浅谈光学在生活中的应用

浅谈光学在生活中的应用

摘要：主要论述了光学的应用。如：x射线在医学上的应用，光纤通信发展现状及配电网上的实施方案，OLED显示技术，全系技术的原理及应用前景等。关键词：x射线光纤通信 OLED显示技术全系技术激光应用

英文摘要：Mainly discusses the application of optical. Such as: X-ray in medical

applications, optical fiber communication development status and distribution online plan, oled display technology, all is the principle and the application prospect of technology, etc.

正文

一 x射线在影像医学的应用

从1895年德国物理学家伦琴发现X线至今已有100多年的历史，X线透视和摄片为人类的健康做出了巨大的贡献，而今影像医学作为一门崭新的学科，在近20年中以技术的快速发展和作用的日益扩大而受到普遍的重视，在我国大中城市的大医院中，影像学科已成为医院的重要科室，在医院的医疗业务、设备投资、科研中占有重要的地位。

第一X线影像形成的原理

X线之所以能使人体在荧光屏上或胶片上形成影像，一方面是基于X线的特性，即其穿透性、荧光效应和摄影效应；另一方面是基于人体组织有密度和厚度的差别。由于存在这种差别，当X线透过人体各种不同组织结构时，它被吸收的程度不同，所以达到荧光屏或X线片上的X线量即有差异。这样，在荧光屏或X线片上就形成黑白对比不同的影像。

因此，X线影像的形成，应具备以下三个基本条件：首先，X线应具有一定的穿透力，这样才能穿透被照射的组织结构，第二，被穿透的组织结构，必须存在着密度和厚度的差异，这样，在穿透过程中校吸收后剩余下来的X线量，才会是有差别的；第三，这个有差别的剩余X线，仍是不可见的，还必须经过显像这一过程，例如经X线照片或荧光屏显像，才能显示出具有黑白对比和层次差异的X线影像。

X线穿透密度不同的组织时，密度高的组织被吸收的多，密度低的组织被吸收的少，因而剩余的X线量就出现差别，从而形成黑白对比的X线影像

第二密度

(一) 物质密度与影像密度物质密度即单位体积中原子的数目，取决于组成物质的原子种类。物质密度与其本身的比重成正比例。物质的密度高，比重大，吸收的X线也多，影像在照片上呈白影，在荧光屏上黑暗。反之，物质的密度低，比重小，吸收的X线也少，影像在照片上则呈黑影，在荧光屏上明亮。由此可见、照片上的白影与黑影或荧光屏上的暗与明都直接反映物质密度的高低。在术语中，通常用密度的高与低来表达影像的白与黑。例如用高密度、中等密度和低密度或不透明、半透明、透明等术语表示物质的密度。人体组织密度发生改变时，则用密度增高或密度减低来表达。由此可见，物质密度和其影像密度是一致的。

但是，X线照片上的黑影与白影，还与被照器官与组织的厚度有关，即影像密度也受厚度的影响。

(二) 天然对比与人工对比

天然对比根据密度的高低即比重的大小，人体组织可概括分为骨铬、软组织(包括液体)、脂肪和存在于人体内的气体四类。这种由人体不同组织间天然存在的密度差别所显示的对比，称为天然对比。兹将它们的比重和X线吸收比例列于表l—l—1如下：

第三 CT上的应用

X线CT扫描机(Computed tomography)，以下简称CT。是70年代初发展起来的一门新的X线诊断医学科日，它把X线与电子计算机结合起来，并把其影像数字化，彻底改变了传统的直观的影像方法和贮存方法。1972年英国EMI公司首先制成第一台头部CT扫描机，这是由英国工程师G．N．Hounsfield (亨斯菲尔)设计成的，同年在美国芝加哥的北美放射学会上向全世界宣布了这项伟大的成果。从此使X线的发展得到重大的突破与飞跃。

