信息光学（精选11篇）
信息光学 篇1
随着我国经济社会的快速发展, 我国高速公路建设获得了较快的发展。加强对路面状况的检测已经成为今后的必然选择。经过多年研究后产生了一种新型的共梁双精密高程计、二次差分直接获得路面高程值的新方法, 这种方法的应用有助于克服传统检测方法带来的车体振动困难。在实际工作过程中为了提升检测水平就必须要加强这方面的研究。
1 路面状况分析
路面平整度是衡量路面状况的一个重要指标, 路面不平整度即高程起伏根据尺寸在纵向剖面可分为长波、短波不平度及粗糙纹理三种。不同的路面平整度对车辆造成的影响是不同的。通常情况下长波车辙是极易引起车辆低频振动的, 短波则能够引起高频振动, 粗糙纹理则会加重车辆轮胎的摩擦及产生行车噪音。对于这三种不同形式, 我们需要进行深入分析。
对于路面状况的评价, 工作人员通常是通过颠簸累积仪和传递函数方法来进行研究, 这种方法基于路面激励总体响应和乘员舒适感觉。这种方式虽然在一定程度上能够达到基本目的, 但是却不能够适应实际发展的要求。实际工作过程中人们逐渐研制出新的方法来进行检测。直接得到路面高程起伏的断面高程技术是当前研究的重点, 这种技术是以激光和现代光学原理为理论基础的。在人们对路面平整度的要求越来越高的背景下, 应该不断加强这方面的研究。
2 高程起伏的获得
对路面状况进行检测的关键就是获得高程起伏, 如何获得高程起伏是检测的重中之重, 而在获得高程起伏的过程中如何去消除车体自身的垂直位移又成为检测中的关键问题。对于这个问题, 工程人员决定采用共梁双高程传感器方案来解决。车辆行驶过程中两高程设计会因共梁自动消去车体共有位移。实际检测过程中, 以前后车轮着地点为基点和两高程计组成平整度测量系统。通过该测量系统将能够获得真实的路面高程起伏。该系统的形成对于消除车体自身运动产生的影响具有重要意义。
实际工作过程中对路面状况光学智能的检测, 重点是要对纵向不平度及横向车辙进行检测。对于横向车辙动态测量虽然有人提出采用车载激光测距仪沿着道路一侧行进来对路面进行横线扫描, 从而获得高程变化, 但是从实际测量结果来看, 这种方案也不能达到实际要求。在本次测量过程中, 工程人员决定采用摆动扫描来直接获得路面等高程线, 这种方法基于激光三角测距原理, 采用这种方法能够达到理想结果。在实际测量过程中, 如果给定基线长, 用专门仪器测出光斑在CCD上位移之后就能够得到高程值。由于测量精度和距离平方是成反比的, 因而我们可以知道, 当纵向平整度测量传感器和路面距离较小时就能够获得较高精度。所以在用摆动等高程扫描的时候就应该尽量减少测程, 从而达到提高精度的目的。
3 结果分析
应用共梁双高程计来进行测量, 效果十分明显, 能够反映路面真实情况。工程人员通过实际案例对这种方法进行了考察。
工作人员选择某市16条公路, 对其平整度进行年检。在不影响正常交通的情况下对道路连续进行了两天测量。经过精心测量, 工程人员获得了各条公路全程平整度平均值和102m区间值。从检测结果中可以发现, 数据真实地反映了各条公路真实的路面状况。比较苏杭路南京段和长江大桥路面的实际情况就会发现, 桥面平整度都要比两侧引桥平整度好, 这同实际情况完全吻合。详细分析南京机场高速公路平整度km标准差平均值和车辙深度km平均值曲线就可以发现, 尽管南京机场高速公路已经运行了很多年, 但是其平整度标准差全程平均值仍然处在高水平, 它的车辙深度全程平均值能够达到7.03mm。这一水平其实和新建高速公路是接近的。该公路之所以能够有这么好的质量, 是因为平时进行严格管理, 经常性地维修并严格禁止超重车。在对沪宁高速公路南京到常州路段的车辙及平整度进行检测之后, 工作人员发现尽管该路段是比较繁忙的路段, 车流量比较大, 但是该路段车辙深度处在8.0mm水平, 平整度标准差能够达到1.25mm, 处于高水平。检测结果同抽查结果一致。
4 线结构光车辙检测
线结构光车辙检测是一种专业的路面检测方法, 该方法的应用在精确测量路面结构情况方面有重要作用。线结构光车辙检测是今后发展的方向, 加强对这种检测方法的研究具有重要意义。采用这种方法进行检测的关键是要能够对线结构光纤变形图像进行专门处理。线结构光检测系统输出采用的是ROI光条图像, 通过采用这样一种形式将能够实现自动化控制、可批量化硬件预处理输出, 最终能够获得质量稳定、尺寸均匀的结构光图像。通过对图像进行处理, 能够获得用于车辙评价的特征参数。路面横向变形曲线提取和车辙特征参数提取是重要环节。经过大量实验就会发现, 利用大功率线激光能够实现对路面车辙进行自动化快速检测, 包络线最大车辙深度及填充面积可以当作自动检测条件下路面车辙的评价指标。
5 结语
进行路面状况智能检测是公路建设的必然要求, 在人们对公路质量要求越来越高的背景下, 加强线光学智能检测及信息处理的研究具有重要意义。在检测过程中, 关键是获得高程起伏, 只有获得高程起伏, 才能得出科学结论。
参考文献
[1]王鑫, 唐振民.一种新的自动路面车辙检测方法[J].计算机工程与应用, 2008 (10) .
[2]柳钰.沥青路面车辙深度检测系统研究[D].武汉:武汉理工大学, 2007.
信息光学 篇2
关键词： 光学设计； 显微物镜； Zemax； 正向光路； 长工作距离
中图分类号： TH 74文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.014
Optical system design of highresolution microscope objectives for
optical fiber fusion splicer
CHEN Lina， LIU Qiaoling， KE Huaheng， YU Huaen， PENG Jiazhong， LIANG Xiuling
（Fujian Provincial Key Laboratory of Photonics Technology， College of Photonic and
Electronic Engineering， Fujian Normal University， Fuzhou 350007， China）
Abstract： According to the requirement of highquality fiber fusion in the process of optical fiber fusion， a microscope objective for detecting the fiber core is designed to determine the position of the optical fiber core， which is optimized through the optical system design software Zemax. The designed system consists of six lenses. The magnification is eight. The object space NA is 0.25. The working distance is 13.4 mm. The conjugate distance is 85 mm and image receiver is a CCD. The optical lens is optimized through the method of forward optical path with the spectral range of 486～656 nm. Forward optical path design of the microscope objective is practical to detect the fiber core position more clearly and accurately. It has long working distance， short conjugate distance and high accuracy.
Keywords： optical design； microscope objective； Zemax； forward optical path； long working distance
引言随着光纤通信技术的广泛应用，越来越多的光纤线路需要维护和熔接接续。为了获得低熔接损耗的光纤，需要对光纤纤芯进行高精度对准。因此，设计一款适用于光纤熔接机的高质量显微物镜具有重要的意义。显微物镜是用于观察近距离物体，其像距大于物距，这样才起到放大的作用。光学设计一般从长距离方向计算，因此为了便于后续的像差优化，根据光路可逆原理，传统的设计方法均是采用逆向光路进行优化设计。采用逆向光路设计时，物镜的放大率为正向光路设计时的倒数1/β（β为正向光路设计时物镜的放大率），像差经过物镜后缩小，像差校正容易，但是逆向光路设计的光学系统其几何像差调制传递函数（MTF）、星点图等体现的是物面处的成像质量。而显微物镜在实际使用中都是采用正向光路，且正向光路设计的光学系统其几何像差、MTF、星点图等能够直观体现CCD接收靶面处的成像质量，因此正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，它能够更加清晰呈现光纤的纤芯位置，提高光纤熔接机的对准精度，从而达到降低光纤熔接损耗的目的。图1纤芯对准系统的结构示意图
Fig.1Structure diagram of fiber
core alignment system1设计思路光纤纤芯对准系统的基本结构示意图如图1示，图中：l为物距；l′为像距；L为共轭距。像面接收器采用CCD，待熔光纤的直径为125 μm（即物高y为0.125 mm），纤芯直径为9 μm。当光纤在CCD的像面宽度上成像为1 mm（即像高y′为1 mm）左右时，能够较理想地实现光纤纤芯的高清晰对准，且光纤所成的像为倒像。因此可得该系统的放大率为β=y′y=-8（1）光学仪器第37卷
第2期陈丽娜，等：光纤熔接机高清显微物镜光学系统设计
图2包层和纤芯在CCD上的实际大小
Fig.2Real size of the cladding and fiber core in the CCD
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图3摄远型初始结构
Fig.3Initial structure of telephoto
此外，为了便于光纤的装夹、调节、对准、熔接等机构的安装，显微物镜的工作距离不能太小。拟定显微物镜的工作距离（即物距）为13.4 mm，长工作距离便于熔接操作。当工作距离为13.4 mm时，根据放大率公式β=nl′n′l（2）式中n和n′为空气的折射率，可得该系统的共轭距L=l′-l=120.6 mm。该系统在正常情况下其共轭距L将超过120 mm。为了缩短整个光路，将共轭距控制在85 mm以内，这为将来仪器的小型化设计提供了可靠的前提保证。本文中的显微物镜是按正向光路进行设计，纤芯和包层经过显微物镜放大后，其直径分别为0.072 mm和1 mm。由于光纤熔接时主要是检测断裂处纤芯的准确位置，光纤成像的最大视场在0.8ω（ω为物镜的视场角）处（如图2示），因此，系统只需校正0.8ω以内的像差即可满足设计要求。为了采集到高质量的光纤图像，显微物镜的数值孔径设置为0.25。系统拟采用高亮度的白光LED，设计光谱为486～656 nm。2优化设计
