光学:超级透视
透视成像的原理
透视成像的原理
透视成像的原理是基于光学的原理。
当光线从物体上发出或反射时,经过透镜或凹凸面镜的折射或反射,最终到达观察者的眼睛。
观察者的眼睛接收到这些光线,形成图像在视网膜上。
透视成像的原理可以从以下几个方面解释:
1. 视差:物体距离观察者越近,眼睛接收到的光线强度越大,造成视网膜上图像对应的位置越亮,物体距离观察者越远,眼睛接收到的光线强度越小,造成视网膜上图像对应的位置越暗。
这种差异使得人眼能够感知到物体的远近。
2. 直线透视:当物体远离观察者时,远离的部分相对较小,接近观察者时,接近的部分相对较大。
这是由于眼睛与物体间的角度不同,造成了图像的拉伸和压缩。
3. 锥体投影:透视成像实际上是一种以观察者为中心的锥体投影。
当物体位于锥体的顶点上时,图像非常清晰,但当物体位于锥体的边缘时,图像变得模糊。
这是因为在物体离开焦点区域时,光线不再汇聚在视网膜上形成一个清晰的图像。
这些光学原理共同作用,使得人眼能够感知到透视成像,从而认识到物体的形状、大小和远近。
透视成像在绘画、摄影和建筑设计等领域具有重要的应用。
超材料光学特性及其应用展望
超材料光学特性及其应用展望一、前言超材料是指由人工合成的材料,拥有超常的性质,常表现为负折射率、超透明、折射率和光速的改变等。
这些性质使得超材料在光学应用中具有重要的作用,被广泛地应用于光电子学、信息科学、能源科学等领域。
本文将重点探讨超材料的光学特性及其应用展望。
二、超材料的光学特性1.负折射率超材料中的电磁波传播规律与自然界中的折射规律形成了鲜明的对比。
相比于自然界中的材料,超材料中的电磁波的折射率是负的。
对于具有负折射率的材料,光波在材料中传播的过程中会做出一些与自然材料完全不同的反向弯曲行为,这种行为对于学者们而言具有很大的困惑和挑战。
2.超透明超材料还有一个特别显著的特性,就是它们可以同时是透明材料和吸收材料。
在这些材料中,光子会频繁地被吸收和辐射出来,但整体上却可以表现出一个类似于透明物体的状态。
超透明的超材料主要是通过周期性的排列结构实现的,结构的尺度远远小于光波的波长,因此能够完美地过滤掉非常窄的波长区间。
3.折射率和光速的改变超材料的另一个光学特性是可以通过控制相对介电常数和相对磁导率的值来实现对光速的控制。
这种控制效果在可见光波段中很难实现,同时涉及到的材料性质非常复杂,研究难度很大。
三、超材料的应用展望1. 光学透镜在超材料中经常采用聚焦原理,从而实现像普通透镜一样的成像效果。
超材料的透镜具有弥散性小、直径小、加工方便、造价低廉等特点,极大地拓展了透镜应用的领域。
2. 人体组织光学成像超材料的吸收特性可以被用于人体组织光学成像中,从而实现更好的成像效果,并且不会对人体组织造成伤害。
这种成像方法被称为超材料光学相干断层扫描(OCT)。
3. 热辐射与太阳能吸收研究表明,超材料可以在可见光和红外波段中减小辐射传递的热效应,从而达到优异的隔热效果。
同时在太阳能吸收上也具有巨大潜力,可解决传统能源稀缺的问题。
四、结论总之,超材料体系是科学家们发掘和运用新颖物理的重要领域。
它具有独特的物理效应、优异的性能及广泛的应用前景。
pico4彩色透视原理
pico4彩色透视原理
《pico4彩色透视原理》
Pico4彩色透视原理是一种基于光学原理的新型成像技术,它能够在不损失图像质量的前提下,实现真实的立体透视效果。
它是基于传统的pico投影技术的升级版本,采用了颜色滤光片和
透镜组合来实现彩色立体透视效果。
Pico4彩色透视原理的核心在于利用颜色滤光片和透镜的组合来对光线进行分离和重组。
首先,颜色滤光片能够将不同颜色的光线进行分离,然后透镜将这些被分离的光线重新聚焦,形成彩色的立体图像。
这种技术能够在不增加额外成本和硬件的情况下,实现真正的彩色立体投影效果。
Pico4彩色透视原理的应用非常广泛,它可以用于商业展示、教育演示、娱乐媒体等多个领域。
在商业展示领域,它可以为产品展示和广告宣传提供更加生动的效果,吸引更多的消费者目光。
在教育演示领域,它能够为学生呈现更为真实的立体图像,提高学习效果。
在娱乐媒体领域,它能够为电影、游戏等提供更加震撼的视觉体验。
总的来说,Pico4彩色透视原理是一种非常值得关注的新型成像技术,它将为我们的生活带来
更多的乐趣和便利。
随着技术的不断进步,我们有理由相信它在未来会有更为广泛的应用。
光学工程 二级学科
光学工程二级学科
光学工程是一门工程学科,主要研究光学、光电子学、光电技术等方面的理论和技术。
它是物理学、电子工程、计算机科学等多个学科的交叉学科,涉及到光学设计、光学材料、光学仪器、光电子器件、光通信、光存储、光显示、光学成像、光学传感等多个领域。
光学工程二级学科包括以下几个方面:
1. 光学设计与光学系统:主要研究光学系统的设计、优化和分析,包括成像系统、照明系统、激光系统等。
2. 光学材料与光学器件:主要研究光学材料的制备、性能和应用,以及光学器件的设计、制造和测试,如透镜、反射镜、棱镜、光纤等。
3. 光电子技术:主要研究光电子器件的设计、制造和应用,如激光二极管、发光二极管、光探测器等。
4. 光学成像与光学测量:主要研究光学成像和光学测量的理论和技术,包括显微镜、望远镜、光谱仪、光学传感器等。
5. 光通信与光网络:主要研究光通信的理论和技术,包括光纤通信、光无线通信、光交换等。
6. 光存储与光显示:主要研究光存储和光显示的理论和技术,包括光盘、光存储阵列、液晶显示、有机发光二极管显示等。
7. 激光技术与应用:主要研究激光的产生、传输、控制和应用,包括激光加工、激光医疗、激光检测等。
光学工程二级学科的研究内容非常广泛,涉及到多个领域和应用。
随着科技的不断发展,光学工程二级学科也在不断拓展和深化,为社会的发展和进步做出了重要贡献。
840物理光学参考书
840物理光学参考书(原创实用版)目录1.840 物理光学参考书的概述2.840 物理光学参考书的主要内容3.840 物理光学参考书的特点和亮点4.如何选择适合自己的 840 物理光学参考书正文一、840 物理光学参考书的概述840 物理光学参考书是一本针对研究生入学考试的参考书籍,主要涵盖了光学这门学科的重要知识点。
该书不仅包括理论知识,还结合了一些实际应用案例,旨在帮助考生全面掌握光学的基本概念、原理和方法。
二、840 物理光学参考书的主要内容1.光学的基本概念:光的性质、光的传播、光的反射和折射等;2.光学元件和光学仪器:透镜、反射镜、光栅、光纤等;3.光学原理:几何光学、物理光学、量子光学等;4.光学技术:光学测量、光学制造、光学成像等;5.光学应用:光通信、光存储、光计算等。
三、840 物理光学参考书的特点和亮点1.系统性强:该书对光学知识进行了全面、系统的梳理,有利于考生建立起完整的知识体系;2.知识点详细:书中对每个知识点都进行了详细讲解,方便考生深入理解;3.例题丰富:书中附有大量的例题和习题,有利于考生巩固所学知识;4.实用性强:书中结合了一些实际应用案例,有助于考生了解光学知识的实际应用。
四、如何选择适合自己的 840 物理光学参考书1.根据自己的基础选择:如果自己的光学知识基础较弱,可以选择一本讲解详细、例题丰富的参考书;如果基础较好,可以选择一本知识点梳理清晰、注重理论和实际应用的参考书;2.考虑出版社和作者:选择知名出版社和有经验的作者编写的参考书,可以保证书籍的质量;3.结合自己的学习习惯:选择适合自己的学习方式和风格的参考书,可以提高学习效率。
总之,840 物理光学参考书是一本全面、系统地介绍光学知识的参考书,对于准备研究生入学考试的考生来说具有很高的参考价值。
光学成像方面的书
光学成像方面的书光学成像是指利用光线从物体上反射或透过物体传播产生图像的过程。
在光学成像方面,有许多经典的书籍提供了详细的理论和实践指导,下面列举了几本值得推荐的光学成像方面的书籍。
1.《现代光学工程》(Modern Optical Engineering) - Warren J. Smith这本书是光学成像领域的经典教科书,涵盖了光学设计的各个方面,包括光线传播、光学系统的设计和分析等。
书中介绍了大量的光学设计工具和技术,并结合实际的案例进行讲解,对于光学成像初学者来说是一本不可或缺的参考书。
2.《应用光学》(Applied Optics) - A.E. Conrady这本书主要介绍了光学成像系统的设计原理和应用技术。
书中涵盖了几何光学、物理光学、波动光学等基本理论,并给出了光学成像系统设计的具体步骤和方法。
此外,书中还包含了大量的实践案例和计算公式,有助于读者理解和应用光学成像的原理和技术。
3.《光学原理与应用》(Optics) - E. Hecht这本书是一本普遍适用于物理学、工程学和应用科学等专业的光学教材。
书中内容包括几何光学、物理光学和波动光学等三个主要部分。
在光学成像方面,书中对成像质量、光学仪器和系统设计等内容进行了详细的介绍,并提供了习题和案例供读者巩固学习。
4.《数字图像处理》(Digital Image Processing) - Rafael C. Gonzalez, RichardE. Woods虽然这本书的主题是数字图像处理,但它也包含了许多光学成像方面的内容。
书中介绍了数字图像处理的基本原理和算法,并结合图像采集和处理的实际应用,讲解了光学成像系统如何利用数字图像处理方法来提高图像质量和分辨率。
5.《光学成像系统设计与应用》(Optical Imaging Systems - Design and Applications) - Taher Daud这本书是一本介绍光学成像系统设计和应用的实践指导书。
光学超分辨技术综述——微光学小论文
光学超分辨技术综述学号:SA14009025 姓名:邱金峰摘要:由于无论是源于人类本身对未知世界探索的渴望,还是现代工程技术的各种需要,对微观领域的高分辨率成像都是一个十分重要的研究方向,故本文对国内外光学超分辨技术研究的历史和现状做出综述是十分必要的。
