光学传感技术范文1
关键词：光纤传感；军队人才培养；课程建设与改革
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0065-04
一、引言
光纤传感技术是一门基础理论与工程应用紧密结合、理论与实践能力并重的系统学科，既要求学员有扎实的光学、电学基础，又要求学员能够摆脱课本的束缚、根据实际工程应用灵活运用已学到的知识。为适应这一形势，2006年以来，我们针对技术类本科生、军事指挥类本科生、硕士研究生和博士研究生的不同特点和未来适应部队工作的不同要求，建立了光纤传感技术系列课程。
作为一门应用学科，“学以致用”是光纤传感技术系列课程的特色之一。为此，课程建设非常注重学员对课程知识的实践应用能力培养，在教学实践中，结合课程特点和授课对象的学习特点，大力推进教学方法与手段的研究改革，在多层次一体化课程体系建设、教学方法与手段改革、创新人才培养、教师队伍建设等方面取得了较大成绩，下面分别进行介绍。
二、光纤传感技术多层次一体化课程建设
我校早在上世纪90年代就开设了《光纤传感技术》课程，并作为光纤传感专业研究生的必修专业基础课，为培养光纤传感技术人才起到了不可替代的作用。然而随着光纤传感技术在现代化信息战争中的应用越来越广泛，部队对光纤传感专业的人才数量和质量要求越来越高。我校原有的只针对研究生展开的《光纤传感技术》课程已经远远不能适应培养部队所需人才的紧迫要求。从2004年开始我院开始酝酿对光纤传感技术课程进行深入改革，将授课对象拓展到全校本科生和本院研究生，并从2006年开始实行。经过6年多的系统建设，最终建立起了完备的多层次光纤传感系列课程。
由于本科生和研究生、本专业和非本专业学员、技术类和军事指挥类学员的知识基础和应用方向差异太大，如何科学划分课程层次、清晰明确课程内容、准确定位课程目标是光纤传感系列课程建设的重点和难点。
在广泛调研军队需求、不同类别学员的知识积累和兴趣及国内外学校同专业的课程设置基础上，我们建立起了分别面向本科生和研究生、技术类和军事指挥类、本院专业和全校学员的光纤传感系列课程。新增了技术类《光纤传感技术》、军事指挥类《光纤传感技术》，面向全校本科生专题研讨课《基于虚拟仪器的光纤传感技术》三门课程，原有针对研究生的《光纤传感技术》则改为《光纤传感系统》[1，2]。
（一）建立起针对本院技术类本科生的《光纤传感技术》课程内容体系，以“扎实广泛的技术基础为核心，典型的系统应用为亮点”
考虑到授课学员在学习本课程之前已经在《光纤通信》、《光电检测技术》等课程中对光纤和光纤器件等有初步了解，在本课程中首先介绍光纤传感技术的概念和内涵，然后针对光纤传感系统的特点，介绍光纤、光纤器件、光纤传感原理和光纤传感信号解调原理。这四部分内容涵盖了强度型、偏振型、波长型、相位型和分布式光纤传感的系统构成、传感原理和关键技术，为光纤传感基础知识，具有信息量大、知识点多、覆盖范围广泛的特点；最后以2-3种典型的光纤传感系统为例，向学员示范在系统中如何对基础知识进行灵活应用，启发学员根据学到的基础知识来分析理解新型光纤传感系统。
（二）研究生的《光纤传感系统》课程以“系统应用技术为核心，系统设计为亮点”
与原有的研究生《光纤传感技术》相比，新的课程内容和标准进行了大幅度的改革，突出“系统应用”，大幅度削减了光纤传感基础知识，而是以四大类典型光纤传感系统为授课重点。课程中的四大类典型光纤传感系统选取了目前应用最为广泛或技术难度较高的光纤水听器系统、光纤陀螺系统、分布式光纤传感系统和光纤光栅传感系统，针对每一类对其应用背景、系统组成、系统指标和关键技术进行详细分析，构建课本知识到实际工程应用的技术桥梁。在讲解完每一类典型光纤传感系统后，特别设计了光纤传感系统设计环节，要求学员以分组的形式，根据特定应用背景设计出光纤传感系统，阐明系统特色和关键技术。
课程调整所面临的最大难题在于：学习本课程的研究生既包括本校本专业的学员，也包括来自于外院和外校的本科非光信息专业的学员。对于前者，通过本科生阶段的《光纤传感技术》学习已经具备了良好的基础，在新课程学习中应尽量避免内容重复；对于后者，直接学习典型光纤传感系统中的关键技术存在一定难度，需要对光纤传感基础知识进行介绍。为此，在研究生的《光纤传感系统》课程中，首先设定了3个课时对光纤传感基础知识进行回顾和总结，并点明各部分基础知识所涉及的参考书。同时由于使用了与本科生《光纤传感技术》课程同一系列的教材，为解决学员基础参差不齐的难题提供了有效的解决办法，而面向全校的《基于虚拟仪器的光纤传感技术》则为毕业于本校其他专业的研究生学员提供了学习本课程的基础。
（三）军事指挥类本科生的《光纤传感技术》课程以“完善学员知识结构为重点，突出军事应用特色为亮点”，为学员提供装备相关知识基础
课程针对军事指挥类本科学员培训的主要目标，将军事指挥类本科生《光纤传感技术》课程的主要任务确定为拓展军事指挥类学员的知识面，完善知识结构，了解最新军用传感器技术，一方面可以充分发挥我军现有装备的作战效能，另一方面可以掌握外军作战手段，有效克敌制胜。课程简化了基础知识部分内容，扩充了典型光纤传感部分，特别是注重光纤水听器、光纤陀螺和分布式光纤传感器在军事中的应用，并拓展光纤水听器在声纳系统应用中的相关知识，让学员在进行工作岗位后可以更快的掌握相关装备的使用和维护。
（四）面向研究生的《虚拟光纤传感技术》以“引导学员自主学习为核心，激发学员独立思考为亮点”
课程以光纤传感技术中相干检测技术为背景，以虚拟仪器技术为手段，通过一个具体实例为研讨对象，让学员一边学习新知识，一边动手做实验，一边学会自主学习。课程首先在学员高中已经具备的光学知识基础上讲解干涉型光纤传感的基本内容，然后引导学员自习LabVIEW虚拟仪器语言，通过研讨学习心得让学员掌握LabVIEW基本知识，最后要求学员利用所学知识和工具完成光纤传感中一个典型信号处理问题。整个课程以学员自己动手动脑为主，精选了一门易学好用的虚拟仪器语言LabVIEW，使学员可以在四到五次课的时间内学会，并结合光纤传感技术系列课程的建设成果，让学员可以在课程上针对典型的干涉型光纤传感系统进行信号处理实验，一方面提升了学员的学习的积极性，另一方面加强了学员的自信心，并为学员以后的创新实践奠定了基础。
三、教学方法与手段改革
在教学过程中，在教学方法和教学手段上也进行了一系列的改革，使用了大量的新技术、新手段、和新的教学方式。主要体现在以下几个方面：
（一）充分运用科研成果和虚拟仪器技术的特点，增加了大量的课堂演示实验环节
在光纤传感技术系列课程中引入堂演示实验，对于加深学员对知识的理解效果最为明显。在课程建设中，充分利用所在实验室在光纤传感技术研究上的优势，在每门课程讲授中都加入了1～2个课堂演示实验。
与专门的实验课不同，课堂演示实验的侧重点在实验效果上，通常都是完整的光纤系统，包括光源、光传输链路、光接收模块、显示模块等等，并注重演示效果。以往的光纤系统虽然功能性明显，但结构复杂。近年来，课题组所在的实验室在光纤传感系统的工程可靠性研究上投入了大量精力，一些便携式高可靠性的光纤传感集成模块在科研项目中得到广泛应用；这些科研成果的突破使得在课堂上演示一些复杂的光纤传感系统实验成为可能[5]。另一方面，由于虚拟仪器技术在光纤传感技术中的广泛应用，复杂的信号解调可以通过电脑直观的显示在课堂多媒体系统中，“所见即所得”的方式使得课堂演示实验的效果非常直观和可信。以研究生的《光纤传感系统》课程为例，我们选取了光纤光栅应变系统作为课堂演示实验内容。在硬件上，这套系统的光收发模块为集成化的便携式光纤光栅解调仪，采用法兰盘对接可串接起多个光纤传感阵列；而复杂的信号解调系统则全部通过虚拟仪器技术在电脑上软件实现，解调结果直接显示在电脑程序界面中。通过这套系统，我们完整地演示了光纤传感器设计、光纤传输链路构成、复用光纤传感网络、和光纤传感信号解调等多项知识内容，学员普遍反映通过这一演示实验对光纤传感系统有了清晰深刻的了解。