X线影像是把具有三维的立体解剖结构摄成二维的平面团像，影像相互重叠，相邻的器官或组织之间如对X线的吸收差别小，则不能形成对比而构成图像。虽然体层摄影可解决影像重叠问题，造影检查可使普通X线检查不能显示的器官显影，但影像的分辨力不高，一些器官或组织，特别是由软组织构成的器官仍不能显影。1969年Hounsfield设计成计算机横断体层成像装置。经神经放射诊断学家Ambrose应用于临床，取得极为满意的诊断效果。它使对X线吸收差别小的脑组织和脑室以及病变本身显影，并所得颅脑影像为横断面图像。这种检查方法称之为计算机体层成像。这—成果于1972年英国放射学会学术会议上发表，1973年在英国放射学杂志上报道，引起人们极大的关注。这种图质好、诊断价值高而又无创伤、无痛苦、无危险的诊断方法是放射诊断领域中的重大突破，促进了医学影像诊断学的发展。由于对医学上的重大贡献，Hounsfield获得了1979年的诺贝尔医学生物学奖。这种检查方法开始只能用于头部，1974年Ledley设计成全身CT装置，使之可以对全身各个解剖部位进行检查，扩大了检查范围。此后，CT装置在设计上有了很大发展，临床应用也非常普遍。

二光纤通信及在配电网上的应用

光纤通信技术发展的现状

(一)波分复用技术。波分复用技术可以充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源。根据每一信道光波的频率(或波长)不同，将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端采用波分复用器(合波器)，将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器(分波器)将这些不同波长承载不同信号的光载波分开。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立(不考虑光纤非线性时)，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。

(二)光纤接入技术。光纤接入网是信息高速公路的“最后一公里”。实现信息传输的高速化，满足大众的需求，不仅要有宽带的主干传输网络，用户接入部分更是关键，光纤接入网是高速信息流进千家万户的关键技术。在光纤宽带接入中，由于光纤到达位置的不同，有FTTB、FTTC、FTTCab和FTTH等不同的应用，统称FTTx。FTTH(光纤到户)是光纤宽带接入的最终方式，它提供全光的接入，因此，可以充分利用光纤的宽带特性，为用户提供所需要的不受限制的带宽，充分满足宽带接入的需求。目前，国内的技术可以为用户提供FE

或GE的带宽，对大中型企业用户来说，是比较理想的接入方式。

光纤通信在配电网上的实现方案

光纤通信的组网方式非常灵活，可以构架成星型、链型、树状、网状、单纤网、双纤网、环上多分支、多环相交、多环相切等各种拓扑结构的网络。

根据配电自动化系统的特点，光纤网通常需组成环型网，并与计算机局域网连接，实现数据共享。常用的组网方式如图3所示。

图3中：“S”表示网络服务器，“W1、W2、Wn”表示工作站，“b”表示变电所，“k”表示开闭所，“T”表示配电变压器。

实际工程设计中，充分考虑到电力通信专网拓扑结构的复杂性，SDH传输系统可以采用多达126个E1(2M口)全交叉连接和双主光环+多光分支的设计思想。基本构架为1～3个SDH ／STM-1双纤自愈环相交或相切，而且在需要时，可通过更换光卡的方式在线升级为SDH／STM-4。如果局调度中心局域网位于网络地理中心，建议设计为相切环，以调度中心为切点，如图4所示；如果局调度中心局域网偏离网络地理中心，建议设计为相交环，由于调度中心不在交点，为了环间可靠转接，各环相交至少两点，互为保护路由，如图5所示。

三 OLED显示技术

OLED，即有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode)，又称为有机电激光显示

(Organic Electroluminesence Display，OELD)。OLED因具有柔软、透明、画质清晰、节能环保等特点，被视为是下一代最具潜力的新型平面显示技术，因此从2003年开始，这种显示设备在MP3播放器上得到了广泛应用，而对于同属数码类产品的DC与手机，此前只是在一些展会上展示过采用OLED屏幕的工程样品，还并未走入实际应用的阶段。但OLED屏幕却具备了许多LCD不可比拟的优势。

OLED显示原理

OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括了：空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。当电力供应至适当电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合，产生光亮，依其配方不同产生红、绿和蓝RGB三原色，构成基本色彩。OLED 的特性是自己发光，不像TFT LCD需要背光，因此可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，加上反应快、重量轻、厚度薄，构造简单，成本低等。

OLED照明应用技术

与其它照明光源相比，以平面发光为特点的OLED具有更容易实现白光、超薄光源和任意形状光源的优点，同时具有高效、环保、安全等优势。因此，白光OLED作为一种新型的固态光源，在照明和平板显示背光源等方面展示了良好的应用前景。市场调研公司NanoMarkets预测，使用OLED的照明市场的产值规模在2014年将扩大至10亿美元。目前，高效率、长寿命的白光器件的研究是OLED在照明领域发展的重点。磷光材料由于具有高效特征，因此在白光照明领域被广泛看好。