2.1优化过程为了缩短光学总长，镜头采用摄远型初始结构，由正透镜组和负透镜组组成，如图3所示。根据理论公式可以粗略计算出正负透镜组的基本参数，显微物镜的物距即正透镜组的物距l1为13.4 mm，由于该显微物镜的共轭距为85 mm，拟定其像距即负透镜组的像距l′2为65 mm，正负透镜组间隔d为6.6 mm。显微物镜数值孔径及角度放大率表达式分别为NA=nsin（-u）（3）
γ=u′u=nn′1β（4）式中：n为物方折射率；n′为像方折射率；u为透镜组的入射孔径角；u′为透镜组的出射孔径角。已知显微物镜的数值孔径NA为0.25，放大率β为-8，将值代入式（3）、式（4）可得：sin（-u）=0.25，sinu′=0.031 25。由摄远型初始结构图中的几何关系可知tanu′1=h1-h2d=-l1×tan（-u）-l′2×tanu′d=0.216 3（5）式中：u′1为正透镜组的出射孔径角；l1为正透镜组的物距；l′2为负透镜组的像距；h1和h2分别为光线在正负透镜组上的入射高度。计算出sinu′1=0.211 4，l′1=h1tanu′1=15.995 8 mm，l2=l′1-d=9.395 8 mm。再根据高斯公式及透镜组的光焦度φ的表达式为1l′-1l=1f′（6）
φ=φ1+φ2-dφ1φ2（7）式中：φ1为正透镜组的光焦度；φ2为负透镜组的光焦度。可计算出正负透镜组的焦距值及显微物镜的组合焦距值分别为：f′1=7.293 9 mm，f′2=-10.989 0 mm，f′=7.788 2 mm。由此可得，光纤经过显微物镜成像时可理解为经过了两次角度变化，即u=-14.477 5°→u′1=12.204 4°→u′=1.790 8°。正负透镜组所承担的偏向角δ1、δ2分别为26.681 9°和10.413 6°（见图3）。根据初始像差及其光学设计的经验，一般情况下，每个光学镜头承担的偏向角不要太大，单透镜承担的偏角为6°～9°，双胶合承担的偏角为11°～14°。这是因为光线的偏角越大，该表面的相对孔径也越大，会产生较大的高级像差，优化时很难达到像差平衡。本文显微物镜的正透镜组采用一片单透镜和一组双胶合透镜的透镜组合，而负透镜组则采用三片分离的单透镜组合，共有六片透镜组成。正透镜组剩余的偏折角可由负透镜组来承担。表1透镜组的基本参数
Tab.1Basic parameters of the lens group
组名形式焦距/mm空气间隔/mm正
透
镜
组单透镜16—空气—1双胶合12.57—空气—3.6负
透
镜
组单透镜-15.60—空气—1单透镜34—空气—1单透镜-17.12—
根据前面得到的正负透镜组结构参数，结合几何光学公式可得出每个透镜的焦距值及透镜间的空气间隔，如表1所示。显微系统的照明光源为白光LED，图像接收器件为CCD，为了能在CCD上得到0.8视场内的清晰像，要求显微物镜是平场消色差物镜。由于所设计的显微物镜是一个长工作距离、小视场的系统，有较小的场曲，因此主要校正其轴上像差，即球差和轴向色差，还要考虑彗差。显微物镜是按正向光路进行优化设计，球差、轴向色差等像差经过系统后被放大，这将增加其校正难度。为了得到优良的成像质量，系统的球差可通过正负透镜组合来进行校正。 彗差的校正。系统主要存在子午彗差，根据其定义，添加操作数TRAY，控制像平面上光线与像面交点到主光线的垂轴距离。对同一视场，不同孔径设置操作数TRAY，令其两者之和为零，可有效减小子午彗差。正向光路设计的显微系统像差放大，因此在优化过程中需要加重相应优化操作数的权重。 轴向色差的校正。对于薄透镜系统，其轴向色差系数为ΣC1=Σh2φν（其中h为光线的入射高度，φ为光焦度，ν为阿贝常数），系统在结构上采用双胶合和有空气隙的正负分离透镜组合。在优化过程中，适当地选择φ，ν及h值，使轴向色差系数尽可能小或为零。系统采用冕牌玻璃与火石玻璃的搭配亦可达到减小轴向色差的目的。
2.2设计结果镜头优化后的外形结构和系统参数分别如图4、表2所示。该系统由6片透镜组合而成，其中有一组双胶合透镜，两片双凸透镜，两片弯月形透镜。所选玻璃第一片来自肖特玻璃库，其余五片均来自成都玻璃库，其中玻璃材料从第一片到最后一片依次为：NPK52、HZK6、ZF5、HZF4、BAF3、HLAK4L。冕牌玻璃与火石玻璃的搭配有利于校正像差。
图4显微物镜的布局
Fig.4Layout of the microscope objective
表2显微物镜的系统参数
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Tab.2System parameters of the microscope objective
名称值物方数值孔径NA0.25有效焦距/mm6.738 307总长/mm71.600 55像方数值孔径NA0.032 286 71近轴像高/mm2近轴放大率-7.992 895入瞳直径/mm23.482 99出瞳直径/mm3.545 373
图5为显微物镜的MTF曲线，从MTF曲线可以看出，在空间频率为50 lp/mm处，全视场以内的调制传递函数MTF值均大于0.3，接近衍射极限，具有较高的分辨率。图6为显微物镜的点列图，由图可以看出，该系统各视场的成像弥散斑均方根半径均小于爱里斑半径，能量较集中，符合设计要求。
图5MTF曲线
Fig.5MTF curve图6点列图
Fig.6Spot diagram
显微物镜的像差公差用波像差来衡量，要求光学系统的波像差小于λ/4。显微物镜的几何像差分析如下：（1）球差由于该显微物镜的孔径较大，因此存在高级球差。该系统的边光球差容限值和剩余球差容限值分别为δL′m≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（8）
δL′≤6λn′sin2U′m=6×0.587 6×10-31×0.032 72 mm=3.297 1 mm（9）图7为显微物镜的球差曲线，由图可知，该系统主波长的实际球差最大值为0.109 9 mm，在边光球差和剩余球差容限范围内，满足设计要求。（2）轴向色差该系统的轴向色差容限值为ΔL′FC≤λn′sin2U′m=0.587 6×10-31×0.032 72 mm=0.549 5 mm（10）由图7可看出，该系统的实际轴向色差最大值为0.033 6 mm，在容限范围内，符合要求。（3）其他像差图8为显微物镜的畸变图，由图可看出，系统的场曲、像散和畸变都很小，该系统主波长的实际子午场曲最大值为0.027 7 mm，弧矢场曲最大值为0.022 4 mm，实际像散最大值为0.005 2 mm，畸变值为0.24%，都满足设计要求。
图7球差曲线
Fig.7Longitudinal aberration curve图8畸变曲线
Fig.8Distortion curve
3公差分析
3.1公差分配原则系统在加工与装调过程中都将产生误差，使最终结果偏离设计结果。为了提高其成像质量，光学系统内所有参数都需要分配可变公差。如果系统对某一参数的变化很敏感，那么对该组公差要有较严的要求，反之则可以采用较为宽松的公差。显微物镜系统对成像质量有较高的要求，且该显微物镜各透镜的半径和厚度值均很小，因此对光学元件公差的要求相对较严。运用Zemax软件中的公差计算与分析程序计算光学系统内各参数性能下降的敏感度，即分析所有元件的加工、装调公差，确定敏感度。公差参数包括半径、光学元件厚度、空气间隔、偏心等。
3.2公差分配结果运用Zemax光学设计软件，通过灵敏度分析、反转灵敏度分析及蒙特卡罗分析得到显微物镜合理的公差分配。通过计算分析每一公差参数在Nyquist空间频率50 lp/mm处的MTF下降情况，最终确定合适的公差。灵敏度公差、蒙特卡罗公差分析结果分别如表3、表4所示。蒙特卡罗公差分析结果显示该显微物镜系统90%以上的蒙特卡罗样本MTF≥0.166 385 252，每个样本为一个模拟加工、装调后的光学系统。对显微物镜公差灵敏度的分析表明，元件的半径、厚度和偏心为敏感公差，其敏感公差主要位于元件3，4，5（表5所示）。因此，需要严格保证这些元件的加工与装调公差，确保最终实现光学系统的高精度、高性能要求。
表3灵敏度的公差分析结果
Tab.3Analysis of sensitive tolerance sensitivity
类型表面序号公差MTF改变量半径公差1+4光圈数
-4光圈数-0.050 733 329
-0.051 019 096表面偏心公差7±0.008 mm-0.051 884 756表面倾斜公差7±0.008 mm-0.052 259 487半径公差9+3光圈数
-3光圈数-0.054 000 761
-0.056 068 687表面偏心公差12±0.005 mm-0.063 947 077
表4蒙特卡罗公差分析结果
Tab.4The result of the analysis using
Monte Carlo method
蒙特卡罗样本百分比MTF值90%≥0.166 385 25250%≥0.203 524 68910%≥0.329 780 993
表5显微物镜的公差要求
Tab.5Tolerance demands of the microscope objective
元件
序号半径公差/
光圈数厚度公差/
mm偏心公差/
mm折射率
公差阿贝常数
公差/%1±4
±5±0.03
±0.03±0.015
±0.015±0.001 012±5
±5
±5±0.03
±0.03
±0.03±0.015
±0.015
±0.015±0.000 8
±0.001 013±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 014±3
±4±0.03
±0.03±0.008
±0.015±0.001 015±2
±2±0.03
±0.005±0.005
±0.005±0.001 01
4结论所设计的光纤熔接机的显微物镜具有高放大率、高分辨率、结构简单、装配方便、成本低、适合大批量投产等特点。能够实现更高精度的光纤图像纤芯对准，提高图像识别精度，较为准确地定位纤芯位置，提高光纤熔接的质量。在本系统之后的研究中，将进行显微系统的机械结构和装调技术的研制，使生产过程中安装调节显微物镜简便且易操作，从而降低生产成本。参考文献：
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（编辑：张磊）
信息光学 篇3
1 教学改革的必要性