（二）借鉴国外大学相关专业的教学模式，在考核中引入小型综合设计环节，充分考察学员的综合素质
课题组的两位教员具有国外留学的经历，在课程建设中充分参考国外大学在光纤传感技术课程的教学方法，在作业环节引入小型光纤传感综合设计内容，并将其作为课程考核评价标准的一部分，实现对学员综合素质的培养和考核评价。
光纤传感综合设计参考了香港理工大学和英国南安普顿大学的教学经验，以对知识的综合运用为主要考察目标。本科生光纤传感技术采用适当的综合设计题目难度，重视对知识融会贯通和综合应用能力的考察，一般在授课过程中只进行1次；研究生除了要求基础知识综合应用能力，更注重对实际工程应用系统的完整性和前沿问题的拓展性考察[6]，一般则开设2～3次。综合设计作业由学员分组完成，小组内成员根据资料调研、方案设计、报告撰写等工作内容的不同进行明确分工，并推选一位组员参加课堂专门设置答辩环节。
（三）针对授课内容的层次划分和授课对象的学习特点，科学合理设置研讨专题
研讨式教学我校近年来大力推广的教学方式之一。由于光纤传感技术具有经典与前沿相结合、理论与工程应用相结合的特点，在系列课程建设中，课题组在原有研究生《光纤传感技术》的研讨式专题内容基础上，进行了深入的思考和大胆的拓展，将课程中的研讨专题划分为三大类：经典理论知识的研讨、前沿研究的研讨和学位论文研究方法的研讨。
经典理论知识的研讨要求学员在授课之前对相关内容进行预习，并在课堂上对全体学员讲解自己对该问题的理解。如在进行“光纤干涉仪传感系统”的授课时，要求学员预习时弄明白两个问题：什么是随机相位衰落？什么是偏振诱导信号衰落？进行研讨时不要求学员对这两个问题进行深入剖析，但要求学员用精炼的语言阐明问题的物理含义。学员普遍认为这种研讨专题不是特别复杂，通过预习教材即可，但大部分学员会准备PPT课件，且自愿上讲台讲述的学员一般在以往的学习过程中接触过与该专题相关的研究工作，因此在其课件上还会加入自己以往的工作、自己对该问题的扩展认知及自己尚未弄明白的问题等。这种教学效果是在深入了解学员的知识积累基础上，通过巧妙设置研讨专题取得的。
前沿研究的研讨要求学员进行大量的资料查阅，特别是光纤传感前沿研究课题的查阅。对于某一个问题，由于课堂讲授的时间受限或者教材中没有系统的描述，对该问题的课堂讲授可能不够全面，在这种情况下，教师会提供相关信息，要求学员查阅该文献并进行精读，然后在课堂上进行研讨。这种研讨专题分为两种：一种是教师提供明确的检索信息，由学员查阅到该文献后精度文献，分析文献的精华及不足；另一种则是教师提供所要解决的问题，由学员对该问题进行解读，提炼关键检索信息，进行检索后，对检索文献进行初步分析，总结该问题的研究现状。学员反映这种研讨专题的难度稍大于第一种，但一般稍花时间都能解决。
学位论文研究方法的研讨目的在于：无论是本科生还是研究生，在学习完相应的光纤传感技术课程后马上就要投入到学位论文工作中。通过对这类问题的研讨，学员逐渐掌握了在未来从事学位论文研究中必须具备的研究方法，这类的研讨主要培养学员的仿真计算能力和光纤传感系统的设计能力。例如在讲授完光纤光栅的基本理论之后，学员反映耦合模理论的公式很繁琐，难以一眼看出其中的物理特性，为此，我们安排了相关理论的仿真计算研讨，要求学员根据课堂讲授的公式进行理论仿真，计算光纤光栅反射光谱，并绘制带宽、反射率等关键参数随着光栅参数的变化曲线。学员在课堂研讨时要讲述自己的关键参数设置和仿真结果。通过这种研讨方式，学员对光纤光栅的反射谱特性建立了深入的了解，效果远远好于课堂直接讲授相关结论。
根据光纤传感课程层次划分，不同的光纤传感技术课程对三种研讨专题的应用程度也不相同，本科生的光纤传感技术课程以经典理论知识的研讨为主，并设置1～2次前沿研究的研讨；研究生的光纤传感技术课程则以前沿研究的研讨专题和学位论文研究方法的研讨专题为主，对特别重要的概念设置少量经典理论知识的研讨专题。
四、以光纤传感技术课程为支撑的创新型人才培养
光纤传感技术的应用范围极广，一套实用的光纤传感系统可以很庞大很复杂，也可以很小巧灵活。针对这一特点，课题组教师在学院本科生和研究生的各项教学活动中，积极开展与光纤传感技术相关的各项活动。
针对本科生的光纤传感技术系列课程，在授课结束后，在光电设计大赛、毕业设计等教学活动中开设了大量关于光纤传感技术应用的课题，引起学员浓厚的兴趣和广泛的参与热情。一方面，参与光纤传感技术相关的本科毕业设计学员数量大幅度提高。以技术类本科毕业设计为例，2013、2014年参与光纤传感技术相关课题的学生均达到光信息专业学员总数的50%以上。另一方面，学员完成课题的质量也得到大幅度提升，近年来有8名本科生获得学校创新资助，从侧面反映出光纤传感技术课程教学效果的日渐提高。这些竞赛成果也作为评价授课效果的标准之一，并将学员在课外延拓活动中的效果和意见及时反馈到教学过程中[3，4]。
针对研究生的光纤传感技术系列课程，一方面鼓励学员在课程学习的基础上努力拓展研究深度，在光纤传感研究领域不断创新。在课题组所在实验室所培养的研究生中，有3名研究生获得学校创新资助，1名研究生获得湖南省创新资助，其课题都是光纤传感领域的研究重点和难点。此外还有5项研究生参与申请的光纤传感技术相关专利；另一方面，鼓励学员积极参与到与光纤传感技术相关的科研项目中，在实际工程环境中对课程知识进行融会贯通。目前在光纤信息专业的毕业研究生中，参加过光纤传感相关的湖上或海上试验的学员达到95%以上，为其真正走向工作岗位后充分适应部队对光纤传感技术人才的需要积累了宝贵的经验。
五、高素质教师队伍建设
作为教育的重要媒介，教师是活动中的主要因素。教员整体素质的高低，直接影响着教学质量的高低。因此，建立一支教学水平高、结构合理的高素质师资队伍显得尤为重要。
（一）从教学和科研两个方面锤炼教师队伍，使教师的教学水平和科研能力相互促进共同提高
科学研究是教师工作的重要组成部分，是提高教学水平的重要手段，也是提高自身素质的重要途径。对于光纤传感技术系列课程而言，学即能致用是其重要特点之一，教学和科研的相互促进作用尤为明显。课题组全部教员均参加了多个重大科研项目。通过重大科研项目的历练，教员的学术水平得到很大的提高，一方面教员接触了学术前沿，开拓了学术视野，经历了科研实践，在课堂教学中自然会将科研最新成果、专业发展动向带进课堂，另一方面，教员在参与重大科研项目时对光纤传感的技术内容有了更加深刻的认知，对于在课堂上清楚明白的讲好各个知识点至关重要。同时，通过教学活动中对课程内容的反复推敲及与学员之间展开的研讨交流，可以加深教员对技术环节的领悟，甚至激发教员的灵感。通过在科研和教学两个方面同时锤炼，促进教师知识更新和自身进步，提高教师的创新能力和教学质量，将真正做到科研教学一体化。
（二）鼓励教员进行对外交流，充分借鉴国内外同类专业课程的教学经验