白光OLED的发展目标，是成为真正的低成本、高效率、长寿命的平板白光光源。在过去十多年的研究工作中，白光OLED在效率和寿命方面都取得了长足的进步，但距实用化和商品化还有一定的距离。白光OLED面临的挑战是提高器件在高电流工作状态下的效率和寿命。新材料和新结构的开发和使用有望解决这两方面的困难。近年来，欧美各国在OLED照明领域投入相对大的资金。GE、UDC、Osram公司获得了美国政府的项目支持，开发OLED照明技术。美国能源部在OLED照明光源技术发展规划中指出：2007年，用于照明的白光OLED效率将达到50 lm/W、寿命超过5000小时；2012年，其效率将达到150 lm/W、寿命超过1万小时、制作成本也会大幅下降。

柔性显示应用技术

柔性OLED显示是显示技术领域的最热门的研究课题之一。OLED相比其它柔性显示器具有更多优点：它是自发光显示、响应速度快、视角宽，由有机材料制备，弯曲能力强等。因此对显示效果要求高的便携产品和军事等特殊领域有非常广泛的应用。

柔性显示需要解决的主要问题是电极层以及有机层的附着性能、基板的气密性、封装和驱动技术。目前，已有CDT、UDC、Samsung、Pioneer、SONY和我国清华大学等试制了高分子和小分子OLED软屏样品，有源驱动技术和薄膜封装技术的应用也极大地丰富了柔性显示的色彩和延长了OLED的寿命。在2007 SID展会上，SONY公司首次推出了TFT驱动的2.5英寸柔性OLED样品，实现了约1670万色的全彩显示，像素尺寸为318 μm见方，精细度为80 ppi，实现了最高的精细度。

由于OLED对于水、氧非常敏感，如何避免这两种气氛对器件的影响是柔性OLED发展的首要因素。研究表明，OLED要求水汽的渗透能力在10-5g/m2/day以下，但传统的金属或玻璃封装不适合柔性器件的封装，如何避免水、氧对器件的影响是柔性OLED发展的主要课题。Vitex公司利用聚合物无机材料交替复合薄膜(PML)阻隔水氧，其开发的软屏基板产品具有与玻璃相媲美的阻隔效果(见表2)。日本先锋公司计算，利用这种技术封装的器件，在1000 cd/m2的起始亮度下，最长寿命可超过5000小时。不过现阶段由于OLED软屏的封装技术还远未成熟，因此柔性OLED显示技术还处于基础研究阶段。

四全系技术

全息技术第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，此即拍摄过程：被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息图；其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的全息图，在相干激光照射下，一张线性记录的全息图型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

全息技术的应用前景

全息显示

全息显示主要利用全息照相能重现物体三维立体图像的特点，因全息片能给出和原物大小一样、细节精美、形状逼真的三维图像，所以是极有发展前景的应用之一。它可以用来复制历史文物艺术珍品、全息肖像、全息装饰品和全息风景画等也可用于超景深照相，使远距离到近距离的物体同时记录在一张全息底片上。而从其再现像中逐次按不同距离分层观测，不受普通照相景深的限制。全息显示常用的全息术有：透射和反射全息、像面全息彩虹全息、真彩色全息、合成全息和模压全息等多种类型。其中除透射全息图需要用激光再现外，其余都可用自光再现，从而使在自昼自然环境中可观察到三维景像。近年来模压全息逐步进入到人们生活中，并受到人们的欢迎和喜爱模压全息把浮雕艺术和照相艺术相结合，用多层次体现三维空间，极具有观赏价值它除了作为艺术全息品便于携带和保存外，已广泛用于防伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图等领域，国内外都已形成一种巨大的产业。

防伪全息摄影技术

据保守的估计，全世界每年由于伪造支付手段(货币、支票) 身份证、信用卡等，以及赝品，即仿冒各类高档商品和高级消费品侵犯专利权等给世界经济和工业造成近1000亿美元的损失。此外仿冒产品低劣的质量还严重损害了名牌产品的形象为了在全球范围内与这种经济犯罪作斗争，在过去的一些年里，全息摄影开发出了特殊全息图片类型形式的特别有效的防伪手段，并可与有关产品的制作过程良好结台。这里值得一提的例子有：彩虹全息图片、体积和振幅反射全息图片“及光聚物银盐和重铬酸盐全息图片。由于全息媒分巨大的存储容量和多面性，全息图片具有广泛的适用性，全息的防伪标记可以记录、存储和(配以保安特征转移到护照、信用卡以及诸如化妆品、酒类、体育用品、家用电器、录像带、录音带、药品、汽车和飞机配件等各种各样的产品上。热压凸垒息术是制作保安全息图片的有效手段。这里也可清楚地看到不同的全息摄影市场已融台一体在防伪方面，制作技术极为烦锁，因为模压全息图片必须带有附加的保安特征以防复制。对于专业实验室、印刷厂和加工企业来说，这方面的市场已经形成，但其发展规模还无法估计主要市场有：防伪标记有价卡证和多功能卡证系统，以及鉴别、加密、人口控制和脱机系统。