随着科学技术的迅猛发展和国家经济建设的需要, 培养既有扎实理论基础, 又有实际动手能力和创新精神的科技人才是21世纪人才培养的重点[5]。作为高等院校科技人才培养过程中十分重要的实践教学环节, 实验课程教学显得尤为重要。“信息光学基础实验”是光学工程专业专门设置的一门重要实践类基础课。通过实验教学, 对学生的基本实验技能训练、光学基本知识综合运用能力提高、解决问题能力和创新意识培养等方面起着至关重要的作用[6]。
目前, 高等院校在信息光学实验教学中普遍存在的问题有:首先, 实验教学模式传统单一。实验一般为学生课前预习, 老师对仪器事先调整, 学生被动地“依葫芦画瓢”。整个过程只强调学生“做”实验, 不是强调学生“学会”做实验。其次, 实验教学内容陈旧, 缺乏创新。实验项目基本上都是验证性和测量性实验, 学生很少有自主设计和创新性实验内容的机会。最后, 实验考核评价方式存在一定的局限性。实验考核评价方式一般是采用平时操作成绩+实验报告成绩=总成绩, 但平时成绩没有一个具体的标准, 导致主观性和随意性大。因此, 加强“信息光学基础实验”教学改革, 创新实验教学模式, 积极探索和努力提高实验教学效果的方法和途径, 迫在眉睫。
2 教学改革的主要途径与措施
2.1 改变教学思维, 激发学生对实验的兴趣
如何激发起学生对信息光学实验的兴趣, 点燃他们探索未知的欲望是实验教学中的首要任务和教学目标。一方面要加强思想教育, 改变学生的错误观念, 使学生认识到信息光学基础实验是他们今后课程学习和将来从事研究工作的基础。另一方面, 老师也要改变传统的思维方式, 从让学生被动听讲来学变成自己动手来学习。在教学过程中, 采用引导式教学方法, 启发学生用学过的知识来解决问题。在动手做实验过程时, 可以让学生进行方案设计、小组讨论及分工合作、数据结果处理与分析、实验报告撰写等环节, 激发起学生对实验的重视与兴趣, 提高学生实践动手、发现问题、独立思考并解决问题的能力。
2.2 优化实验教学内容, 培养学生信息光学实验的科学素质
信息光学基础实验内容是否科学合理, 会直接影响实验教学的最终效果。因此, 实验教学的改革要根据信息光学的发展状况与时俱进, 保持内容的新颖、现代、有特色性。在教学内容中, 除了设置像光的干涉和衍射这样具有经典意义的实验外, 还要把一些科研中的最新成果和实验方法融合到实验教学内容中去, 使教学内容更加贴近现代科学技术的发展水平。
为此, 我们将实验内容分成了“基础性”、“综合性”和“设计性”这3个层次, 达到循序渐进提高学生科学素质的目的。其中基础验证性光学实验是由老师预先调试好实验仪器, 然后给学生讲解实验原理、步骤及演示实验过程, 最后由学生操作实验。达到培养学生基本实验方法和技能, 并能深入理解理论知识的目的。综合性实验是老师事先给定实验内容, 在实验室现有仪器设备和老师指导下独立设计实验方案, 并完成实验内容及分析实验结果。被动变主动, 以此达到培养学生独立思考、发现问题与解决问题的能力。设计性实验主要是老师先确定实验的题目, 学生自主确定采用的实验原理和实验方案, 利用实验设备完成实验内容, 极大地培养了学生实践动手能力和创新思维。
2.3 创立开放性教学模式, 激发学生创造与探索精神
创新是一个民族进步的灵魂, 是国家兴旺发达的不竭动力。当今社会发展趋势要求高等学校能够培养出真正为社会所用的创新人才, 为此, 实验室创建了旨在激发学生创造与探索精神的开放式创新平台。这种平台不仅是实验室在时间上的开放, 更重要的是在教学观念上的开放。“教”向“学”全面开放, 通过开设科技训练计划、大学生科研立项等活动, 将学习的主动权交到学生手中。整个实验中, 以学生独立操作为主, 教师辅导为辅, 允许实验失败, 不以实验结果论成败。学生分组查找收集资料, 阅读文献, 制定实验方案, 选择实验器材, 独立操作与探索, 最后写成实验报告, 分析总结成功和失败的原因和自己的创新点。这种开放式教学模式可以让学生感到自己是在真正地做实验, 在实验中探索科学研究的激情与创新性。
近几年的实验教学中, 我们通过学生课外科技活动, 取得了比较明显的效果, 突出表现在:第一, 学生通过文献查阅、实验方案设计, 不仅使学生彻底掌握了实验原理, 而且培养了他们查阅文献的能力, 锻炼其独立思考。第二, 师生平时互动答疑活跃了学生的思想, 教师把“教”变成了“导”, 增强了学生对信息光学实验的重视程度, 培养了他们的实验兴趣, 提高了学生的参与意识。第三, 实验过程中避免了学生照本宣科式“重复”或验证原有实验, 完全以学生为中心, 自己动手动脑, 按照自己设计的实验方案进行实验, 实验报告是以论文形式撰写并对数据进行分析与总结。
2.4 建立科学合理的实验考核评价体系
制定规范、科学的实验能力考核细则和要求, 完善实验考核方式是良好教学效果的保证, 也是消除学生应付实验现象的关键举措。我们根据实验开课形式的不同, 建立了有利于提高学生参与实践教学的主动性和自觉性的多元化实验考试模式。对于基础性和一般综合性实验考核, 我们采取了累计评分制。平时成绩占总成绩的50%, 由教师根据每一个学生在实验预习、实验操作、所得实验结果与分析、最终实验报告撰写等方面的具体情况, 分别按照10%、20%、40%、30%单独评定给出, 然后累加即得平时成绩;考试成绩占总成绩的50%, 通过老师任意制定一个平时做过的实验, 要求学生在规定时间内独立操作完成, 解释实验原理, 并分析结果, 然后老师视学生完成具体情况给出该项成绩。开放性教学模式下, 对于创新性实验考核, 学生的实验成绩考核包含文献收集与阅读、实验原理的掌握、实验方案设计合理性、实验操作完成与技能把握、对所遇到问题的分析、实验结果总结、报告撰写等诸多方面。评价体系的多元化使得老师对学生信息光学基础实验的成绩考核评价显得更加合理, 也能更好地达到实验教学效果。同时也进一步巩固和提高学生的实践能力。
3 对未来教学改革的思考和建议
为了进一步提高“信息光学基础实验”课程的教学效果, 未来的教学改革主要集中在以下几个方面:
第一, 进一步拓宽教学内容, 融入现代化教学手段。现代科学技术的发展日新月异, 新的实验内容、实验技术手段不断出现。在实验教学中, 增加能反映现代化科学技术成果的新实验和内容, 以贴近实践、贴近理论课内容、贴近未来, 建立起基础物理和现代工程技术之间的桥梁, 有利于学生深入实际, 拓展思维, 唤起学生学好实验的热情。
第二, 加大现有实验系统的现代化改造, 进一步促进光电的结合, 使光信息实验向光电综合实验方向发展。在实验中, 充分利用计算机、信息采集系统、CCD探测器、空间光调制器等现代化元件, 使传统光学体现新的科技含量。比如, 将信息采集系统引入到光学实验系统中, 能增加许多传统方法无法实现的实验项目, 极大提高了实验精度和数据处理速度。CCD能实现图像探测、光谱测量、频谱分析等。光调制器能实现体全息存储等。
第三, 建立仿真信息光学实验系统。仿真实验是利用软件, 构建光学仪器和光学元件, 通过计算机来实现光学实验。信息光学实验仿真系统的构建包含光学元件库和一般光学仪器库的建立、光学系统光学追迹的实现、相干光叠加的光学图像再现等。学生能根据计算机显示的信息, 直接参与模拟构建光学系统来实现各种光学现象, 比真实实验更直观准确, 打破了传统由于实验设备数量限制和实验外界环境影响 (如温度、振动、空气流动等) 而使自主设计的光学系统无法实现的局面, 并且能通过上网方式供学生学习。
4 结束语
信息光学基础实验应从教学方法改进、教学内容与模式改革、实验考核完善几方面进行积极探索与创新, 其本质思想是实验教学要以学生为本, 努力使信息光学基础实验成为培养学生独立自主学习、提高动手能力以及创新精神的重要实践环节, 促进信息光学的教学质量的提高。
摘要：针对高等院校信息光学基础实验课程教学中存在的现状与不足, 以努力培养学生的实践能力和创新精神为目的, 讨论了实验课程教学中的教学思维、教学内容与模式、考核评价等方面的改革思路, 并对课程的未来发展提出了一些建议。
关键词：信息光学,实验教学,改革与实践
参考文献
物理光学英文总结 篇4
Brewster’ law, in his own words, states that “when a ray of light is polarized（偏振）by reflection, the reflected（反射）ray forms a right angle with the refracted（折射）ray.On the laws which regulate the polarization of light 偏振光by reflection from transparent bodies.” 8.光波的叠加, Superposition of waves 9.驻波(Standing Wave)10.拍频（Beat frequency）11.相速度（Phase velocity）12.群速度(Group velocity)13.合成波resultant wave 14.振幅amplitude 15.干涉现象（Interference）：在两个（或多个）光波叠加的区域形成强弱稳定的光强分布的现象，称为光的干涉现象。
The term Interference refers to the phenomenon that waves, under certain conditions, intensify or weaken each other.16.相干光波（Coherent wave）相干光源，Coherent light source 17.杨氏干涉实验（Young’s interference experiment）18.干涉条纹（Interference fringes）19.Path difference（路径差）20.Phase difference（位相差）
21.The order of interference（干涉级）22.The light distribution（光分布）23.A maximum amount of light(maxima)24.A minimum amount of light(minima)25.干涉条纹的可见度
The visibility(contrast)of interference fringes 26.对比度（Contrast）： It can be defined as the ratio of the difference between maximum areance（面积比）Emax, and mimimum areance, Emin, to the sum of such areances:
K=(Emax-Emin)/(Emax+Emin)The amount of power incident per unit area is called areance(illuminance).Visibility：K=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)
27.相干性与干涉（Coherence & interference）
