光学技术论文发表

引言 光全息学是在现代激光的发现之后才迅速发展起来的，本文将就光全息学的一些主要的研究课题进行探讨，并针对一些应用课题进行研究。现代光全息学的起源,发展和人物,新型应用,本文将告诉你. 利用干涉原理，将物体发出的特定光波以干涉条纹的形式记录下来，使物光波前的全部信息都储存在记录介质中，这样记录下来的干涉条纹图样称为“全息图”，而当用光波照射全息图时，由于衍射原理能重现出原始物光波，从而形成与原物体逼真的三维象，这个波前记录和重现过程称为“全息术”或“全息照相” 光束全息照相由盖伯于1948年提出的，而当时没有足够强的相干辐射源全息研究处于萌芽时期。当时的全息照相采用汞灯为光源，且是同轴全息图，它的+/-1级衍射波是分不开的，即存在所谓的“孪生像”问题，不能获得很好的全息像。这是第一代全息图。1960年激光的出现，1962年美国科学家利思和乌帕特尼克斯将通信理论中的射频概念推广到空域中，提出离轴全息术，他用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光，第一代全息图的两大难题因此得以解决，产生了激光记录，激光再现的第二代全息图。当代光全息学发展主要课题有：1. 球面透镜光学系统2. 光源和光学技术3. 平面全息图分析4. 体积全息图衍射5. 脉冲激光全息学6. 非线性记录，散斑和底片颗粒噪声7. 信息储存8. 彩色全息学9. 合成全息图10. 计算机产生全息图11. 复制，电视传输和非相干光全息图而伴随光全息学的发展也产生一些光全息技术应用，比如高分辨率成像，漫射介质成像，空间滤波，特征识别，信息储存与编码，精密干涉测量，振动分析，等高线测量，三维图象显示等方面的用途。本论文将就当代光全息学的研究与应用两大课题进行学术研究一． 当代光全息学研究 球面透镜不仅能形成光振幅分布的影象，而且易形成该分布的傅立叶变换图形。因此，用一个简单透镜可使物光在全息平面上成为某原始图形的傅立叶变换。存储在全息图中的变换所具有的特性，在光学图形识别中有重要的应用。透镜，作为形成影象的器件，可以在全息术中用来构成像面全息图。一个透镜可以形成：a.傅立叶变换和b.输入复振幅分布的影象 由于利用激光光源来制作全息图片，使得全息学开始成为一门实用的学科。对形成全息图所用光源提出的要求取决于由于物体和必要的光学部件的安排所决定的参数。从单一光源取得物波和参考波有如下图所示两种普通方法：A. 分波前法B. 分振幅法 在光源与全息图之间（通过物表面或参考镜的反射）传播的光线的最大光程差必须小于相干长度。激光的相干性与激光器的振荡模式有关，就全息术而论，它要求在任一个横模振荡的激光器的空间相干的辐射，由于高介模的振荡较不稳定，并有以两个或者多个模式同时振荡的倾向，因此最好的振荡模式是最底阶的模式。激光束的输出功率必须分成物体照明波和参考波。若物体要求从不止一个角度（以消除阴影），就需要将激光束分成好几束，一般采用分振幅法，因分振幅法能产生较均匀的照明，而且对光束的展宽要求小，既可以在分配前也可以在分配后展宽。平面全息图分析用非散射光记录的共线全息图上的条纹间隔与感光乳剂的厚度相比为较宽的。照明这张全息图的波前中的一条光线在通过全息图前只和一条记录条纹相互作用。因此全息图的响应近似于一个有聚焦特性的平面衍射光栅。加伯在分析这些特性时是把这样的全息图严格地当作二维的。用对二维模型分析的结果也很符合实验观察。