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1.以山水为主的自然景观在一些有众多自然资源的地方,教师在美术鉴赏课上必须引导学生关注家乡的山水自然风光。绍兴有著名的水乡、桥乡、酒乡、兰乡、书法之乡、名士之乡之称。绍兴境内江河密布,被称为“水乡泽国”和“桥都水城”,具有很高的欣赏价值和艺术价值。
2.以人文历史为主的文化遗产绍兴的历史人文文化悠久,在南宋的时候,政治中心向南迁移。公元1131年间越州成为绍兴首府,历经元、明、清三个朝代。绍兴府一度是南宋的陪都和攒宫,建筑工整,街道井井有条,石桥玲珑,气宇轩昂,都市繁华,是典型的水乡之城。绍兴在水利设施的建设方面也很有建树,明代的三江闸工程,使内河和外海的水患得以有效解决,舜种嘉谷和禹治洪水的传说、遗迹,也给绍兴添加了几分神秘的色彩。
二、乡土文化的无限魅力
1.身边的美术城市学校的教学硬件设施优良,有图书馆、博物馆和丰富的网络资源,而农村学校的教学硬件条件就要差很多。但农村中有千姿百态的自然风光,这些都是丰富的自然教学材料,是针对农村学生开展美术鉴赏课程教学的基础题材,是取之不尽、用之不竭的宝藏。将乡土文化带入小学生美术鉴赏课堂,有利于学生熟知身边的风土人情及古老的文化,有利于培养学生热爱家乡的感情,用善于发现美的眼睛去观察身边的艺术,这会潜移默化地使学生的艺术鉴赏能力得到长足的进步和提高。绍兴当地的自然资源很丰富,是美术课堂上的宝藏。以自然环境为创造基础,以地方特色为创作的源泉,鼓励学生从身边取材,开发生活中的优秀创作资源,发挥个人创作的意识,创造出具有当地文化色彩的作品。由此,学生在学习美术的同时,将艺术鉴赏能力和对乡土文化的认知能力提高到了一个新的高度。
2.风土人情、淳朴的乡土文化家乡的风土人情具有典型的地域特色,是其他地方所不及的,如果进行充分的开发,绝对是一笔宝贵的财富。让学生在家乡进行采风,感受古老而浓郁的纯正的乡间文化,将现场人物访谈的艺术采风教学模式融入写生课教学,是一种非常好的教学方法。这种美术活动可以加深学生对绍兴的地域风光及传统文化的更深层次的了解,使其有更加亲近的接触和认识。虽然农村的美术课堂教学存在自身的局限性,但只要教师发掘其优势,用优势来弥补其劣势,将乡土人情融入美术课堂,跳出纯艺术的小圈子,进入美术文化的大环境,注重乡土文化在农村美术教学中的应用,就能用当地的美术资源使农村的美术教学更有生气和活力。
三、乡土美术教育的方法
1.从乡土中寻找真实的家园教师在美术教学过程中应多留些时间给学生,让他们自己去想、去感受、去体会、去欣赏。在美术课堂中,教师可以带领学生来到乡间的古老的小山村,与小山村近距离接触。在这里学生可以闻古人所闻,见古人之见,穿越回古代去寻找古人留下的点点滴滴,找回自己的精神本体。
2.在乡土中释放应有的激情绍兴是鲁迅的故乡,也是著名无产阶级革命家的祖籍。此地山川秀美,历史人物众多,名人荟萃,为历代人所歌颂。因此,教师应该带领学生深入了解当地文化,使其认识乡土文化中的精华。
四、结语
关键词:网络;图书馆;医院
网络时代的到来,极大地促进了医院信息化的发展,带来了用户需求的大变化。传统的图书馆已不能适应社会发展的需要。为了适应社会的快速发展,医院图书馆就需要逐步向高度的数字化方向迈进,逐步扩大自己的网络规模。医院图书馆的工作应该是充分利用网络优势开展工作。
1医院图书馆的现状
我国卫生资源发展极度不平衡,位于大城市的大型综合性医院的图书馆和发达地区的医院图书馆基础建设、设备条件较好,基本能跟上形势发展的要求。但是,也有相当部分医院图书馆长期处于投入少、社会化程度低的状况。主要表现在:①缺乏整体规划,经费投入不足。由于近些年图书、期刊价格不断上涨,超出医院经费投入比例,造成书刊入藏量的不断下降,信息资源来源困难。②服务手段落后,大多数仍停留在手工借阅手段,只有约半数的医院图书馆配备了少量电脑,且大多数未得到充分利用,未连接因特网。③图书管理方式落后,各馆之间往往各自为政,相互封闭,不能实现资源共享[1]。④被动服务,等客上门。图书馆员仅注重对“知识宝库”的保护,而对知识和信息资源的开发利用缺乏主动权和积极性。
