光学元件

第1篇：光学元件

光学工程：不光学得好，还要选得好

伽利略将望远镜转向亘古的天空，移换的星辰将传教士们的谎言推翻;虎克将显微镜朝向色彩斑斓的菌落，微观世界的门锁哐当落地;牛顿将三棱镜转向太阳，变换的色彩将阳光的秘密洞穿。以上三大事件的共同点是什么?

对，都出现了镜子。从本质上说，都和光学有关。

大到探月的嫦娥卫星，小到日常生活中的单反相机、CD光盘，无论是国家进步，还是你我的生活质量，都与光学工程息息相关。由于光学工程的应用实践要求十分严格，相关本科专业的毕业生往往无力承担与光学工程科学技术研究直接相关的工作。因此，每年有大量相关专业的本科毕业生选择考研。

由于光学工程是一门高层次、高门槛的学科，相较于机械工程、计算机科学与技术等专业，开设此专业的院校并不多。总体看来，光学工程专业的考研竞争比较激烈，尤其是在一些光学工程名校之中，2012年浙江大学光学工程的报录比就曾高达17∶1。

目前，我国具有光学工程博士一级授予资格的高校共38所。具有光学工程国家重点学科的高校共有清华大学、北京理工大学、南开大学、天津大学、长春理工大学、南京理工大学、浙江大学、华中科技大学、国防科学技术大学等9所，具有国家重点(培育)学科的高校有上海理工大学、电子科技大学两所，具有博士培养资格的中国科学院相关研究院所主要有长春光机所、西安光机所、上海光机所、上海技术物理所、安徽光机所、成都光电所等6所。

我们如何在为数不多的顶级名校或科研院所中选择一所最适合自己的院校呢?

第一，重视院校综合实力，避免依赖单一数据。

各种评估结果中的得分、排名等数据往往只能反映院校的宏观指标，且不同机构均有不一样的标准，很难客观真实地反映院校的全部情况。各院校的研究方向独具特色，互有长短，具体到每个研究方向，实力强弱更不相同，比如，光学设计这一领域，普遍认为实力强弱依次为清华大学、北京理工大学、浙江大学、天津大学等。同样的道理，单纯地看重院校的院士、长江学者数量、实验室规模、研究经费等指标也是不科学的。院校研究水平的高低并不能直接反映研究生教育质量的好坏，院校的导师构成、地理区位与就业环境、同学本科来源的层次与学术氛围等软实力也不是量化指标可以衡量的，然而这些因素对研究生阶段的学术成就以及未来的职业发展，往往比宏观数据具备更大的影响，万万不可忽视。

第二，光学工程不是什么院校都能“玩得转”。

在考生中广泛存在“211高校未必比985高校差”的思想，从而选择考研难度相对较小的“211工程”院校深造。不可否认，一些“211工程”院校在其传统优势学科上的确不比“985院校”差，甚至更有优势。但是，光学工程是一门“高富帅”的学科，只有高层次的院校才能承载光学工程这门学科，而优秀的光学工程人才往往也出自优秀的院校。主要原因体现在两个方面：第一，光学工程精密程度非常高，对实验仪器设备和资金的依赖性比较强，缺少国家重视和资金上的倾斜，院校很难承担昂贵的实验仪器设备，从而限制研究生的发展;第二，“985”院校导师的视野更加开阔，对研究生的基本要求更加严格、培养目标更高，甚至某些院校的本科生在导师的指导和严格要求下也能在诸如Optical Letters等国际顶级光学期刊上发表论文。此外，高层次的院校学术氛围更加浓厚，出国深造、就业等方面也具备更大的优势。

在此背景下，有必要对光学工程相关院校及其考研情况进行深度解读。本文将以拥有国家重点学科的浙江大学、华中科技大学、天津大学、南开大学，以及中国科学院的上海光机所为例进行具体分析。

浙江大学：为强者而生

学科地位：浙江大学光学工程学科设立于光电信息工程学系内，该系前身为浙江大学光学仪器专业，是中国光学工程学科的诞生地，具有雄厚的学科实力。在2007—2009年、2010—2012年教育部学科评估中均排名第一。

学科特色：有现代光学仪器国家重点实验室、国家光学仪器工程技术研究中心、国防重点学科实验室等国家级研究基地。目前设置有光学工程研究所、光电信息及检测技术研究所、光电子技术研究所、光电显示技术研究所、先进纳米光子学研究所和光及电磁波研究中心、光学惯性技术工程研究中心等机构。

研究领域：浙江大学光学工程主要研究领域十分宽广，包括微纳光学与介观光学与器件、光学光电子薄膜、光电显示技术、高精度光纤传感、光电成像技术、微纳米精密检测技术、生物光子学、新型激光与光电子技术、光电子集成器件与系统，光通信技术与系统和新颖人工光电介质等。

师资力量：光及电磁波研究中心以长江计划特聘教授何赛灵为领军人物，大部分导师均为杰出“海归”或外籍教授，在光子学和电磁波的理论和实验研究领域开展了大量工作，获得了许多具有国际影响的学术成果。

地理区位：长江三角洲地区具有规模庞大的光电产业集群，具有国际化、起点高的特点，相较于珠三角地区以封装、代理为主的光电—半导体产业而言具有广阔的发展前景。

竞争情况：浙江大学就读光学工程的研究生中超过半数来自于浙江大学、天津大学、南开大学等名校的推免生。考研竞争极为激烈，从近年报录比便可见一斑。

考试特色：浙江大学光学工程考研参考书为郁道银、谈恒英著的《工程光学》。浙江大学光学工程的专业课考试较其他学校包括的内容更多，报考的同学需要复习几何像差、傅里叶光学等本科阶段较为薄弱的知识板块。此外，也会考查一定的激光原理知识。

华中科技大学：光谷传奇

学科地位：华中科技大学光学工程近年来发展迅速，实力雄厚。尤其是在筹的武汉光电国家实验室是我国目前仅有的几个国家实验室之一，学科地位非同一般。华中科技大学在2010—2012年教育部学科评估中与浙江大学并列第一。

学科特色：光学与电子信息学院设有武汉光电国家实验室、激光加工技术国家工程研究中心、下一代互联网接入系统国家工程实验室、国家集成电路人才培养基地、教育部电子信息功能材料重点实验室(B类)、教育部敏感陶瓷工程中心等研究机构。其中武汉光电国家实验室是由教育部、湖北省和武汉市共建，依托于华中科技大学，联合武汉邮电科学研究院、中国科学院武汉物理与数学研究所、中国船舶重工集团公司第七一七研究所共同组建，已投入4亿多元建立了12个科学研究平台以及1个光电公共测试平台。

研究领域：华中科技大学主要研究方向为光电测控技术、光电信息存储、光通信技术、基础光子学、激光科学与工程、光电子器件与集成、纳米光电子学、生物医学光子学、能源光子学、太赫兹技术。

地理区位：华中科技大学地处著名的武汉光谷，当地产业集群形成的产学研体系研究水平很高，产业价值巨大，尤其在光通信、激光等领域具有较大优势，就业前景看好。

竞争情况：华中科技大学工学复试分数线2013年为330分、2012年为340分、2011年为330分。招生人数60人左右，随当年推免生比例有所波动。

考试特色：华中科技大学光学工程专业课考试偏向物理光学、电子学、激光原理相关知识。需要注意的是有两个单位可以接收光学工程的硕士生，分别是光电学院和武汉光电国家实验室。

天津大学：精益求精

学科地位：天津大学光学工程学科设立在天津大学精密仪器与光电子工程学院，是我国较早设立光学工程的高校之一。天津大学光学工程在2007—2009年教育部学科评估中名列第二，2010—2012年教育部学科评估中名列第三。此外，天津大学精密仪器与光电子工程学院也是教育部“教育教学改革特别试验区”的15个全国试点学院之一。

学科特色：所在学院设有精密测试技术及仪器国家重点实验室、光电信息技术科学教育部重点实验室、精密仪器中心、现代光学研究所、光电子研究中心、传感工程研究所、照明技术研究所、光电测控技术研究所、激光与光电子技术研究所、生物光学研究所、安全防伪技术研究中心等研究和开发机构。