课题组有两名教员具有国（境）外留学经历，其他教员也多次参加国内外的学术活动和教学活动交流，在课程建设过程中充分利用了这一优势。在教员已经带回的国外大学教学经验的基础上，鼓励教员在回到学校后仍然定期与留学单位交流，及时获取留学单位最新的课程设置和教学安排信息，并通过交流，不断补充自身的不足，更新课程内容，丰富教学手段，提高自身教学水平。在对外学术活动交流中，有意识的了解其他院校同类专业课程的教学情况，对于感兴趣的单位积极主动与对方联系进行实际考察。活跃的对外交流活动极大地激发了教师的教学热情，并不断提高其教学水平。
（三）加强青年教师的教学技能培训
目前，课题组教员是一支相对年轻化的队伍，很多才刚刚博士毕业，青年教师充满热情，思想活跃，比较了解学员的思想，与学员进行交流方面具有优势。但是，他们大多没有经过系统的教学技能训练，普遍缺乏教学经验。为了使青年教师尽快掌握教学技能，提高业务能力与水平，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师担当青年教师的导师，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导，指导青年教师备课、编写教案；采取措施督促教员投入足够的精力。教员上岗前，必须经过教研室、系所、学院三级试讲，每次授课必须重新编写教案、编写课件、编制教学日历；在教学过程中，教学指导委员会、督导组、院系领导经常性听查课，督促教学水平的提高。
通过从科研和教学两方面锤炼教学队伍，课题组教员自身水平得到了大大提高，多次在全军和全校获得教学优秀奖，其中获军队院校育才奖1人次，优秀研究生导师奖3次，校本科“研究型”教学比赛三等奖1人次，校研究生教学优秀三等奖1人次，教员在国内教学期刊上发表高水平教学论文10篇，课题组已经成为了一支能独立承担授课任务的高水平教师队伍。
参考文献：
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光学传感技术范文2
关键词：光纤传感技术；结构健康监测；BOTDR；FBG
引言
随着我国经济建设的快速发展，各类土建工程纷纷上马，其中不乏很多大型工程结构和基础设施，如超高层建筑、水坝、桥梁、隧道、地下人防工程等。这些大型工程结构往往服役时间较长，在其使用期内由于地震、洪水和台风等环境因素的作用不可避免的要产生损伤。这些大型结构的健康监测工作因而变得十分重要，工程监测也已发展成为一个重要的研究课题。
目前广泛用于工程结构上的检测系统，主要由若干种传感器构成。这些传感器布设在结构中，采集应力、应变、位移、温度等物理力学参数。常规的传感器有差动电阻式、电阻应变计式、电感式、弦式等，其中最常用的是差动电阻式及弦式传感器。常规传感器有着悠久的使用历史和广泛的应用；在大量的使用过程中，工程人员也积累了许多实际经验，因而仍是目前建构健康监测的主力。但是另一方面，常规传感器在实践过程中也包露出其局限性，主要表现在[1]：
1.点式检测，监测范围小，连续性不好。常规传感器的点式布置方法决定了其在空间分布上的不连续性，这种不连续带有一定的随意性，最危险的部位常常会被遗漏；由于传感器在结构物中不能无限地布设，因而实际检测效果要大打折扣。
2.传感器成活率低、稳定性差。常用的传感器多为橡胶导线、金属封装，在恶劣的环境中橡胶老化、金属氧化腐蚀，接触不良、线路断裂更时有发生，导致传感器实际成活率和稳定性均不高。
3.自动化程度低、覆盖率有限、集成度差。目前工程中很多监测技术实则为检测技术，属于静态观测，而非实时的，这无法满足工程监测自动、实时的要求。此外，传感器的点式布设方式决定了其覆盖率不会很高，对长达数十公里（隧道）或数十平方公里（大型基建设施）的工程而言，这一方法显得无能为力。
随着现代科技发展，传统的结构健康监测技术也面临着更新换代，现代化的结构健康监测需要新鲜血液的补充。本文旨在介绍近十几年发展迅速的光纤传感技术并着重介绍其在土木工程监测中的应用现状及发展。
1.光纤传感技术
光导纤维（Optical Fiber），简称光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。当光纤所处位置的温度、应力等环境条件发生变化时，会引起光纤传输的光波强度、相位、频率、偏振态等特征参量变化，通过测量这些光波量的变化，就可以分析得到相应的温度、应力等物理量的变化，这就是光导纤维传感器的原理[2]。按照是否对测量信号进行调制来划分，光纤传感器可分为非本征型和本征型两类[3]。非本征型管线传感器中光纤只传输信，作用相当于导线，由其他探测装置调制获取信号。本征型光纤传感器不仅传输信号，也起着传感作用。我们通常所说的光纤传感器即是指本征型光纤传感器。其原理如图1所示。
与传统的电信号传感器相比，光纤传感器的主要优点如下[4，5]：1.抗电磁干扰能力强。适用于恶劣环境中的监测工作。2.体积小、质量轻。便于埋入结构内部，对被测结构影响小。3.耐腐蚀。光纤表面涂覆层是由高分子材料组成，耐腐蚀性强，适用于长期监测。4.能实现分布式测量。适用于大体积、长线路的监测工程。5.灵敏度高。由于采用了波长调制技术，测量分辨率可达到波长尺度的纳米量级。
目前国际上主流的传感技术包括[6]：基于自里渊散射和受激布里渊散射原理的全分布式光纤传感技术（如BOTDR/BOTDA）、基于拉曼背向散射原理的全分布式光纤传感技术（如ROTDR）、基于瑞利散射的全分布式光纤传感技术（如OFDA）以及基于布拉格光纤光栅的准分布式光纤传感技术（如FBG）等。国际上光纤传感器的研究与应用处领先地位的美国和日本，其中美国偏重于军用而日本偏重于民用；此外，在欧洲关于光纤传感器的研究与应用也开展得较为广泛。目前国内发展较成熟、应用较多的是基于自里渊散射BOTDR传感技术和基于布拉格光纤光栅的FBG传感技术。
1.1BOTDR基本原理
BOTDR是布里渊光时域反射计（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer）的简称。光在光纤中传输会产生非线性散射，其中布里渊散射的阈值较低，是较为常见的一种非线性散射。布里渊散射同时受温度和应变的影响，当光纤沿线的温度改变或存在轴向应变时，光纤中背向布里渊散射光的频率将发生漂移，而此漂移量与光纤温度及应变的变化呈线性关系，因而通过测量漂移量即可得到光纤沿线温度和应变的分布情况。
1.2FBG基本原理
FBG是布拉格光栅（Fiber Bragg Gratting）的简称。FBG是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的。在光纤光栅全长范围内，周期和折射率是均匀的。当待测量（温度或应变等）发生扰动时，光纤光栅的折射率和周期将发生相应的变化，进而使光纤光栅的布拉格反射波长漂移，而通过测取此波长的漂移量即可获得待测量的变化[9]。
2.光纤传感技术的工程应用
光纤传感技术广泛引入我国是近20年的事，在科研之余，许多学者致力于将这一技术推广到工程应用，并在结构工程、隧道工程、边坡工程、基坑工程等各领域取得了显著的成果。
2.1结构监测
大型结构工程因其结构与施工的复杂性，常需进行多点监控，传统的传感器布设效率低且存活率差，往往不能得到理想的监测结果。光纤传感器体积小且属于分布式，很适合大型工程施工监测。李宏男等[10]采用了不锈钢钢管封装自行研发的FBG应变传感器与温度传感器，并将其埋入一栋5层的钢混结构，监测在在施工过程中梁、柱的应变与温度变化。其研究结果表明，埋入的FBG传感器可以方便地监测施工过程中混凝土结构内部温度与应变的变化，为混凝土结构的健康监测提供详实的依据；并且，用该种方式封装的FBG传感器传感性能良好，成活率高，寿命长，这为光纤传感器在结构内部布设提供了一个良好的思路。