28.空间相干性（spatial coherence)和时间相干性（temporal coherence）29.等厚干涉（Interference of equal thickness）30.平行平板(Plane-Parallel Plates)
31.等倾干涉（Interference of equal inclination）
32.法布里－泊罗干涉仪（Fabry-Perot interferometer）
33.分辨极限和分辨本领（Resolvance of the interferometer）34.光学系统的分辨本领（Resolving power of an optical system）35.光的衍射（Diffraction）
36.衍射实验(Diffraction experiment)
37.衍射现象的分类(Classification of light diffraction)
（1）夫琅和费衍射(Fraunhofer diffraction)（2）菲涅耳衍射（Fresnel diffraction）38.矩孔衍射(Diffraction by a rectangular aperture)39.强度分布计算（Intensity distribution calculation）40.单缝衍射(Diffraction by a single slit)
41.夫琅和费圆孔衍射(Fraunhofer diffraction by a circular aperture)42.椭圆的衍射图样(Diffraction pattern)43.光学成像系统的衍射和分辨本领Diffraction and resolving power of an optical system 44.光学系统的分辨本领（Resolving power of an optical system）45.瑞利判据（Rayleigh’s criterion）46.双缝衍射（Double-slit diffraction）47.多缝衍射（Multiple-slit diffraction）48.衍射光栅
(Diffraction gratings)49.光栅方程（The grating equation）50.光栅分辨本领(Resolvance of a grating)51.光的偏振（Polarization of light）
52.偏振光与自然光，Polarized light and Natural light 53.线偏振光（Linearly polarized light）54.圆偏振光（Circularly polarized light）55.椭圆偏振光（Elliptically polarized light）56.部分偏振光(Partially polarized light)
57.偏振光的产生（Production of polarized light）
反射和折射、二向色性、散射、双折射 Polarization by reflection Polarization by transmission Polarization by dichroism Polarization by scattering Polarization by birefringence 58.马吕斯定律(Malus’ law)和消光比(Extinction ratio）59.起偏器（Polarizer）：用来产生偏振光的偏振器件。60.检偏器（Analyser）：用来检验偏振光的偏振器件。
61.寻常光（Ordinary light, o光）和 非寻常光
Extraordinary light , e光）62.光轴(Optical axis)
63.主截面(Principal section)64.表面法线
缅怀光学专家 篇5
今年7月21日，著名光学专家王大珩先生永远离开了我们。
王大珩先生是我国著名科学家、“两弹一星功勋奖章”获得者、中国科学院院士、中国工程院院士、国际宇航科学院院士，是我国光学界公认的学术奠基人。他为开拓我国光学研究及光学仪器制造事业，特别是为我国国防光学工程的发展作出了重大贡献，为国家科技战略决策发挥了积极的作用，产生了深远的影响。
学业有成勿忘报效祖国
我第一次见到王大珩先生是1978年。他应邀到长春光学精密机械学院为恢复高考后的第一批大学生作学术报告。我是那批学生之一。他的渊博学识和对年轻人的殷切期望给我留下了深刻印象。
王大珩先生早年就读于清华大学物理系，曾与钱三强、何泽辉、于光远等著名学者为同班同学。1938年，他考取中英“庚子赔款”董事会第六届留英公费生，赴英国伦敦大学帝国理工学院物理系攻读光学专业研究生；1941年入英国谢菲尔德大学攻读玻璃专业博士研究生。在英国留学和工作期间，他取得了多项研究成果，受到光学科技界的广泛关注。1948年，王大珩先生怀着报效祖国的强烈愿望回国，为开拓和发展中国光学事业奋斗了60余年。
从王大珩先生的科学生涯中我们不难看出，他的工作与贡献很大部分都和国防事业有关：主持研制大型光测设备、参与“两弹一星”研制、联名提出“关于跟踪研究外国战略性高技术发展”建议（即“863”计划）、建议开展国产大飞机研制、倡议成立中国工程院等都均有强烈的国防背景。他非常关心和关注兵器工业光学企业和军用光学事业的发展，关心中国兵工学会的学术建设和人才建设。他曾多次参加中国兵工学会举办的光学和测试技术领域的学术会议，亲自担任中国兵工学会主办的光学和测试技术国际会议主席并在会上发表主题学术报告；他还数次参加兵器系统两院院士的推荐和提名工作。王大珩先生为兵工和国防科技事业倾注了很多心血。
殚精竭虑指引国防发展
8年前，我曾和王大珩先生等多位著名学者参与起草“国防科技发展战略建议”工作，在整个工作过程中，我有幸和王大珩先生密切接触，亲耳聆听了先生的教诲，切身感受到了老一辈科学家身上那种强烈的爱国情怀。王大珩先生很多关于国防科技的战略思想，对我们今天所从事国防科技工作仍有极其深刻的启迪作用。
2003年春，伊拉克战争爆发。中国科协书记处提议组织国内科技界就能源和国防问题两个重大命题开展座谈讨论，形成意见后上报中央。恰好我正和兵工领域的一批专家学者酝酿召开一个关于伊拉克战争的学术研讨会，科协遂决定由中国兵工学会牵头组织撰写关于国防科技方面的建议。
当时正值非典肆虐时期，上级要求在4月底之前不允许召开任何会议，只能靠电话联络。当我邀请王大珩先生参加时，他非常愿意，并表示此项工作相当重要，他正有一些想法要表达。
活动先期采取分头征求意见的方式，形成提纲后陆续召开了五次规模不等的座谈会和研讨会，而王大珩先生参加了其中的三次，他每次都精心准备，发表了很多重要意见。
王大珩先生的基本思想是：要面向未来战争和战场需求，务实求是，传承辟新，寻优勇进；要大力抓创新，抓基础，要瞄准国外高技术，知难而上，不要被西方束缚住手脚；在发展国防科技的过程中，由于特殊需要，可能不计成本，不惜代价，那是特殊时期，今后必须注重军民结合，要有长远发展规划；要注重人才培养，加强爱国主义教育；国防科技工业改革，既要体现国家意志，又要满足市场经济要求，要在确保国家安全的前提下，实现政府行为和市场行为的高度协调统一。
王大珩先生的上述观点对建议的最终定稿起了重要的指导作用。
我作为起草人之一，根据其他学者如：杨家墀、陈能宽、杜祥琬、王越、张履谦、胡光镇、何德全以及由9个全国学会推荐的近30余名学者发表的重要意见，形成初稿后经过反复讨论，最终将建议书的标题确定为：“在不对称状态下我国国防科技的发展战略建议”。
7月24日，我按约定到王大珩先生家去取他为“伊拉克战争学术研讨会”论文集题写的书名，同时带上杨家墀、陈能宽两位院士为论文集写的序。王大珩先生完全赞同两位院士的序。他那天谈了很多对于国防现代化建设的独到见解。后来（2003年8月6日），他在 “伊拉克战争学术研讨会”也表达过同样的意见。他指出，历史的经验证明，国防不是哪一个部门的事情，是全国的事情。我国国防工业有非常好的传统，在完成“两弹一星”任务中所体现出来的热爱祖国、无私奉献、艰苦奋斗、大力协同、勇于攀登的精神，应该在新时期焕发出勃勃生机，激励新一代科技工作者奋力拼搏、忘我工作。他还说，我们对外宣传，要讲以经济建设为中心，不能讲“以国防为中心”，但是，对于国防的重要性，必须有清醒的认识。他这样形容国防对于国家的重要性：“一个人三天不吃饭，死不了；如果三分钟没有空气，就会死掉。经济建设对于一个国家，好比粮食对人的作用；国防对于一个国家，就好比空气对人一样重要。”
2003年8月上旬，该建议书连同附件由中国科协上报国家有关部门。建议中的很多观点，后来陆续体现在我国政府发布的《国防白皮书》和国防科技工业产业政策中，对指导有關部门制订发展规划、促成某些国防重点专项立项发挥了一定的作用。2006年，该建议获得第五届全国优秀建议一等奖。
王大珩先生不但是一位成就卓著的科学家，更是一位把个人的科学生命和国家命运紧密联系在一起的爱国主义者，是一位知识渊博、胸怀远大的科技战略思想家。
在他老人家96华诞时，笔者曾赋诗一首，现录于此，以为纪怀。
忆秦娥•贺王老96华诞
——依叶帅《祝科学大会》词原韵
精光学，
微观宏宇应心着。
应心着，
汗洒千滴，
渊识一握。
珩老志在九天跃，
抛把粒子西方愕。
西方愕，
惊我华夏，
月揽鳖捉。
信息光学 篇6
(一) 平面镜
物体在静止的平面镜中出现的反射, 这一结论来自于光学传播的基本定律。分析虚像原理, 可以简单理解为物体对镜平面产生的对称形体。
(二) 柱面镜
将曲面作为反射面时, 入射光线与过曲面形成的成像点法线产生的角便是入射角, 是相当于反射光线和同一法线之间产生的反射角, 并且在同一平面内产生了入射光线、反射光线和法线, 这个平面和过曲面产生的成像点切平面彼此垂直。但是, 在过曲面上由于各点比不是彼此平行的法线方向, 例如:柱面法线垂直相交柱轴的很多叉线。因此, 所谓的柱面反射的虚像缺少固定的位置能够寻找, 而是随着视点不同位置而出现了差异。
二、柱面光学透镜反射光线追迹
将圆柱反射面光线反射作为追迹范例, 在圆柱面顶点位置A构建直角右手坐标系, 促使AX平行于圆柱面母线, 坐标面的子午截面是AXZ。如此, 假如圆柱面设a为曲率半径, 与坐标面OYZ平行的任意平面去截圆柱面时, 都是在平面AXZ上获得截线, 半径是a的圆。在AXY存在于物面上的点D (X, Y, Z) 沿着适量C方向发出一光线, 光线在圆柱面上的投射点d1可以通过点d和适量c, 促使d成为物面A点到d点的位置向量;圆柱面定A1至投射点a1的位置向量;N则是从A1到垂直于光线的向量, 在两表面间线段的光纤通过垂直划分为两部分;分别是从A1向C1产生的辅助向量。
三、柱面光学镜在光学成像系统中的运用
(一) 单面柱面光学镜在光学系统应用
仅在一个方向上柱面镜有曲率, 利用柱面反射镜光纤矢量追迹可知, 一个截面维度方向对于平行光束来说产生了会聚或者发散功能, 但是不会对X轴方向发挥任何作用。由于球差因素造成单片传统柱透镜和柱面反射镜产生了船形光斑并且产生了小视场等问题, 见图1。
