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光學測量在科學前沿領域的概括

光學測量是光電技術與機械測量結合的高科技,可以實現快速,準確的測量。光學測量主要應用在現代工業檢測,主要檢測產品的形位公差以及數值孔徑等是否合格。現在,光學測量技術被廣泛用於前沿科研領域,如醫學、化學、軍事、物理、環境、地理、航天、檢測與精密計量等高精尖領域。例如:

l 醫學與生命科學

血氧儀,要測量脈率、血氧飽和度、灌注指數(PI)。工作原理:指夾的一端有兩隻二極體,分別釋放波長為660納米的紅光束 和 910或者940納米紅外光束,另一端是光接收器。在血氧測量時,通過檢測還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白對不同波長的光吸收的區別,所測出來的數據差就是測量血氧飽和度最基本的數據。無創血糖儀:紅外線照射人體時,與血糖無關的人體組織,如皮膚、骨骼、肌肉、水等將吸收大部分紅外線、余少量代表血糖特徵的反射紅外線,為血糖特徵頻譜信號,可用來計算血糖值。但是,血液中葡萄糖信息較微弱,且血液成分複雜而造成強吸收成分干擾。目前基於紅外技術的血糖儀在穩定性和檢測精度上依然有著巨大挑戰。激光多普勒血流計:根據多普勒效應,當激光照射到血流內的粒子時,激光被運動粒子散射,利用散射光頻率和入射光頻率相比較得到的多普勒頻移正比於流速的原理,來測量血流量。光學相干斷層掃描儀(OCT)利用弱相干光干涉儀的基本原理,通過改變掃描頻率或掃描距離,檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號,可得到生物組織二維或三維結構圖像。目前OCT分為兩大類:時域 TD-OCT和頻域 FD-OCT。時域OCT是調整參照反光鏡深度或角度,把在同一時間從組織中反射回來的光信號與參照反光鏡反射回來的光信號疊加、干涉,然後成像。頻域OCT的特點是參考臂的參照反光鏡固定不動,通過改變光源光波的頻率來實現信號的干涉。其主要應用於眼科,軟組織病理(早期癌病變)及腦部手術介導。

化學

二氧化碳的來源及其輸運過程是全球碳循環研究的前沿課題,它可以通過測量大氣中二氧化碳穩定同位素丰度確定。常見的色譜、質譜、火焰電離等技術均可用於探測同位素丰度,然而難以做到實時在線測量和分析。利用二氧化碳在中紅外波段具有強吸收的特點(帶有C=O化學鍵的分子在中紅外波段有很強的基頻吸收),把基於差頻技術的中紅外激光光源和調製技術結合起來,開展實際大氣中二氧化碳穩定同位素測量研究。

軍事

光電跟蹤測量技術。可見光、微光、紅外、激光技術綜合應用於武器的光電火控系統,能實時跟蹤和準確測量目標的位置,大大提高了武器系統的作戰性能。靶場用的光學跟蹤測量設備,已由普通的電影經緯儀發展為光電經緯儀,大大提高了自動化程度和跟蹤測量精度,增加了信息量。

物理

拉曼成像儀(RSS)是基於拉曼效應的儀器:激光與化學鍵/晶格相互作用而發生非彈射散射,導致激光能量增加或損失,即為拉曼光譜。因每種分子的拉曼光譜都是唯一的(分子指紋),所以通過拉曼光譜可對生物分子進行定性和定量分析。在醫學上,共焦激光(兩束滿足共振條件的激光和斯托克斯光)顯微鏡應用最為廣泛。

環境

寬頻監系統中傅里葉變換紅外干涉儀或紫外差分光學吸收光譜儀(又名DOAs 系統)系統可同時監未知混合物中的多種化合物。通常這些化合物是包含在寬譜帶內的寬頻監系統能觀察到多種化合物的存在但解析度不高不能將這些化合物從複雜混合物中直接區分開來。該系統可以測量多種化合物如含氮化合物、甲醛、酚、苯、甲苯、二甲苯。它的工作原理是根據光的反射定律,光源發射的光波經過某些物質,後經吸收的光波與光源光波一起被反射鏡反射回。利用計算機高速運算的能力分析光波的差異性故而稱作差分光學吸收光譜技術。調取吸收光譜資料庫中已知數據,與吸收光譜數據相比較,從而分析物質中存在的化合物種類。 LASAIR系統是激光技術與計算機技術相結合的高新技術,利用激光的單色性和計算機的高速運算能力提高了檢效率。可調二極體激光:吸收光譜分析儀發射出的激光光波長足以滿足吸收峰在中紅外區(3—20um的範圍內)的物質檢測, 適合大多數的工業環境監測。