赵鸣等[11]应用FBG进行大体积混凝土基础表面温度和内部最高温度的监测。通过在混凝土内部埋置光纤光栅传感器来对在浇筑以及养护过程中的温度变化进行实时监测，成功预测了基础混凝土中的温度应力，并采取有效措施控制了混凝土的最大温差，确保了基础底板混凝土的施工质量。
2.2隧道工程
隧道工程往往工程量大、安全要求高，需要监测的数据量也大，其特殊的监测需求正与光纤传感监测特性相匹配。施斌等[12]在一个隧道工程实例中引入了BOTDR传感监测技术，应用以全分布为主，点测为附的全线布测方案，实现了结构整体变形及局部破损点位变化的监测。此外，通过人为制造1m 长度应变段，验证了监测系统的灵敏性；并通过与室内试验结果的误差比对，验证了精度。
2.3边坡工程
边坡工程最为常见、分布广泛，每个边坡工程都需要进行大量、系统的监测，将光纤传感技术用于边坡工程是物尽其用。基于光纤布拉格光栅研制了原位测斜仪。以原位测斜仪在边坡坐标系中的位置和滑裂面的形状为约束条件，建立最优化数学模型来推求潜在滑裂面的具置。在工程现场安装了近百个光纤光栅传感器，组建了一个光纤传感边坡监测与预警系统，对边坡的加固效果及稳定状态进行了长期监测。监测的主要对象是边坡的变形趋势以及土钉、
抗滑桩的受力性状。施斌[12]等通过室内小比例尺模型试验，分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处，利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。
2.4基坑工程
同边坡工程相似，基坑工程分布广泛，监测任务繁重，很适合引入光纤传感监测手段。
2.5其他工程监测
在模型试验、管道工程、海堤工程中，基于光纤传感技术的监测手段也被广泛应用。
3.结论
1.光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性、抗干扰性强和耐久性长等特点，具有较高的应变测量精度，是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测技术；
2.文中提及的两种光纤检测技术，FBG适用于模型试验或具体工程关键部位的检测，定位精准；BOTDA/BOTDR适用于大型工程的全线监控。二者结合使用可以建立疏密结合的空间检测网络，即可覆盖室内模型试验、具体工程项目节点部位检测、以及大型模型或大型工程的全线监控。
3.光纤传感技术及其应用还有进一步的发展空间，需要大量的理论及实践研究。
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光学传感技术范文3
关键词：传感器；生物医学；应用
随着科技的迅猛发展，当今时代各类电子技术、数字处理技术，特别是数字信号技术正在以其惊人的速度遍及着生活中的各个领域，这一趋势尤其体现在医学科技的发展中，生物医学传感器技术就是一个十分典型的例子，其结合了数字信号处理技术、传统传感器技术与医学领域相关科技，各项技术的有效结合大大的促进了医学科技的进步与发展。在未来的医学进步中，传感器技术的作用将不言而喻。
1 传感器的分类及在医学领域的发展
传感器的分类方式主要有两种，一种传感器是将外部的各类信号通过自身装置的转换，变为电信号之后再进行处理，在这种传感器中，依据信号转化方式的不同可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器；另一种传感器是根据自身信号输出量的不同，从而传递不同的信息和信号，依据输出量类型的不同，可以将传感器分为压力传感器、速度传感器、电磁传感器等等很多类型。
将传感器技术与医学相关技术相结合，这在目前的生物医学领域中是很普遍的并且有着相当长的历史。从历史发展的角度来看，其结合的过程首先起源于20世纪60年代，从医学 工程领域的发展开始，将传感器与生物医学开始结合，并于当时开发出了大量的医学检查设备，目的是为了改善传统的医学诊断方法，传统的诊断方法主要靠医生的感官来进行诊断，这种传统的方式是缺乏准确性的。而后的发展过程是极为迅速的，不超过十年的时间内，传感器的应用领域已经由诊断仪器迅速向着医疗设备领域进步，直至目前广泛将传感器应用于生物医学各个领域的状态。
2 生物医学传感器的用途及应用范围
2.1 在X光诊断装置中的应用
早期在X光诊断装置中，为了提高X光胶片的感光度，很早就在胶片的两侧放上增减值纸，以便于光线能够被更好的控制。随后随着化学传感器技术的不断进步，专家们将传统的简易增减纸进行改造，利用CaWO4为原材料，混合Gd2O2S等稀土荧光材料制成感光度更好的材料，用做增加纸，有效的提高了光线的灵敏度。同时，目前人们将X荧光倍增管传感器来更好的处理X光线成像，使得成像像素更高，图像更加清晰。有效的提升了 X光诊断设备的准确性。
2.2 在CT机中的应用
传感器在CT机中的主要应用为闪烁检测装置。闪烁检测装置是利用光电子倍增二极管传感器或者由光二极管组合传感器制成，其作用是提高CT机检测装置的检测效率，大幅度的节省检测时间。同时，在CT机中的疝气检测器，利用多个平行板电极传感器连接起来，之后压入Xe气气体后制成，这种装置对光线的灵敏度相当高，能够 更加准确的感受不同生物体检测之间的差别，能够提高CT机检测装置检测的准确性。
2.3 在超声波诊断装置中的应用
在超声波检测装置中，在装置的探头上都会有一种脉冲装置，这种脉冲装置是一种声传感器，其能够利用电压产生超声脉冲波，根据不同检测体中声波反射的不同来实现检测功能。而在嵌入这种声传感器之前，传统的超声波扫描中是采用的手动式方法，这种方法不仅效率低下，而且准确性很差。目前采用的机械式电子扫描技术却是准确性极高的，这正是得益于这种声传感器能够快速识别细微差别的功能。
3 传感器技术在生物医学领域的发展趋势
3.1 向量子化发展
随着传感器技术的快速发展，我们能够看出其在生物医学领域的主要作用就是提高诊断设备、治疗设备的准确性和工作效率。未来的医疗仪器必然会更为精准，那么就要求传感器技术的发展向着更加精确的方向发展，即朝着量子化的方向发展。这一趋势目前已经初漏优势。在核磁共振仪器中，磁传感器能够检测出更加微弱的磁场强度，同时利用约瑟夫效应制造的燥热温度计能够测出高于过去10000倍精度的低温变化，这些都是传感器发展的方向，未来生物医学的发展对传感器的要求必然是更加精确、更加迅速的。
3.2 向集成化、多功能化发展
随着半导体技术的不断发展，利用半导体技术的传感器也越来越多的应用在了生物医学领域，目前的一些生物仪器中已经结合了半导体技术，例如将敏感元件与信号处理结合在生物医学技术中已经不是一件新鲜事。未来对于传感器的发展必然要建立在这种半导体技术上，即将各类技术进行集成，集成在一个更小、更便捷的芯片上，在提高处理效率的同时，会更大幅度的减小设备的体积。设备越来越快、越小、越准确必然要求传感器与半导体技术更加充分的结合。
3.3 向智能化发展
自从微型处理器问世以来，我们的电子处理速度就被快速的提升着。同时随着计算机技术的不断发展，目前市面上存在着各类全自动的设备，自动化已经成为整个社会必然的趋势，这一趋势也必然会体现在生物医学技术上。设备的自动化同样是建立在传感器技术的快速发展上的。未来生物医学领域的设备将大大的减少人力的操作，取而代之的是更加精密的电子仪器和计算机操作，这是未来传感器应用于生物医学领域的重要发展方向。