由于不成像是柱面镜与母线方向平行的特点, 不能通过传统分辨率对成像特点进行测试。所以将一幅与母线方向平行的分辨率测试板放置在物平面上, 利用单片离轴柱面反射镜实施成像分析, 仅子午面方向柱面反射镜条纹成像。对正单片反射镜球差很难进行校正, 需要综合多片反射镜才能实行校正, 另外一方面多片结构还可以产生基于子午方向柱面反射系统的宽视场。
(二) 优化抛物柱面方法
对于光学成像系统, 柱面镜出现了线聚焦效果, 光束几乎不会影响到平行弧失面, 致使像差在弧失方向较大进一步需要特殊处置整体优化。
假设在B光轴的右手坐标系中, 针对平行于母线与X轴的柱面反射镜, 主要是子午面中的Y轴产生成像光线的像差。本文指出了一种优化正交抛物柱面的方法, 由于在弧矢面方向母线与X轴柱面系统平行的光焦度为0, 即与XB平面平行的光纤不会产生任何会聚或者发散功能。将一个抛物柱面反射镜添加在像面前, 促使其母线方向与Y轴平行, 也即是正交于设计柱面系统的母线。
对于平行于子午面现场的光束, 只有抛物柱面反射镜焦距相等于到像面的距离时, 在像面上柱面系统到X轴方向会获得最好的平行光束的成像, 因为经过对抛物柱面镜后弧方向像差进行校正为零。至此, 评价这一柱面光学系统可以评价光线追迹图, 抛物柱面镜已经校正了弧矢方向的像差, 确定像面和抛物柱面镜的有关参数量之后就可以自行优化设计光学成像系统, 进一步对柱面系数进行优化。
(三) 优化设计三反柱面光学成像系统
三反射柱面系统可以有效解决传统单片柱透镜和柱面反射非理想成像光束线焦距、子午面像差大等问题。在对三反射柱面初始结构进行选择时能够通过计算初始的空间三反成像系统结构, 对四种像差同时消除, 因为柱面系数及母线平面的成像光束与普通的三反空间成像结构垂直并且类似于午面内的成像光束。
利用提出的对正交抛物柱面进行优化的方法, 首先设计圆柱面的三反柱面面型, 通过追迹柱面光线的方式设计不同的弧矢方向像差与子午方向像差的权重并且进行优化。图2揭示了优化圆柱面条件下三反柱面的子午面方向上与MTF的像差,
在图2中MTF三条曲线分别是三个不同的子午面视场的传递函数, 所设计的柱面系统对子午方向的MTF进行了优化, 全视场达到了3°, 子午面方向的MTF在子午边缘市场分辨率达到45lp/mm时优于0.2, 很好校正了像差曲线, 但是还是突出了子午像差, 需要对子午面方向的MTF数值才能进一步提高。
由于在抛物二次曲面在焦点处的最佳成像, 能够设计柱面面型形成二次曲线柱面反射结构, 母线依然平行于X轴方向。利用对正交抛物线柱面进行优化的方法, 还是设计优化弧矢方向像差和子午方向像差的不同权重, 获得了十分理想的优化效果。
结语
针对单片柱面透镜在光学成像系统中产生的不理想光束、小视场等特点, 科学研究了一种三反射式柱面光学体系, 通过正交抛物柱面对初始结构进行了优化。传递函数在子午面方向三反煮面系统各个视场调制中取得了较为理想的优化成果, 使其满足高空间分辨率成想要求, 进一步解决了光学成像系统对特殊柱面自行优化设计问题。
摘要：在非球面透镜中柱面镜是最普遍的一种, 采用球面系统具有分别描述成像的特点, 在一些特殊场合其具有特殊作用。本文主要分析了柱面光学透镜成像原理, 柱面光学透镜反射光线追迹, 柱面光学透镜在光学成像系统中的运用。
关键词：柱面光学透镜,光学成像,运用
参考文献
[1]王之江.实用光学技术手册[M].北京:机械工业出版社, 2009.
声学、光学复习 篇7
1.声音是由物体的振动产生的。
2.声音的传播需要介质:固体、液体和气体都是传播声音的介质。
3.乐音有三个特征:响度、音调和音色, 其中响度是指人耳能感觉到的声音的强弱。响度是人耳对声音的感觉, 而且在感觉上是指音量的大小。如将收音机的音量开关开大, 听到的声音的响度增大, 反之就减小。
4.乐音:有规律的、好听悦耳的声音叫做乐音。
噪声:无规律的、难听刺耳或污染环境的声音叫做噪声。
噪声有两个分类标准:一是从物理学的角度, 噪声是发声体做无规则振动时发出的声音;二是从环境保护的角度, 凡是妨碍人们正常休息、学习和工作的声音, 都属于噪声。
5.一般来说我们主要有以下三种途径来减弱噪声。 (1) 在声源处减弱。如把噪声大的设备更换为噪声小的设备, 或加装一些消声设备; (2) 在传播过程中减弱。如使居民区远离有噪声的工厂, 或使居民区的门窗背向工厂或马路, 在马路和住宅区设立屏障或植树造林, 使传来的噪声被反射或部分吸收而减弱, 或者将噪声较大的工厂迁至城外, 远离居民区等; (3) 在人耳处减弱。例如防噪声用的耳塞、耳罩、头盔等。
练习:
1.登上月球的宇航员只能靠无线电交谈, 这是因为 () 。
A.宇航员们在月球上离得太远, 只能用无线电联系
B.宇航员们戴的头盔隔音
C.在月球上没有空气, 不能传播声音
D.使用无线电交谈, 便于录音
答案:C。声音的传播需要介质, 真空不能传声。
2.唐代大诗人李白的诗中有“谁家玉笛暗飞声, 散入春风满洛城”的佳句。玉笛发声是由于______振动, “散入春风满洛城”说明______能传声。
答案:空气、空气。
3.唐诗《枫桥夜泊》中“姑苏城外寒山寺, 夜半钟声到客船”一句体现出的物理知识有_______、________。
答案:声音是由于物体振动产生的, 声音的传播需要介质。
4.在敲响大古钟时发现, 停止了对大钟的敲击后, 大钟仍“余音不止”, 原因是 ( ) 。
A.人的听觉发生“延长”
B.大钟的回声
C.大钟仍在振动
D.大钟虽停止振动, 但空气仍在振动
答案:C。
5.科学考察工作者为了测海底某处的深度, 向海底垂直发射超声波, 经14s收到回波信号。该处海水深______m (声音在海水中的传播速度为1500m/s) 。这种方法______ (填“能”或“不能”) 用来测量地球和月球之间的距离。
答案:10500;不能。海洋的深度地球与月球之间缺少传播声音的介质, 声音不能够在真空中传播。
6.医生用听诊器诊断病情是因为 ( ) 。
A.听诊器能使振动的振幅增加, 使响度增强
B.听诊器能改变发声体
C.听诊器能缩短听者距发声体的距离, 使传入人耳的响度增强
D.听诊器能减少声音的分散, 使传入人耳的响度更强一些
答案:D。医生将听诊器接触人体的有关部位时, 被测部位振动发出的声音由听诊器皮管内的空气进行传播, 于是医生就听到了声音, 用于诊断病情。显然被测部位振动发出的声音的特征不会因有无听诊器而改变, 所以A、B错。不过, 由于声音在皮管内传播, 不易发散而直接传入医生的耳朵, 所以听诊器能减少声音的分散, 使医生听到的响度强一些, 听得更清楚些, 故本题正确答案是D。
7.“震耳欲聋”反映了声音的______很大;“声音刺耳”反映了声音______很高;“闻其声而知其人”是根据声音的______来判断的;蝴蝶飞舞时, 翅膀也在振动, 人耳却听不到声音, 这是因为______。
答案:响度;音调;音色;蝴蝶翅膀振动产生的频率低于20Hz。
8.交响乐是由管弦乐队演奏的大型乐曲。弦乐器的琴弦由于受到弹拨或摩擦而______发出了声音;乐队指挥能够分辨出交响乐中各种乐器发出的声音, 他是根据声音______的进行辨别的;夜深人静的时候, 如果把播放器的音量开得过大, 优美的音乐声此时也变成了______。
答案:振动;音色;噪声。声音是由物体振动产生的。所以琴弦受到弹拨或摩擦而振动发声;不同乐器发出声音的音色不同, 是由于发声体不同;夜深人静时, 优美的音乐声较大, 会影响人们休息故成为噪声。
9.以下关于噪声与乐音的说法正确的是 ( ) 。
A.歌星唱歌的声音都是乐音
B.爆竹声不一定是噪声
C.只要是乐器, 发出的声音都是乐音
D.清晨, 林中小鸟的叫声是乐音
答案:D。凡是影响人们正常休息、工作、学习的声音都属于噪音, 歌星、乐器发生的声音影响到人们的正常生活则会成为噪声。爆竹爆炸时声波不规则是噪声, 而林中小鸟的叫声令人心情舒畅是乐音。
10.下面关于超声波或超声波的利用的说法中, 的是 ( ) 。
A.蝙蝠能发出超声波
B.超声波的传播不需要介质
C.可以利用超声波的反射探测海洋深度
D.可以利用B型超声仪检查身体
答案:B。蝙蝠能发出超声波, 并利用超声波进行导航;超声波是声波的一种, 它的传播也需要介质;C、D项中的说法均是超声的应用, 故本题只有B项错。
11.在下列应用实例中, 不属于超声波应用的是 ( ) 。
A.外科医生利用声波的振动除去人体内的结石
B.利用声波预测自然灾害
C.利用声波探测海中潜艇的位置
D.利用声波清洗钟表等精细的机械
答案:B。自然界中, 火山爆发、地震、风暴等大型自然灾害都能产生次声。
光学
1.光源是指自身能发光的物体, 太阳、发光的电灯、点燃的蜡烛都是光源。有些物体本身不发光, 但由于它们能反射太阳光或其他光源发出的光, 好象它们也在发光一样, 不要误认为是光源, 如月亮和所有行星, 它们并不是物理学中所指的光源。
2.光线:在物理学中, 光线是用来表示光的传播路径和方向的带有箭头的直线。许多光在一起称为光束, 光线的方向也就是光的传播方向。光沿直线传播的实例: (1) 影子的形成, (2) 月食的形成, (3) 小孔成像。
3.平面镜成像的特点。
平面镜成像是光的反射形成的。
物体通过平面镜成像有如下特点: (1) 像与物大小相等; (2) 像与物的对应点连线跟镜面垂直; (3) 像与物到镜面的距离相等; (4) 像与物左右相反; (5) 像是虚像。
4.平面镜成像作图。
平面镜成像的作图有两种方法:第一种方法是根据光的反射定律作图;第二种方法是根据平面镜的成像特点作图。使用第一种方法时, 应注意每个物点画出两条入射光线和对应的反射光线, 并注意实虚线要分清, 虚像用虚线画;第二种方法也叫几何对称作图法, 应用该法作图时, 要注意: (1) 只需作出构成物体形状的关键的几点的对称点即可; (2) 像物体对应点连线必须与镜面垂直; (3) 像必须由虚线构成。
5.物体的颜色。
(1) 透明体的颜色是由它透过的光决定的。透明物体让和它颜色相同的光通过, 把其他颜色的光都吸收了。所以透过茶色玻璃看到的世界都是茶色的。
(2) 有色的不透明物体反射与它颜色相同的光。红色物体反射红光, 吸收其他颜色的光, 而白色物体反射各种色光, 黑色物体吸收所有的光。
6.凸透镜成像规律
练习:
1.下列物体中属于光源的是 ( ) 。
A.放电影时所看到的银幕
B.反射阳光的平面镜
C.收看电视时看到的电视机的屏幕
D.月亮。
答案:C。光源是指本身能够发光的物体。判断物体是否是光源, 是看“本身”是否能够发光。A项放电影的银幕是粗白布, 不能发光, 放电影时是反射的放映机发出的光;B项中的平面镜可以反射光, 但本身不能发光;D项中的月亮能反射太阳光但自身不发光, 故不是光源;只有C项中电视机的屏幕是本身发光的, 属于光源。
2.关于小孔成像的情况, 下列说法中正确的是 ( ) 。
A.正立的 B.倒立的 C.一定是缩小的像 D.是放大的像
答案:B。小孔成像是由于光的直线传播形成的, 改变烛焰、小孔和光屏三者的距离关系, 可成放大的、等大的或者缩小的像, 但像一定是倒立的。