一、背景及意义人类对未知领域的探索永远是促进科学进步的最强大动力.在众多未知领域中我们身边的微观世界无疑是最令人着迷的。
在这一领域中既涉及到生物细胞、遗传基因这些关乎我们自身的重要元素,又涉及到分子结构、基本粒子这些构成我们关于物质知识的核心命题。
也只有对微观世界的深入研究才能让我们回答诸如什么是人类能够观测的最小尺度,宇宙是否存在物质的最小极限这样的物理学中的基本问题。
而研究往往始于观察,成像又是观察的最基本手段。
所以寻找对微观物质高分辨率成像的方法,制造对微观物质高分辨率成像的仪器,就成为了研究微观领域必不可少的首要一环.正是推动科学本身进步这一要求,使科研人员不断地采用各种各样的技术革新来尽可能地提高观测系统的分辨率和有效信息获取量,并尽可能地重建和恢复原始自然图像,以满足人类对未知的微观世界知识获取的渴望。
另一方面,在技术层面上,随着许多新兴的超精密工程学的发展,人们提出了纳米级与亚纳米级分辨率成像的要求。
如在巨大规模集成电路(Giga ScaleIntegration circuits)制造中,已经开始使用32nm工艺,并且正在开发22nm工艺;在纳米技术的研究中,从上世纪七十年代,首先提出使用单分子作为电子器件开始,到现在研制中的各种微纳机电系统,各个研究对象的线度也都在数微米到几纳米之间;而在现代生物科技和现代医学技术的发展中,人们不但提出了对大生物分子在纳米级和亚纳米及三维成像的要求,甚至还希望能对活性样品进行动态检测和显微操作.这就要求图像和数据同步、动态地显示在我们面前。
为达到以上要求,人们应用了光学、微电子、计算机、机械制造、信号处理等各个学科的最新成果,来制造先进的现代成像系统。
光学超快成像技术介绍
光学超快成像技术介绍光学超快成像技术是一种基于光学原理实现的高速成像技术,它能够捕捉到非常短暂的光学过程,帮助科学家们更好地理解和研究微观世界的变化。
本文将介绍光学超快成像技术的原理、应用以及未来的发展方向。
一、光学超快成像技术的原理光学超快成像技术是利用超短脉冲激光和特殊的光学元件来实现的。
超短脉冲激光的脉冲宽度通常在飞秒(1飞秒=10^-15秒)到皮秒(1皮秒=10^-12秒)的量级,其时间分辨率非常高。
在超短脉冲激光的照射下,样品会发生光学响应,产生一系列的光学信号。
通过探测这些光学信号,可以获得样品在超短时间尺度下的信息。
二、光学超快成像技术的应用光学超快成像技术在许多领域都有广泛的应用。
在材料科学中,它可以用来研究材料的超快光学响应,揭示材料的电子结构、动力学过程等。
在化学领域,它可以用来观察化学反应的过程和动力学行为,探索化学反应的机理。
在生物医学领域,光学超快成像技术可以用来观察生物分子的结构和功能,研究生物体内的生物过程。
此外,光学超快成像技术还可以应用于纳米科学、光子学等领域。
三、光学超快成像技术的发展方向光学超快成像技术已经取得了很大的进展,但仍然存在一些挑战和局限性。
例如,成像速度和空间分辨率之间存在一定的权衡,无法同时达到极高的速度和分辨率。
此外,成像深度也是一个问题,当前的光学超快成像技术对于非透明样品的成像效果较差。
未来的发展方向主要包括以下几个方面:1. 提高成像速度和空间分辨率:通过改进光学元件和探测器的设计,提高成像速度和空间分辨率,使得光学超快成像技术能够更好地捕捉到微观世界的变化。
2. 扩大成像深度:研究人员正在探索利用多波长激光和非线性光学效应等方法,提高光学超快成像技术对非透明样品的成像深度,以应用于更广泛的领域。
3. 结合其他成像技术:将光学超快成像技术与其他成像技术结合起来,如电子显微镜、X射线成像等,可以获得更全面和准确的样品信息。
4. 开发新的应用领域:光学超快成像技术在材料科学、化学、生物医学等领域都有应用,未来可以进一步拓展到其他领域,如能源材料、环境科学等,为解决实际问题提供新的手段和思路。
光学工程中超分辨成像技术的研究与应用
光学工程中超分辨成像技术的研究与应用在今天科学技术日新月异的时代,光学成像技术更是朝着高清晰度、高精确度、高速度的方向不断发展,而超分辨成像技术作为光学成像技术的高端产品,一直备受科学家和工程师的重视和研究。
本文将从基本原理到应用实践,全面介绍超分辨成像技术的研究和应用。
一、超分辨成像技术的基本原理超分辨成像技术是指利用一些特殊的成像原理或者技术手段,将物体的微小细节信息呈现出来,从而达到超越传统光学分辨极限的图像清晰度和精确度。
在光学领域,超分辨成像技术最核心的原理就是“突破衍射极限”。
1. 衍射极限的基本概念在光学领域,衍射极限是指在理想条件下,可分辨两个形态不同但空间位置非常近的物体时,两者之间的最小距离,也叫做“最小可分辨距离”。
在底片放大成像时,这个距离通常被表示为空间频率(即一个典型的线数/mm)。
根据基本物理原理,可分辨距离的最小值约等于半个光波长。
2. 突破衍射极限的方法为了实现超越传统光学分辨极限的图像清晰度和精确度,科学家和工程师们通过各种手段来突破衍射极限,如:(1)双光子激发显微术(TPM):这种技术是基于二次激光的原理,通过激发样本的荧光信号,在三维空间内重建出样本的一个高分辨率的图像。
(2)双片方法:双片方法利用一种迭代算法来分析和优化成像系统中的点扩散函数,从而超越传统光学分辨极限。
这种方法通常需要校准成像系统的点扩散函数,因此对计算机和软件的要求比较高。
(3)固体光学自旋陀螺磁共振成像(SOLID):这种技术结合了光学和磁共振成像的优点,可以在超过传统光学分辨极限的情况下对样品进行高精度成像。
(4)单分子荧光成像:这种方法可以实现单个分子的成像,可以用来研究生物分子之间的相互作用和位置关系。
二、超分辨成像技术的应用实践超分辨成像技术在生物学、材料科学、化学等领域有着广泛的应用,可以为研究者提供更加全面、高清晰的实验数据和结果。
下面将介绍超分辨成像技术在这些领域的应用实践。
光学超分辨突破光学衍射极限的挑战
光学超分辨突破光学衍射极限的挑战光学超分辨技术一直以来都面临着一个重大挑战,即光学衍射极限的限制。
根据光学原理,当物体的尺寸小于光波的波长时,光学显微镜无法观察到其细节。
然而,随着科技的不断发展,人们对于超越光学衍射极限的需求也越来越迫切。
在近年来,随着光学超分辨技术的不断突破,一种全新的视野正在展开。
光学超分辨技术的突破主要依赖于两种关键技术,即近场光学显微镜和荧光标记。
1. 近场光学显微镜近场光学显微镜是一种能够绕过光学衍射极限的显微镜技术。
光学显微镜为我们提供了观察微观世界的途径,然而,其分辨率一直受到限制。
近场光学显微镜通过在物体和探测器之间引入纳米刻度的探测器探头,使得探测器能够接近或直接接触被观察物体表面,从而绕过了光学衍射极限。
这种技术的发展极大地拓宽了我们对微观领域的认知。
2. 荧光标记技术荧光标记技术是另一种突破光学衍射极限的重要技术。
利用荧光标记,科学家们能够将荧光标记剂附着在被观察对象的表面或内部,从而对其进行标记。
这些荧光标记剂能够发光,并且能够通过特定的光源进行激发。
通过对荧光标记的观察和分析,科学家们能够获得超过光学衍射极限的分辨率。
这一技术的应用广泛,涵盖了生物医学研究、纳米材料研究等领域。
然而,值得注意的是,光学超分辨技术的突破并非毫无限制。
其存在一定的条件限制和技术难题。
例如,对于近场光学显微镜来说,由于纳米刻度探测器的制造和操作难度较大,其运用仍面临挑战。
同时,荧光标记技术也需要克服标记剂的选择、标记过程的可靠性等问题。
对于这些挑战,科学家们正在不断探索和研究,以期开拓更广阔的研究领域并提出更有效的解决方案。
总结而言,光学超分辨突破光学衍射极限的挑战是一个具有挑战性和前瞻性的课题。
通过近场光学显微镜和荧光标记技术的应用,科学家们正在突破光学衍射极限,实现对微观领域的更细致观察和研究。
尽管还存在一些技术难题,但相信在不久的将来,光学超分辨技术将会得到更为广泛的应用,为科学研究和各个领域的发展带来新的突破。
光学成像中的超分辨率技术研究
光学成像中的超分辨率技术研究超分辨率(Super-resolution)技术是一项光学成像中的重要研究领域,其目标是通过利用图像处理方法,从低分辨率图像中恢复出高分辨率的细节信息。
超分辨率技术在许多领域中都有广泛的应用,例如医学成像、军事监控、航天遥感等。
在本文中,将介绍超分辨率技术的原理和常见方法,并讨论其在光学成像中的应用。
超分辨率技术的原理是基于信号处理和图像处理的理论,旨在通过从多个低分辨率图像中提取高频细节信息来增加图像的分辨率。
常见的超分辨率技术包括插值方法、子像素运动估计和重建方法、基于学习的方法等。
插值方法是最简单也是最常用的超分辨率技术之一、它通过对低分辨率图像进行插值操作,使其像素数量增加,从而增加图像的分辨率。
常见的插值方法有最邻近插值、双线性插值和双三次插值等。
这些方法的缺点是在增加分辨率的同时会引入模糊和伪像等问题。
子像素运动估计和重建方法是一种通过对多张低分辨率图像进行像素级别的运动估计和像素插值操作来恢复高分辨率图像的方法。
运动估计过程中,算法会根据图像的模糊程度和几何变换等因素来估计像素的位移信息。
重建过程中,算法会根据估计的位移信息对低分辨率图像进行插值操作,从而恢复出高分辨率图像。
这种方法在处理连续运动物体的图像时效果较好,但在存在遮挡物或非刚性运动的情况下效果较差。
基于学习的方法是一种利用机器学习算法从大量训练样本中学习低分辨率图像与高分辨率图像之间的映射关系,并使用学习到的映射关系对新的低分辨率图像进行超分辨率的方法。
常见的学习方法包括基于插值的方法、基于统计的方法和基于正则化的方法等。
这些方法的优点是能够利用大量的训练样本,提高图像的重建质量和细节恢复能力。
超分辨率技术在光学成像中具有重要的应用意义。
例如,在医学成像中,超分辨率技术可以提高病理切片的图像质量,帮助医生更准确地诊断和治疗疾病。