研究方向：超快激光理论与应用研究、光学信息处理及其应用、光学技术在计算机科学中的应用、数字图像处理技术、光学传感器技术、先进固体激光及非线性频率变化技术、光电子学与光通信技术、激光与光电子应用技术等。

师资力量：中国科学院院士1人，中国工程院院士1人，长江计划特聘教授4人。天津大学光学工程的师资队伍配置十分合理，老中青年教师比例合理。老年教授如姚建铨院士、王清月教授等可以保证该学科的顶级实力，中年学科骨干如刘铁根教授近年来在光纤传感领域硕果累累，超快激光实验室的胡明列教授是天津大学最年轻的教授，学术前景十分光明。

地理区位：既紧挨近年来得到长足发展的天津滨海新区，又毗邻首都北京，就业环境较为优越。

竞争情况：就读于天津大学的研究生中，本校生源占有较大比例。天津大学工学复试分数线2013年为330分，2012年为335分，2009—2011光学工程报录比如下：

考试特色：天津大学考研参考书目为郁道银、谈恒英著的《工程光学》和周炳焜著的《激光原理》，建议欲报考的同学参考天津大学蔡怀宇教授编写的《工程光学复习指导与习题解答》。

南开大学：虽小而精

学科地位：南开大学光学工程设立于南开大学现代光学研究所内，隶属于电子信息与光学工程学院。现代光学研究所由光学工程元老母国光院士创建，是全国高校中最早取得光学和光学工程两个学科博士学位授予权的单位。在2010—2012年教育部学科评估中，南开大学光学工程名列第五。

学科特色：设有教育部光电信息技术科学重点实验室以及博士后流动站。

师资力量：南开大学光学工程规模较小，共有教师28人，教授、研究员18人，副教授8人，其中有院士1人，特聘教授1人，博士生导师13人，但导师队伍水平相当优秀，哈佛大学、剑桥大学等欧美名校留学、访问研究的经历非常普遍，近年来在Nature、Science等国际最顶尖期刊发表多篇论文，令国内同行为之拜服。较为出色的是青年教师刘海涛教授，在Nature发表两篇论文，在Physical Review Letters发表两篇论文，主要研究方向为表面等离子体等微纳光学的相关理论。

培养模式：南开大学光学工程招生规模较小，几乎与导师人数平齐，每个研究生均能得到导师的大量指导，研究生教育接近于精英教育。需要注意的是，南开大学光学工程的专业型硕士培养计划与学术型硕士培养计划基本相同，这与其他学校的培养模式有所区别。

研究领域：相比其他高校，南开大学光学工程的研究方向的理论特色较为明显，其研究领域主要有：光学/数字图象处理科学与技术、光学处理与光计算技术、激光与非线性光学科学与技术、现代光通信技术、光波电子学、光子技术、眼视觉光学和共焦显微技术、飞秒激光技术、微纳光学。

地理区位：与天津大学相同。

竞争情况：南开大学近年来考研报录情况如下所示，可见相较于其他院校，南开大学光学工程的性价比较高。

考试特色：南开大学光学工程往年专业课参考书是赵凯华、钟锡华编著的《光学》，专业课考试风格自2013年起有所变化，并且2014年考研没有提供参考书目，需要考生注意。

中国科学院上海光机所：卧虎藏龙

学科地位：上海光机所是我国建立最早、规模最大的激光专业研究所。

学科特色：上海光机所现设8个研究室，分别是：强场激光物理国家重点实验室、中科院量子光学重点实验室、中科院强激光材料重点实验室、高功率激光物理联合实验室、空间激光信息技术研究中心(含：中科院空间激光通信及检验技术重点实验室、上海市全固态激光器与应用技术重点实验室)、信息光学与光电技术实验室、高密度光存储技术实验室、高功率激光单元技术研究与发展中心。

值得一提的是，上海光机所建成了国内仅有国际上也为数不多的“神光”系列高功率大型激光装置，用于激光分离同位素的激光与光学系统、超短超强激光系统、激光原子冷却装置、空间全固态激光器研制平台。在各种新型、高性能激光器件、激光与光电子功能材料的研制方面，也进入了国际先进水平，是我国现代光学和激光与光电子领域取得研究成果最多的单位之一。

研究领域：强激光技术、强场物理与强光光学、信息光学、量子光学、激光与光电子器件、光学材料等。显而易见的是，上海光机所的研究方向非常偏向于理论研究，因而十分适合于光学工程理论方向的深造。

地理区位：地处长三角的核心上海，地理区位优势相当明显。

竞争情况：每年有许多来自清华大学、浙江大学等顶尖学府的毕业生通过推免进入上海光机所，研究所人才济济。近年来上海光机所光学工程的复试分数线为：2013年320分，2012年325分，2011年330分。每年招生人数在40—50人，随当年推免比例有所浮动。

培养模式：上海光机所的专业型硕士与学术型硕士培养计划相近，且第一年是在安徽合肥的中国科学技术大学培养。

考试特色：上海光机所光学工程的考研专业课为在普通物理(乙)、光学、电子线路、精密机械零件和机构中任选其一。

除上文分析的几所院校和研究所外，还有一些光学工程相关院校，如清华大学、北京理工大学、国防科学技术大学、中国科学院长春光机所、中国科学院西安光机所等，同样十分优秀。

作者：程晓峰

第2篇：“物理光学与应用光学”教学实践与改革初探

摘要：“物理光学与应用光学”是电子信息科学与技术专业的学科基础课，该课程为“光电子技术”“激光原理”“光纤通信”等后续课程的学习奠定了基础。根据几年的教学经验，针对目前学生的学习状况，从“物理光学与应用光学”课程教学内容、教学方法的合理调整、现代教学手段的运用以及实践教学环节的加强等方面，进行了课程建设与教学改革的探讨。通过综合利用这些措施，提高了“物理光学与应用光学”课程的教学质量以及学生解决实际问题的能力。根据目前存在的问题，提出了下一步努力和改进的方向。

关键词：物理光学;应用光学;教学实践;教学改革

“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，学生在对比基礎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，希望通過改革使“物理光学与应用光学”课程的教学质量有所提高。

参考文献：

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[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.

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[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，

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[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.

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[7]哈斯乌力吉，吕志伟，张爱红.物理光学教学改革的探索[J].电气电子教学学报，2007，(29)：61-63.

[8]石顺祥，张海兴，刘劲松.物理光学与应用光学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

(责任编辑：孙晴)

作者：温淑敏 等

第3篇：突破光学衍射极限：实现远场纳米级分辨的光学显微镜

由于光学衍射极限，远场光学显微镜的分辨率仅能达到光波长的一半左右。在可见光波段，这一极限大约为200纳米。而对于生命科学研究，往往需要数十纳米甚至更高的分辨率，以获取组织或活细胞内部精细结构的信息。2014年度的诺贝尔化学奖获得者解决了这一世纪难题。

2014年度的诺贝尔化学奖授予在超分辨光学显微镜领域做出开创性贡献的三位科学家：贝齐格(E.Betzig)、黑尔(S.W.Hell)和莫纳(W.E.Moerner)。对于很多同行而言，这件事既在意料之中，却也颇显意外。

西方人有一句谚语：“Seeing is believing(眼见为实)。”因此，成像与观测领域的重大突破一直为诺贝尔奖所青睐。300余年前，当荷兰科学家列文虎克(A.van Leeuwenhoek)利用自己搭建的显微镜观察水珠时，他意外地发现了悬浮在水滴中的细小浮游微生物，从此向世人打开了进入微观世界的大门。从几何光学角度看，通过合理设计光学成像系统，光学显微镜具备实现任意放大倍率的能力。然而，人们身处的世界在本质上是量子世界，最终一切物质都必须用“波”的概念来描述，对光自然也不例外。因此，当人们利用光波来进行显微观测时，量子力学中的不确定性原理为光学显微镜的分辨率设置了一道屏障，即光学衍射极限。