2网络化图书馆的特点
网络化图书馆有自己独到的特点。这些特点主要表现在:
①信息资源的数字化
网络图书馆是以数字化为基础,图书馆的信息大量存于光盘及其他介质的存储库中。网络图书馆的其他特点都是建立在数字化基础上的,这是网络图书馆与传统图书馆之间最大的区别。
②信息资源的网络化
信息的网络化,使信息的使用更标准化、科学化和规范化。
③信息资源的高度共享性
资源的共享性建立在数字化和网络化的基础之上,有了以上两方面的支持,使信息的共享成为可能。医务工作者在图书馆就可以查询到自己想要的信息,所有的人可共同享有同一份文献资料,使交流和科研变得更加快捷。
④信息管理资源的自动化
管理者数据资源的采集、加工、存储、传输都离不开计算机的支持,使用者也是通过计算机终端才能进行网络的查询和阅览,使其在真正意义上实现管理的自动化[2]。
⑤信息资源实体的虚拟化
实体图书馆与虚拟图书馆相结合,在实体的基础上趋向于虚拟化,构成了网络实体的虚拟化。在数字图书馆中,用户通过网络可以到达世界上任何地方的数字图书馆,使其在世界范围内相互交流。[3]
3改变医院图书馆现状的策略
3.1积极争取医院领导的支持
图书馆要发展,医院领导重视和支持是关键。主动及时向领导请示、汇报工作,要说服他们用长远的眼光看待图书馆。医院新技术、新项目的开展,科研课题的研究,专业论文的撰写,管理决策的提出以及医院医疗水平的提高,都是通过强有力的信息支持来实现的[4]。没有领导的支持,图书馆的现状无法改变。获取支持需要图书馆工作人员的智慧和策略。只有做好信息服务工作,促进医疗不断向前发展,才能证明图书馆的价值。
3.2突破医院图书馆的传统模式,向数字化、特色化、网络化的方向发展[5]。
3.2.1人才是关键
如果一个医院没有图书馆,这个医院是不完整的;或虽然有图书馆,但人员严重不足,且不能胜任工作,要实现医院的预定目标也很困难。另一方面,如果没有发挥图书馆应有的作用,图书馆的地位也不能提高。图书馆在医院整个建设中发挥作用,需要工作人员的创造性劳动和为医务人员提供优质的文献信息服务。
3.2.2创新是前提[6]
作为信息知识集散地的医院图书馆,创新是其生存、发展的重要保证与必然选择。创新不是口头上的标新立异,而是从理论研究、管理模式、技术服务和人才培养等原有模式中脱颖而出,是从客观实际出发,找准自身坐标,根据新形式、新环境的需要,制定切实的战略目标,达到传统与现代的完美结合。参考文献
[1]李秀英,孟昭鹏.网络环境下小型医学图书馆的困惑及发展方向.中华医学图书情报杂志,2002,11(4):21-22.
[2]张晓文.关于医院图书馆信息化管理的分析.医学信息:医学与计算机应用,2004,17(8).
[3]黄萍,杨俊志.利用网络图书馆的特点做好医院图书馆的工作.中华临床医药杂志,2004,5(15).
[4]任郁芳.医院图书馆的发展要与时俱进.中华医学写作杂志,2004,11(12).
缺少对突发事件应急管理的事后绩效评估
虽然近些年高校校园突发事件发生的频率不断攀升,但相比校园日常生活事件,仍为少数,高校对突发事件的管理,除了没有相对应的应急方案外,对处理应急事件之后的绩效评估也是相当的不足,存在很严重的缺失,并没有对发生在校园的每一类突发事件进行有关的经验总结,这对未来学校应对突发事件是十分不利的,不利于学校在应急管理方面的发展。缺乏之前相关经验的收集与汇总,使得在应对类似的突发事件时,总是无法迅速、有效的解决,而时间拖延所带来的后果,有时将是不堪设想的。因此,在高校校园中应对突发事件时,对当前事件的妥善处理并不是整个突发事件应急管理的终点,而应在此基础上,完善对每一次突发事件应急处理的经验汇总与收集,进行全方位的绩效评估。
项目管理与高校突发事件应急管理的关联
项目管理是现代管理实践的一种先进的、科学的管理理论和方法,项目管理是以项目为对象的系统管理方法,通过一个临时性的、专门的柔性组织,对项目进行高效率的计划、组织、指导和控制,以实现项目全过程的动态管理和项目目标的综合协调与优化。科学的项目管理理论已被国防等领域广泛采用,并表现出了突出的优势。项目管理的特性与高校校园应急管理存在很多的相通之处,高校管理者可以借鉴项目管理的方法,将其与校园应急管理相融合,从项目管理的理论中汲取与应急管理相关的科学方法,制定出一套有效的应对校园突发事件的管理方法。