参考文献
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光学传感技术范文4
关键词：生物反应；生物传感器；光纤维生物传感器；生物分子
1引言
生物传感器是一类特殊的传感器，它与生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术融为一体。生物传感器是一类可将生物信息转换为可分析信号的器件，其通常包括两个基本功能单元，即是接受器和换能器。目前已经发展成为一门活跃的领域，并展现了生物传感器的广阔应用前景。
生物圈中存在着许许多多的物质，它们与遗传或是代谢的基本元素、中间体，影响着生物学过程的各个方面，我们把它称作生命物质或与生命相关的物质。人们对这些物质进行分析的发展，取决于人们的科学活动或探索实践。随着人类对生命的本质、生命过程和生命体与其生存环境信息交流的认知不断深入，研究发展新的技术手段显得越来越重要。
分析生物是一个非常重要的邻域，那就是生物传感器的研究。生物传感器他是一个典型的多学科交叉产物，它结合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及其相关技术，实现对所需要的物质进行检测并进行快速的分析和追踪。生物传感器的问世，是科学家的技术和科学发展及社会发展需求多方面双驱动的结果。经过几十年的发展，已经成为一个涉及内容广泛、多学科的介入和交叉，是一个充满创新活力的领域。
2传感器的结构
主要由两部分组成，生物敏感膜和换能器。当被分析的物质进入固定化的生物敏感膜，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息被相应的化学换能器或物理换能器转变成可定量和可处理的电信号，如图1所示。
生物敏感膜又称为生物识别元件，是生物传感器的关键部分，直接与生物传感器的功能质量有关。根据生物敏感膜的材料不同，其组成可以是酶、核酸、免疫物质、全细胞、组织、细胞器或他们不同的组合，近年来科学家还研究出了，高分子聚合物模拟酶，使得分子识别元件的概念进一步拓展。
换能器的作用是把各种生物的、化学的和物理的信息转化为电信号。生物学产生的信息是多样化的，微电子学和传感技术的现代的成果为检测这些信息提供了丰富的手段，使得研究者在设计生物传感器的时候，对换能器的选择有足够的余地。设计的生物传感器成功与否取决于设计方案的科学性和经济性。
光导纤维简称光纤，由超纯玻璃和其它材料制成。纤维表层的折射率比中心折射率低，光在纤维中传播以全反射形式向前传播，最终把光传到很远的地方。光纤的导光范围与制成光纤的材料有关，熔硅纤维可以测量紫外光，波长范围最低是220nm，熔硅的材料较贵。用玻璃制成的纤维可以测量可见光，与熔硅相比测量的波长范围就小，成本次之。塑料纤维最便宜，但是测量的波长范围必须是450nm以上，否则测不了。制成的光纤直径，一般在50至200微米左右。
光纤传感器可以分为单芯和双芯两种，在光纤端部的敏感部位称为反应相。如果反应相中是生活性物质在起作用，则称为生物光纤或生物光极。在双芯光纤中，光从一束纤维传到反应相，再从另一束光纤传出。反应试剂或指示剂被固定在球形载体上，用管状膜将敏感物质及载体套在光纤端部，分析底物透过敏感物质作用。在管状膜的端点有一个“黑塞”，它能阻止入射光作用于外部溶液中，避免潜在的干扰。
3传感器的特点
光纤维生物传感器有着许多的特点，具体如：无须参比电极；由于信号是光，不受到外界的电子干扰，这种特性在有电磁场的干扰情况下显得特别的重要，光纤维生物传感器可以保持原信号继续传播；不需要把生物分子识别器“真正的”固化在纤维上，从而反应相容易更换；当用于体液测定时，光纤比其他电子元件较为安全；某些分析底物在光学平衡基础上被敏感，而不是在电化学平衡基础上被敏感，当达到平衡时，不需要持续的向传感器表面传输底物，对温度波动和液流条件都不如电流型电化学传感器敏感。当进行双波传播时，光纤生物传感器的稳定性很高；光纤生物传感器可以实现多功能传感器，譬如当同时测定许多种底物时，可以用对应的多种酶和不同的波长便能实现同时测定多种底物。光纤可以结合现代技术可以制成微米级别，为微型生物传感器提供了制作材料；光纤制成的生物传感器可以任意弯曲，可以保持以最小的损失实现长距离的传输，这样方便实现工业化操作和较容易控制。与光效应偶联的反应有很多种，具有普遍的现实运用意义。
光纤生物传感器的优点有很多，该传感器不仅有光学的知识，传播速度快稳定，而且还有生物的性质。光纤生物传感器是把光学知识和生物知识有效的结合起来，这是一个典型的交叉学科融合为一体，为推进高科技技术的发展取到催化剂的作用。
在发展新技术的今天，光纤越来越离不开人们的生活，光纤不仅可以传输大量的信息，而且还是利用光进行传输。我们都知道光的速度是很快的，当然人们利用光纤传输信息的速度也就是很快的。传感器与光纤技术很好的配合使用，可以为光纤生物传感器带来意想不到的效果。
光纤维生物传感器，是具有高度灵敏性的一种生物传感器。现在的科技技术日益发达，几乎对所有的仪器设备都要求精度越来越高。然而对仪器设备的要求越来越高，也就是电子技术的发展越来越快，只有精确度高的电子设备才能制止出高精度的仪器。用纯手工是不可能制作出高精度的仪器的，对于高精度的传感器所需要的材料肯定是在传输信息的过程中信息损耗最小最好。
总之，光纤生物传感器的特点有很多，许多的优点科学家们还在不断的进行中，希望能充分的利用好光纤维生物传感器。
4动力学分析
光纤维生物传感器，在光纤传感器反应相发生的反应可以是生物亲和反应h或酶促反应。接下来将专门对酶促反应和生物亲和反应做讨论。首先，在生物传感器的反应相发生的亲和反应（受体和配体的结合反应）是可逆的，并且结合和解离可以达到平衡的状态。其次，在达到反应平衡的过程中，实际上还包括了一些其他相关的过程。譬如在很多的情况下，传感器膜把反应相与外部溶液隔离开来，被分析物透过膜的速度常常是整个响应速度的关键因素。譬如葡萄糖透过30帅厚的中空纤维膜需要5mine，而葡萄糖与刀豆球蛋白A（ConA）结合的时间常数是毫秒级，所以最终的化学平衡包括了扩散动力学。最后，抗体与抗原之间通常具有高的亲和常数和低的解离速度，若解离速度太慢（如用小时计时），则不适于平衡解说。根据反应物是否需要标记物可以分为直接法和间接法。
直接动力学分析法，设被分析物为配体（A），光纤反应相中含有受体（R），两者结合产生复合物（A：R），其反应数学公式可以表示如下：
5结语
生物传感器（Biosensor），是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。主要的组成结构是把固定化的生物敏感材料作为传感器的识别元件，主要包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质、恰当的逻辑换能器（譬如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