3.为了检查一块木板的一条棱是否平直, 可以闭上一只眼睛沿着棱的方向看过去, 这是利用了______。
答案:光在同种均匀介质中沿直线传播。由于光是沿直线传播的, 若木板不平直, 有凸起或弯曲, 则棱末端的光线将被挡住不能射入人眼。
4.晴天, 树荫下的地面上出现的圆形光斑是 () 。
A.太阳的实像 B.太阳的影子
C.太阳的虚像 D.树叶的影子
答案:A。小孔成像是由于光在均匀介质中沿直线传播形成的。树荫下地面上出现的圆形光斑就是太阳光通过树叶间的小孔在地面上形成的太阳的实像。
5.光明是人们祈求的, 但有时光也会损害人的视觉和身心健康, 成为光污染。下列现象中会造成光污染的是 ( ) 。
A.汽车车窗玻璃上贴防晒膜
B.城市建筑大面积安装玻璃幕墙
C.晚上学习时用护眼台灯
D.用塑料薄膜建造温室大棚
答案:B。城市建筑大面积安装玻璃幕墙, 会由于发生大面积的镜面反射而造成光污染, 本题考查环境保护意识。
6.一个人站在平面镜前并缓慢地向平面镜靠近, 则他在平面镜中所成的像情况应该是 ( ) 。
A.像靠近平面镜, 而且变得越来越大
B.像靠近平面镜, 而且变得越来越小
C.人和像之间的距离保持不变, 而且像的大小也不变
D.像靠近平面镜, 大小不变
错解:A
错解分析:人靠近平面镜时, 像也靠近平面镜, 由生活经验观察到人在平面镜中的像越来越大, 误认为人通过平面镜成的像变大, 其实, 人的大小没变, 则人通过平面镜所成像的大小也不变, 人感觉到镜中人像变大是由于视角改变所造成的, 故本题应选D。
答案:D。
7.一平面镜与水平桌面成45°角固定在水平桌面上, 如图所示, 一小球以1m/s的速度沿桌面向平面镜匀速滚动, 则小球在平面镜中的像 ( ) 。
A.以1m/s的速度, 做竖直向上的运动
B.以1m/s的速度, 做竖直向下的运动
C.以2m/s的速度, 做竖直向上的运动
D.以2m/s的速度, 做竖直向下的运动
答案:B。根据平面镜成像的性质, 小球在A点时, 对应于镜面等距离的虚像在A'位置, 小球滚到B点时, 其对称的像应在B'处, 显然AB=A'B'。可见镜里的像以与小球相等的速度竖直向下运动。
8.某发光点S所发出的两条光线经平面镜反射后形成的光线如图。请完成光路图并确定发光点S的位置。
答案
9.根据平面镜成像特点, 画出图中物体AB在平面镜MN中的像。
答案
本题应注意, A'B'是虚像应用虚线表示。部分同学在此容易忽视, 从而在考试中丢分。
10.唐朝著名诗人储光羲的《钓鱼湾》中有一句诗词“潭清疑水浅, 荷动知鱼散”。意思是清澈的潭水看起来变______了, 春荷一动, 鱼尽散去。在这里, 诗人看到的潭底和水中的鱼, 都是______像, 且看到的位置比实际位置都偏______, 这是由于光的_______现象造成的。
答案:浅、虚、高、折射。
11.白天, 坐在小汽车里透过车窗玻璃看到车外的景物, 这是由于光的 ( ) 。
A.直线传播 B.反射 C.折射 D.三种都有可能
答案:C。透过玻璃看到的景物是光折射后的虚像。
12.潜水员在水中看岸上的小鸟, 在图中能正确表示其光线的传播大致路径的是 ( ) 。
答案:C。潜水员在水中看岸上的小鸟, 光应从空气射入水中, 光从空气射入水中折射角小于入射角。
13.早晨, 草上的露珠在日光下呈现鲜艳的颜色, 而且颜色随视线的方向而改变, 这是因为 ( ) 。
A.露珠晶莹, 日光强烈刺眼, 使视觉受到影响, 看到眼前五颜六色
B.光的反射
C.光的色散
D.视线方向不同, 看到了露珠前后不同的颜色
答案:C。水珠相当于三棱镜, 能将太阳光分解, 产生光的色散现象, 由于各种色光折射角度不同, 所以在不同方向看到的色光不同。
14.舞台上的演员穿着白上衣, 蓝裤子, 在红色的舞台灯光的照射下, 他的上衣呈现____色, 裤子呈现____色。
答案:红色、黑色、白色上衣能反射各种色光, 红光照在它上面, 红光被反射入观众眼中, 故呈红色。蓝裤子只能反射蓝光, 无光进入观众眼中, 故呈黑色。
15.小丽同学用焦距为10cm的凸透镜做“探究凸透镜成像规律”的实验, 实验装置如图所示。在实验过程中保持凸透镜的位置不变, 请你根据所学知识回答下列问题。
(1) 实验前应首调节烛焰的中心、____、光屏的中心在同一高度。
(2) 改变蜡烛的位置, 使其位于20cm刻度线处, 再移动光屏, 使烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(3) 在实验 (2) 的基础上, 将蜡烛和光屏互换位置, 此时烛焰在光屏上成清晰的倒立、______的实像。 (填“放大”、“缩小”或“等大”)
(4) 把图中的凸透镜看作眼睛的晶状体, 光屏看作视网膜。给“眼睛”戴上远视眼镜, 使烛焰在“视网膜”上成一清晰的像。若取下远视眼镜, 为使光屏上得到清晰的像, 应将光屏
(填“远离”或“靠近”) 凸透镜。
分析:远视眼镜是凸透镜对光线有合象作用, 当烛焰通过远视眼镜和“晶状体”在“视网膜”上成清晰的像时, 若取下远视眼镜, 出射光线会变得较为发散, 像成在“视网膜”之后, 为便光屏上得新得到清晰的像, 需将光屏远离凸透镜。
答案: (1) 凸透镜光心, (2) 缩小, (3) 放大, (4) 远离。
16.常见的视力缺陷有近视和远视。如图所示是一位视力缺陷人员的眼球成像示意图, 他的视力缺陷类型及矫正视力需要配戴的透镜种类是 ( ) 。
A.远视睛, 凸透镜 B.远视眼, 凹透镜
C.近视眼, 凸透镜 C.近视眼, 凹透镜
答案:A。物体成的像在视网膜之后, 表明晶状体对光的会聚能力弱, 该人员患远视眼, 应配戴凸透镜加以矫正。
17.如图所示是张敏同学拍摄的西湖大酒店风景相片, 则下列说法正确的是 ( ) 。
A.要想使大楼的像更大些, 张敏应向大楼靠近些并增大镜头与胶片之间的距离再拍照
B.大楼在湖中的倒影是由于光的直线传播形成的
C.大楼在湖中的倒影是由于光的折射形成的
D.拍摄时底片上的像是倒立、放大的虚像
三维光学实验仿真 篇8
但是, 在光学实验中, 实验的环境对实验效果影响巨大, 要想得到理想的实验效果, 必须具备良好的实验条件, 导致教学中很难将实验应用的理论教学中去, 所以借助于计算机将光学实验进行仿真成为一条有效的可行路线。
利用origin软件对光学实验进行仿真, 可以避免复杂的程序撰写, 非常适用于没有编程基础的初学者, 也能够得到效果明显的实验结果应用到实际的理论教学中。
一、Origin仿真结果
(一) 多缝夫琅禾费衍射
强度公式:根据惠更斯-菲涅尔原理, 多缝夫琅禾费衍射的光强公式[1]为:
实验仿真结果:
由式 (1) 可得接受屏上x (设OP=x) 处与该点相对光强的函数关系为:
设N=6, b=4×10-6m, d=6×10-6m, f=65×10-3m, I0=1, λ=650nm。矩阵维数设定 (500, 500) , x、y的取值范围为 (-0.03m, 0.03m) , 依据光强分布公式得出矩阵元的值如下: (sin ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) / ( (pi*4e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2* ( (sin ( (6*pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*6e-6/650e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2) 可得到图1所示的二维仿真图, 图2所示的三维仿真图。
(二) 夫琅禾费多缝干涉
强度公式:在多缝夫琅禾费衍射中, 如果不考虑单缝衍射效应, 多缝干涉的强度与相位差的关系为:
其中, δ= (2πdsinθ) /λ。
令v= (πdsinθ) /λ, 式 (3) 可表示为:
取N=4, I0=1, d=5×10-6m, f=65×10-3m, λ=589nm, 矩阵维数设定为 (500, 500) , x、y坐标范围设定为 (-0.02m, 0.02m) , 矩阵元的值设定为sin ( (4*pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2/ (sin ( (pi*0.5e-5/589e-9) *x/sqrt (x^2+6.5e-2^2) ) ) ^2, 可得到多缝干涉的二维及三维仿真图像如图3和图4。
(三) 夫琅禾费圆孔衍射
强度公式:夫琅禾费圆孔衍射中, R为圆孔半径, θ为衍射角, f为凸透镜焦距。
圆孔衍射在屏上任一点的光强为:
实验仿真:
令衍射图样中心P0处光强I0=1, 可知接受屏上P处相对光强与x的函数关系为:
设R=0.00003m, f=1m, λ=632.8nm, 调用一阶贝塞尔函数, 依据光强分布公式对矩阵元的值进行设定:
4* (j1 ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) / ( (2*pi*0.00003/632.8e-9) * (sqrt (x^2+y^2) /sqrt (x^2+y^2+1^2) ) ) ) ^2) , 可以分别得到图5所示的二维衍射仿真图和图6所示的三维衍射仿真图。
(四) 夫琅禾费矩形孔衍射
光强公式:夫琅禾费距孔衍射中, a、b分别表示x、y方向上距孔的边长, 矩形孔衍射公式[2]为:
实验仿真:
设λ=400nm, a=0.004nm, b=0.004mm, 焦距f=60mm, x、y坐标范围设定为 (-0.2m, 0.2m) , 矩阵维数设定为 (500, 500) , 在矩阵值窗口根据 (7) 式输入: ( (sin ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*x) / (4e-7*sqrt (x^2+0.6^2) ) ) ^2) * ( (sin ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ) ^2/ ( (pi*4e-6*y) / (4e-7*sqrt (y^2+0.6^2) ) ) ^2) , 得到图7的二维衍射图, 图8的三维衍射图。
二、小结
通过上述图像可以得到, origin软件可以从容地得到相关的仿真结果, 并且其所得到的图像细致逼真, 界面也相当清晰, 对于实验的分析探究相当有利, 可以简单形象的看懂那些抽象难懂的光学理论。
摘要：以光的夫琅禾费多缝衍射、多缝干涉、夫琅禾费圆孔、矩形孔衍射、牛顿环实验以及迈克耳孙干涉实验为例, 利用origin软件实现光学实验三维仿真。找出实验的光强公式, 并进行参数设定, 从而得到origin软件所需要的矩阵元的值, 就可得一个光强的数据矩阵, 进一步可得到仿真图。得到的仿真图简单明了, 有利于观察, 为光学探究提供方便。
关键词：光学,实验仿真,origin
参考文献
[1]赵建林.光学[M].北京:高等教育出版社, 2006:P4.