自从1873年德国科学家阿贝(E.Abbe)首次提出光学衍射极限的概念开始，直到20世纪末，人们一直认为光学显微镜所能够看清的物体的最小尺寸大约为光波长的一半左右(对于可见光而言，这一极限尺寸大约在200纳米)。这意味着科学家们可以辨别完整细胞，以及其中一些被称为细胞器的组成部分。然而，他们却无法分辨一个正常大小的病毒或者单个蛋白质。在这样的背景下，即便对于很多一流的光学科学家，他们也已形成了一个思维定势，认为突破光学衍射极限在理论上是一件不可能的事情。正是得益于今年的诺贝尔化学奖获奖者提出的开创性成像新概念，这一状况才得以被奇迹般地终结。

值得注意的是，阿贝的光学衍射极限概念是基于光波自身的波动本性所得到的，而当代很多的先进光学显微技术往往借助于光与物质相互作用中产生的各种奇特效应来实现，这为突破光学衍射极限打开了缺口。迄今为止，成功实现超分辨的途径可以分成两类。一类是对激发光进行整形，再结合材料对光的非线性响应来减小光斑，例如受激发射损耗方法(stimulated-emission-depletion，STED)和结构光照明显微镜(structured illumination microscopy，SIM);另一类就是借助单分子成像技术，光激活定位显微镜(photoactivated localization microscopy，PALM)和随机光学重建显微技术(stochastic optical reconstruction microscopy，STORM)是其中的代表。

受激发射损耗

黑尔自1990年在海德堡大学获博士学位后，就一直在寻找突破衍射极限难题的方法。1994年，黑尔发表了一篇论文阐述了利用受激发射来操控荧光分子的想法。在他设想的技术方案中，显微镜(也称STED显微镜)利用荧光分子作为成像对象的标记物。荧光分子的特性是可以被一束波长较短(即光子能量较高)的光束激发，然后发射出波长较长的荧光。正如人们感觉黑夜中穿着荧光衣的人特别显眼，荧光标记使得感兴趣的观测对象在复杂的生物结构中脱颖而出。

黑尔的方法是通过扫描一束激光聚焦焦斑来对样品进行逐点成像，成像的分辨率取决于焦斑内所能够激发的荧光分子占据的体积。因此，为了缩小荧光激发体积，他采用了两束组合激光，即一束光被聚焦成正常的衍射极限焦斑，将焦斑内的荧光分子抽运到激发态;而第二束光则选取在荧光分子的发射波长范围，并被聚焦成一个中心与第一束光的焦斑中心完全重合但却是中空的环状焦斑。第二束光可以将被第一束激发光抽运到激发态上去的荧光分子从激发态淬灭到基态，因此也被称作淬灭光束。由于淬灭光束的光强分布仅在几何焦点处为零，因此从原理上讲，只要淬灭光足够强，由第一束光激发的荧光分子所占据的体积几乎可以被无限制地压缩到几何焦点附近极小范围内。目前，利用该方法可将光学显微成像的分辨率推进到数十纳米的尺度，远远突破了光学衍射极限的限制。相比传统的共聚焦显微成像，STED成像技术提供了高得多的光学分辨率，将神经元的细节清晰地显示出来。

相对于其他光学超分辨成像技术，STED技术最大优点是可以较快速地观察活细胞内实时变化过程，这对于生命科学中很多实际问题的研究十分关键。2008年，黑尔等人在美国《科学》上发表文章，报道了以视频速度(28帧/秒)来采集记录神经细胞内突触小泡的高分辨率图像(62纳米)。2012年，他们又利用STED显微成像法记录了活体老鼠脑细胞内神经细胞间的突触运动，该项工作有助于理解突触的运动机制，并可能促进针对突触内的精神治疗药物研究获得突破。

黑尔是首位不仅从理论上，而且用实验证明了使用光学显微镜能达到纳米级分辨率的科学家。但黑尔早期的文章在当时并没有引起足够的轰动，即使是非常著名的显微领域科学家仍然对此抱怀疑态度。如德国科学家施特尔策(E.H.K.Stelzer)于2002年在英国《自然》上发表文章，对黑尔发明的STED技术是否从本质上突破了衍射极限表示怀疑。并用坚定的口气写道：“眼下有一件事仍然是对的：海森伯(的不确定性原理)是正确的，阿贝极限肯定不会突破。”从这一点上也可以看出，由于100多年光学衍射极限理论的统治地位，人们在思想上已经形成了很深的思维定式。

单分子技术与光激活定位显微镜

莫纳在1989年任职于美国IBM研究中心时，首次在凝聚态相中实现了单个分子的光吸收测量，这项工作吸引了大量化学家将注意力转向单分子研究。两年之后，他与另外一个博士后安布罗斯(W.P.Ambrose)利用荧光实现了单分子成像。1997年，他与因绿色荧光蛋白的发现而获2008年诺贝尔化学奖的钱永健合作，发现了绿色荧光蛋白的光转化效应。这一发现使得控制荧光探针的发光成为可能。以光激活荧光蛋白分子为例，当受到波长488纳米的光激发时，该荧光蛋白开始发出波长更长的绿色荧光，直至被淬灭(淬灭的荧光分子将不再有发射荧光的能力)。如果此时利用一束405纳米的激光照射该荧光蛋白分子，可以将该分子再次激活。激活之后的荧光蛋白如果被488纳米的激光照射，又能恢复发射荧光能力。简言之，利用488纳米和405纳米两种波长的激光，可以交替实现这些荧光蛋白分子的“开”和“关”状态。

这一发现对贝齐格至关重要。贝齐格注意到光学衍射原理虽然不允许人们同时分辨间距小于大约激发光波长的两个荧光分子，但一旦两个分子的间隔增大，从光学上讲，它们都分别可以无限高的空间精度被定位。早在1995年，贝齐格就发表文章提出用不同颜色荧光分子来绕开衍射极限。但由于分子合成与标记等方面的实际操作困难，无法从实验上加以验证和实现。2006年，他意识到，其实不需要不同颜色的光，只需借助莫纳的单分子技术，让荧光分子在不同的时间发光，就可以实现超分辨成像。于是当时赋闲在家的贝齐格和赫斯(H.F.Hess)利用一部在自家客厅组装的光学显微镜搭建出这样一套显微系统，称之为光激活定位显微镜(PALM)。他们使用微弱的光脉冲激发荧光分子，使其中极小部分的荧光分子能够发出荧光。因为这些荧光分子很稀疏，相距较远，所以它们的位置能够被精确定位。等到这些分子光致褪色后，再继续用微弱的光脉冲激活另外一小部分荧光分子，让它们发出荧光。通过分别记录多幅图像，使不同图像中的荧光分子所成点像不再相互干扰，从而能够对每个荧光分子逐个进行定位。在全部荧光标记分子的定位完成后，一幅超越衍射极限的图像即已形成。随后他们和美国国立卫生研究院及佛罗里达州立大学的科学家合作，利用该新技术对生物样品进行成像，在每平方微米塞满高达十万个分子的细胞样品中，成功分辨出相距仅2～25纳米的分子，在细胞片足(lamellipodium)内的肌动蛋白(actin)、黏着斑蛋白(vinculin)、细胞膜上的反转录病毒(retroviral)蛋白Gag等方面取得高清晰成像。

2008年，贝齐格等人将PALM显微技术应用于活细胞成像来记录细胞黏附蛋白的动力学过程。2010年，赫斯小组将PALM技术与光的干涉原理结合起来，发展成干涉测量光激活定位显微技术(iPALM)，将三维的分辨率提高到20纳米以内，在纳米尺度上观测到了黏着斑(focal adhesion)的蛋白组织方式，为分析蛋白功能提供了新的信息。