生物传感器是一类特殊的传感器，它与生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术融为一体。是典型的交叉学科产物，在为推进高科技的发展有着非常重要的作用。目前已经发展成为一门活跃的领域，并展现了生物传感器的广阔应用前景。另外，光纤生物传感器为开辟交叉学科联合研究做出的重要的代表，鼓励更多的学科进行联合研究，高强度推进科技的发展做出贡献。
生物圈中存在着许许多多的物质，它们与遗传或是代谢的基本元素、中间体，影响着生物学过程的各个方面。我们把它称作生命物质或与生命相关的物质。
科学家们对这些物质进行分析和发展，取决于人们的科学活动或探索实践的能力。随着人类对生命本质、生命过程和生命体与其生存环境信息交流的认知不断深入，研究发展新的技术手段越来越重要。光纤生物传感器就是一个经典的实例，光纤生物传感器的研发成功离不开高新技术的发展，把光学知识与生物、化学等交叉学科知识充分融合，最终实现光纤生物传感器的功能。
光学传感技术范文5
近年来，越来越多的个人、消费者、公司和政府机关都认为现有的基于智能卡、身份证号码和密码的身份识别系统很繁琐而且并不十分可靠。生物识别技术为此提供了一个安全可靠的解决方案。生物识别技术根据人体自身的生理特征来识别个人的身份，这种技术是目前最为方便与安全的识别系统，它不需要你记住象身份证号码和密码，也不需随身携带像智能卡之类的东西。
生物识别技术[1]包括虹膜识别技术、视网膜识别技术、面部识别技术、声音识别技术、指纹识别技术[2]。其中指纹识别技术是目前最为成熟的、应用也最为广泛的生物识别技术。每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，这些指纹特征是唯一的，并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。
指纹识别系统[3]是通过指纹采集、分析和对比指纹特征来实现快速准确的身份认证。指纹识别系统框图如图1所示。
指纹采集器采集到指纹图像后，才能被计算机进行识别、处理。指纹图像的质量会直接影响到识别的精度以及指纹识别系统的处理速度，因此指纹采集技术是指纹识别系统的关键技术之一。本文着重分析比较不同的指纹采集技术及其性能。
1 指纹采集技术
指纹的表面积相对较小，日常生活中手指常常会受到磨损，所以获得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作。当今所使用的主要指纹采集技术有光学指纹采集技术，半导体指纹采集技术和超声波指纹采集技术。
1．1 光学指纹图像采集技术
光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹采集设备始于1971年，其原理是光的全反射(FTIR)。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD上形成了指纹的图像。如图2所示。
光学采集设备有着许多优势：它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定程度温度变化，稳定性很好，成本相对较低，并能提供分辨率为500dpi的图像。
光学采集设备也有不足之处，主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面。台板必须足够大才能获得质量较好的图像。潜在指印是手指在台板上按完后留下的，这种潜在指印降低了指纹图像的质量。严重的潜在指印会导致两个指印的重叠。另外台板上的涂层(膜)和CCD阵列随着时间的推移会有损耗，精确度会降低。
随着光学设备技术的革新，光学指纹采集设备的体积也不断减小。现在传感器可以装在6x3x6英寸的盒子里，在不久的将来更小的设备是3x1X1英寸。这些进展得益于多种光学技术的发展。例如：可以利用纤维光束来获取指纹图像。纤维光束垂直照射到指纹的表面，他照亮指纹并探测反射光。另一个方案是把含有一微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性的平面上，当手指压在此表面上时，由于指纹脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而反映出来。
美国DigitaIPersona[4]公司推出的U．are．U系列光学指纹采集器是目前应用比较广泛的光学指纹采集器，主要用于用户登录计算机windows系统时确认身份，它集成了精密光学系统、LED光源和CMOS摄像头协同工作，具有三维活体特点，能够接受各个方向输入的指纹，即使旋转180度亦可接受，是目前市场上最安全的光学指纹识别系统之一。U．are．U光学指纹采集器按照人体工学设计，带有USB接口，是用户桌面上紧邻键盘的新型智能化外设。
1．2 半导体指纹采集技术
半导体传感器是1998年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。
(1)硅电容指纹图像传感器
这是最常见的半导体指纹传感器，它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100，000个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极，充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极，传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在)，导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，就可以获得具有灰度级的指纹图像。
(2)半导体压感式传感器
其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号，并进一步产生具有灰度级的指纹图像。
(3)半导体温度感应传感器
它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。
半导体指纹传感器采用了自动控制技术(AGC技术)，能够自动调节指纹图像像素行以及指纹局部范围的敏感程度，在不同的环境下结合反馈的信息便可产生高质量的图像。例如，一个不清晰(对比度差)的图像，如干燥的指纹，都能够被感觉到，从而可以增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像(对比度好)；由于提供了局部调整的能力，图像不清晰(对比度差)的区域也能够被检测到(如：手指压得较轻的地方)，并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。
半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像，分辨率可高达600dpi，并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样，要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧，功耗很低，可以集成到许多现有设备中，这是光学采集设备所无法比拟的，现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。早期半导体传感器最主要的弱点在于：容易受到静电的影响，使得传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏，手指的汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨损都会使半导体传感器的取像很困难。另外，它们并不象玻璃一样耐磨损，从而影响使用寿命。随着各种工艺技术的不断发展，芯片的防静电性能和耐用度得到了很大的改善。