生活中的光学 篇9
一、雨后的彩虹
夏天的雨后,天空会出现美丽的彩虹,这在人们心中已经成为美丽的向往,把它比喻成是人们登上天上的桥。当我们学了物理就会知道,其实它并不是桥,而是雨后天空中的水滴和太阳光共同作用的结果。 关于光的色散,还得从牛顿说起,牛顿在1672年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带(光谱)色散现象说明了白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的复色光。彩虹是因为悬浮在空中的小水滴对太阳光的色散而形成的。一束太阳光入射到水滴上,折射后进入水滴内,又在入射处发生一次反射,然后又从入射处折射出水滴外。所以,水滴的入射光与出射光之间有一个偏向角α,就如三棱镜的偏折一样。同一种介质(水)对红色光的偏向角α最小,对紫色光的偏向角α最大,所以太阳光经过水滴两次折射,一次反射后分解了,形成了紫色光在上,红色光在下的光谱,这就是雨后空中的彩虹。
二、时装的颜色
“冬不穿白,夏不穿黑。”这是人们从生活实践中总结出来的经验,包含着一定的科学道理。我们生活的自然环境,五光十色,美丽动人,有红色的花朵,绿色的草,蓝色的天空,白色的云……各种物体都具有各自的色彩。可是,这些艳丽的颜色,在漆黑的夜里就统统消失了。这说明只有在阳光的照射下,物体才呈现出颜色。那么,为什么在同样光源的照射下,各种物体会有不同的颜色呢?
我们知道,太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫多种色光混合而成的。不同的物体,对不同颜色的光线,吸收的能力和反射的能力又各不相同。被物体吸收的光线,人们就看不见,只有被反射的光线,人们才能看见。白色的东西能够反射所有颜色的光线,因此看起来就是白色的;而黑色的东西却能够吸收所有颜色的光线,没有光线反射回来,所以看起来就是黑色的了。
在我们日常生活中,太阳不仅给我们带来光明,而且还送来了大量的辐射热。不同颜色的物体对不同颜色的光线的吸收能力不同,它们的吸收实质是:在光作用下,分子作受迫振动。由于分子间的相互作用,一部分振动能量转化为热运动能,实现了辐射能向内能的转化,红色物体能吸收红色光线以外的光,黑色物体能吸收所有颜色的光。
对于热辐射来说,黑色是只吸收,不反射,而白色正好相反。深色的东西对太阳光和热辐射,吸收多,反射少;而浅色的东西则反射多,吸收少。因此,夏天人们都喜欢穿浅色的衣服,这样就把大量的光线和热辐射反射掉,使人感到凉爽;寒冷的冬天人们又喜欢穿黑色或者深色的衣服,它们能够大量地吸收光和热,人自然就感到暖和了。
三、室内的色彩
在我们日常生活中,房间里的墙壁或家具,漆成什么样的颜色或花纹,不单为了美观,还为了对人的健康有利。室内的光线明暗跟墙壁的颜色有密切的关系。白色物体的反射性能好,因此,房间的顶面和墙壁的上半部分应该刷成白色。这样,白天它会把太阳光反射下来,夜晚又能把灯光反射下来,等于是一个反光的大“灯罩”。
在一般情况下,人的眼睛很少往房顶上看,所以房间的上半部分可以用反光性能好的白色。下半部分最好用柔和美观的色泽,如淡蓝色、米黄或浅绿色等。因为这些颜色反射出来的光比白色光弱得多,既柔和明亮,又不刺眼,还很美观。颜色还能产生巧妙的错觉。各种物体由于它们表面颜色不同,看上去会使人感到轻重有别。例如,表面为白色的物体,看上去显得轻一些;表面为黑色的物体,看上去就显得重一些。由于不同的表面颜色,会引起人们不同的轻重感,因此建筑师设计房屋时,就要考虑到人们的这种错觉现象。给房间的顶面和四壁的上半截刷成白色,而墙脚和地面一般都采用较深的颜色,除了考虑到光的反射外,还为了给人们一种上轻下重的感觉。如果反过来安排色调,就会使人有头重脚轻的感觉,多么不舒服啊!
不同色调的颜色,还会引起人们对距离感觉上的差异。一般说来,红、橙、黄等暖色会使人感到距离近些,而青、蓝、绿等冷色则让人觉得远一些。颜色产生的远近感,可以帮助人们在布置房间时取得良好的效果。如果你的房间比较小,那么室内的床单、窗帘、家具等用品的颜色,就应该多选用“冷”色。浅蓝色的窗帘会使人想到天空,草绿色的床单让人感到春天的小草,整个房间就显得宽敞些。反之,如果房间较大,那么室内用品宜多选用“暖”色,既避免了空旷的感觉,也显得温暖些。
四、激光测距
激光方向性好的特性可以用来测量距离,激光测距装置又称为激光雷达,它的作用原理与雷达相同,是利用激光脉冲往返时间来确定目标的距离。由于目前激光可以产生10~12s的极短脉冲,因此,测量的精确度很高。在月球上放置角锥棱镜,用从它反射回来的激光测定地球到月球的距离,精度可达到30cm。当然,这种装置用来测量行车的速度就相当的准确,也就是雷达测速。
五、天空为什么是蓝色的
物理学就是研究我们身边大自然现象的学科。与人们密切相关的就是光现象,人们睁开眼睛就能看见大自然中的一些景观。但是,有些现象并不陌生而又难知其奥秘。比如我们看到的天空,经常是蔚蓝色的,特别是一场大雨之后,天空更是幽蓝得像一泓秋水,令人心旷神怡。天空为什么是蔚蓝色的呢?大气本身是无色的。天空的蓝色是大气分子、冰晶、水滴等和阳光共同创作的图景。阳光进入大气时,波长较长的色光,如红光,透射力大,能透过大气射向地面;而波长短的紫、蓝、青色光,碰到大气分子、冰晶、水滴等时,就很容易发生散射现象。被散射了的紫、蓝、青色光布满天空,就使天空呈现出一片蔚蓝了。
六、汽车上的光学
生活在繁华城市里的人都会看见,在街道的拐角处或十字路口的墙上常常挂一面凸面镜,它的作用是用来观察拐角前方人眼不能直接看见的地方。不用平面镜是因为凸面镜可以增大人们的可视范围。汽车的观后镜也采用的是凸面镜,就是因为它能增大司机的可视范围。我们生活中用的电筒、汽车的前灯的反光面用的是凹面镜,是因为凹面镜对光有会聚作用,能将平行光会聚在焦点上,而相反把小灯泡放在焦点上,反射后就能得到一束平行光,从而增加照明亮度。
如何学好初中光学知识 篇10
关键词：直线传播；反射；折射；光的颜色；成像
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2014）09-0035
我们的眼睛是如何看到物体的呢？首先，让我们来了解眼睛是如何成像的。实际上眼睛成像是透镜成像规律的重要应用。照相机与眼睛有相似的结构，自制照相机能使学生对利用凸透镜成缩小的实像有较直观、深刻的印象。因此，对眼睛成像的认识，可以从自制照相机开始。通过生理学中的眼模型或课件，将生理眼抽象成简化眼模型。将自制照相机与简化眼对比，使学生认识到眼睛可以看成是精巧的照相机，眼球中的角膜和晶状体的共同作用，相当于一个“凸透镜”，视网膜相当于照相机的底片。从物体发出的光线经过人眼的凸透镜在视网膜上形成倒立、缩小的实像，分布在视网膜上的视神经细胞受到光的刺激，把这个信号传输给大脑，人就可以看到这个物体了，这就是眼睛成像的基本原理。因此，必须有光线进入到我们的眼睛才能引起视觉。
我们看到影子和光的直线传播是有很大的关系的。光从光源传播出来，当光遇到不透明的物体时，部分光线会被物体吸收，部分光线会被反射，而其他未被物体挡住的光线，会继续前进，有光的地方有反射光线进入人的眼睛，在不透光的物体后面受不到光照射的地方就就没有反射光线进入人的眼睛，而呈现阴影的现象，所以形成了影子。例如，日食月食的形成是影子形成的例子。所以说，要是没有光，哪会有影子呢？
我们又是如何看清物体呢？那也是物体把各部分光线反射进入人的眼睛才能看见。例如，我们在教室内可以看到黑板上的字，是因为反射光线进入到我们的眼睛；黑板不光滑，光照到黑板上会向各个方向反射，发生了漫反射，所以坐在教室里的我们都能从各个方向看到黑板上的字。在一般情况下，光线是直线传播的，但是光导纤维却能让光线通过在内部的数次反射，走过一条“弯曲”的路线。类似地，如果能够发明出一种隐身器的表面材料以及合理的外形，使得光能够沿表面发生弯曲，绕过物体并继续沿直线传播，所以有反射光线进入人的眼睛，那么我们就可以看到物体背后的东西。同时，虽然隐身器就在我们面前，但是没有光线从其上反射到我们眼里，我们是看不到隐身器的。显然这个隐身器应该是球形，这样在各个方位都能达到“隐身”的目的。实际上物体是实实在在存在的，只是人的眼睛感受不到而已。