在军事监控中,超分辨率技术可以提高图像的清晰度和细节恢复能力,帮助军事人员更准确地判断和分析目标情况。
光学超表面概述
光学超表面概述光学超表面(Optical Metasurface)是一种由亚波长尺寸的微观结构组成的人工光学材料,它能够实现对光波的相位、振幅、偏振和波前等属性的精确控制。
超表面技术的发展为光学领域带来了一系列革命性的进步,包括高效率的光学元件、超紧凑的光学系统以及新型光电器件等。
本文将对光学超表面进行概述,分析其工作原理、主要特性、应用领域以及未来发展趋势,为光学超表面的研究和应用提供参考。
一、光学超表面的工作原理光学超表面的工作原理基于对光波的微观调控。
当光波入射到超表面上时,超表面的微观结构会对光波产生散射和衍射作用,从而改变光波的传播特性。
通过精确设计超表面的微观结构,可以实现对光波相位、振幅、偏振和波前等的精确控制。
二、光学超表面的主要特性1. 亚波长尺度:超表面的微观结构尺寸远小于光波的波长,因此超表面可以实现高精度的光波调控。
2. 人工设计:超表面的微观结构可以通过人工设计来优化,以实现对光波的精确控制。
3. 多功能性:超表面可以实现多种光学功能,如透镜、波前整形、偏振控制等。
4. 高效率:超表面具有较高的光学效率,能够减少光的损耗。
5. 轻薄型:超表面通常具有较薄的厚度,有助于实现光学系统的紧凑化。
三、光学超表面的应用领域1. 光学成像:超表面透镜可以实现高分辨率的成像,用于手机、相机等设备。
2. 光学通信:超表面可以用于光开关、光调制器等通信器件,提高通信系统的性能。
3. 光学传感:超表面可以用于开发高灵敏度的光学传感器,应用于生物检测、环境监测等领域。
4. 光学计算:超表面可以实现高速的光学计算,为未来的光子计算机提供技术支持。
四、光学超表面的未来发展趋势1. 高性能超表面:通过材料创新和设计优化,提高超表面的光学性能,实现更高的光波调控精度。
2. 多功能集成:将多种光学功能集成到单一的超表面上,实现光学系统的多功能化。
3. 智能化超表面:结合人工智能技术,实现对超表面光学性能的实时调控和优化。
如何拥有透视的超能力
如何拥有透视的超能力
作者:雨雨
来源:《青少年科技博览(中学版)》2020年第11期
电影里的超人常常有一种叫透视的超能力,如隔着障碍物看到后面的物体。
你相信在现实中有这样的超能力吗?最近,美国麻省理工学院的研究人员宣称他们具有了这种超能力。
这种透视的超能力其实是借助人工智能技术实现的。
在研究中,研究人员隔着墙对做动作的志愿者发射一种频率较低的无线电信号,这种无线电信号可以穿过墙然后被人體反射回来,探测器能将反射回来的无线电信号收集起来。
但如何知道这些无线电信号代表哪些动作呢?研究人员在收集无线电信号的同时,将人的动作用摄像机拍摄下来,之后研究者让计算机利用人工智能技术将这些视频与无线电信号进行一一比对,总结出不同的信号对应的不同动作。
这样计算机就可以通过收集穿过墙体的无线电信号来鉴别出隔壁的人在做什么动作,甚至根据他的动作特征,鉴别出他是谁。
研究人员表示,这种技术是一把双刃剑,它可以被用来帮你监视家中的安全情况,也可以被用来窃取别人的隐私。
超表面技术在光学领域中的发展
超表面技术在光学领域中的发展超表面技术是一种在纳米尺度上精确控制和操纵光的技术,其应用领域越来越广泛。
尤其在光学领域中,超表面技术已经取得了重要的进展,成为改变光学器件设计和制造的关键技术之一。
一、超表面技术的发展历程超表面技术最早是在2011年由哈佛大学的团队提出,他们设计并制造了一种由纳米金属材料组成的超表面,可以精确控制光的传播方向和波长选择性。
随后,更多的研究团队加入到了超表面技术的研究中来,并逐渐发展出多种不同的实现方式。
随着纳米技术的发展和成熟,超表面技术的应用也逐渐扩大并深入,超表面元器件的制造和性能不断提高,在通信、光电子器件、太阳能等领域的应用也日益广泛。
二、超表面技术在光学方面的应用超表面技术在光学方面的应用主要包括以下几个方面:1. 光学成像由于超表面具有优异的分辨率和成像质量,可用于提高显微和光学成像的分辨率和精度,为光学领域的研究提供了更为丰富的手段。
例如,一种基于超表面通量计的微光成像系统,可以提供超高增益和分辨率,即使在极低照度下也可以捕捉到清晰的图像,适用于医学成像、夜视等领域。
2. 光学传感超表面技术在光学传感方面也具有广泛的应用。
通过准确控制超表面的结构和材料,可以实现测量温度、压力、湿度等各种物理量,具有重要的实际应用价值。
例如,一种基于超表面阵列的红外传感器可以检测各种温度和湿度变化,并可应用于气体检测、火灾预警等领域。
3. 光学信息处理超表面技术在光学信息处理方面也有很好的应用前景。
利用超表面的高度可控和频率响应性,可以设计出多种功能性光学器件,如透镜、滤波器、光栅和波导等,可用于光学通信、光学计算、光学存储等方面。
例如,一种基于超表面波导的射频光学非线性处理器,可以实现高速数据传输和处理,对未来的光学高速通信有重要的应用价值。
三、超表面技术的前景与挑战超表面技术以其让人瞩目的成果,越来越引起了人们的关注。
虽然超表面技术在光学领域中的应用已经取得了一定的进展,但是还有许多挑战需要克服。
2024版年度《光学》全套课件
2024/2/2
常见衍射现象
单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射 等。 03
衍射现象应用
04 光谱分析、光学成像等。
15
偏振现象及其产生原因分析
偏振现象定义
偏振是指光波中电场矢量方向在传播过程中有规则变化的现 象。
偏振产生原因
光波为横波,其电场矢量与磁场矢量相互垂直,且均垂直于 传播方向。当光波经过某些物质时,其电场矢量方向受到限 制,从而产生偏振现象。
3
光电效应规律及应用 总结光电效应的规律,如光电效应方程、截止频 率等,并探讨其在现代科技中的应用。
2024/2/2
20
玻尔原子模型及其意义探讨
2024/2/2
玻尔原子模型提出背景
介绍玻尔提出原子模型的背景,包括当时物理学界对原子结构的 认识以及存在的困难。
玻尔原子模型内容及假设
详细阐述玻尔原子模型的内容,包括原子的定态假设、频率法则以 及电子的跃迁等。
《光学》全套课件
2024/2/2
1
CONTENTS
• 光的本质与传播 • 几何光学基础 • 波动光学基础 • 量子光学基础 • 非线性光学简介 • 现代光学技术发展趋势
2024/2/2
2
2024/2/2
01
光的本质与传播
3
光的波粒二象性
2024/2/2
光的波动性质
光在传播过程中表现出波动性,如干涉、 衍射等现象。
普朗克黑体辐射公式
02
介绍普朗克为解决黑体辐射问题提出的能量量子化假设,以及
由此导出的黑体辐射公式。
公式验证及意义
03
通过实验验证普朗克公式的正确性,并探讨其在物理学史上的
重要意义。
19
超快光学揭示光与物质相互作用的动态
超快光学揭示光与物质相互作用的动态光是一种电磁波,也是一种粒子,它在我们生活中扮演着至关重要的角色。
光的研究不仅对于我们理解光学现象有着重要的意义,还对于探索物质的性质和相互作用具有深远的影响。
随着科技的进步,超快光学成为研究光与物质相互作用动态的一种重要工具。
超快光学是一门研究光的行为和相互作用的学科,它利用飞秒激光技术来观察光在极短时间内与物质的相互作用过程。
飞秒激光器能够发射出极短时间的激光脉冲,其时间尺度大约为飞秒(1飞秒等于10的负15次方秒),从而使得我们可以观察到光与物质之间快速而瞬间的相互作用。
超快光学揭示了光与物质之间的多种现象,例如吸收、发射、干涉、透射、折射等等。
利用超快光学,我们可以观察到光在材料中的传播速度、色散现象以及能带结构等。
同时,超快光学也被广泛应用于光通信、激光制造、材料科学和生物医学等领域。
超快光学的实验过程通常包括以下几个步骤:首先是激光的产生和调制,通过激光器产生出特定的飞秒激光脉冲,并对其进行调制以满足实验需求;其次是样品的制备和处理,根据研究的目标选择适当的样品,并进行制备和处理以保证实验的可靠性;然后是光学实验的搭建,将激光脉冲引导至样品上,并通过相应的光学元件来观察光与物质的相互作用;最后是实验数据的处理和分析,根据实验结果进行数据分析和理论模拟,从而得到有关光与物质相互作用的动态信息。
超快光学在科学研究和工程应用中都发挥着重要的作用。
在科学研究方面,通过超快光学我们可以更加深入地理解光与物质之间的相互作用机制,揭示物质的特殊性质和行为规律。
在工程应用方面,超快光学可以用于光通信技术的研究和改进,提高通信速度和传输质量;可以应用于激光制造领域,实现更精确的材料加工;还可以应用于生物医学领域,帮助研究人员更好地理解生物分子和细胞的结构与功能。
总之,超快光学为我们揭示了光与物质相互作用的动态,拓展了我们对光学现象和物质性质的认识。
它在科研和工程领域都有着广泛的应用前景。
光学中的超分辨成像技术
光学中的超分辨成像技术超分辨成像技术是目前光学领域的一个热门话题。
光学成像是一种通过光学系统来获取目标物体信息的技术,而超分辨成像技术则是要在前者的基础上,提高成像质量,实现更加细节化的成像结果。
本文将结合理论和实践,对光学中的超分辨成像技术进行深入探讨。
一、超分辨成像技术的理论基础超分辨成像技术的核心在于一种叫做衍射极限的理论。
这个理论认为,在成像中,一个物体在图像中的最小分辨率受到了光波传播的限制,这个极限被称为衍射极限。
达到这个极限,我们才会得到正真意义上的清晰可见的图像。
而在衍射极限外的物体,则会被模糊掉,无法分辨。
为了突破这个限制,科学家们想到了各种办法。
其中主要的两种方法分别是超分辨率显微镜和衍射限制解析成像技术。
二、超分辨率显微镜超分辨率显微镜的发展是在1950年代初期,由Ernst Abbe首先提出的折射率为1.5-1.6的物质是作为透镜的极限。
这一发现将光学成像的空间分辨率极限确定为半波长大小(0.2μm的蛋白质、20-30nm的细胞分子等)。