随机光学重建显微技术

作为第一位获美国麦克阿瑟基金会“天才奖”的华人女科学家，庄小威在生物物理显微成像领域做出了许多重要的成果。几乎与贝齐格提出PALM概念同时，庄小威也提出了原理相似的随机光学重建显微技术(STORM)。STORM与PALM不仅是同年提出，原理也极其相似，都是通过反复激活一猝灭荧光分子，使显微镜每次只记录相距远的几个荧光分子，从而对它们进行精确定位，通过光一化学手段，以时间换空间方式获取了超分辨。与PALM不同的是，庄小威使用的是有机荧光分子对，而非光激活蛋白。他们发现，不同的波长可以控制化学荧光分子Cy5在荧光激发态和暗态之间切换，例如红色的633纳米激光可以激活Cy5发射荧光，同时长时间照射可以将Cy5分子转换成暗态不发光。之后，用绿色的532纳米激光照射Cy5分子时，可以将其从暗态转换成荧光态，而此过程的长短依赖于第二个荧光分子Cy3与Cy5之间的距离。因此，当Cy3和Cy5交联成分子对时，具备了特定的激发光转换荧光分子发射波长的特性。

2007年，庄小威研究团队进一步发展了多色随机光学重建显微方法，并以20～30纳米级别的分辨率演示了DNA模式样品和哺乳动物细胞的多色成像，研究结果公布在《科学》周刊上。2008年，他们在《科学》周刊上展示了用3D STORM成像技术拍摄的肾细胞内微管结构图和其他的分子结构图。2011年，庄小威与另一位华人科学家谢晓亮，利用超分辨率荧光显微镜对活体大肠杆菌细胞内的拟核相关蛋白(NAPs)进行了跟踪观察，并由此揭示了细菌遗传物质组织机制。2012年，庄小威小组对STORM进行了改进，通过双物镜STORM，在生物成像中获得了小于10纳米的横向分辨率，以及小于20纳米的纵向分辨率。采用这种方法，他们对细胞中的微丝进行了成像，揭示了这种重要细胞骨架的超微结构(微丝是由肌动蛋白组成的直径约为8纳米的纤维结构)。2013年，他们又利用STORM的技术优势，分析了神经细胞中肌动蛋白、血影蛋白(spectrin)等相关蛋白的组织结构，提出了关于细胞骨架结构的新假说。

庄小威研究组利用STORM等技术获得了不少关键分子的结构，为超分辨的发展和推广应用做出了巨大贡献。这次她未获诺贝尔奖，其中的是非曲直，科学界人士各有说法。

结构光照明显微镜

2000年，加利福尼亚大学的物理学家古斯塔夫森(M.Gustafsson)领导的研究团队开发出了结构光照明显微镜(SIM)，并得到了海拉细胞中肌动蛋白细胞骨架的图像，相比传统显微镜的图像来说，在横向上的分辨率提高了2倍。结构光照明显微镜利用调制光源照明样品。将原本不可分辨的高分辨率信息编码入荧光图像中，结合计算解码获取高分辨率信息，其过程可以通过光学莫尔条纹来理解。莫尔条纹是指由两种具有精细结构的图形叠加之后出现的比较粗的干涉条纹。在结构光照明成像中，具有精细结构的样品和调制照明光场都有很高的空间频率，难以直接分辨，但是其叠加产生的粗条纹(莫尔条纹)却具有很低的空间频率，可以直接被分辨。由于调制光场是已知的，通过测量莫尔条纹就可以反推出样品的精细结构。SIM技术同样也生成了许多美丽的高清晰细胞图像。

2005年，古斯塔夫森又利用荧光分子的饱和吸收特性，发展出饱和结构光照明显微技术(SSIM)，将整体分辨率提高了4倍。

结构光学显微镜在宽场成像的基础上提供了一种简单、具有快速获取图像能力的超分辨成像技术，为生物组织纳米结构的活体研究开辟了一条新的途径。遗憾的是，古斯塔夫森于2011年因癌症去世，享年51岁，无缘此次的诺贝尔奖。

展望

由于上述光学先驱的贡献解决了光学显微成像领域中长达一个半世纪之久的难题，并在很短的时间内形成了一个全新的研究领域，其科学意义显而易见。早在十年前，不少同行学者已认为光学超分辨成像领域的几位先驱将有望获诺贝尔奖。事实上，当时人们甚至比现在更为乐观，认为这些技术能很快达到小分子级的成像精度，从而给生命科学研究领域带来根本性变革。然而，随后的研究发现，虽然理论上具备了潜力，但在技术上彻底实现这一目标仍存在诸多挑战。因此，超分辨光学成像领域的后续发展空间仍十分巨大，孕育着新理论、新技术，并有着在生命科学、纳米科学等相关领域获得进一步广泛应用的诸多机会。诺贝尔奖评奖委员会在实现这些美好愿景尚有一段距离的时候，将2014年度的化学奖颁给该领域的科学家，略显意外。简言之，即使该领域在短期内很难被再次授予诺贝尔奖，仍有望产生诺贝尔奖级的研究成果。

长期以来，诺贝尔奖评奖的大致标准还是比较明确的。首先是关注研究成果的原创性，一般都是奖励给一个研究领域中最早的概念提出者或是核心现象的发现者。那些针对后续问题开展跟踪性研究的同行。即使也曾做出卓越的贡献，但往往丧失了获奖机会。其次是关注这些原创成果在人类文明进程中产生的影响力。影响力的产生主要来自于两方面：或者是通过重要科学发现来加深人们对宇宙或自然规律的理解，或者是通过重大技术发明推动人类物质文明的进步。相比于在那些已获认可的热门领域开展跟踪性研究。从事原创性研究面临着更高的风险，并且即使能够成功，短期内其价值也未必能迅速获得认可并产生充分影响。扭转这一状况，促进开展那些可能产生显著影响力的原创研究，可能需要更加包容的氛围。以促进思想和理念的多样化;需要更加宽松的环境，以降低功利的影响并鼓励独立的科学判断;还需要撇弃浮躁的心态，容许科学家长久地专注于那些有挑战性的科学难题。

作者：倪洁蕾　程亚

第4篇：光学相干断层扫描

Drexler

Optical Coherence

Tomography

2009

Hardback

ISBN 9783540775492

德雷克斯勒著

本书是斯普林格出版社生物和医学物理,生物医学工程系列中的一本。 作者沃尔夫冈教授是英国卡迪夫大学视觉科学院生物医学成像研究组的负责人和生物医学成像的主任教授。他的研究小组在光学相干断层扫描(OCT,Optical Coherence Temography)技术方面发挥着主导作用,该技术作为一种光学医疗诊断方式使我们可以在生物系统内对微观结构进行非侵入式高分辨率三维断层成像。

OCT技术是一种在生物学、医学和材料科学都可以应用的成像技术,它具有如下诱人的特点:高的细胞级分辨率、实时采集速率、光谱特征提取,而这些可以在一个紧凑的非侵入性仪器中实现。OCT可以进行“组织光学切片”,即产生组织分辨的图像供定性和诊断,而不必切除和处理样本的组织切片。而新一代OCT技术的开发,在分辨率和速度上都产生了飞跃式的进步,实现了体内的光学活检,即组织结构形态的在线、实时的可视化。这些新技术不仅提高了图像对比度,而且可以对由于代谢或功能状态引起的病理进行区分。

这本书不仅从光学和技术角度介绍了OCT技术,并且从生物医学和临床的角度进行阐述。本书的章节都由在国际上具有领先地位的研究小组进行撰写,并尽量采用适于广大读者理解的方式。

本书可为物理学家、工程师、从事生物医学和临床医学的研究人员提供参考。

张文涛,助理研究员

(中国科学院半导体研究所)

Zhang wentao,Assistant Professor

(Institute of Semiconductors,CAS)