我们从水面上看水中物体，看到的是比物体的实际位置偏高（浅）的虚像，这是因为当光从水中射入空气时，在水与空气的交界面上发生折射，进入空气中的折射光线向水面偏折，位置降低，折射光线进入我们的眼睛，而我们认为光是沿直线传播的，所以看到的像比物体的实际位置偏浅。同理根据光路的可逆性，我们可以解释为什么潜水员从水中看水面以上的物体，看到的位置比物体的实际位置偏高的原因。
很多人认为我们能看到实像是因为光线进入人的眼睛，而我们看到虚像并没有光线进入人的眼睛，这种说法是错误的。因为无论我们看到的是实象还是虚象，都有光线进入我们的眼睛，只是他们的区别是：1. 成像原理不同：物体射出的光线经光学元件反射或折射后，重新会聚所成的像叫做实像，它是实际光线的交点。在凸透镜成像中，所成实像都是倒立的。如果物体发出的光经光学元件反射或折射后发散，则它们反向延长后相交所成的像叫做虚像。2. 承接方式不同：虚像能用眼睛直接观看，但不能用光屏承接；实像既可以用光屏承接，也可以用眼睛直接观看。人看虚像时，仍有光线进入人眼，但光线并不是来自虚像，而是被光学元件反射或折射的光线，只是人们有“光沿直线传播”的经验，以为它们是从虚像发出的。虚像可能因反射形成，也可能因折射形成，如平面镜成等大的虚像，凸透镜成放大的虚像。例子：我们看到的镜子里的像就是虚象，我们用相机照出来的就是实象。我们是如何看到物体的颜色的呢？为什么物体有各种各样的颜色呢？是物体吸收了特定的光，而反射了部分的光，那为什么物体会吸收特定的光呢？我们知道光是一种电磁波，不同的光对应着不同的波长，物体不管是有机物还是无机物，其原子、电子都有一定的能量当某一波长的光照射在这些物体表面而能引起物体表面原子、电子发生共振时，光就被吸收了，原子、电子就得到了光的能量，当一个连续波长的光。比如说是太阳光照射到物体表面能发生共振的波长的光被物体吸收了，其他的光则被原子挡在外面并反射出去，然后这些光经过组合原理就形成我们看到的物体的颜色。如果物体不吸收光也不反射光，而是让光通过，那物体就是透明的。在日常生活中，人们能看到各种色彩，如蓝蓝的天空、绿色的草原、朵朵白云、鲜红的玫瑰花瓣、绿色的庄稼、黄色的油菜花等。所有这些颜色都是在白天才能看见、分辨，也就是说只有在光线照射的条件下才能呈现出来。总之，透明物体的颜色就是它透过色光的颜色。不透明物体的颜色就是它反射色光的颜色。同时人们还注意到，在太阳光下看见某一物体呈现某种颜色，如果再把它放在白炽灯下（特别是某种彩色灯下），该物体的颜色就发生了改变。于是，人们推断人眼之所以能看到色彩，是由于有光的存在.颜色都是光作用在物体表面后，发生了不同的反映，再刺激人的眼睛后产生的。不同的光会产生不同的刺激，所以眼睛看到不同的物体就会有不同的颜色感觉。在黑暗条件下，人眼看不见不发光物体颜色的，只有当外来的光线照射在其表面后，它的颜色才能被人眼感知。所以，颜色是光照射到物体表面后的结果。但最终必须有光线进入人的眼睛，才能感受多彩的世界。
总之，无论是日、月食，还是岸上的人看到的是比物体的实际位置偏浅，还是看到物体的颜色，还是我们看到的是实象还是虚象，都是是否有光线进入人的眼睛的结果，都是是否能引起眼睛的视觉，都是眼睛惹的祸。正因如此，我们学会了光的反射、折射以及它们的应用，从而丰富了我们的认识。
医用光学影像设备 篇11
1 电子阴道镜
1.1 原理:
传统阴道镜是人眼通过高倍放大的光学双目镜直接观察生殖道内病变的目标物体。随着光电技术、摄影技术和计算机应用的不断发展,电子阴道镜取代了简单的双目放大镜,它通过电子数字成像系统采集输出,在彩色监视器或显示器上观察目标物体图像。
1.2 组成:
电子阴道镜由采集电路(含光源、CCD摄像头及控制板)、成像系统(计算机、显示器、打印机、控制电路)及应用软件组成。结构如图1所示。
1.3 性能要求:
目前,电子阴道镜还未有正式的国家/行业标准颁布。注册检验时,一般由企业提供医疗器械注册产品标准,其主要性能指标包含以下几点:
(1)景深
在观察和采集图像时,调节光学镜头,使距离镜头一定距离的景物清晰成像的过程,叫做对焦。景物所在的点,称为对焦点。对焦点前面与后面一定范围内,清晰成像距离叫做景深。也就是只要在这个范围之内的景物,都能清楚地拍摄到。
景深的大小与镜头焦距和光圈有关。焦距长景深小,焦距短的景深大;光圈越小(数值越大,例如f16的光圈比f11的光圈小),景深就越大;光圈越大(数值越小,例如f2.8的光圈大于f5.6)景深就越小,如图2所示。
(2)图像分辨率
分辨率是衡量成像清晰度的重要指标。分辨率越高,图像越清晰。
(3)色彩还原能力
就是再现色彩的能力,用来衡量镜头的成像能力与肉眼看被摄物体颜色、质感等接近的程度。
(4)几何失真度
摄像机镜头前的电视棋盘格测试卡上的标准图象与输出图象之间的几何误差称为几何失真度。它是因采集系统和镜头的几何畸变引起的成像系统的图象误差。
1.4 检验方法
(1)景深试验方法
将目标距离调至标准工作距离,例如300mm,在显示器上的图像观察窗口观察,触发放大倍数显示功能,调整放大倍数至最大,经聚焦,图像清晰后,移动参考体,测量前后位置图像清晰的范围;再调整放大倍数至最小,经聚焦,图像清晰后,移动参考体,测量前后位置图像清晰的范围。
(2)图像分辨率、色彩还原能力、几何失真度的试验方法
测试连接如图3。将测试图放置在灯箱上,调节摄像头的光圈和焦距,使测试图像充满整个显示屏幕。当图像的中心位置上能清楚显示电视综合测试图的条纹时,读取其分辨率值;色彩还原能力检测,即观看成像的色彩与彩条测试图色彩的差别;几何失真度测试时,观看棋盘格测试图成像的结果是否为正方形,是否产生形变。
2 红外乳腺检查仪
2.1 原理:
近红外光具有对人体组织较强的穿透力,血红蛋白对红外光有较强的吸收性,在正常乳腺中脂肪组织是高透光的,而纤维组织是低透光的,肿瘤透光度很低或根本不透光。故当近红外光穿透人体软组织时,根据透光程度来分辨组织不同成分,并在屏幕上显示不同灰阶度和血管阴影,根据血管和灰阶度的交叉作为评定病变性质的依据。红外乳腺检查仪主要用于检查乳腺的各种疾病,它利用波长0.8~1.5μm的红外光透照乳房,由具有红外传感光能力的CCD摄象机摄取图象,并经计算机处理后成像在屏幕上。
2.2 组成:
红外乳腺检查仪由CCD、探头和主机组成,详见图4。
2.3 性能指标:
YY0324-2008《红外乳腺检查仪》中主要性能指标有波长范围、光输出功率和图像分辨率。
波长范围可以用单色仪测量,光输出功率用光功率计测量,这两项指标在各医疗器械检验机构已经有比较成熟的检验方法。
3 光子嫩肤仪
3.1 原理:
根据光谱(560nm~1200nm)强脉冲光子的光学特性,特定波长的强脉冲光能量可穿过表皮,并且不同波长的强脉冲光对组织的作用具有选择性,从而产生不同的光生化、热解反应。短波段选择性作用于皮下的色素或血管,使其分解吸收;长波段刺激胶原纤维和弹性纤维,使胶原组织增厚,皮肤弹性增强。例如皮肤中黑色素对250nm~1200nm波长的光吸收明显。光子嫩肤仪就是利用高能量、特定宽光谱的光能量对皮肤进行照射达到美容的目的。
3.2 组成:
光子嫩肤仪由机箱、屏幕控制器、光治疗头三部分组成,如图5。
3.3 性能指标:
光子嫩肤仪未有正式的国家/行业标准颁布。企业制订的医疗器械注册产品标准主要包含光谱范围、脉冲强度、脉冲宽度以及间隔时间等性能指标。脉冲强度、宽度和间隔时间可以通过一个光电转换电路,用示波器采集电信号后测量。
摘要：本篇主要从原理、组成、性能指标等方面,对电子阴道镜、红外乳腺检查仪、光子嫩肤仪类医用光学影像设备进行介绍。
关键词：原理,性能,景深,分辨率
参考文献
[1]GB/T3175.3-1987透射式彩条测试图
[2]GB/T6996.1-1986透射式电视综合测试图
[3]GB/T6996.6-1986透射式电视棋盘格测试图
[4]GB/T7401-1987彩色电视图像质量主观评价方法