在应用利思与乌帕尼克首先采用的离轴技术所得到的全息图上，其条纹频率则超过共线全息图，超过了量正比于物光束与参考光束之间的夹角。条纹间隔的典型值可以考虑由两平面波的干涉得到。正弦强度分布的周期d可以由下式决定：2dsinθ=λ, θ为波法线与干涉条纹间的夹角，波长λ，条纹间隔d式中当θ=15°，λ=0.5微米（绿光）时，则d=1微米。记录离轴全息图的感光乳剂的厚度通常为15微米，实际上，在这样的乳剂中记录的全息图已不能当作是二维的了。因此重要的是要记录住平面全息图的分析结果只能准确地应用于使用相当薄的介质所形成的全息图。体积全息图衍射基本的体积全息图对相干照明的响应可以用偶合波理论来描述。假设有两个在yz平面传播的并具有单位振幅的平面波，其进入记录介质并进行干涉的情况，按折射定律，有sin /sin =sin /sin =nn为记录介质的折射率； 及 分别表示两个波在空气中与z轴的夹角； 及 则为两个波在介质中与z轴的夹角。布拉格定律可以用空气中的波长 ，全息片介质折射率 写成如下形式： 2dsinθ= / 体积全息图的特性由布拉格定律确定，因此对照明显示出选择响应。 二.光全息学典型应用高分辨率成像当一张全息图用与制作全息图参考光束共轭的光束照明时，在理论上能再现没有像差没有畸变的物波，其投影实象的分辨率仅受全息图边界衍射的限制。由于分辨率将随全息图尺寸的增加而增加。由于全息图可以做的很大，因此可以指望在现场大到5×5厘米时空间频率高到1000线/毫米。显然此种情况下放大率为1，但1：1的高分辨率投影成像，在集成电路的光刻工艺中有重要的潜在应用。将光刻掩模精密成象在半导体薄片上的工作，目前是用接触印象法来完成的。但这方法很快就会使模板损坏。用投影方法将影象转移到薄片上是一理想的可供选择的方法，但要非常优良和非常昂贵的镜头才能使投影的掩模象达到要求的分辨率和视场。当用相干光源照明制作全息图时，摄影乳剂的收缩，表面变形，非线性及洽谈噪声源的影响就更大了。它们可使图象产生斑纹，衬度降低和边缘模糊，这些缺陷又是用光刻法制作集成电路所不允许的。新的，更稳定的材料可能是这些问题的解答。特征识别由空间调制参考波形成的傅立叶变换全息图的许多特性，曾被范德鲁等人用于特征识别。他们采用全息法作成的空间滤波器完成了“匹配滤波”在特征识别中的应用。匹配滤波与概念，形成与应用可由下图说明 当要把形成的空间滤波器作为特征识别时，在输入平面内z轴上方部分是一个由平面波透明的，在不透明背景上包含M个透明字符的透明片。我们将这一组字符阵列的透过率表示为 这里所有字符均围绕 点对称分布， 是阵列中的一个典型字符，其中心在 点。另外，在输入平面内 处，有一光强度为 δ 的明亮的点光源,并在空间频率面εη面上形成一张傅立叶变换全息图。这一全息图可以看作是t 与δ函数形成的平面波干涉的记录。但是当全息图完成识别功能时，仅由透过t的一小部分，即通过入射平面内的一个或几个字符的光所照明，我们将会看到，在输出平面上我们所关心的再现，是表示识别结果的一个明亮的象点。信息储存与编码全息图既可以存储二维信息也可以存储三维信息。信息可以是彩色的或者编码的，图象的或者字母数字的；可以存储在全息图的表面，或存储在整个体积中；可以为空间上分离的，或者重叠的；可以是永久记录或者是可以消象的。记录的内容可以是彼此无关的或者相互成对的；可以是可辨认的影象或似乎是无意义的图形。现代光全息学的发展前景十分广阔,而其实用技术必然会实现普及,有识之士当携手共同研究以促进社会进步.