生物医学方面

全息以它独特的优点解决了许多其他技术难以解决的问题，为疾病的诊治做出了贡献。激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片所提供的信息相当于

480张普通眼底照片所提供的信息。在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同位置(如角膜、前房、晶状体、玻璃体以及视网膜等)进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部分单独的三维立体图像以做深入的检查。在临床检查中，利用全息诊断方法可以查出直径在1 mm以上的乳腺癌，有利于癌症的早期诊断和治疗。超声全息可用于医疗上的透视等。

全息数据存储

用全息照相方法进行资料存贮，全息底片可在电子系统控制下通过移位实现换页，再现时可采用细激光束照明全息图。全息信息存贮的典型代表是激光全息超缩微图书资料存贮。目前达到的水平：在1mm光斑内，可清楚记录10000个汉字，在l05×148mm2的底片上可记录l2000页资料。而且记录速度抉，可达每秒记录一页，还可实现立体存贮，保密存贮。这一技术可广泛应用于图书馆、情报信息中心、海关、专利局、医院公安及军事指挥系统。全息信息存贮不仅可实现高密度、大容量、加密快速存贮，还能与计算机联机实现图文原件自动检索。

一般全息图的记录介质是感光乳剂，它通过受光乳剂的黑度来记录振幅分布;同样也可以用铌酸锂 (LiN b O3)单晶来记录。在 1cm3大小的这种单晶内 ,可以贮存1000幅全息图。这是因为在光的照射下 ,铌酸锂折射率的改变量正比于入射光强，而表现出的纯位相分布的多层性可以记录多层全息图的缘故 ,其记录的分辨本领可超过 1600线 /mm。可以证明，以全息图或付立叶频谱的方式来贮存信息和恢复信息比用实像好。这种信息贮存方式也许就是人脑中贮存信息的方式，至少为研究这类问题提供了一个可能的模型。

五激光的应用

激光品酒

过去酒的味道好坏一般都是由老资格的品酒师亲口评定。这种评酒方式既费时，鉴定酒的标准又不一定公正、客观。最近，美国物理学家培亚特发明了一种“品”酒的激光装置，它不但能品尝出酒的味道，而且还能测出酒的酿造时间。

培亚特是通过测量酒中离子的大小和数量而得出结论的。他用投射激光束穿透盛酒的试管，酒中离子散射的强弱和方向便在图像上显示出来。由于各种酒各有不同的漂浮离子，因而图像上构成独特的曲线。含有大离子的酒散射出大量的光并呈现出升降急剧的曲线，这种酒的味道是低劣的。好味道的酒显示出的曲线是平滑的，即酒中所含离子的大小是均匀的，因而酒味亦特别醇。

激光戒烟

国外医学家利用激光，对吸烟者进行耳穴照射，就能够永久性地戒掉他们中的大多数人的烟瘾。

这种激光戒烟术，依据的是我国传统的针刺疗法理论，现已获得80％的成功率，新加坡的两位医学家花了8个月的时间完成了这一试验。他们自信是世界上第一批通过激光照射吸烟者的外耳部位，成功地改变人们吸烟嗜好的医生。在新加坡一家诊所接受治疗的40名吸烟者中，只有6人没能改掉他们的吸烟嗜好。现已有2000多人到诊所登记，要求治疗。

吸烟给人带来一种十分强烈的刺激，即产生自身宿氨酸肽，也就是自身的吗啡激

素。一旦停止吸烟后，吗啡激素含量指数降得太低，人往往就会烦爆不安、神经紧张，甚至产生恐慌。激光戒烟就是通过控制人体内吗啡激素的含量，使人们在戒烟时神经放松，而不至于情绪太坏。医学专家指出，他们的疗法会改变吸烟者对吸烟的味觉，增多唾液和调节自身吗啡激素。经过二三次的治疗，接受治疗的吸烟者有的对香烟的味道很反感，有的开始感到香烟中难忍的苦味，其中一些人便一点也不肯品尝香烟。