1项目管理与高校校园突发事件应急管理的组织机构
项目管理的系统方法,是通过一个临时的、专门的柔性组织对项目进行科学管理,这与突发事件的应急管理很相似。突发事件作为一个不可预测的事件,发生迅速,形式多变,在学校日常的管理活动中,应当设置一个专门的机构,有相关的人员对发生在学校的突发事件进行处理。但由于突发事件的形式较为复杂,这个组织机构中的人员并不是一成不变的,对于其中的有专业知识的核心人员,应长期在该组织中任职,但其他一部分人员,则可以根据校园突发事件的不同,任用不同的人员,但这部分人员应当在该组织中备案,以便事件发生时,及时参与。同时,高校校园的开放性,可以允许从校外邀请相关专家,进行专业的指导,以最大化保证在校师生的利益不受损害。
2项目管理与高校校园突发事件应急管理的目标
科学的项目管理,目的是为了在一定的时间内,对有限的资源进行合理的安排,实现资源的最大化利用,并通过对项目的计划与事前预测,高效地对项目进行组织、实施、控制,以最低的成本,实现全方位的协调和最高的收益。高校校园突发事件应急管理也具有这样的特征,应对校园突发事件时,需要在最短的时间内,明确目标,应用项目管理WBS的方法,将任务目标分解,利用一切可以利用的资源,对已发生的事件进行迅速的处理。由于突发事件发生后所带来的结果是非常严重的,这就使得项目管理成为一种被管理者迫切需要采用的理论方法,所以,这就需要突发事件的管理者,在充分理解项目管理内涵的基础上,找出项目管理与高校校园突发事件应急管理目标的关联性,从而准确的运用项目管理的先进技术与方法,积极的应对校园突发事件,以使突发事件所带来的消极性后果降到最低,以保障在校师生的利益,整体提升学校处理突发事件的能力。
3项目管理与高校校园突发事件应急管理的项目生命周期
项目的生命周期是描述项目从开始到结束所经历的各个阶段的,一般包括“定义,计划,执行,交付”四个阶段,实际工作中根据不同领域或不同方法再进行具体的划分。项目管理的科学方法贯穿整个项目周期,在项目运行过程中的不同阶段,不同的组织、个人和资源扮演着不同的角色。项目生命周期的设定也决定了我们可以利用项目生命周期理论,来将项目和执行组织的连续性操作链接起来。高校校园突发事件作为一个个相互独立又相互关联项目,可以运用项目生命周期理论来安排相关事宜。通常,高校校园中的突发事件是独立的,但同类性质的突发事件的应对措施是相通的,从事前的预防,到事件发生时采取的有效措施,再到事后对应对突发事件的效果的考核与绩效评价,都是与项目管理的科学方法相互关联的,正确的理解项目生命周期的真正含义将会使校园突发事件应急管理的系统方法逐步完善。
项目管理在高校突发事件应急管理的应用
科学的项目管理方法是:项目的管理者在有限的资源约束下,运用系统的观点、方法和理论,对项目涉及的全部工作进行有效地管理,即从项目的决策开始到项目结束的全过程进行计划、组织、指挥、协调、控制和评价,以实现项目的目标。高校校园突发事件的管理者,可以借鉴项目管理的方法,高效的进行团队整合、计划制定、方案实施、绩效评价等,使学校形成一套系统的突发事件应急管理措施。针对目前高校校园内在突发事件应急管理中存在的问题,通过建立项目管理与校园突发事件应急管理的关联性,有效地完善当前校园突发事件应急管理中存在的不足,使校园突发事件的应急管理执行方案成为可以有效保障在校师生安全及社会最大利益的法宝。
1基于项目管理的理念构建应对突发事件的柔性组织