1、刘彬,赵武.转轴扭振盲测点测量模型的研究.中国机械工程,2006,17(14):1435-1438 (EI收录)2、刘彬,张玉存.基于拓扑反变算子的瞬时频率检测方法.中国机械工程,2006,17(8):785-787 (EI收录)3、刘彬,戴桂平.一种改进的基于小波变换的包络提取算法研究.仪器仪表学报,2006,27(1): 34-37 (EI收录)4、刘彬,赵武,蒋金水.轧机扭振盲测点测量模型的研究.计量学报, 2007,28(1):64-69 (EI收录)5、刘彬,赵武,蒋金水. 轧机转速波动测量的扭振监测实验研究.计量学报, 2007,28(3): 272-275 (EI收录)6、刘彬,时培明,赵武,蒋金水.激光双截面转速波动法监测转轴动态扭矩的原理研究.中国激光, 2007,34(1):113-117 (EI收录)7、时培明,刘彬,赵武,蒋金水.激光测量大型转轴动载波动系数原理研究.机械工程学报, 2006,42(12):132-136 (EI收录)8、赵武,刘彬.基于拓扑网络的轧机扭振分析计算.机械工程学报.2006,42(7):51-55 (EI收录)9、刘彬,蒋金水,宋文健, 激光测量回转机械振动的新方法, 计量学报,2008,29(2):145-148(EI收录)10、张文明,刘彬, 李海滨, 基于双目视觉的三维重建中特征点提取及匹配算法的研究, 光学技术,2008,34(2);181-185 (EI收录)11、时培明,刘彬,赵武,韩东颖等, 扭振信号拓扑网络的轧机动态扭矩测量,计量学报,2007,28(4);365-369(EI收录)12、黄震, 刘彬, 基于多普勒加速度计扭振测量的研究, 计量学报,2008,28(3);276-279(EI收录)13、黄震, 刘彬, 董全林, 基于激光多普勒技术的扭矩测量研究, 计量学报,2007,28(1);61-63(EI收录)14、张玉存, 刘彬, 基于拓扑反变算子动力系统振动频率检测方法的研究, 计量学报,2007,28(1);56-60(EI收录)15、孟宗, 刘彬,回转机械动态扭矩非接触测量的研究,计量学报,2006,27(4);364-367(EI收录)16、张玉存, 刘彬, 李群, 检测激光多普勒信号的新方法, 计量学报,2006,27(4);339-342(EI收录)17、黄震, 刘彬, 董全林, 基于激光多普勒技术扭振测量的研究,光学学报,2006,26(3);389-392(EI收录)18、谢平, 刘彬, 王霄, 林洪彬, 新型光纤扭矩测量方法,光电工程2006,33(2);111-114(EI收录)19、Liu Bin, Shi, Peiming, Liu, Shuang, Han, Dongying. Torsional vibration measuring model of spanless points of drive system. Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation, WCICA08, Vol. (1): 4970-4975(EI收录)20、Liu, Bin; Jiang, Jinshui; Shi, Peiming. Rotational speed oscillation characteristic and decomposition algorithm of torsional vibration. Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation, WCICA08, Vol. (1): 5125-5129(EI收录)21、赵 武，刘 彬，时培明，蒋金水. 一类非线性相对转动周期系统的平衡稳定性分析, 物理学报, 2006,55(8): 3852-3857 (SCI收录)22、时培明,刘 彬. 相对转动非线性动力系统的稳定性与强迫激励下的近似解, 物理学报, 2007,56(7):3678-3682(SCI收录)23、时培明,刘 彬,侯东晓. 一类相对转动非线性动力系统的混沌运动. 物理学报, 2008,57(3):1321-1328(SCI收录)24、时培明,刘 彬,刘 爽. 一类谐波激励相对转动非线性动力系统的稳定性与近似解, 物理学报, 2008,57(8):4675-4684(SCI收录)25、孟宗，刘彬. 相对转动非线性动力学方程的稳定性及在一类非线性弹性系数下的解. 物理学报,2007,56(11)：6194-6198 (SCI收录)26、孟宗，刘彬. 一类非线性相对转动动力系统的平衡稳定性及组合谐波近似解.物理学报,2007,56(12)：1329-1334 (SCI收录)