从Lucent公司中分离出来的Veridicom[5]公司，从1997年开始就一直致力于半导体指纹采集技术的研发，迄今已研制出FPSll0、FPS200等系列CMOS指纹传感器产品，并被一些商品化的指纹识别系统所采用。其核心技术是基于高可靠性硅传感器芯片设计。
FPS200是Veridicom公司在吸收了已广泛应用的FPSll0系列传感器优点的基础上，推出的新一代指纹传感器。FPS200[6]表面运用Vefidicom公司专利技术而制成，坚固耐用，可防止各种物质对芯片的划伤、腐蚀、磨损等，FPS200能承受超过8KV的静电放电(ESD)，因此FPS200可应用在苛刻的环境下。该产品融合了指纹中不同的脊、谷及其他纹理信息，通过高可靠性硅传感器芯片的图像搜索功能，无论手指是干燥、潮湿、粗糙都可以从同一手指采集的多幅指纹图像中选择一幅最佳图像保存在内存中，指纹分辨率可达500dpi，大大降低了传感器芯片识别过程中误接受与误拒绝情况的发生。
FPS200是第一个内置三种通信接口的指纹设备：USB口、微处理器单元接口(MCU)、串行外设接口(Sn)，这使得FPS200可以与各种类型的设备连接，甚至不需要外部接口设备的支持。外形封装尺寸(24mmx24mmxl．4mm)，只有普通邮票大小。由于它的高性能、低功耗、低价格、小尺寸，可以很方便地集成到各种Intemet设备，如：便携式电脑、个人数字助理(PDA)、移动电话等。
1．3 超声波指纹图像采集技术
Ultra-scan公司首开超声波指纹图像采集设备产品先河。超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见，成本很高，而且还处于实验室阶段。超声波指纹取像的原理是：当超声波扫描指纹的表面，紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹的脊和谷的声阻抗的不同，导致反射回接受器的超声波的能量不同，测量超声波能量大小，进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。
总之，这几种指纹采集技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。超声波指纹图像采集技术由于其成本过高，还没有应用到指纹识别系统中。通常半导体传感器的指纹采集区域小于1平方英寸，光学扫描的指纹采集区域等于或大于1平方英寸，可以根据实际需要来选择采用哪种技术的指纹采集设备。
表1给出三种主要技术的比较。
表1
光学扫描技术半导体传感技术超声波扫描技术成像能力干手指差，汗多的和稍胀的手指成像模糊。易受皮肤上的脏物和油脂的影响。干手指好，潮温、粗糙手指亦可成像。易受皮肤上的脏物和油脂的影响。非常好成像区域大小中分辨率低于500dpi可高达600dpi可高达1000dpi设备体积大小中耐用性非常耐用较耐用一般功耗较大小较大成本较高低很高2 应用与发展前景
光学传感技术范文6
摄影技术从传统向数码的过渡并实现质的飞跃，离不开传统摄影产生的基本条件，相机构造及功能的极大优化，记录与存储介质的改变，后期处理技术中传统唁房向电子暗房转化，促进了影像质量控制技术体系的完善与发展。数码技术与网络技术的高速发展使得数码摄影技术日新月异，社会将迎来摄影技术的新一轮变革。
关键词：
摄影 数码 影像质量 区域曝光法
中图分类号：TB85
文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2015）04-0064-02
1826年，法国人尼埃普斯采用“日光蚀刻法”原理，将沥清作为感光材料涂在锡合金板上面，装在木质箱子的相机里面，经过长达8小时的曝光，得到一张工作室窗外的模糊影像，这一实践为摄影后来的成功指明了方向。1829年尼埃普斯与达盖尔签了10年的合作合同，共同研究永久性感光材料技术。尼埃普斯去世后，1837年达盖尔用镀银铜版作为感光版经曝光后，再用加热的食盐溶液定影的达盖尔摄影法获得成功。1839年达盖尔的银版摄影法被法国科学院向全世界公布，标志着摄影术的正式诞生。在之后170多年的漫长时间里，伴随着科技的发展，摄影技术走过了卡罗式摄影法、火棉胶湿版摄影法、干版法、传统胶片、数码摄影等阶段。摄影技术的出现大大延伸了人类观看世界的方式，并渗透到社会的方方面面。摄影术的出现也为其后电影、电视技术的发展奠定了基础，对人类社会的发展起到深远的影响。170多年的摄影史相对数千年的人类文明史而言显得微不足道，但是技术上的进步的确极其迅速，尤其是最近十多年来数码技术的进步更加助推了数码摄影技术的高速发展。
一 传统摄影产生的三个基本条件
一般而言，传统摄影是指以传统感光材料作为介质记录影像的摄影方法，传统摄影技术的完善必须具备三个条件：1、透镜暗箱技术的完善；2、感光化学进入研究领域；3、找到能够固定影像的方法。
（一）透镜暗箱技术的完善。透镜暗箱技术就是照相机技术，主要由光学成像技术、机械制造技术及电子应用技术构成。“针孔成像”原理是照相机暗箱的光学成像原理，据史料记载，最早出现于我国春秋末年的《墨经》之中，其后还有北宋时期沈括的《梦溪笔谈》及元朝赵友钦的实验报告《小罅观影编》均有相关记载。照相机技术是人类科技多个领域的集中体现，包含了光学、电子学和制造工艺的尖端技术。达盖尔起初的照相机非常简陋，只是一个仅有透镜的箱子，随后出现了金属机身，机械化光圈和快门装置以及电子液晶显示装置等。照相机类别上还出现一些特殊的照相机，如立体相机和多镜头相机等。1888年美国人伊斯曼的胶片相机“柯达一号”的出现，为照相机轻便化开创了先例。至此，照相机制造技术经历了如下几个方面的发展：大型向小型化发展；单层镀膜镜头到多层镀模和超低色散镜头的发展；纯机械机身向电子化机身的发展。
（二）感光化学进入研究领域。摄影家路易斯，达盖尔说：“达盖尔银版法不只是一件用来描绘自然的工具，他把力量赋予自然，让自然去再创造”，摄影就是光的艺术，用光线作画，起初尼埃普斯用沥青作为感光剂拍摄只是一种尝试，因效果不好而放弃。德国科学家阿尔策发现硝酸盐溶液在阳光下变黑的现象，为找到溴化银作为理想感光剂提供依据。在传统感光材料发展过程中，为了提高感光材料影像质量，科学家做了大量的研究，如：改进感光乳剂的颗粒，提高感光度、研究染色层色彩还原技术等等。对胶片片基材料的研究也经历了由金属板、纸、玻璃、明胶、硝化纤维、醋酸纤维素酯、涤纶等不同材料的演化。传统摄影的后期加工工艺相对不同的感光胶片也有所不同，最常用的有如下几种：相对于黑白胶片的D-76工艺、相对于彩色负片的C-41工艺、相对于彩色反转片的E-6工艺等等。
（三）找到能够固定影像的方法。拍摄的最终目的是为了获得图像并永久保存下来。但早期摄影家在实践中发现，经过曝光并显影后的感光版只要见到光线就会再次感光，致使影像无法保留，达盖尔经多年实践最终找到海波作为固定影像的主要材料，才使得研究最终获得成功。可见，影像的稳定和永久性保存在摄影技术中起到了举足轻重的作用。二数码摄影的出现与快速发展