在此之前的研究中,传统光学显微镜是无法观察到这样小的物体的。
所以人们想到了一些更微小的物体来作为显微镜,例如透射电镜,扫描电子显微镜等。
但是这些显微镜对进行成像的样品要求比较高,而透射电镜还会对样品造成伤害。
因此,人们开始研究超分辨率显微镜。
其中最早的一种是激光荧光显微镜(STED)。
激光荧光显微镜通过对样品进行扫描,然后让样品中的某一部分发光,并快速扫描激光束,从而得到图像。
但是传统荧光信号上的光子数量受到依赖荧光剂分子数目、照射光强度、模糊滤波器和探测器响应等多种因素的影响而受到限制。
为此,科学家通过选择特定波长的激光光束,并在中心光束周围加上一个形状特定的控制激励光束,进一步减小了荧光信号的尺寸。
STED显微镜与传统荧光显微镜相比,具有更高的空间分辨率和更高的信噪比,这意味着它可以获得更清晰的图像,并且可以获得对光学分辨率的一种比较好的突破。
神秘隧道光学原理
神秘隧道光学原理
神秘隧道光学原理是指一些粒子在经典物理学意义下无法通过的障碍物,但在量子力学意义下却可以通过,即隧道效应。
在量子力学中,粒子的行为是波粒二象性的,存在着一定的概率波函数穿越障碍物的能力。
因此,在一些特殊情况下,光子能够通过障碍物,而不是被反射或散射,这种现象被称为光子隧道。
在实际应用中,光子隧道可以用于光通信、光计算等领域。
例如,在光通信中,光子隧道可以用来增加光纤传输的距离和速度。
在光计算中,光子隧道可以用来实现光子之间的交换和相互作用,从而加速计算速度。
总的来说,神秘隧道光学原理是一种有趣且实用的量子现象,对于光通信、光计算等领域有着广泛的应用前景。
透视成像技术
beiliwzl123@
常见透视成像技术的分类
正常人体各部位温度不同,形成了不同 的热场。根据这一原理,通过热成像系 统采集人体红外辐射,并转换为数字信 号,形成伪色彩热图。
CT是对X光的进一步深入,用X线束对人 体某部一定厚度的层面进行扫描,由探测 器接收透过该层面的X线,转变为可见光 后输入计算机处理成像。 超声波是指任何声波或振动,其频率超过 人类耳朵可以听到的最高阈值20KHz。被 广泛应用于医学检查、金属探伤、工件清 洗等。其中最常见的就是B超。
安检缉私
透视成像技术在安检缉私方面有大有作为。现在在各大 车站,机场、海关等场所都离不开安检仪,为人们出行 扫除了安全隐患。
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安检缉私
在大型集装箱/车辆检查方面,清华同方威视公司则一枝独秀。 同方威视技术股份有限公司,简称“威视股份”,是一家源于清华大学的,以 辐射成像技术为核心,以提供自主知识产权的高科技安检产品为主要特征的 安检设备或安检系统供应商。 作为为数不多的大型集装箱安监供应商,同方威视已在国际市场成为高端技术 设备供应商,占有相当大的市场份额。
• 技术异化
但是,同时有些技术本身诞生的时候目的是好的,也就是说出身是好的, 但是后来由于后天的原因它慢慢的变坏了,由“服务”于人类变成了 “危害”人类。这就是我们要讨论的技术异化。
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透视成像技术
透视成像技术是各种透视技术的总称。 目前主要包括X光、超声波、CT、热成像技术等。 它们在医学、军事、安检、材料学等领域发挥了重要 的作用。 虽然基本原理不尽相同,但是异曲同工的共同的满足 了人们对于透视成像的需求。
从哲学的角度讲其实质是因为技术具有自然和社会二重属性产生了不同价值判断之间的冲突科学技术对社会所产生的利弊不是科学本身造成的是科学群体的社会观政治观道德观以及科学与社会制度的关系与意识形态的关系与道德伦理的关系与各方面利益的关系所造成的
超分辨光学技术的应用
超分辨光学技术的应用超分辨技术,又叫超分辨率技术,是指利用计算机算法或硬件设备技术,通过对图像信息进行处理和重构,使得图像的分辨率超过传统光学极限,达到高精度和高清晰的效果。
超分辨光学技术的应用非常广泛,例如医学、生物学、材料科学、半导体物理、光学成像等领域,都有着重要的应用,下面就针对这几个领域分别进行简单地介绍。
一、医学领域在医学图像处理领域,超分辨技术被广泛应用于放大和分析各种生物医学图像的细节。
例如,超分辨技术可以增加阴影区域在X线和CT扫描中的分辨率,从而实现对身体器官的精确定位,同时还可以检测出更细微的异常或病变细节。
此外,超分辨技术还可以被用于医学图像的重建,尤其是在MRI等成像技术中,一些微小结构可能会被看作是噪声,导致图像信息的損失。
超分辨技术可以通过去噪及图像重建技术帮助将这些微小结构还原出来,并提高数据的分辨率和准确性。
二、生物学领域在生物学研究领域,超分辨技术是一个非常重要的工具,特别是在细胞和分子层面上的研究中。
例如,原本通过传统的荧光探测方法无法解决激光束照射纳米颗粒时吸收光谱存在交叉干扰等类似问题,超分辨技术可以通过对图像进行处理和重构,解决这些问题,使得图像分辨率得到提高,达到更高的可视化效果。
因此,超分辨技术可以帮助科学家更好地探测和观察生物细胞和分子,促进对生物过程密切的研究。
三、材料科学领域材料科学是一个涉及到材料设计、制备和实际应用的广泛领域。
在这个领域中,超分辨技术可以帮助研究者观察结晶形貌和材料的局部成分,更好地理解材料的分子,它们的结构与功能之间的关联。
此外,超分辨技术也有助于材料的纳米结构和缺陷在表面上及其区域性的研究,从而帮助提高材料设计和制备的准确性和有效性。
四、半导体物理领域半导体光电子学是应用最广泛的应用领域之一。
超分辨成像技术在半导体物理研究中有着重要的作用。
例如,超分辨技术可以被用于探测半导体材料的光子发射和吸收特性,由此得到更准确的半导体性能信息。
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光学:超级透视【按】2015为国际光学年, 著名期刊上有很多相关的内容. Optics: Super vision, Nature 518, 158-160 (12 February 2015) doi:10.1038/518158a 就是其中的一篇新闻综述报道. 科学网上有相应的摘译可见光也能‖透视‖肉身, 但忽略了一些内容. 我根据原文对红枫原来译文进行了修正和补译, 供感兴趣的人参考.可见光也能”透视”肉身科学家欲把天文光学技术用于活体组织透视成像你可能会说我的想法很疯狂, 但我认为, 我们最终能运用光学技术对整个身体器官进行成像.It seemed too good to be true, says Allard Mosk. It was 2007, and he was working with Ivo Vellekoop, a student in his group at the University of Twente in Enschede, the Netherlands, to shine a beam of visible light through a ‗solid wall‘-a glass slide covered with whitepaint-and then focus it on the other side. They did not have a particular application in mind. ―I really just wanted to try this because it had never been done before,‖ Mosk says. And in truth, the two researchers did not expect to pick up much more than a faint blur.听起来似乎好得令人难以置信, Allard Mosk说. 2007年, 身为荷兰特文特大学恩斯赫德分校教授的他和自己团队里的一名学生Ivo Vellekoop一起工作时, 用一束可见光穿透了一面‖固体墙‖——表面覆盖着白色油漆的载玻片——然后让这些光聚焦在载玻片的另一边. 当时他们对于如何应用这一现象并没有产生确切的想法. ―我只是想试一试, 因为之前从没有人这样做过.‖ Mosk说. 可以说, 当时两位研究人员头脑中除了一点模糊的影子, 并没有其他的想法.But as it turned out, their very first attempt1 produced a sharp pinprick of light a hundred times brighter than they had hoped for. ―This just doesn‘t happen on the first day of your experiment,‖ exclaims Mosk. ―We thought we‘d made a mist ake and there must be a hole in our slide letting the light through!‖然而, 实验结果表明, 他们第一次实验1得到的清晰光斑比他们希望的要亮100倍. ―这样的好运你不会一开始实验就撞上.