第5篇：《光学》考点透视（上）

考点内容：

1. 光的直线传播规律及应用。

2. 在光的反射定律的考查中应包括光的反射定律及应用，平面镜的成像特点等内容，特别是平面镜的成像特点的实验探究及应用。

3. 光的折射现象、折射规律等知识的考查重在记忆和理解;经常考查光的直线传播、光的反射、光的折射等光现象的区分;也涉及色光、颜色、看不见的光等光现象的考查。

4. 考查根据凸透镜、凹透镜的三条特殊光线画光路;考查平面镜作图。

5. 考查：探究“凸透镜的成像规律”的实验过程及研究方法;凸透镜的成像规律的掌握程度及应用。

6. 考查生活中的透镜及眼睛、眼镜。

重点考点：

1. 光现象的理解和区分。

2. 探究“光的反射规律” “平面镜镜成像规律”和“凸透镜的成像规律”的实验过程及研究方法。

3. 平面镜镜成像、凸透镜的成像规律的掌握程度及应用。

热点考点：

1. 光的直线传播、反射、折射现象的区分、规律及现象解释。

2. 探究平面镜成像规律及应用。

3. 光学元件的作用及光学作图。

4. 探究“凸透镜的成像规律”，凸透镜的成像规律的理解及应用。

5. 生活中的透镜及眼睛、眼镜。

6. 看不见的光，物体的颜色。

命题方向和规律：

题型：主要有选择题、填空题、作图题、问答题、实验探究题等。选择题、填空题主要考查基础知识和基本能力;光学作图题主要集中在平面镜成像特点、凸透镜对光线的作用及成像规律上;实验探究题主要集中在探究光的反射和折射的规律、探究平面镜及凸透镜成像规律上，也有联系高中知识如折射率出探究题;光学问答题一般在实际应用方面出题。另外也考查红外线、紫外线、眼睛和眼镜、实像和虚像的区别等方面的知识，一般以填空题和选择题的形式出现的，也有以探究、问答题的形式出现。

分值：光学在中考中分值一般在10分左右。

考点1：光的直线传播

例题(2013·湖南娄底)：如图所示的4种现象中，由光的直线传播形成的是( )。

A. 海市蜃楼 B. 水面“折”枝 C. 水中倒影 D. 手影

『解析』 选项A和B都是光的折射现象，A是海市蜃楼现象，由于空气分布不均匀，光在不均匀的空气中传播时会发生折射，B中插入水中的树枝好像弯折了，这是树枝的光进入人眼时在水面发生了折射;选项C水中的倒影，是平面镜成像，是由光的反射形成的;选项D手影是由光的直线传播形成的。

『答案』D 。

『点评』

考点：光的直线传播。

主要考查：光的反射、光的折射、光的直线传播现象三种光现象;考查了学生对三种光学现象的区分。

解题关键：把握住三种光现象的本质，注意区分各个现象的形成原因，知道生活中与之相关的现象和实例。

考点2： 光的反射

例题(2013·山东东营改编)：如下左图所示是小明同学探究反射定律的实验装置。平面镜M平放在平板上，白色硬纸板竖立在镜面上，硬纸板是由E、F两块粘接起来的，其中F可绕接缝ON转动。

(1)小明让一束光贴着纸板射到O点(如下左图)，要使入射光线和其反射光线的径迹同时在纸板上出现，纸板与平面镜的位置关系是 (选填“一定垂直”“一定不垂直”或“可以垂直也可以不垂直”);

(2)小明探究反射角和入射角之间的关系时，三次改变入射的大小，实验所测数据如下表，他根据表中数据得出的结论和其他同学的结论并不一致。请你根据表中的数据分析小明实验中出现错误的原因是 ;

(3)硬纸板F的主要作用是什么?

『解析』 本实验探究光的反射定律：主要研究的是两角关系和三线关系。(1)要使入射光线和其反射光线的径迹同时在纸板上出现，则法线必须与平面镜垂直，并且反射光线、入射光线和法线必须在同一平面内，因此纸板与平面镜的位置关系必垂直;(2)根据反射定律，反射角等于入射角，反射角是反射线与法线的夹角，入射角是入射线与法线的夹角，当入射角分别为20°、30°、50°时，反射线与法线的夹角，即反射角也应分别是20°、30°、50°，而70°、60°、40°正好是反射光线与镜面的夹角，所以是把反射光线与镜面的夹角当成了反射角;(3)通过硬纸板F可观察到光的反射路径，也可以探究入射光线、反射光线和法线的位置关系，从而验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内。

『答案』 (1)一定垂直;(2)把反射光线与镜面的夹角当成了反射角;(3)硬纸板F的主要作用是：①呈现反射光线，②验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内。

『点评』

考点：光的反射定律。

主要考查：研究光的反射定律的实验;入射角的意义;器材的作用。

解题关键：理解光的反射定律;知道入射角是反射光线与法线的夹角，而不是反射光线与镜面的夹角;掌握器材的作用。

例题(2013·山东德州)：下列成语涉及的光现象与其物理知识相符的是( )。

A.凿壁偷光——光的反射 B.一叶障目——光的折射

C.猴子捞月——光的折射 D.杯弓蛇影——光的反射

『解析』 A.凿壁偷光，是利用光的直线传播; B.“一叶障目，不见泰山”是指一片叶子挡在眼前就看不见东西了，这是因为光是沿直线传播的;C.水中捞月，水中的月亮是平面镜成像，是光的反射现象;D.杯弓蛇影是弓在液面形成的倒影，是光的反射现象。

『答案』D。

『点评』

考点：光的反射和传播。

主要考查：光的反射和传播现象、平面镜成像。

解题关键：理解光的反射和光的直线传播现象及应用，理解成语、诗词、歌词中蕴涵的物理知识。

考点3： 探究平面镜成像的特点

例题(2013·山东日照)：如下甲图是小芳同学探究“平面镜成像的特点”的实验装置。(1)在实验中用透明的玻璃板代替平面镜，主要是利用玻璃透明的特点，便于 ;

(2)在竖立的玻璃板前放一支点燃的蜡烛M，可以看到玻璃板后面出现蜡烛的像。小明拿另一支大小相同的蜡烛N在玻璃板后面移动，直到它跟蜡烛M的像完全重合。由此可以得出的结论是 ;

(3)实验时，小芳同学应在 (填“M”或“N”)侧观察蜡烛M经玻璃板所成的像;

(4)细心的小芳透过玻璃观察蜡烛M的像时，看到在像的后面还有一个较模糊、与像有部分重叠的像，出现两个像的原因是 ;

(5)经过三次实验，记录的像A'、B'、C'与物A、B、C对应的位置如图乙所示。为了得到更多的实验结论，接下来小明应该进行的操作是： 。

『解析』 (1)点燃的蜡烛通过玻璃板可以成像;又因为玻璃板具有透光性，在玻璃板的一侧不仅可以看到像，还可以看到后面另一支蜡烛，这样便于移动蜡烛，使它与点燃的蜡烛的像重合，来确定蜡烛像的位置，而平面镜不透光，不能观察到镜后的情况，不能确定像的位置;(2)两段蜡烛大小相同是为了比较像和物的大小，像和物重和则大小相同;(3)根据平面镜所成的是像是虚像的特点，应在物体一侧观察;(4)由于像是由光的反射形成的，而普通玻璃的两面都能反射光，能成两个像，所以通过玻璃板该同学看到了同一个蜡烛的两个像;(5)平面镜成像的特点：像物等大、等距、连线与镜面垂直，据此分析实验的操作步骤应该连接像与物的对应点，判断连线与镜面是否垂直;通过归纳处理即可得出结论。

『答案』(1)确定像的位置;(2)像和物大小相等;(3)M;(4)玻璃板比较厚，蜡烛经过两个反射面都会形成像;(5)连接对应的像点和物点，判断连线是否和镜面垂直;测出像点和物点到玻璃板的距离进行比较。

『点评』

考点：实验探究平面镜成像的特点。

主要考查：考查学生动手操作实验的能力并能合理解决实验中出现的问题。

解题关键：熟练掌握平面镜的成像特点，掌握实验的过程及操作。平面镜是最重要的光学元件，又是光的反射定律的重要应用，在生活中经常用到。成像原理、特点、探究平面镜成像实验及应用在中考经常出现。