地理與資源勘探

光學三維形貌測量技術運用光學方法獲取三維物體表面各點空間坐標的方法和技術, 是在現代光學的基礎上, 將光電子學和計算機圖像及信號處理等多學科融合在一起的一種先進測量技術。光學三維測量技術按測量原理可以分為攝影測量方法、 結構光技術和光學干涉方法。 攝影測量法是基於多視幾何技術的被動測量方法,一般是在自然光照明的情況下, 從兩個或者多個視角獲取物體圖像,然後根據獲取的多幅圖像的同態 匹配點還原物體的三維形貌。 結構光技術主要是利用具有特定幾何特徵的結構光光源照明物體,利用獲得的經過物面調製的變形結構光位置或圖像來實現物體三維形貌測量。光學干涉法是利用干涉原理進行測量,常用的高精度、高解析度測量方法之一。

航天

光學跟蹤經緯儀:當物鏡口徑為15厘米時﹐它可觀測到7~8等的人造衛星。儀器的高度和方位轉動可在較寬的範圍內實現連續調節﹐能對各種運行軌道和速度的人造衛星進行觀測。觀測精度同衛星軌道﹑運行速度﹑觀測者的熟練程度和儀器靜態精度有關﹐一般在3"以內。觀測時兩名觀測者位於儀器相對兩側﹐通過各自的望遠鏡並控制相應的儀器轉動速度﹐使儀器儘可能準確地跟蹤目標﹐然後閉合記錄開關﹐即可輸出目標方位和高度角數值。輸出角度的形式有兩種。一種是通過金屬度盤在記錄紙帶上直接列印出來﹐同時輸出取點瞬間的記時訊號給記時儀。另一種是採用光學編碼度盤作為測角元件﹐在跟蹤過程中根據所需要的採樣頻率﹐自動以二進碼形式輸出目標方位和高度值﹐經數據傳輸設備直接輸入電子計算機進行處理。採用兩台或兩台以上同類儀器進行交會測量﹐可獲得目標在空間的運動軌跡。列印形式的光學跟蹤經緯儀﹐配套設備簡單﹐獨立性強﹐但它在數據處理和歸算上要耗費許多時間和人力。碼盤輸出形式的跟蹤經緯儀﹐配套設備複雜﹐但可立即獲得目標的軌道數據﹐故在人造衛星觀測站﹐尤其是在火箭發射場得到廣泛應用。此外﹐還有配備紅外線跟蹤器﹑電視監視器﹑激光測距儀等附屬裝置的全自動光學跟蹤經緯儀﹐測角精度可高於1。

檢測

以激光的相干性和單色性為基礎的檢查技術,檢查速度快,漏檢率低,還可以在生產線上進行檢查和分類.利用激光全息技術可以不用解剖樣品而直接探出零件內部是否存在缺陷,以及缺陷的位置、大小.這就是所謂激光無損檢測.飛機用的輪胎由這種方法檢測,能夠可靠地保證輪胎質量.做法是,先拍輪胎未打足氣時的激光全息片,然後再拍打足氣時的全息照片.如果輪胎內部沒有缺陷,兩張全息照片再現光波形成的干涉條紋分布均勻;如果存在缺陷,在相應部位的干涉條紋發生畸變.利用激光全息技術也能方便地檢測機械設備的動態形度

精密計量

單頻激光干涉儀測量長度:從激光器發出的光束,經擴束準直後由分光鏡分為兩路,並分別從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動時,干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈衝信號,經整形、放大後輸入可逆計數器計算出總脈衝數,再由電子計算機算出可動反射鏡的位移量L。 雙頻激光干涉儀精密測量:在氦氖激光器上,加上一個約0.03特斯拉的軸向磁場。由於塞曼分裂效應和頻率牽引效應, 激光器產生1和2兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經1/4波片後成為兩個互相垂直的線偏振光,再經分光鏡分為兩路。一路經偏振片1後成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經偏振分光鏡後又分為兩路:一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當可動反射鏡移動時,含有f2的光束經可動反射鏡反射後成為含有f2 ±Δf的光束,Δf是可動反射鏡移動時因多普勒效應產生的附加頻率,正負號表示移動方向。這路光束和由固定反射鏡反射回來僅含有f1的光的光束經偏振片2後會合成為f1-(f2±Δf)的測量光束。測量光束和上述參考光束經各自的光電轉換元件、放大器、整形器後進入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈衝信號。經可逆計數器計數後,由電子計算機進行當量換算(乘 1/2激光波長)後即可得出可動反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應用頻率變化來測量位移的,這種位移信息載於f1和f2的頻差上,對由光強變化引起的直流電平變化不敏感,所以抗干擾能力強。它常用於檢定測長機、三坐標測量機、光刻機和加工中心等的坐標精度,也可用作測長機、高精度三坐標測量機等的測量系統。利用相應附件,還可進行高精度直線度測量、平面度測量和小角度測量。


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