‖ Mosk吃惊地说. ―我们想可能是自己犯了什么错误, 载玻片上一定有一个孔可以让光通过. ―But there was no hole. Instead, their experiment became the first of two independent studies1, 2 that were carried out that year pioneering ways to see through opaque barriers. So far it is still a laboratory exercise. But progress has been rapid. Researchers have now managed to obtain good-quality images through thin tissues such as mouse ears3, and are working on ways to go deeper. And if they can meet the still-daunting challenges, such as dealing with tissues that move or stretch, potential applications abound. Visible-light images obtained from deep within the body might eliminate the need for intrusive biopsies, for example. Or laser light could be focused to treat aneurysms in the brain or target inoperable tumours without the need for surgery.但载玻片上没有任何孔. 而他们的实验也成为了当年开启‖透视‖不透明物质的两项独立实验12中的第一项. 到目前为止, 这项工作仍处于实验室阶段, 但相关进展非常迅速. 研究人员现已设法对一些薄的身体组织, 如老鼠耳朵3等进行优质成像, 而且不断进行深入研究. 如果他们可以战胜许多棘手的挑战, 如找到应对活动或是伸展组织的方法, 就会推动其潜在应用. 比如, 如果可以利用从身体组织深层获得的可见光影像, 将不再需要侵入性的活体组织检查; 或者可以在不进行外科手术的情况下, 用激光集中治疗大脑动脉瘤等不宜手术的肿瘤.―Just ten years ago, we couldn‘t imagine high-resolution imaging down to even 1 centimetre in the body with optical light, but now that has now become a reality,‖ says Lihong Wang, a bi omedical engineer at Washington University in St. Louis, Missouri. ―Call me crazy, but I believe that we will eventually be doing whole-body imaging with optical light.‖―10年前, 我们甚至难以想象利用光学对身体组织进行精度为1厘米的高分辨率影像成像, 但现在这些已经成为事实.‖ 美国密苏里州华盛顿大学圣路易斯分校的生物工程学家Lihong Wang说, ―你可能会说我的想法很疯狂, 但我认为, 我们最终会用光学技术对整个身体器官进行成像.‖丰富来源 Rich sourceIt is already possible to peer inside the body with X-rays and ultrasound. But the images produced by such tools are crude compared with those that should be possible with visible light. Partly this is because visible-light images tend to have higher resolution, says Wang. But it is also because optical wavelengths interact strongly with organic molecules, so the reflected light is packed with information about biochemical changes, cellular anomalies and glucose and oxygen levels in the blood.目前, 已经可以用X射线和超声波窥探到身体内部, 但如果与可见光可能获得的影像相比, 这些手段获取的影像都过于粗糙. Wang表示, 部分原因是可见光影像倾向于拥有更高的分辨率. 但也因为光学波长与有机分子的相互作用更强, 因此反射出的光荷载着生物化学变化, 细胞异常和血液中的葡萄糖, 氧气含量等信息.However, those interactions also make visible light prone to scattering and absorption. Absorption will scupper any imaging attempt: the information the photons pick up is lost as they are absorbed into the material. Scattering, however, preserves a ray of hope. Many materials, such as skin, white paint or fog, are ‗opaque‘ only because photons passing through them ricochet until they are thoroughly scrambled. But they are not lost-so in principle, the scrambling can be reversed.然而, 这些相互作用也使得可见光易于发生散射与吸收. 吸收会破坏任何企图成像的尝试: 由于光子被材料吸收, 它们携带的信息也会丢失. 然而, 散射仍然保存着一线希望. 很多材料如皮肤, 白色油漆或雾, 都是‖不透明‖的, 这只是因为光子会弹跳着通过它们直到被完全置乱. 但这些光子没有丢失——因此在原则上, 这种置乱是可逆的.Astronomers have already solved a version of this scattering problem using a technology called adaptive optics, which allows them to undo the distortions imposed on images of stars, planets and galaxies by the scattering of light in the atmosphere (see Nature 517, 430-432; 2015). The basic idea is to collect light from a bright reference star and use an algorithm to calculate how the atmosphere has smeared and blurred its point-like image. The algorithm then controls a special ‗deformable‘ mirror that cancels out the atmospheric distortions, turns the guide-star image into a point, and at the same time brings other distant objects into sharp focus.天文学家已经使用一种叫作自适应光学的技术解决了这类散射问题中的一个问题, 这让他们可以纠正因大气层中的光散射造成的恒星, 行星和星系图像的变形(参见Nature 517,430-432; 2015). 其基本思路是从一颗明亮的参考恒星收集光线, 并用一个算法计算大气如何使得恒星的点状图像模糊变形. 这个算法事实上控制着一个特殊的‖可变形‖的镜子, 用以抵消大气扭曲, 将‖吉他‖状的恒星图像恢复成点, 同时还能将其他远距离的天体清晰聚焦.Unfortunately, this technique is tough to use in the body. Targets deep inside biological tissues do not shine the way that stars do-they have to be illuminated from the outside-and the scatterers are much more densely packed than those that scatter light in the atmosphere. ―You‘d need the equivalent of a deformable mirror with billions of moving parts to compensate for the scattering caused by an egg shell,‖ says Ori Katz, an optical physicist at the Langevin Institute in Paris. That is why Mosk and Vellekoop were not too hopeful of success when they started. Still, the pair took heart from the advance of technology. ―Until recently it had been preposterous to think you could control a million pixels, but, by 2007, every smartphone could do it,‖ says Mosk.