不再仅仅只是看肉眼所见，活体环境下的微观世界也正在向我们展示它独特的 “风景”。历时三年的艰苦攻关，清华大学研究团队成功打破传统光学成像局限，创造性提出数字自适应光学框架，发明了扫描光场成像技术，自主研制出扫描光场显微镜，合称为 DAOSLIMIT （Digital Adaptive Optics Scanning Lightfield Mutual Iterative Tomography），这意味着活体三维、长时间、高分辨率的显微观测最终成为现实。2021 年 5 月 25 日，题为《数字自适应光学迭代层析成像技术使三维亚细胞毫秒尺度活动的小时级长时活体观测成为可能》（Iterative tomography with digital adaptive optics permits hour-long intravital observation of 3D subcellular dynamics at millisecond scale）的研究论文，在线发表于《细胞》（Cell）期刊上。该论文由清华大学脑与认知科学研究院、自动化系戴琼海课题组，以及该校生命学院俞立课题组合作完成。该研究将仪器研发与生命科学应用紧密结合，通过深入地交叉合作、迭代开发，构建了一套可解决一系列具体生命科学问题的超级显微镜，为未来更多生物发现提供了可能。论文第一作者、清华大学自动化系博士后吴嘉敏向 DeepTech 介绍：“这项研究最大的成就在于，DAOSLIMIT 能够在大范围的成像视野内，实现分块自适应光学，以横向 220nm 和轴向 400nm 的光学衍射极限分辨率，保持毫秒级的三维成像速度，将哺乳动物活体三维连续观测时长提高到小时级，活体成像时空分辨率大幅提升，而光照对样本的光毒性却大大降低。”现阶段，在离体培养的细胞上进行生命科学研究仍然是主要手段，比如培养的肿瘤细胞，在体外就可以很轻易被杀死。而一旦肿瘤细胞在活体环境内，有着三维血管以及各种各样细胞因子的影响，会让很多药物束手无策。吴嘉敏表示：“我们认为生命科学研究发展的趋势，是从体外细胞这种相对简单模式到活体环境下去观测大量不同细胞、不同细胞器间在不同时空尺度下交互的真实过程，比如果蝇、斑马鱼、小鼠、非人灵长类等模式动物，这种越来越复杂的动物模型可能会给人类带来更直接的帮助。但这也给传统成像带来前所未有的挑战，因为生物体内成像环境非常复杂，变化非常快，传统的显微成像很难在活体环境内达成较好的成像效果。这就好比学车的时候从固定的训练场里转变到复杂的城市街道以及森林山地一样。”受到三维组织分布、光学像差、光毒性等诸多因素的限制，在哺乳动物活体环境内进行高速亚细胞分辨率长时程观测，始终是一个悬而未决的问题，极大地制约了脑科学、免疫学、肿瘤学等等的深入研究。正是出于实现高分辨率长时程观测的初衷，该课题组展开了长期的实验研究，而辛苦耕耘终将有收获，此项研究成果把一切都变成了可能。DAOSLIMIT 的这三个突破，其实是以一套技术去整体实现的过程。首先它是一个全新的成像技术框架，能够动态获取成像场景的三维信息，并能在较大轴向范围内保持场景的聚焦，充分利用被激发的整个三维体内的荧光光子，从而能用极微弱光照去来激发整个三维体，并保持足够高的信噪比。传统光场成像，可以通过多角度获得三维信息但严重损失了空间分辨率，主要原因是受到海森堡不确定性原理的限制，在空间分辨率和角度分辨率之间存在难以弥补的矛盾，无法同时获得很高的空间分辨率和很高的角度分辨率。而 DAOSLIMIT 成像方法的最大优势，在于它绕过了这种矛盾，它能充分利用微透镜本身的光学衍射带来多角度间的频率耦合，结合高速空间扫描，借鉴叠层成像的概念，先损失一部分空间分辨率去获取足够的角度分辨率，再利用样本时空连续性的约束，去恢复足够的空间分辨率，从而同时获得高的空间与角度分辨率。