项目管理方法的运用始于项目的定义、计划阶段。同样的,高校校园若要形成一套有效的突发事件应急管理方案,就要从构建一个应对突发事件的组织机构和制定应急预案开始,这是有效应对突发事件与迅速处理突发事件的前提。校园突发事件应急管理机构的建立,应当首先选取具有专业知识的人员,组建强有力的组织,该组织中的人员应当在具备突发事件应急管理的知识的同时,对所在高校的具体情况,诸如学校设施、在校师生人数有十分详细、全面的了解,否则,将无法胜任校园突发事件应急管理的工作。该组织中的人员应分为两大类,分为常在组织中任职的人员,和临时工作人员。常在组织中的人员在校园日常工作中,以制定预案、关注校园动态为主;而临时人员,应当在该组织备案,主要任务为在发生突发事件时对校园突发事件的处理,平时主要为其他部门服务。这样的机构设置,具有灵活性,既避免了不必要的人员浪费,也避免了不熟悉相关处理程序的人员无法胜任职务、导致办事效率不高的后果,有效的利用人力资源。接下来,在制定校园突发事件应急预案时,应当对不同的突发事件进行分类,如可分为自然灾害、校园安全事故等,不同的突发事件,应当采取不同的措施,分别有针对性的对待不同的突发事件,将更有利于突发事件发生后迅速、准确的解决出现的问题,而不会导致手忙脚乱的局面。同时,与制定预案同等重要的是,在学校的日常管理中,必须提高所有高校在校人员积极应对突发事件的意识与理念。应对突发事件是所有在校人员在日常生活中需要解决的问题,而不仅仅只局限在管理层。高校在校人员,应当了解学校有关的制度与实施方案,以及应对突发事件时自救的常识,以便全体人员较快的开展应对突发事件的各类措施。
2基于项目管理的方法实施应对突发事件的科学方案
项目管理的科学方法,是指在项目的实施过程中,在有限的时间内,充分利用有限的资源,对目标进行分解,合理部署人员,以使项目可以高效、迅速的完成。高校校园突发事件的应急管理过程,正具有这样的特性,发生较快,可利用的人力、物力资源有限,所以,利用项目管理的科学方法已成为当下各高校应对校园突发事件的必然选择。在校园突发事件发生后,相关组织机构要合理的安排人员,结合先前制定的预案与所发生的问题,明确目标,采用标准化的方法,利用项目管理WBS方法,将任务层层分解,明确责任,以使各应对措施全方位的展开,避免不必要的浪费和不应有的时间拖延。在对不同类型的突发事件进行处理时,应采取不同的方案。如在应对自然灾害时,高校管理者应根据自己所处的地理位置的不同,事先做好当地多发灾害应急措施,提前预警;灾害发生后,应将在校人员及时进行疏散,并进行安抚与心理健康的调查;面对灾害所带来的财产的损毁,应当及时清理并进行抢救,尤其是学校的重要资料的保护,同时,设施重建也是自然灾害发生后所面临的主要问题,项目管理理论将有利于灾后应急管理中灾害严重程度的评估、资源的有效利用与所需资金的估测,以便管理者迅速的做出决策,合理的进行灾后重建。
3基于项目管理的目标建立应对突发事件的绩效评价
一、.产生职业倦怠,自主发展专业的积极性不高。
新课改对中学历史教师的角色定位、专业发展等提出了更高、更新的要求,使得教师在短时间内感到过度的负荷和角色冲突的不适应,而这种冲突和不适应又使教师产生了过高的职业压力,从而进一步加深了教师的职业倦怠情绪。职业倦怠的教师常常会满足于现状。同时,他们会用消极、悲观和漠不关心的态度和行为对待职业和自身发展。这种不思进取常常会造成教学能力低下,久而久之,他们就会有一种低个人成就感,无意也无力提高自身的专业水平和教学质量,即使是“偶有为之”,积极性也不高。
二、.知识结构状态与历史课程改革要求存在明显的差距。
长期以来,历史教师的知识结构存在着明显的缺陷,其中相对固定的“史实”和“结论”过多,与其它学科知识的有机联系欠缺。更为重要的是,这种知识结构具有一种静态的特质,过于固定化,具有这种知识结构的教师,其历史专业知识的获得和更新大都依赖于比较消极的外部给予。一些历史教师,长期以来就是围绕着一本教科书教学,教科书以外的内容知之甚少,更不必说对相关学科知识的了解。而在新的历史课程实施过程中,历史教师如果简单依靠原有的知识结构进行教学,就会出现各种困难和矛盾。
三、.应试教育的评价标准使得教师无心实施新课改理念。
新课程理念要求面向全体学生,注重个性发展;要求中学历史教师迅速走进新课程,改进原来习以为常的教学方法、教学行为和教学手段。这些理念无论是对教师还是对学生都是有益处的。但是,在实践中不少教师发现:这些理念仅仅是口号而已。因为在课改后,仍有许多学校评价学生的标准还是学生的考试成绩。同时,学生的成绩也是评价教师是否优秀的一个重要标准。所以,应试教育不改变,评价教师和学生的标准不改变,又怎么实施呢?