不幸的是, 这种技术很难在生物体内使用. 生物组织深处目标的闪光方式与恒星不同——必须从外部照亮它们——而且散射体比大气层中光的散射体密集得多. ―你需要一个拥有上百亿活动部件的等价的可变形镜子才能补偿一个鸡蛋壳产生的散射.‖ 法国巴黎劳厄·朗之万研究所的光物理学家Ori Katz说. 这就是Mosk和Vellekoop开始时对成功没有抱太大希望的原因. 然而, 二人依然从技术进步中得到了鼓励. ―直到最近, 可以控制一百万像素一直都曾被认为是荒谬的, 但到2007年, 所有的智能手机能做到这一点.‖ Mosk说.They therefore made use of a ‗spatial light modulator‘: a device similar to an LCD smartphone display that can control the transmission of different parts of a laser beam by delaying one part relative to another. They fired their laser through the modulator towards the painted glass slide, placed a detector beyond the slide and used a computer to monitor how much light the detector picked up. The computer then added and subtracted delays at each pixel of the modulator, going through a process of trial and error to see what changes minimized the scattering of the laser light as it passed through the slide. In effect, it was trying to give the incoming light a distortion that the opaque barrier would exactly cancel out. Mosk and Vellekoop ran the algorithm for more than an hour, and when it was donethey had a result that beat all their expectations: a focus that was a thousand times more intense than the background signal1.他们因此采用了一种‖空间光调制器‖: 一个与LCD智能手机显示器类似的设备, 通过对激光的一部分相对另一部分进行延迟, 它可以控制一束激光不同部分的传播. 他们通过调制器将激光照向涂了油漆的载玻片, 把一个探测器放在载玻片的另一侧, 并用计算机监测探测器收集到多少光. 然后, 计算机会加上或减掉调制器每个像素的延迟, 通过试错过程, 观察当激光通过载玻片时, 哪些改变会让其散射最小化. 实质上, 它试图对入射光进行扭曲, 以便精确地抵消不透明的屏障. Mosk和Vellekoop将这个算法运行了一个多小时, 当完成后得到了一个完全超出预期的结果: 聚焦的光强是背景信号强度的1000倍1.―The Mosk experiment was an eye-opener,‖ says Katz. ―It changed the paradigm of what could be done with optical light.‖―Mosk的实验让人大开眼界,‖ Katz说, ―它改变了光学适用的范围模式. ―Soon after his succcess, Mosk learned of similar work being done by bioengineer Changhuei Yang and his team at the California Institute of Technology in Pasadena.在获得成功之后, Mosk很快了解到帕萨迪纳市加州理工学院的Changhuei Yang与其团队也进行了相似的工作.These researchers had used a different technique to focus scattered optical light, and a different opaque substance: a thin slice of chicken breast2. But they, too, were surprised by how easy it was to do. ―I had thought ‗we‘ll spend six months on this, and when it doesn‘t work, we‘ll chalk it up as a learning experience‘,‖ says Yang. ―But actually it wasn‘t that hard.‖这些研究人员使用了一种不同的技术来聚焦散射光, 也采用了一种不同的不透明物质: 一片鸡胸切片2. 但实现这种技术的容易程度也同样让他们感到惊讶. ―此前我认为, 我们可能要在这项研究上花费6个月, 如果不可行, 我们打算把它作为一次学习经历.‖ Yang说, ―但实际上它并没有那么难.‖Soon after the two papers were published, the field exploded as other physicists rushed to join in. One of them was optical physicist Jacopo Bertolotti, who came to work with Mosk in 2010. Bertolotti, now at the University of Exeter, UK, says that he was drawn both by the ―beauty of the experiment‖ and by the potential it offered for m edical imaging. But he could see that that goal was still a long way off.这两篇论文发表后不久, 随着其他物理学家的迅速介入, 该领域的研究呈现出爆炸式的增长. 光物理学家Jacopo Bertolotti就是其中之一. 曾在2010年加入Mosk的工作团队, 现在英国埃克塞特大学工作的Bertolotti表示, 他为‖这项实验的漂亮‖及其展现出的医疗成像潜力所吸引, 但是他也表示, 实现这一目标依然有很长的路要走.The first issue that Bertolotti faced was that Mosk‘s original set-up required a camera to be placed behind the opaque surface. That is a problem for medical applications because placing a camera under the skin would involve surgery, which would be invasive, dangerous and rarely worth the risk. In 2012, however, Bertolotti, Mosk and theircolleagues devised a way to put both the laser light source and the detector in front of the surface4.Bertolotti面临的首个问题是, Mosk的原始设备需要将摄像机放置在不透明表面的后面. 对于医疗应用来说这是个问题, 因为在皮肤下放置摄像机需要动手术, 这可能是侵入式的, 危险且存在一定风险. 然而, 在2012年, Bertolotti, Mosk与同事设计了一种把激光源和探测器都放置在载玻片前的方法4.Their target was a fluorescent Greek letter π just 50 micrometres across hidden behind a thin opaque screen. As such, the target was roughly the same size as a cell and analogous with medical techniques that involved injecting fluorescent dyes into living tissue to aid in imaging. When the laser was switched on, the photons would bounce their way through the screen and produce a diffuse illumination of the fluorescent π. The light reflected from the letter would then make its way back through the screen and produce a blurry speckled pattern on the other side. It was like trying to see the symbol through a shower curtain.