医疗保险。更为糟糕的是，她那并不打算接受遗传检测的弟弟也没有得到医疗保险。目前，她最担心的是自己因此可能得不到长期的工作合同。

这是生命伦理学家近来常常用来给学生讲课的一个典型案例，它向人们提出了一些前所未有的新问题。如：我们能否称特莉为病人？像特莉所携带的遗传病基因是“坏基因”吗？特莉应不应该让她12岁的儿子接受遗传检测？如果结果为阳性，应不应该告诉他？特莉和她的家人应不应该获得医疗保险？应该如何对待遗传信息？伴随人类基因组研究的不断深入，这类的问题变得日益突出。

人类基因组研究可以说是人类迄今为止最伟大的科学行为之一，围绕这一行为的伦理学问题也最难找寻答案。按照我国著名的生命伦理学家邱仁宗教授等最近的归纳，与人类基因组研究有关的伦理问题涉及多达7个方面，如“人类基因组研究是否应该用于‘优生’？”、“遗传资源的收集必须知情同意”、“保护基因隐私”、“人类基因组研究须担负对家庭和社区的责任，所有人类分享和获得基因研究的利益”、“对人类基因组研究的商业化趋势如何规范？”、“人类基因是否应该申请专利？”、“基因研究与遗传资源保护”等等。

尽管上述7个方面的问题中的多数尚属悬而未决，各方意见相持不下，但我国目前已经在一些问题上表明了态度，有些还落实到相关的法律法规之中。

我国著名人类基因组研究专家、中科院人类基因组研究中心主任杨焕明教授最近表示，科学已经证明自己是把“双刃剑”。这把剑掌握在科学家的手中，他们应该受到公众的密切注意。任何科学家都不能闭上自己的眼睛说，我的工作是制造利剑，它的刃对着你，这不关我的事。作为人类遗传学家，我们知道得最清楚，尽管我们期望基因及其相关技术能有益于人类，但如果误用或滥用，那将是最危险的。

（三）

除基因研究外，干细胞研究可以算是人类科技进步中另一个最受瞩目的领域，同时也是伦理学困扰最多的高新科技领域之一。

近年来，包括我国在内的世界各国科学家在人类胚胎干细胞、成体干细胞等的分离和培养等方面的研究中取得了一系列重要突破。这些研究显示，通过干细胞移植提供健康的新细胞，可以修复身体受损或病患的部分。科学家相信，干细胞研究可以对目前难以防治，严重威胁人类健康的诸如帕金森氏病、阿尔茨海默病、糖尿病等疾病提供全新的治疗手段。他们希望利用干细胞为这样的病人培养出新的神经细胞、胰腺细胞等，从根本上治愈顽疾。

然而，伴随干细胞研究取得重要突破而来的是全球范围内的争论。这些争论的焦点主要集中在干细胞的来源上，因为理想的干细胞来源是人类的胎儿组织。为采集干细胞而毁坏胚胎被认为违反了人类伦理道德规范。此外，人们还担心，作为“生产”胚胎干细胞重要手段的克隆技术的使用，会导致“生殖性克隆”，也就是克隆人出现。

2001年1月，英国在世界上第一个将克隆研究合法化，允许科学家克隆人类胚胎以进行干细胞研究。为防止克隆人，英国政府规定，治疗性克隆的胚胎必须在14天之后被毁掉。然而，这种为了得到胚胎干细胞而制造胚胎，然后“破坏”该胚胎的做法也引起了很大的伦理学争论。反对者认为，人类胚胎，即使是极小的细胞团，也是人类的生命，是神圣的。允许科学家为了所需要的细胞而制造有生命的胚胎，“收获”那些细胞后又毁掉或丢弃胚胎，是令人无法容忍的野蛮行径！科学家及其支持者则认为，这是迈向新医学的关键一步。解除千万个癌症患者、帕金森氏病患者和需要器官移植患者的病痛，挽救他们宝贵的生命才是对人类生命价值的最高尊重。如果出于治病救人的目的，如果当事人同意，按照功利最大化的原则，治疗性克隆及其研究在伦理学上可以得到辩护。