二、课改后中学历史教师专业发展的方向和途径
中学历史教师的专业化发展对提高历史学科的教学水平起着至关重要的作用,因此培养专业化教师就成为当今我国教育发展的一个趋势。历史教师要适应新课改的需要,必须建立健全教师专业化发展的机制。这个过程艰巨而复杂,需要从以下几个方向和途径努力。
一、.通过自主学习激励历史教师专业发展。
教师要实现专业发展,如果没有渊博的知识和相应的能力,就如无米之炊,无源之水。教师只有不断加强自主学习,丰富自己的知识内涵,才能促进自己的专业发展。在新课改后,历史教师必须努力掌握三方面的知识,即扎实的历史专业知识、宽广的其他学科知识、丰富的教育科学知识。因为教师具备丰富、广博的知识,不仅能在新课程教学中扩展学生的精神世界,而且能激发学生的求知欲望,学生的全面发展在很大程度上取决于教师的理论素养和实践能力。历史教师在研究历史教材和历史读物的同时,还要阅读历史理论著作,关注最新的史学研究动态,积极与其他历史教师或历史研究人员进行交流,广博地汲取其他学科的知识,从其他优秀教师的交流中体会与汲取。历史新课标要求教师勤于学习,广泛涉猎,使自己不仅有丰富的学科知识,更有广阔的文化视野和深厚的文化底蕴。一旦把这些学习内化为自己的自觉行为,教师就会从中感受到乐趣,并得到成功的喜悦。
二、.通过教学反思促进历史教师专业发展。
教学反思是实施新课程教学的一个不可缺少的技能要求,也是提升历史教师素质的重要途径。在历史学科中要真正地实施反思性教学,必须养成自觉反思的意识,知晓在教学中反思的内容,并懂得在教学中反思的策略与方法。如:(1)教师采用教学日记的形式,把当日自己在教学活动中产生的亮点、疑点、难点、盲点、弱点等中的某一点或几点,及时准确地记录下来,深入反思其产生的主要原因、改善的对策及预期可能生成的结果。(2)在同行会诊中反思。当教师在长期的历史教学实践中,取得一定的成绩,积累一定的教育教学的经验之后,往往会出现教学水平的停滞不前,其中可能有多方面的原因,包括教师犯经验主义错误、不思进取、教育观念老化,等等。通过同行会诊,教师能找到教学水平下滑的现象的主要症结所在。(3)在学生反馈中反思。通过学生反馈的有效信息,从中获取改进教育教学方法的信号;通过反思学生,明确在教学实践中教师的目标任务是否完成,学生是否能够获得他们期望的意义。反思性教学拓展了历史教师的发展空间,让历史教师成为研究型学者,从而促进其专业化发展。
三、.通过校本研究带动历史教师专业发展。
校本教研作为一门科学,涵盖的内容极其丰富,其根本目的在于激发教师的教研积极性,促进教师的专业发展。因此要让历史教师了解校本教研的价值所在,帮助他们提高校本教研的意识,树立在校本教研中主动发展的自信心,激发他们主动参与校本教研的积极性,营造良好的校本教研的工作氛围。历史教师在教研组中通过集体备课、相互听课、集体讨论等活动方式,发现问题,解决问题,促进同伴有效互助,实现经验共享,使每一位教师都在过程中学习,在过程中进步。
校本教研的发展在于建立一个长效机制。可以把加强校本教研作为提高历史教师的教学水平和教学质量的一个重要内容,形成与新课程相适应的以校为本的教学研究制度,实施多项管理,开展丰富多彩的教学实践活动。学校的中心工作是教学,而教师是从事教育教学工作的首要校本资源,充分利用和发挥这一重要教育资源,强化校本教研能够带动历史教师的专业发展。
四、.通过教育部门、学校支持推动中学历史教师的专业发展。
在事物的发展中,内因起着决定性的作用,但是外因也是不容忽视的。中学历史教师要实现专业的发展,除了具有强烈的自主发展意识外,各教育部门、学校也必须给予实质性的支持。在中学,存在着一个很普遍的问题,即只重视语数外,对于史地等学科关注得很少。出现这种情况的原因之一就是教育部门相关政策的偏差。一个人的全面发展除了学好语数外,还必须有其他知识的熏陶,其中历史作为一门人文学科就是培养学生各方面素养的一个有力途径。所以作为教育部门,应该努力为中学的历史教学提供各种保障。
学校是教师工作和学生学习的场所。在以往的教研中,我们都关注学校对学生发展的影响,而忽视了学校对老师发展的影响。要实现中学历史教师的专业发展,学校就要积极支持,努力提供各种可能的条件。首先,学校要营造良好的历史学习氛围。只有大家都意识到历史学习的必要性和重要性,历史教学才能走上一个新的起点。其次,学校要努力为历史教师的专业发展提供实质性的发展条件和机会。如加强历史教研组建设;组织专题讲座;举办理想课题研究和优质课比赛;构建促进教师学生发展性评价体系,建立适应新课改要求的教师培训模式等。所以机制保障也是促进教师专业化成长的有效途径之一。
关键词:视频图像;多项式拟合;简支梁模型;模态参数;振动测试
中图分类号:TN911.7;TU311文献标识码:A 文章编号:
Abstract: The video image vibration testing technique, based on common USB digital camera and PC, is introduced in the paper. The first order modal parameters of the simple beam model is identified adopting the video image vibration testing technique, and comparing the result with the DASP and traditional vibration test Method. Based on Matlab software, the program is developed to obtain structural vibration displacement curves. And the simple beam model of the natural frequencies, damping ratios and mode shapes is determined using modal analysis. The test results show that the vibration testing technique is feasible for low frequency vibration system.