他们的目标是一个仅有50微米大小的荧光希腊字母π, 字母被隐藏在一层不透明薄片之后. 这样, 目标与一个细胞的大小大致相同, 类似于向活体组织注射荧光染料帮助成像的医疗技术. 当打开激光后, 光子会跳跃着通过屏幕, 并使荧光字母π产生一种漫射照明. 从字母反射的光会反向通过屏幕, 并在屏幕的另一面产生模糊的斑点图案. 这就像试图透过浴帘看见符号那样.Yet the shape of the letter was still encoded in the scattered light. To retrieve that shape, the team recorded the speckle pattern, moved the laser to shine at a different angle, then recorded the new speckle pattern4. By repeating this many times and comparing the patterns point by point, a computer could work out how the patterns were correlated-and from that, work backwards to reconstruct the hidden letter π.然而, 这个字母的形状依然被编码在散射光中. 为了恢复其形状, 该团队记录了斑点模型,把激光移动到不同的角度进行照射, 然后记录这些新斑点4. 通过重复这一过程多次, 以及对图案进行点对点的对比, 计算机可以计算出这些图案之间是如何关联的, 并基于此进行逆向运算, 重建隐藏的字母π.That was progress, says Bertolotti, but it still was not good enough. ―It only works if the object to be imaged is on the other side of the scattering medium,‖ he says. For many medical applications, such as seeing inside the brain, or within a blood vessel, the target is buried within tissue.Bertolotti表示, 这是一个进步, 却仍然不够理想. ―它只有当要成像的物体位于散射介质背面时才起作用.‖ 他说. 对很多医疗应用来说, 如观察大脑内部或是血管内部, 目标都掩藏在组织内部.透视内部 Inside outThe challenge of imaging inside the scattering medium has been taken up by a number of groups, including Yang‘s and Wang‘s. In 2013, for instance, Yang‘s team achieved this feat with unprecedented resolution by picking out a fluorescent bead just one micrometre across sandwiched between two artificial opaque layers5.目前, 已有多个研究组在尝试解决散射介质内部成像这一挑战, 其中就包括Yang和Wang 的团队. 例如, 在2013年, 通过识别出放在两片不透明人工薄片之间, 仅有1微米大小的荧光微球, Yang的团队以前所未有的分辨率展示了他们高超的技术5.Yang, together with biologist Benjamin Judkewitz and the rest of his team did this by illuminating the medium and letting the light bounce its way through to the other side, then reflecting it back with a ‗time-reversing‘ mirror, which effectively forces every light ray to exactly retrace its steps. Time-reversing all the rays would simply undo all the scattering, however. So instead, the team focused an ultrasound beam-which is not easilyscattered-at one point in the medium, knowing that any optical light that happened to pass through that point would undergo a slight shift in frequency. Then on the far side, the researchers set up the time-reversing mirror tuned so that it would send back only the light that had experienced that frequency shift. The result was a thin, time-reversed beam that would automatically pass back through the focus and add its energy to the light from the first pass. This turned the ultrasound focus into a spot of comparatively high radiation intensity-―a torch inside the wall‖, says Judkewitz, who is now at the Charité University Hospital in Berlin. Better still, the ultrasound focus could be moved around within the medium. And when it passed over the bead, the bead fluoresced (see ‗Light and sound‘).Yang, 再加上生物学家Benjamin Judkewitz及其团队成员所采用的方法是, 先对介质进行照明, 让光以弹跳的方式通向另一侧, 再使用时间反转镜将其反射回来, 从而有效地迫使每一束光线精确地回溯其路径. 然而, 对所有光线进行时间反转只会简单地消除所有散射. 因此, 作为替代, 团队将超声波束–它不容易散射–聚焦于介质中的一点, 这样任何通过该点的光其频率都会发生很小的偏移. 然后在另一边, 研究人员设置了时间反转镜, 并将其调整得只能传回那些有频移的光. 结果得到了一个薄的, 时间反转的光束, 它自动通过焦点传回并将其能量添加到第一次通过的光. 这样就将超声聚焦变成了一个具有较高辐射强度的点–―墙中火炬‖, 柏林Charité大学附属医院的Judkewitz说. 更好的是, 超声聚焦可在介质中移动. 当它穿过微球时, 微球就会发出荧光(参见‖光与声‖).However, the technique was still a long way from seeing into deep layers of tissue, which pose another, much tougher challenge: they tend to move constantly as a result of blood flow and breathing. ―We are still not so close to medical applications because these techniques tend to work only if the scattering medium is perfectly frozen in time,‖ says Mathias Fink, a physicist at Langevin who pioneered a version of the time-reversal technique in the 1990s that used ultrasound alone6. Most groups have reduced the timing from Mosk‘s original hour or so to just tens of seconds, says Katz, and that is fine for imaging a bead or a letter π, but not for imaging a tumour in the body.然而, 这种技术距离观察深层活体组织还有很长的路要走, 这也提出了另一个更加艰难的挑战: 由于血液的流动与呼吸作用, 组织经常处于移动之中. ―我们还没有很接近医疗应用, 因为这些技术往往只有当散射介质完全静止时才能起作用,‖ Mathias Fink说. 他是朗之万研究所的一名物理学家, 曾在上世纪90年代率先提出了仅仅使用超声波的一种时间反转技术6. 