激光戒烟，不仅没有痛觉，而且没有任何感觉，既安全，又迅速。他们所用的仪器是一架标准的低功率激光发生器，以及一些物理医疗设备，吸烟者必须接受为期3周的治疗，每周1次，每次20秒。治疗者所需要的首先是决心，其次是每次治疗所需支付的1新加坡元，也就合47美元，非常低廉。

激光缝衣

英国科学家最近利用激光代替针线，成功地“缝制”了一件衬衫，这项创举对传统服装业提出了新的挑战。

科学家首先将一层能够吸收红外线的液体涂在衬衫要“缝合”的部位，然后将边沿叠在一起，使液体夹在两层要“缝合”的衣料之间；再利用低能量红外线激光照射这个重叠部分，将这种化学流体加温使衣料轻微融化，从而焊接要“缝合”的部分。利用这种技术“缝”出来的各类衣物十分结实、耐用，而且适用于羊毛衣、透气衣及目前流行的弹性衣料。在“缝合”防水衣物时，这种技术尤其派得上用场，因为现在缝制这种衣物，必须对接口进行防水加工，但用激光“缝合”，完工后接口已经变得滴水不漏。

激光鲜藏

沙藏、灰藏、窖藏……很久以前人们就开始研究应用食物的保鲜储藏方法。直到今天，化学熏蒸法、冷藏法、生物杀菌法乃至高压放电气体保鲜法等等应运而生，但始终没有哪个“法”能比得上激光辐射保鲜储藏法。

激光辐射保鲜储藏技术，也就是以高能射线与物质作用产生物理效应和生物效应的理论和技术为基础，使用γ射线、X射线和电子射线对食品进行照射，从而达到杀虫、灭菌、提高食品卫生质量、保持或改善食品的营养品质和原有风味，以及延长食品储藏期和销售期的目的。

例如粮食，全球收获的粮食由于受害虫、微生物危害，每年损失20％左右，我国近年来的损失率约18％。尽管已经广泛地应用了化学熏蒸技术，但这些化学农药始终无法彻底地杀死存在粮食表面或内部的各种病虫细菌。谁有使用射线辐射，才可望把它们灭绝而避免损失。

水果保鲜更是难上加难。水果之所以采摘后会很快腐烂，是由于果实所携带的细菌、霉菌、寄生昆虫作祟，而对付它们的最好办法也惟辐射效果最佳。这也就是在美国本土自然储藏的商品期只有3－6天的草莓，如今竟能新新鲜鲜漫游全世界的奥秘了。辐射，还能抑制根茎类作物的成熟发芽，这就使得那些须长期保存待来年作种子的薯类、洋葱等，久藏而不坏。连那些带皮食用的娇嫩的浆果都可以借助辐射的神力而鲜藏，更不用说那些水产品、禽畜肉类、蔬菜、干杂山货等等了。辐射技术保鲜几乎囊括了人类的全部食品。如今它的应用甚至扩展到了化工材料的辐射加工、商品的无损消毒、养护。其独到的效果和优良的性能，无不令人叫绝。

当然人类最关心的首要问题还是：使用经辐射的食品安全吗？40多年的研究结果是令人皆大欢喜的：一切食品在辐照强度数量级103－105拉得范围内进行辐射，人类使用的安全性是不容置疑的。辐射鲜藏技术以它无可比拟的优越性得到了人类的青睐，联合国为此成立了国际辐射保藏食品研究计划署。如今，连许多发展中国家也都以空前的热情来研究、推广应用这一技术。

激光培育蔬菜

日本东海大学开发出把半导体激光用于蔬菜栽培技术，提高了蔬菜的营养成分。新技术采用播放DVD所用的蓝色和红色激光，取代现在“植物工厂”里使用的钠光灯照射温室里栽培的蔬菜，两种激光的比例是10：1.采用新技术后，蔬菜中维生素C 含量能够增加10％。

结束语

由此可见光学可以应用到CT机、光纤通信、OLED显示技术、防伪标识、贺卡、商标、纪念封和图书插图、癌症检测、品酒和戒烟等上。

参考文献

【1】李荣玉．石英光纤抗辐照加固的研究[J]．上海交通大学学报，2000

【2】马礼敦《近代X射线多晶体衍射—实验技术与数据分析》2004

【3】王典民激光全息照相技术[M] 吉林科学技术出版社 1993 2-8

【4】李明激光全息技术的发展及应用趋势研究激光杂志 2005

【5】彭国贤，《显示技术与显示器件》人民邮电出版社。