朗读
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Key words: digital video; polynomial fitting; simply supported beam model; modal parameter;vibration testing
图像测量技术[1]表现出其非接触式、无设备损耗、表面全尺度、重复可比性好、环境适应性强、无负载效应等优点,不仅适合静态测量,也可满足动态测量要求,对结构可实现全域高密度检测。数字图像测量技术近年来发展迅速,其对结构边缘识别精度可达到0.05像素,如刘敏提出识别结构一维大变形的数字图像边缘检测法[2],袁向荣提出的一维DIC法检测结构边缘变形[3],胡朝辉提出结构振动测试的视频图像技术测试方法 [4]。
本文以数字图像测量技术为理论依据,采用普通数码摄像头和PC机作为硬件设备与matlab软件相结合而成的视频图像振动测试的系统[5],使用该测试系统在实验室进行简支梁模型的振动测量试验,结果表明对低频结构的振动测量采用该测振系统是可行和可信的。
视频图像振动测试系统简介
视频图像进行振动测量的原理是:使用普通USB摄像头实时拍摄并记录被测对象振动状态下的时间序列图像,对图像用数字图像处理技术处理,得到测试对象准静态的变形序列,进而获得被测对象的振动轨迹。具体测试流程如图1所示:
图1测试流程图
模型试验及结果分析
2.1 试验Ⅰ
采用梁长L=2.1m等截面匀质材料,两端铰支,单位长质量为160g/ m,抗弯刚度EI=21.5N.m2;梁体表面光滑平整,颜色为纯黑色,背景颜色取为白色,拍摄时光照条件良好,以有利于边缘识别。试验简图如图2所示。
图2试验Ⅰ简图
振动试验开始后,对梁进行激励,采集振动稳定后振动状态,采样时间为5s,利用matlab程序处理图像序列[5],获取各像素点的振动信号,部分结果列于表1中。
表1 实测振动频率与阻尼比
简支梁模型的理论固有频率: ,用数字图像测量所得到的梁的一阶频率为4.1016,误差为0.7%,故数字图像法在桥梁测试中的数据是真实可信的。
2.2 试验Ⅱ
梁长L=2.1m等截面匀质材料,两端铰支,单位长质量为160g/ m,抗弯刚度EI=21.5N.m2;同时采用DASP动力测试系统进行数据采集和处理,试验简图如图3所示。测试结果比较如表2及图4―图7所示。
图3试验Ⅱ简图
表2 视频图像和传统测试实测频率对比表(Hz)
图4视频图像测试拟合不同像素点的一阶图5传统测试前三阶的振型图
本次试验通过用采用DASP动力测试系统来验证数字图像法,二者结果很相近,梁的一阶频率结果比值仅为1.038,具体如表2所示。
结论与建议
简支梁模型动载试验结果表明:
(1)对于动态位移的测量,试验数据均较合理,简支梁模型的二次试验均测出了结构的一阶模态参数,通过验证,测量结果也真实可信,因此认为数字图像振动技术可用于低频振动结构的测试;
(2)但是二次试验均未测出二阶模态参数,经分析认为可能的原因有:响应谱对应二阶频率处的幅值太小以及激励点选取位置不适当以致未能激励出其二阶模态,普通摄像头信噪比低而无法识别也是原因之一。
(3)通过与传统的DASP动力测试系统试验对比,说明相对于传统测试方法,数字图像振动测试技术精度较好;但是传统方法可测得前三阶模态,说明该方法测试分辨率与传统方法有一定的差距;故对于高频、高阶的结构振动测试,能通过高速、高清的图像采集设备,提高其测试分辨率 。
参考文献:
[1] 张红娜,王祁.图像测量技术及其应用[J].电测与仪表,2003,451(40):19-22.
[2] 刘敏.数字图像处理技术在桥梁结构检测中的应用研究[D].广州大学硕士论文,2009.