大多数研究组都已经将处理时间从Mosk原本的一小时左右减少到几十秒, Katz说, 这对微球或字母π成像是可以的, 但还不适合用于体内肿瘤的成像.But last year, a team led by Sylvain Gigan, a physicist at the Kastler Brossel Laboratory in Paris, and including Katz and Fink, demonstrated a way to reconstruct the image of thehidden object in just one camera shot7. ―It‘s a bit like magic when you see the algorithm converge on the final ima ge,‖ Gigan says. ` 然而在去年, 一个由巴黎卡斯特勒·布罗塞尔实验室物理学家Sylvain Giga领导的团队, 还有Katz和Fink, 展示了一种仅用单次摄影构建隐藏物体影像的方法7. ―当看到算法收敛到最终的影像时, 你会觉得有点儿像变魔术.‖ Gigan 说.Wang agrees that speed is of the essence. ―Everything is in motion and we only have a millisecond-scale window to make an image,‖ he says. In a paper published in January3, Wang and his team managed to g et the speed down to 5.6 milliseconds, ―which is fast enough for selected in vivo imaging‖, he says. Furthermore, their target was made from ink-stained gelatin and sandwiched between the ear of an anaesthetized mouse and a ground-glass diffuser. Getting success with a live mouse is impressive, saysBertolotti-although he points out that ―moving from a mouse ear, which is relatively thin, to imaging human skin and flesh will still take a lot of extra work‖.Wang表示, 速度是关键. ―一切都在运动, 而我们只有毫秒级别的时间窗口进行成像,‖ 他说. 在一月份发表的一篇论文中3, Wang及其团队成功地将成像时间缩短到5.6毫秒, ―对于体内成像这已经足够快了‖, 他说. 此外, 他们的目标用墨水染色的明胶制成, 放置于麻醉小鼠的耳朵和毛玻璃散射器之间. 对活体小鼠取得成功令人印象深刻, Bertolotti说–但他指出, ―从相对较薄的小鼠耳朵, 到对人体皮肤和血肉进行成像仍将需要很多的额外工作.‖As of today, Bertolotti adds, there is still no imaging approach that stands out above the rest. Each has its advantages and disadvantages. ―Rather than developing one technique that‘s good for everything, I think we‘ll develop a suite of techniques that could one day all be combined into the same piece of apparatus,‖ he says. ―I don‘t know how quickly that might happen, but this is a young and fast-moving community, so it could be within a few years.‖截至今日, Bertolotti补充说, 还没有一种成像方法脱颖而出, 每中方法都有其优点和缺点.―与其开发一种适用于一切的好技术, 我认为我们应该开发一套技术, 所有这些技术有一天可能会被运用到同一个设备中,‖ 他说. ―我不知道这多快会发生, 但这是一个新的, 快速发展的领域, 所以可能在几年之内就会发生.‖The techniques now being pioneered by bioengineers and physicists for medicine could also be put to a range of other purposes. Mosk, for example, believes that these methods could be a tool for art restoration. ―Most painters build up works in several layers, and the layers below can influence the chemical and physical ageing of the painting, so it‘s of some significance that you know what is in there if you want to preserve it,‖ he says. Methods that in effect unscatter light could also help the telecommunications industry to unscramble the noise in optical fibres that is caused by scattered light. 生物工程师和物理学家正在开创的这项医学技术也可用于其他领域. 例如, Mosk认为这些方法用于修复艺术品. ―大多数画家的作品都有几层, 下面的层可以影响绘画的化学物理老化, 所以如果你想保护这些绘画, 知道下层是些什么非常有意义.‖ 他说. 实际上非散射光的方法也可以帮助电信行业消除光纤中由散射光导致的噪声.Another obvious customer is the military, says Fink, who thinks that the technology could be used to allow soldiers to see through a portable shield-either a physical screen or afogging spray-that obscures them from their enemy‘s view. ―It‘s not the same as being invisible, but it would allow you to see others while not b eing seen,‖ he says.另一个明显的客户是军队, Fink说. 他认为利用该技术士兵可以通过便携式屏蔽看到东西–无论是物理屏幕还是喷雾–但敌人却无法发现他们.‖ 这与隐形不同, 但它同样可以让你看到别人, 而不被别人发现.‖ 他说.Almost all the scientists in this young field get excited when they start dreaming of applications. But Gigan, for one, is keen to keep the applications above board. ―When we tell people what we do, someone always asks if we‘ll create a phone app to let people look through shower curtains,‖ he says. ―This is something that could be done with our technique-but we don‘t intend to do it.‖当开始想象这一技术未来的应用前景时, 几乎所有在这一新领域中工作的科学家都感到兴奋. 不过Gigan, 他们中的一个, 倾向于将该技术用于正当的方面. ―当告诉人们我们所做的事情时, 总会有人问, 我们是否会创造一个手机应用程序以便让人能通过浴帘看到里面的东西, ―. 他说, ―利用我们的技术, 这是可能的–但我们不打算这样做. ―参考文献1.Vellekoop, I. M. & Mosk, A. P. Phys. Rev. Lett. 101, 120601 (2008). ↩↩2↩32.Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S. & Yang, C. Nature Photon. 2, 110-115 (2008).↩↩23.Liu, Y. et al. Nature Commun. 6, 5904 (2015). ↩↩24.Bertolotti, J. et al. Nature 491, 232-234 (2012). ↩↩25.Judkewitz, B., Wang Y. M., Horstmeyer, R., Mathy, A. & Yang, C. Nature Photon. 7,300-305 (2013).↩6.Cassereau, D. & Fink, M. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 39,579-592 (1992). ↩7.Katz, O., Heidmann, P., Fink, M. & Gigan, S. Nature Photon. 8, 784-790 (2014).。