例题(2013·齐齐哈尔、黑河、大兴安岭)：如下图是某学习小组探究平面镜成像特点的实验装置，A是点燃的蜡烛，B是与A完全相同但未点燃的蜡烛。

(1)此实验采用透明玻璃板代替平面镜，虽然成像不如平面镜清晰，但却能在观察到A蜡烛像的同时，也能观察到B蜡烛，巧妙地解决了 不易确定的问题;

(2)选取两支完全相同的蜡烛是为了比较像和物的 关系;

(3)实验中小心地移动B蜡烛，直到与A蜡烛的像完全重合为止，观察记录之后，将B蜡烛撤掉，拿一张白纸放在刚才B蜡烛的位置，却没有承接到A蜡烛的像，这说明平面镜成的是 像;

(4)小组同学进行了正确的实验操作后，得到的实验数据如下表：

实验数据中，像和蜡烛到玻璃板的距离不是都相等的原因可能是： (写出一条即可)。

『解析』(1)此实验采用透明玻璃板代替平面镜，虽然成像不如平面镜清晰，但却能在观察到A蜡烛像的同时，也能观察到B蜡烛，巧妙地解决了像的位置不易确定的问题;(2)选取两支完全相同的蜡烛，当玻璃板后面的蜡烛和玻璃板前面的蜡烛的像完全重合时，可以确定像的位置，同时也可以比较像物大小关系;(3)实像能用光屏承接，虚像不能用光屏承接，拿一张白纸放在刚才B蜡烛的位置，却没有承接到A蜡烛的像，这说明平面镜成的是虚像;(4)像物到平面镜的距离不都相等，可能是玻璃板的厚度问题的原因或标记蜡烛位置时有误差，也可能是测量距离时有误差造成的。

『答案』(1)像的位置;(2)大小;(3)虚;(4)测量距离时有误差。

『点评』

考点：考查探究平面镜成像的实验。

主要考查：考查平面镜成像实验中像的位置怎样确定、器材选择和操作的目的、像的性质和特点。

解题关键：熟练掌握平面镜的成像性质和特点，知道怎样确定像的位置，知道器材的选择及目的作用。

考点4：平面镜的应用

例题(2013·江苏南京)：下列事例属于平面镜成像应用的是( )。

『解析』A.照相机镜头前假装滤色镜，会吸收或反射其他的色光，不是平面镜的应用;B.过强的紫外线能伤害人的眼睛和皮肤。电焊弧光中有强烈的紫外线，因此电焊工工作时必须穿好工作服，并戴上防护罩;C.由于平面镜所成的像与物大小相同，所以舞蹈演员用镜子观察自己的姿势;D.近视眼的晶状体较厚，会聚能力较强，看远处的物体时，将像成在视网膜的前面，须戴凹透镜矫正。远视眼的晶状体较薄，会聚能力较弱，看近处的物体时，将像成在视网膜的后面，须戴凸透镜矫正，不属于平面镜的应用。

『答案』C。

『点评』

考点：平面镜成像的特点;。

主要考查：综合考查了平面镜成像的特点、紫外线的作用、近视眼的成因和纠正方法。

解题关键： 知道平面镜像物的特点及应用，知道紫外线的作用、近视眼的成因和纠正方法。此题与实际生活联系密切，体现了生活处处是物理的理念。

(未完待续)

作者：邱云清

第6篇：光学镜头注塑成型

摘要：光学镜头(玻璃)广泛用于各个领域，是各种精密设备的核心零件，而注塑成型是各种塑料产品批量生产的制造方法。本文将从六个方面论述传统注塑成型与精密注塑成型的区别，说明光学镜头注塑成型的可行性，希望得以广泛应用。

关键词：光学镜头 产品结构设计 注塑成型工艺 精密机加工 刀具设计

随着影像技术的高速发展，人们可以随时随地地将身边正在发生的事情、景物和人物录制在自己的相机或手机里。而这些高科技产品的核心零件正是有着高精度的光学元件。以往这种光学镜头都以玻璃为主材，但玻璃难免存在质量大、脆性大、价格高等缺点，因此近年来人们开始选用聚合物材料代替玻璃镜片，并逐渐应用在通信行业、医疗器械、汽车工业，以及信息行业。而能否实现批量生产关键在于注塑成型。

众所周知，注塑成型广泛用于塑件批量生产，但传统注塑成型技术难以达到光学元件的精度。若要达到所需的尺寸公差和表面质量，必须优化整条工艺链。经过多年的研究，如今可以通过精密注塑成型技术制成功能更多、价格合理的精密光学元件，满足市场的需求。

研究注塑成型工艺，能够发现精密注塑成型与传统注塑成型相比有六个明显不同。

一、产品结构设计

为了获得最佳的表面质量和最小的尺寸公差，产品结构设计是非常重要的。产品设计也标明塑件的尺寸公差。从一些经验得知，常见的设计原则如下：避免塑件局部壁厚，产生缩孔;控制最小壁厚的尺寸(材料决定);在光学元件起作用的表面不能有孔、槽位等，防止形成熔接痕;壁厚变化不能太大，选择平稳过渡;保持塑件壁厚

均匀。

由于塑料的稳定性比玻璃要差，所以塑料镜头折射率的准确性要比玻璃镜头低。一般而言，标准环境条件下，塑料镜片的折射率变化范围大于1%，而折射率的变化将会引起镜头焦距的变化。从物理实验可知，常见球面镜头的焦距是由折射率n，镜头厚度T和球半径R决定的，而且这三个参数对焦距的影响各不相同，其中又以折射率n影响最大。为了减小折射率的变化，在设计时必须严格标明镜头的形位公差和加工精度。

二、刀具设计

刀具设计与产品设计同样重要，切削效果会直接反映在塑件表面上。当塑件的精度达到微米级(μm)时，刀具的尺寸公差必须低于1μm。虽然这对于刀具设计不是一个简单的事情，但还是有许多刀具单元可供选择的。有一点值得注意的是：尺寸稳定的刀具需要高强度的材料，而且该材料能适应各种热处理工艺，而后者的重要性往往被忽视。实验证明，如果硬化钢的金相组织从奥氏体向马氏体转变的过程并没有完全结束，材料的微观结构会发生变化，引起宏观的尺寸变化，即使在没有受载荷的情况下，也会发生0.01～0.001mm的变形。

三、注塑成型设备

注塑成型设备是整条工艺链的一个重要组成部分。注塑设备能够熔融、塑化聚合物，使其注入模具，不断循环。它需要精准地控制每一个工艺参数，例如注射温度、注射量、注射速率、型腔压力等等，注塑设备的精度决定了塑件的成型精度。

精密注塑成型设备是一个闭合回路，它的运作完全受那些参数控制。注塑成型时，每一个机械动作都必须准确无误(例如两块模具安装板移动时的平行度)，而且设备上所有的零部件都要求高度的稳定性。由于成型设备的驱动单元由电力传动，在精确性和复现性方面有明显优势，适用于精密注塑成型。

四、模具车间的加工能力

除了设计元素，精密加工也是注塑成型一个非常重要的部分。模具加工必须经过精密的机械加工和紧密配合的装配流程。如果没有好好控制这一部分尺寸公差，后期的注塑成型加工将难以再修复塑件的尺寸公差，或者允许调节的注塑成型参数范围更窄了。随着高速切削的发展，可以预测，精密高速多轴铣削加工将慢慢取代EDM(放电加工)。

为了使模具镶件达到质量要求，可采用单晶金刚石作为机夹车刀的刀粒进行车削加工。金刚石车削的最大缺点是不能直接切削黑色金属，例如钢铁，因为铁会使金刚石磨损相当快。目前，一些企业在热处理工艺方面做了一些研究，就是通过改善合金工具钢的切削性能以达到单晶金刚石车削的效果。从初期的结果看起来非常有希望。当然我们还必须留意车削或铣削刀具本身，因为硬质合金车刀经过高速车削后，刀刃会磨损，就需要采用精密磨刀机重磨刀刃刀尖。我们要高度重视这些刀具的切削平面和切削刃，即使是切削刃上极小的瑕疵都会在成型后的产品上反映出来。