卫生部医学伦理专家委员会最近已经提出《关于人类胚胎干细胞研究的伦理原则和管理建议》。这个《原则和建议》提出，人类胚胎干细胞研究必须遵循“尊重”、“知情同意”、“安全有效”和“防止商品化”等原则。如有关“知情同意”的原则说，必须告知人工流产的胎儿组织或体外受精成功后剩余的胚胎的潜在捐献者，配子或体细胞的潜在捐献者有关干细胞研究的信息，获得他们自由表示的同意，并给予保密。同样将来在将干细胞研究用于临床时，也必须将有关信息告知受试病人及其家属，获得他们的自由同意，并给予保密。《原则和建议》还说，政府必须严格禁止人的生殖性克隆，应严格禁止将用于干细胞研究的胚胎放入任何妇女的子宫内，严格禁止利用人的配子与动物的配子制造嵌合体。严格禁止一切形式的买卖配子、胚胎、胎儿组织，包括给予捐献者经济报酬等等。

（四）

光学原理范文第5篇

教学目标：

1.经历“抽屉原理”的探究过程，初步了解“抽屉原理”，会用“抽屉原理”解决简单的实际问题。

2.通过操作发展学生的类推能力，形成比较抽象的数学思维。

3.通过“抽屉原理”的灵活应用感受数学的魅力。

教学重点：经历“抽屉原理”的探究过程，初步了解“抽屉原理”。

教学难点：理解“抽屉原理”，并对一些简单实际问题加以“模型化”。

教具、学具准备：课件，杯子、小棒。

教学过程：

一、组织游戏，引入新课

师：上课之前，老师特别想和同学们做个游戏――坐凳子。在这里有2个凳子，请3位同学都坐到凳子上。如果让3位同学反复做这个游戏，不管怎么坐，我都敢肯定总有一个凳子上至少有2位同学。大家相信吗！

师：这是为什么呢？其实这个游戏中蕴含着一个著名的数学原理，现在我们就一起走进数学广角，来研究这个原理。

二、经历过程，理解原理

（一）动手操作，初步感知

请看大屏幕。（课件出示）把3根小棒放进2个杯子里，可以怎么放，有几种不同的放法？会发现什么呢？请同学们小组合作放一放。

l.师：哪个组能说说你们是怎么放的？

2.师：同学们观察这两种放法，（理解体会）第一种放法，比较多的一个杯子里放了2根小棒：第：二种放法，比较多的―个杯子里放了3根小棒。那么把3根小棒放进2个杯子，不管是怎么放，总有一个杯子里会放比较多的小棒，而且至少几根呢？谁发现了？

（二）自主探究，体会理解

师：如果我们增加小棒和杯子的数量，（课件）把4根小棒放进3个杯子里，可以怎么放，还会发现类似的结果吗？

1.师：哪个小组原意展示一下自己的放法？

2.师：（引导学生观察每种放法里放小棒最多的杯子）你们发现了什么？

生：不管怎么放，总有一个杯子里至少有2根小棒。

师：是这样吗？我们一起验证一下吧！

（三）发现规律，总结原理

刚才我们通过列举出所有的放法，发现了把3根小棒放进2个杯子里，把4根小棒放进3个杯子里的规律。

1.如果（课件）把6根小棒放进5个杯子里，不管怎么放，会不会也是这样的结果呢？

2.师：我的感觉和大家一样，可是我们想的对不对呢，需要干什么呀？

师：大家想出办法了吗？谁来说一说你们组想出什么办法来了？

3.师：哪个小组和他们的方法一样，请举手。大家都用这种方法，那这种假设的方法实际上先怎么做，然后怎么做的？

4.师：如果把7根小棒放进6个杯子里，把10根小棒放进9个杯子里呢？把100根小棒放进99个杯子里呢？……还用试吗，结果会是怎样的？

生：不管怎么放，总有一个杯子里至少有2根小棒。

师：你们真不错，每次都能很快说出结果，这样的例子能说完吗？是不是发现什么规律了？先给同桌说说。

师：谁能给大家说一说？

师：把n+1根小棒放进n个杯子里会出现什么结果？

师：同学们刚才发现的这个原理就是著名的抽屉原理。

5.现在同学们明白课前“坐凳子”游戏的道理了吧，谁能给大家解释一下？

三、运用原理解决问题，类比提升

生活中有很多问题是可以用抽屉原理来解决的，大家有信心运用抽屉原理解决生活中的问题吗？我们一起看看。

1.课件出示：6只鸽子飞回5个鸽笼，至少有2只鸽子要飞进同一个鸽笼里。为什么？

2.这个问题与大家的出生月份有关系：（课件）在我班一个小组的13个同学中，至少2个同学是同一个月出生的，想一想，为什么

3.（机动）平常大家喜欢玩扑克吗，扑克里也有类似的问题：（课件）从一副扑克牌中取出两张王牌，在剩下的52张中任意抽出5张，至少有几张同种花色的？为什么？