另外一个优势是，DAOSLIMIT 提出了数字自适应光学的框架。在活体组织内，三维折射率的不均匀分布所引起的像差，导致深层成像的分辨率都非常的低。DAOSLIMIT 通过不同角度的光线采集，在数字端进行像差估计和恢复，可以非常高速地实现大范围的自适应光学矫正。最终保证活体成像的时候，分辨率也能够达到衍射极限。“迁移体” 是清华大学俞立实验室近年来发现的一种新的细胞器。得益于 DAOSLIMIT 的运用，迁移体能够在活体哺乳动物内被清晰观测。吴嘉敏表示：“我们同时在多种实验中观测到了迁移体，分别是在斑马鱼与小鼠的活体内，清晰地观测到了迁移体和丝状伪足在哺乳动物体内的生成与变化，以及一系列可能存在的功能。”迁移体在免疫反应方面，会起到类似烽火台的作用。免疫细胞遍布在肝脏表面，移动的时候留下很多迁移体。哪里发生细菌感染或者免疫反应，迁移体就会去通知邻近的免疫细胞，实现大范围的信息交流。而肿瘤转移与此类似，比如肿瘤细胞有时候会被限制在一些比较狭窄的血管难以通过，它就会主动吐出囊泡，去做到更好的扩散。而当肿瘤细胞在血管内会受到冲击时，它还会在相邻细胞间生成丝状结构，帮助抵抗血流流速的压力。至于为什么会选择斑马鱼和小鼠来进行实验？原因在于它们是生物科学研究中比较典型的模式动物。斑马鱼是脊椎动物，特别是斑马鱼幼鱼会比较透明，成像更容易。而小鼠是很小的一个哺乳动物。模式动物越接近人，观测到的现象才越能够对人类 健康 产生越直接的影响。吴嘉敏认为对这种迁移体的观察，可能会对未来生命科学和医学带来几个方面的改变：第一个改变是，现在生命科学研究的许多细胞或者细胞器，可能会在活体环境下展示新的功能或者说新的现象，而这些现象是以往培养的细胞中不具备的，比如说免疫感染或者肿瘤转移；第二个改变是，迁移体提供了一种新的细胞相互交互方式。以往人们认为，细胞是通过互相接触进行的细胞交互。但现在有了新发现，细胞可能类似于我们寄快递，会在某个位置抛下一个迁移体，通过这个迁移题实现远距离的传输，比如肿瘤细胞的转移。这种新的细胞交互方式，可能会给生命科学会拓展更多的研究领域；第三个改变，体现在临床应用上，研究人员发现血管内，囊泡的数量远远大于细胞本身的数量。好比如 100 毫升血液，它包含一个肿瘤细胞的概率是非常低的，但 100 毫升血液包含有肿瘤遗传物质囊泡的概率，却会有显著的提升。这为未来的早期癌症研究，提供了一个新的思路。“门捷列夫曾经说过，科学从测量开始。列文虎克发明了显微镜，才打开了整个微观世界的大门，正所谓工欲善其事必先利其器，我觉得科学仪器的发展，能够不断地开拓人类认知的边界。因此我科研上的初心，就是通过自己的努力，不断去开阔人类认知视野，拓展科学的边界。” 吴嘉敏表示。而 DAOSLIMIT 显然就是一个这样的科学仪器，通过计算成像的手段，让人们去了解或者说看到更广泛的一个世界，从而推动包括细胞生物学、肿瘤学、脑科学等在内的整个自然科学的进步。因为像这类基础科学，包括细胞与细胞间的交互作用以及细胞器间的交互作用，在单个细胞层面已经取得了不少研究成果。吴嘉敏告诉 DeepTech：“但是当某个细胞或细胞器处于真实的生命体内时，表达的功能可能会涉及到一些更复杂的层面，而在体外并不具备这样的研究环境。由于在活体内的传统成像难以观测，因此我们只能通过旁敲侧击的方法去理解它扮演的角色。而我们为这系列问题都提供了一种新的解决方案。”最重要的是，DAOSLIMIT 的实用价值并不止于此。首当其冲的就是药物筛选，比如一些往常异常艰难的关于类器官的药物筛选，因为有了更好的成像能力，人们就可以在活体的环境下，给出更多更真实、更高效的药物筛选建议。据他介绍，团队下一步要做的是介观尺度的动态三维成像，一方面它能够助力实现百万，千万量级的神经同步记录，另外也能够去开拓被他称之为介观尺度的生命科学，这也是戴琼海院士团队一直努力的方向。除此之外还可以引申到另外一个问题，因为以往的光显系统设计更多的是为人眼进行的设计，表现为一种模拟化的成像方式，从而对光学信号进行模拟变换，让人眼看到的图像更清晰。但是在信息化智能时代，我们需要设计一种新的光学系统，它是为机器服务的，智能光场成像就是其中的典型。未来，科学仪器的地位将会不断提升，也必定会有更多新颖、先进的机器涌现出来，陪伴着人类开拓更广阔的科研无人区。