数码摄影是数码技术发展到一定阶段的必然产物，是传统摄影技术与数码技术的完美结合。其最大的特点是电子感光芯片（CCD＼CMOS）和快速储存卡共同取代了传统胶片的感光和储存功能，实现了传统摄影无法达到的数字影像即拍即现功能；其次，感光芯片（CCD＼CMOS）的高动态记录范围使微光摄影成为可能。1975年柯达应用电子研究中心的赛尚先生成功研究出世界上第一台数码照相机，这台当时只有0.01百万像素的黑白反转数码相机使用飞利浦数码磁带作为存储介质。今天，数码相机厂家包含日系和欧美系为主的众多品牌、画幅从微型到单反再到数字后背。数码摄影技术在短短40年中突飞猛进，感光芯片从当初的0.01百万像素发展到八千万像素以上（数字后背）。由于数码摄影的数据包可以直接在各种计算机、打印机、显示器等设备和互联网平台上自由流通，加上数马相机即拍即现功能，使数码摄影使用起来更加方便，导致传统摄影几乎一夜之间退出历史舞台，就连赛尚本人也曾表示“对于数码摄影技术的发展速度感到吃惊”。
（一）相机构造及功能的极大优化
传统照相机与数码照相机的构造，两者最大的区别是数码相机使用感光芯片（CCD或CMOS）代替传统相机的胶片，图像处理引擎对影像传感器所捕捉到的信号进行实时处理，使用储存的高速储存卡，为了便于即时浏览还增设LCD显示屏及相关的操作按钮。数码相机的即拍即显功能，弥补了传统相机无法实现的缺陷，数码相机直接获取的数码数据可以在各种相关设备上方便流通，给使用者提供了前所未有的拍摄乐趣，人们在使用照相机的同时也享受着高科技所带来的快乐。但是，无论如何数码摄影技术只是传统摄影技术基础上的一次蜕变，它们之间的关系是继承与发展而非完全否定，第一、传统摄影的光学理论、曝光控制理论、银晶排列规律、胶片宽容度、互易律关系、胶片感色性原理恰恰为感光芯片的研究提供理论根据。第二、数码相机保留了传统摄影中胶卷以外的大部分功能，例如摄影镜头，尽管厂家专门针对数字感光芯片成像特点开发出数码镜头，但传统镜头仍然可以使用；第三、机身的整体外形设计基本未变，主要的键盘及操控模式等基本秉承了传统相机的特点，尤其在拍摄模式中将手动功能和B门等专业性较强的功能加以保留，这给从操控传统相机过来的摄影者留了深刻的印象。数码摄影解决了传统相机不能解决的一些难题，如色温、感光度、影像即时再现等问题。还摆脱了传统摄影需要从拍摄到冲印相片的流程，往往从拍摄到看到图像效果，需要一个漫长的等待过程，摄影师如果没有扎实的基本功，就难以盛载客户满腔的期待，摄影师可以把图像储存为电子信息，可以观看LCD即时了解拍摄的效果。如对拍摄效果不满意，还可以及时再拍一次，这些都是传统相机无法比拟的优越性能。
（二）记录与存储介质的发展
传统胶片的结构与成像过程大约是这样：胶片在摄影过程中起感光作用，彩色胶片由三个主要感光乳剂层组成，分别对三原色敏感，同时每个主要感光乳剂层大致上又由三层组成，它们分别具有高中低不同的感光度。这样，彩色胶片就由十层以上的感光乳剂层组成。一层一层相互覆盖形成一个三维的感光体系。换句话说，彩色胶片的设计目的就是要在较小的篇幅内捕捉较大动态范围的全色影像。在显影过程中，只有表面有潜影中心的卤化银颗粒会被显影剂还原而变成银粒子，同时生成显影剂的氧化产物再经定影和水洗去除。现在的常规做法是在每个图像传感器单元的前面加上滤色镜，这又可以分为原色RGB滤镜和补色CMYG滤镜两种，这种技术被称为马赛克技术。以RGB原色滤镜为例，红色滤色镜只能通过红色成分光线而拒绝其他颜色光线通过，同样蓝色滤色镜只能通过蓝色成分光线。这样红、绿、蓝滤镜有规律的严格排列，通过这种方式在所有感光单元前都加上滤色镜。再编制一个工作程序，使得照相机CPU中央处理器知道每个感光单元对应的位置，这样每个感光单元就有了一个加权排列序号，输出的信号中不但包括色彩信息和亮度信息，同时还包括位置信息。最后所有这些加权图像信息汇总后由图像处理引擎运算得出一个复原图像，这就是我们最后获得的数码图像。实现了传统影像向数字影像的过渡。
（三）后期处理技术的发展――传统暗房向电子暗房转化
传统彩色负片的放大无论是借助手工或者机器都必须解决两个问题，一个是准确的影调还原，当然这主要靠准确的曝光来达到，以手动放大为例，以调整放大机镜头光圈大小与定时器曝光时间进行调整，要做到准确曝光必须进行试条测试，这点有过手工放大经验的摄影师都知道。如果是用黑白底片并使用可变反差相纸制作黑白照片，还要通过调整放大机上的品色和黄色滤色镜的数据来改变照片的反差，黄色滤镜数据越高照片反差越小，反之越强；品色数据越高反差越大，相反即越小。第二个问题是色彩还原，对于彩色负片的色彩校正，主要通过拍摄前和放大时进行干预完成，传统胶片不像数码感光芯片那样具备较多的白平衡选择，一般只有日光型、灯光型两种型号，拍前干预可以借助滤色片完成，但是碰到复杂光源时就难于处理了。其次，放大时借助放大机上虑色片来校正色彩，利用R-C、G-M、B-Y相对应的补色关系原理，例如色彩偏红时可以通过加品加黄进行校正，偏绿时可以通过加品校正。一般不采用改变底片显影时间进行校正的做法，因为0-41系统中在特定温度下显影时间最佳是3分15秒，改变时间会导致色偏现象。
数码摄影的后期处理与输出色彩控制相对而言，可控性更为灵活，各种后期处理软件和专业冲图软件都可以校正，如果是图像原始文件（RAW格式）效果更好，如数码相机的白平衡选项中提供了较多常用光源色温供选择，此外还有更为强大的K色温和自定义模式，这是传统摄影无法相比的。最常用的后期处理软件是PhotoShop，该软件中一些工具秉承了传统胶片的曲线特性关系，如曲线图，与胶片的特性曲线有相通性，可以通过改变曲线位置来达到改变图像反差、色彩的密度分布，最终达到改变影调和色调的目的。PhotoShop中的直方图直接显示图片影调分布的实际状况，为摄影师控制曝光状况提供便利。数码摄影的后期处理与输出还可以用色彩管理软、硬件进行影像色彩校正，将拍摄、处理、输出整个过程全部纳入色彩管理之系统中。随着彩色喷墨打印技术的进步和打印介质的多样化，数码输出质量也达到令人满意的效果，高精度数码打印技术被广泛应用于艺术品复制市场。
三 影像质量控制技术体系的完善与发展
数码摄影出现之前，传统摄影经过一百多年的发展在影像质量方面已达到相当成熟的程度。例如以F64小组为核心的“纯影派”摄影团体，他们中的爱德华.韦斯顿、保罗，斯特兰德及安塞尔.亚当斯等人，他们作品以丰富的影调、精良的制作而著称。尤其是美国摄影家安塞尔.亚当斯在黑白影调控制上达到里程碑式的高度。他所推广的“区域曝光法”被许多摄影教育机构和摄影艺术家所推崇，成为摄影界影响至今的摄影应用科学理论，使传统摄影技术达到视觉上的高峰。美国摄影小百科这样描述：“当你站在一张安塞尔，亚当斯的照片前，就无法不被他那技术上的铺张与华丽所掩没，那实际上没有粒子的照片提供了外观无限丰富层次的色调，从纯白色到漆黑。”根据亚当斯的区域曝光法理论，景物影调可以分为十一个“区域”，由零区域至第十区域。第V区域在照片上的灰度接近18%灰；0区为理论上的纯黑区域，第X区为理论上纯白区域，没有任何影调，第Ⅲ区域是画面上曝光不足2档但仍有丰富影调细节的部分，而第V0区域则是曝光过度2档仍有细节的强光部分，摄影者便可以根据景物的亮度范围来判断照片的最后影调分布情况，并使底片能够根据摄影者预想的影调关系去曝光。这个系统的建立包括以下几个过程：1、感光测定；2、精确曝光；3、底片、中洗；4、照片制作。