五、注塑成型工艺

注塑成型工艺可分为两种类型：传统注塑成型和注塑压缩成型。传统注塑成型时，塑料冷却过程中会产生内应力，改变塑件性能，引起镜头偏光。为了克服这个潜在的内应力，其中一种处理方法是塑件退火处理，但这种方法会使塑件产生变形，不太合适。现在可以采用注塑压缩成型，注塑压缩成型常用于成型带有细微结构的产品，例如带有衍射功能的塑料镜头，它与传统注塑成型工艺有几点明显不同。概括其成型工艺参数范围如下：

注射压力(保压压力)：大于100MPa(因塑件或材料而定);注塑速率：因模具、塑件、材料而定;塑化温度：200～320℃;模具温度：100～150℃;成型周期：0.5min以上。

因为精密注塑成型属于新型注塑方法，因此其成型参数没有经验可借鉴。为了获得合适的成型参数，可采用如下方法进行尝试。首先设计和制造一套注塑模(没有考虑收缩率)，第二步选择其中一个注塑成型参数，将其划分为若干个微分，逐一进行注塑优化。然后检测成型后的塑件尺寸，根据塑件修改注塑模的形状和尺寸。这种方法所得到的工艺参数往往具有较高的稳定性和准确性。当然，要实施这个方案必须具备精密的测量设备(三坐标测量仪)、先进的制模车间(多轴铣削中心)和设计部分的数学能力(仿真分析)。

六、技术人员能力

为了使塑件获得严格的尺寸公差，精密注塑成型从一开始就必须进行考虑。考虑光学设计、产品结构设计、成型工艺参数和成型设备等各方面因素，并将这些相互作用的多个因素作为一个整体统一考虑，不能忽略任何一个。因此需要聘请一些掌握高新技术和经验丰富的设计工程师，他们能够完成例如光学设计、产品结构设计、刀具设计、有限元分析和模流分析等工作。从另一方面来讲，虽然如今注塑成型过程的大部分操作都能够通过电脑控制，实现全自动化生产，但是车间里仍然需要一些受过高等教育的高技术人才。因为精密注塑成型过程的控制是注塑成型领域里最前沿的一种技术。其典型特点是注塑机拥有先进的控制界面，需要有人不间断地监控，并及时调整关键的工艺参数，因此人的因素非常重要。

有了精密注塑成型，聚合物光学元件实现了大批量和高精度的生产。当然这只是一个开始，精密注塑成型在一些方面仍然没有做到尽善尽美，例如：聚合物材料研发、注塑成型设备设计、模具状态探测、塑件精密测量、模塑仿真分析软件应用等方面都可以深入地研究，这些必将为人们提供更优质的塑料光学镜头。

参考文献：

[1]叶久新，王群.塑料成型工艺及模具设计[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]约翰纳伯(F.Johannaber).注射成型机使用指南.北京：化学工业出版社2003.

[3]李忠文，陈延轩，等.精密注塑工艺与产品缺陷解决方案100例[M].北京：化学工业出版社，2009.

[4]文秀兰.超精密加工技术与设备[M].北京：化学工业出版社，2006.

(作者单位：中山市技师学院)

作者：李锐传

第7篇：光学知识：

1.色温

定义：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。

色温度以绝对温度 K 来表示，是将一标准黑体(例如铂)加热，温度升高至某一程度时颜色开始由红、橙、黄、绿、蓝、靛(蓝紫)、紫，逐渐改变，利用这种光色变化的特性，其光源的光色与黑体的光色相同时，我们将黑体当时的温度称之为该光源的色温度。以绝对温K(Kelvin，或称开氏温度)为单位(K=℃+273.15)。因此，黑体加热至呈红色时温度约527℃即800K，其温度影响光色变化。

光色愈偏蓝，色温愈高;偏红则色温愈低。一天当中光的光色亦随时间变化：日出后40分钟光色较黄，色温约3000K;正午阳光雪白，上升至4800-5800K，阴天正午时分则约6500K;日落前光色偏红， 色温又降至约2200K。因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具有相同色温值的两种光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现程度如何。

黑体的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。例如，白炽灯的光色是暖白色，其色温表示为2700K，而日光色荧光灯的色温表示方法则是6000K。 北方晴空 8000-8500k

阴天 6500-7500k

夏日正午阳光 5500k

金属卤化物灯4000-4600k

下午日光 4000k

冷色荧光灯 4000-5000k

高压汞灯 3450-3750k

暖色荧光灯 2500-3000k

卤素灯 3000k

钨丝灯 2700k

高压钠灯 1950-2250k

蜡烛光 2000k

一些常用光源的色温为：标准烛光为1930K(开尔文温度单位);钨丝灯为2760-2900K;荧光灯为3000K;闪光灯为3800K;中午阳光为5600K;电子闪光灯为6000K;蓝天为12000-18000K。

光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉;色温在3000--5000K为中间色温,有爽快的感觉;色温在5000K以上有冷的感觉，不同光源的不同光色组成最佳环境。

<3300K 温暖(带红的白色) 稳重、温暖

3000-5000K 中间(白色) 爽快

>5000K 清凉型(带蓝的白色) 冷

色温与亮度：高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴冷的气氛;低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。

光色的对比：在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。

亮度：指的是人在看到光源时，眼睛感觉到的光亮度。亮度高低决定于光源产生光的能力。亮度符号 L，单位nite( cd/m2)，其中cd为光强的单位，1cd代表1烛光，即一根标准蜡烛的发光能力。单位面积上的烛光越多，则代表发光能力越强，亮度越高

照度：指的是光源照射到周围空间或地面上，单位被照射面积上的光通量。照度符号 E，单位LUX (lm/m2)，其中lm是光通量的单位，1lm代表1cd的光源在一个单位立体角内的光通量。单位被照射面积上的光通量多，照度就高。

亮度与照度：

关联点是：影响光源照度和亮度高低的物理量是相同的，即光通量

不同点一：影响光源亮度的光通量，是光源表面辐射出来的总光通量的多少，光源的发光能力越强，辐射出的总光通量越多;

不同点二：影响光源照度的光通量，是光源被辐射到被照面(如墙壁、地面、作业平台)上的光通量的多少。

不同点三：两者位置不同，受外界影响因素也不同。同一只光源，光源表面辐射出来的光通量被辐射到被照面(如墙壁、地面、作业平台)的光通量，在数量关系上是不等的。

物理意义

亮度形容的是光源的发光能力

照度形容的是被照物体所受到的光通量的大小 即，同一个光源的亮度是固定的，但是对同一个物体在不同距离产生的照度是不一样的

光强度(luminous intensity)

是光源在单位立体角内辐射的光通量，以I表示，单位为坎德拉(candela，简称cd)。1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。

光通量φ流明Lumen(lm)

是由光源向各个方向射出的光功率,也即每一单位时间射出的光能量

色彩：

色彩深度又叫色彩位数，即位图中要用多少个二进制位来表示每个点的颜色，是分辨率的一个重要指标。常用有1位(单色)，2位(4色，CGA)，4位(16色，VGA)，8位(256色)，16位(增强色)，24位和32位(真彩色)等。色深16位以上的位图还可以根据其中分别表示RGB三原色或CMYK四原色(有的还包括Alpha通道)的位数进一步分类，如16位位图图片还可分为RGB565，RGB555X1(有1位不携带信息)，RGB555A1，RGB444A4等等。

色彩空间：(YUV 、YIQ 、YCbCr)

YUV模型用于PAL和SECAM制式的电视系统;YIQ模型与YUV模型类似，用于NTSC制式的电视系统。YIQ颜色空间中的I和Q分量相当于将YUV空间中的UV分量做了一个33度的旋转;YCbCr颜色空间是由YUV颜色空间派生的一种颜色空间，主要用于数字电视系统中;

这三者与RGB转化公式：

RGB -> YUV：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B,U = -0.147R0.515G0.275G0.523G + 0.311B

RGB -> YCbCr：

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B, Cb = -0.169R0.419B - 0.103B 从公式中，我们关键要理解的一点是，UV/CbCr信号实际上就是蓝色差信号和红色差信号。 我们在数字电子多媒体领域所谈到的YUV格式，实际上准确的说，是以 YCbCr色彩空间模型为基础的具有多种存储格式的一类颜色模型的家族(包括YUV444 / YUV422 / YUV420 / YUV420P等等)。在Camera Sensor中，最常用的YUV模型是 YUV422格式，因为它采用4个字节描述两个像素，能和RGB565模型比较好的兼容。有利于Camera Sensor和Camera controller的软硬件接口设计。

人造光源：

1.D65 国际标准人工日光(Artificial Daylight)色温：6500K 功率：20W

2.TL84 欧洲、日本、中国商店光源色温：4000K 功率：18W

3.F 家庭酒店用灯、比色参考光源色温：2700K 功率：40W

4.UV 紫外灯光源(Ultra-Violet)波长：365nm 功率：20W

5.CWF 美国冷白商店光源(Cool White Fluorescent)色温：4150K 功率：20W

6.U30 美国暖白商店光源(Warm White Fluorescent)色温：3000K 功率：18W

7.TL83标准光源，欧洲厨窗灯、部份客户指定用商店光源色温:3000K，

算法：

1 .白平衡算法：

在相机拍摄过程中，很多初学者会发现荧光灯的光在人看起来是白色的，但用数码相机拍摄出来却有点偏绿。同样，如果是在白炽灯下，拍出图像的色彩就会明显偏红。人类的眼睛之所以把它们都看成白色的，是因为人眼进行了修正。如果能够使相机拍摄出的图像色彩和人眼所看到的色彩完全一样就好了。但是，由于 CCD/CMOS传感器本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正，这种修正就叫做白平衡。

色温对于相机而言就是白平衡的问题。在各种不同的光线状况下，目标物的色彩会产生变化。在这方面，白色物体变化得最为明显：在室内钨丝灯光下，白色物体看起来会带有橘黄色色调，在这样的光照条件下拍摄出来的景物就会偏黄;但如果是在蔚蓝天空下，则会带有蓝色色调。在这样的光照条件下拍摄出来的景物会偏蓝。为了尽可能减少外来光线对目标颜色造成的影响，在不同的色温条件下都能还原出被摄目标本来的色彩，就需要相机进行色彩校正，以达成正确的色彩平衡，这就称为白平衡调整。

白平衡调整就是试图把白色制成纯白色。如果这个最亮的部分是黄色，它会加强蓝色来减少画面中的黄色色彩，以求得更为自然的色彩。相机只要在拍摄白色物体时正确还原物体的白色，就可以在同样的照明条件下正确还原物体的其他色彩。

2. ISO：

ISO感光度的高低代表了在相同EV曝光值时，选择更高的ISO感光度，在光圈不变的情况下能够使用更快的快门速度获得同样的曝光量。反之，在快门不变的情况下能够使用更小的光圈而保持获得正确的曝光量。因此，在光线比较暗淡的情况下进行拍摄，往往可以选择较高的ISO感光度。当然，对于单反相机而言还可以选择使用较大口径的镜头，提高光通量。而对于一般数码相机因为采用的是固定镜头，惟有通过提高ISO感光度来适应暗淡光线情况下的拍摄，特别是在无法使用辅助光线的情况下。

夜景拍摄常常使用较小的光圈和较长的曝光时间，假如选择较高的ISO感光度必将不可

避免的产生噪点和杂色。这时可以使用三脚架，有可能的再使用快门线，选择较低的ISO感光度就可以避免噪点和杂色的产生。

Lux

照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明(Lm)数，也叫做勒克斯(Lux)： 1 lx=1 Lm/㎡上式中，Lm是光通量的单位

第8篇：物理光学总结

在学习完物理光学这门课程以后，对光的认识加深了不少。这门课程以光的电磁场理论为基础，研究光在介质中的传播规律，从本质上解释了光的折射、衍射、偏振等光的物理现象。

课程的一开始便是麦克斯韦的电磁场理论的介绍，揭示了电场、磁场的性质及电、磁场之间的联系。电场的高斯定律说明电场可以是有源场，电力线必须从正电荷出发终止于负电荷;磁通连续定律说明磁场是无源场，通过闭合面的磁通量等于零，磁力线是闭合的;法拉第电磁感应定律说明变化磁场产生感应电场，其电力线是闭合的;安培全电流定律说明传导电流和位移电流都对磁场的产生有贡献。在这一理论的基础上引出光的波动学理论。学习完这部分内容以后，我对光的波动特性有了初步的模型，大致了解了其描述方式，表达方式等。

有了光的波动理论以后，便开始探究光的干涉现象。光的干涉条件和物质波的干涉条件相同，即频率相同、振动方向相同、相位差恒定。只是由于光波的波长较小，要用一些特殊的方法获取相干波。其中比较常用的有杨氏双缝干涉、平板双光束干涉、菲涅尔干涉等一些列获取光的干涉方法。基于光的干涉灵敏而且现象明显的特点。在一些微小以及精确测量仪器方面得到了广泛的应用。法布里-珀罗干涉仪便是其中之一，让肉眼绝对无法看清的光波以特殊的方式让我们看清其中的差别。这样的仪器还有许许多多，其原理并不复杂，却能解决现实中很多的问题。

光的衍射现象也是很重要要的一部分内容。我感觉研究这一现象时，也是近似的把物质波和光波等同。以特定的方式获取光的衍射现象。像夫琅禾费衍射等。衍射同样也有很多的应用。在望远镜。照相机。显微镜等光学仪器的设计当中，精密程度正是取决于光的衍射理论。

傅里叶光学这一部分内容，是在一段空间里将光进行解剖。让光信息一份一份的出来让我们研究。有了这一理论基础之后，我们便能对像进行处理，让光按照我们的意愿成像。也可以基于这一理论，对成像系统进行优化处理，让所得的像更加清晰，更加符合我们的要求。

光的偏振现象这一部分内容为我们详细介绍了偏振的产生过程，还有多种获取偏振光的方法，也列举了许多的偏振器件，让我们对光的偏振从理论到现象有了一个清晰地认识。

总的来说，这门课程让我明白了光的波动性质，让了解了其波动现象的原理，以及一些很常见的获取这些现象的方法，也了解到很多基于光的这些性质而制造的光学元件。仔细回顾这门课程讲到的知识，我发现其中的每一部分都有很大的应用空间，让我觉得这门课程的知识离我们生活很近。

在这门课程的学习过程当中，有一部分内容例如光的干涉和衍射现象，因为以前接触比较多的缘故，学习起来比较容易，能够很快的理解其产生的原理。傅里叶光学和光的偏振部分理解的就不是很到位，没能够熟悉掌握。但是整体上，每一章节的内容其中最基本的产生机理我都明白弄懂了。在对光的这些现象的理解上，我想我还是比较到位了。在这门课程的收获还是非常多的，我认为这是一门非常有用的课程，它与我们的生活紧紧地相连，也能在生产当中给我们带来巨大的益处。

当然也要感谢教我们这门课程的陈老师，我觉得陈老师教给我们最好的东西不是这门课程，而是陈老师对这门课程介绍。每当讲到这门课程的某一部分内容时，老师都会为我们介绍其在生活生产当中的应用。让我们了解很多关于这方面的相关产品，使我们学习这门课程很受鼓舞。也引导我们了解了这门课程的重要性，让我们明白了光的这些现象的许多奇思妙用。把课程和实际紧紧结合起来，让我们学习理论知识的时候不觉得空泛，有一种脚踏实地的感觉。能够学习理论知识的同时而又清楚的看到骑在实际生活中的广泛应用，让我觉得这门课程的教学真的与众不同。

我相信在以后的生活当中，我们还会遇到许多有关光学的问题，这门课程所学的知识在今后也会不断地得到扩展。我相信我们能通过这些知识解决更多的生活生产当中的问题。

物理光学

总结

光电工程学院 2009级测控三班

吴海刚