以色列研究人员找到一种让截瘫人士和“闭锁”综合征患者与外界沟通的方法,甚至还能利用他们的鼻子操控轮椅。
研究小组利用一个可以将鼻压转化为电子信号的设备,成功地令“闭锁”综合征患者在不依赖刺激物的条件下书写信息,并能令截瘫患者有效地操纵电子轮椅。
这种“鼻息控制器”通过一条橡皮管戴在鼻子上,这与医院病人用于吸氧的管子没有什么不同。但并非所有人都能使用这种鼻压装置,因为研究发现在健康对照组中有1/4的人对软腭的控制不足。软腭是鼻腔通道的一部分,可以让你控制吸气强度。但对那些有着足够软腭控制能力的人来说,鼻息控制器能让试验对象享受到新的自由度。
研究者先对36位健康者通过控制鼻压来玩电子游戏的反应时间和精确度进行测试,同时测试他们使用鼠标和游戏控制杆的能力。研究小组发现,对软腭拥有良好控制的人,其鼻息控制的可靠度与熟练使用鼠标和游戏控制杆的可靠度相当。
研究小组对3名“闭锁”综合征患者进行试验,这种疾病使患者只能通过眨眼睛来和别人交流。其中2人很快就学会利用字母选择和组词程序进行沟通和表达。
对那些有着行动或交流障碍的人来说,鼻息控制器能为他们提供一种使用各种设备的方式,从而提升他们的生活品质。
小腿粗老人患心脏病几率低
法国科学家发现,小腿粗并非坏事,这可能预示着心血管功能良好,发生血栓和心脏病的危险也越小。
法国国家健康和医学研究院的・苏里克博士及其同事共同完成了这一研究。
专家调查了法国第戎蒙彼利埃及波尔多的6200多名居民,其年龄在65-84岁。
结果发现,与小腿细的老人相比,小腿粗的老人发生颈动脉斑块的几率要低29%。
专家指出,小腿的粗细与向大脑供血的关键通道颈动脉密切相关,小腿越粗,颈动脉出现斑块或阻塞的危险就越小,发生血栓和心脏病的危险也越小。
专家已将小腿周长作为诊断颈动脉硬化的新指标。
上班路途遥远易出现疼痛焦虑等健康问题
上下班路途太远,耗时太长,是许多大城市上班族面临的问题。一项调查指出,上班路途远近,与健康密切相关。
研究者调查了近千名公司雇员,结果发现,上下班时间单程多于90分钟的人,超过1/3经常出现脖子疼或背疼。而交通时间短于20分钟的人,只有不到1/10的人会出现此种情况。此外,上班路途遥远的人更容易出现焦虑、失眠等问题。对此,研究者建议,上下班时最好先步行一段路,再乘坐交通工具。(李姜)
英国研究发现重色轻友是普遍现象
论文摘要:回顾了全息术的历史,阐述了全息术的基本原理,然后介绍了全息术在实际中的应用及其发展方向。
我们看到的世界是三维的、彩色的,这是因为每个物体发射的光被人眼接受时,光的强弱、射向和距离、颜色都不同。从波动光学的观点看,是由于各物体发射的特定的光波不同,光的特征主要取决于光波的振幅(强弱),位相(同相面形状)和波长(颜色)。如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三维像,这就是全息术。全息术诞生到现在60年来取得了很大的进展,已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。
1全息术的历史和发展阶段
1948年,丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法,随后用实验证实这一想法,即全息术,并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期,全息图制作具有以下共同特点:全息图都是用汞灯作为光源;而且是所谓同轴全息图,即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题,一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中,全息术进展缓慢。
1960年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯(1962)提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,用离轴的参考光与物光干涉形成全息图,再利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。该方法被称为离轴全息术,这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题,并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展,但是激光再现的全息图失去了色调信息。
科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录,而用白光再现的全息图,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。
激光的高度相干性,要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变,这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域。
2全息术的基本原理和特点
全息术是一种“无透镜”的两步成像法,它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息,即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步:第一步称为波前记录(全息记录);第二步物体的再现(重现)。
波前记录依据的是干涉原理,物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布,干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说,全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出,任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布,而不能直接记录位相分布,全息照相之所以能记录位相分布,是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波,或者它与物光波不相干,波前上的位相分布是不可能记录下来的。
波前再现的理论依据是衍射原理,照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分,即物光波(+1级衍射波),物光波的共轭波(-1级衍射波),照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中,这三种衍射波在空间彼此分离,互不干扰,便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。
全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点:
(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息,图像具有显著的视差特性,可以看到逼真的三维图像。
(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象,只是分辨率受到一些影响。
(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录,并能互不干扰地再现各个不同的图像。
(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关,用不同波长的激光照射全息图,再现相就会发生放大或缩小。
3全息术的主要应用及其发展方向
全息术经过60年的发展,已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合,成为一种高新技术,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域,在一些发达国家还兴起了全息产业,并且正在形成日益广阔的市场,实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。
3.1全息存储
全息存储是依据全息术的原理,将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等;可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势,原因是:
(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时,信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2;用平面全息图存储信息时,存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2;如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达1013bit/mm2。
(2)全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。
(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点,每个数据页可包含达1Mbit的信息,写人一页的时间在100ms左右,读信息的时间可以小于100μs,而磁盘的寻址时间至少需要10ms。
当前,在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮,并取得很大的进展,其主要表现在:
(1)存储容量迅速提高和性能不断改善,并逐步走向实用化。例如,1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图,同年,斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中,并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术,在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图,并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。
(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如,1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川,投资约7000万美元,实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目,预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据,存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。
近几年来,光电子技术和器件取得了系列重大进展,为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件,全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而,美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决,虽然张泽明、谢敬辉等对Ce:Fe:LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究,从方法上给出了记录角度越大,光栅周期越小,热定影所需最小离子数密度越高,存储系统的整体性能越好,但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑,这将成为全息存储界研究的热门课题。
3.2显示全息
显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图,如白光反射全息图、白光透射全息图等,各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等;再如,以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等,每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图,它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。
显示全息目前主要有两大类:第一类是Lippmann全息图,制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图,这是一种透射式显示全息图,可在白光照明下再现立体图像,且图像的颜色随观察的位置的变化而变化,从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展,随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术,如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看,显示全息存在不足主要表现在:
(1)视角范围、图像体积有限;
(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法;
(3)由于全息计算数量巨大,导致动态显示异常困难。克服以上不足,将可能成为显示全息研究的几个热点。
近年来,显示全息技术掀起一场数字化变革,数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展,利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性,在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视,为显示全息技术创造良好的商业前景。
3.3模压全息
模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的,它是将全息术和电镀、压印技术结合起来,使全息图的制作产业化,用白光再现时,可得到色彩鲜艳逼真的三维图像,并可通过印刷方式大批量生产,使得它在许多领域得到广泛的应用,以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段:激光摄制原片全息图;电成型制金属模板;模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高,因此,模压全息作为安全防伪首当其冲,是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上,不能去除性、价格低廉、容易验证等特点,使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品,无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术,并备受使用者青睐。
模压全息出现于20世纪70年代,80年代中期已形成了一种产业,90年代达到了鼎盛时期。本世纪初,随着防伪技术要求的不断提高,模压全息技术又有了新的突破:美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术;2003年,苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”;同年,倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破,使防伪功能有了提高,让激光全息防伪技术达到新的境界。
模压全息产业在我国起步较晚,但发展速度迅猛,目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展,我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视:首先是开拓全息烫金材料,取代金膜和银膜,其次开发全息包装材料,实现立体防伪包装,第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合,体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。
3.4全息干涉计量
全息干涉计量术是将不同物光,在不同的时间记录在同一张全息干板上,然后利用全息术的空间波前再现原理,非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面,它能实现高精度非接触性无损测量,比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ的数量级。目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法,此外,J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展,使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠,并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化,我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定,其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有:
(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪;
(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪;
(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统;
创新意识是人们从事创造性活动的出发点和内驱力,是创造性思维、想象和创造的前提。一个人的创新意识与他的情感、动机、兴趣等非智力因素紧密相关。
1.创建适合创新教育的学习环境
教师应保护学生理解的自由,容许学生对物理环境、物理认知结构有自己的理解和把握,而不应将自己的意识强加给学生,从而浇灭了那些刚刚燃起来的“创新的火花”。
2.巧设质疑,诱发学生的创新动机
“学始于思,思源于疑”。教师要善于结合教材,巧设问题情境,设计具有针对性和启发性的疑难问题,尤其是物理教学中疑点和难点以及比较含蓄或潜在的内容,从而引导学生主动质疑。同时通过学生自己阅读教学内容和思考问题,鼓励学生活读书,敢于对课本、对参考书质疑,学生间各抒己见,相互质疑。
二、教学过程中启迪学生的创新思维
在创新教育中,教师必须通过拓宽思维、多角度、数题一解、一题数解等方法构建物理模型,使学生积极愉悦地解决问题,这样培养出来的学生,在新的疑难问题面前,往往能从容不迫,思维兴奋,解决问题的路子宽。为了有效地启迪学生的创新思维,教师应做到:
1.教给学生灵活多变的解决问题的方法
初中物理解题方法有多种:整体法、隔离法、图像法、等效法、估算法,等等。教师要选编有多种解法的习题组织教学,渗透物理知识点,灵活应用物理概念和规律,打破学生思维定势的消极影响,有效地启发学生创新思维。
2.提高构建物理模型的能力
物理学的思维方法主要是物理模型方法、等效思维方法、类比思维方法等具体思维方法。而物理模型方法是让学生掌握建立各种模型的方法和如何应用各种模型解决实际物理问题。教师应帮助学生提高构建物理模型的能力,引导学生学会对所给的信息进行提炼和加工,突出主要因素,忽略次要因素。通过思维加工,采用恰当的方法,找到新问题与熟悉的物理模型之间的联系,使新问题顺利地实现模型化,使复杂问题变得简单。
3.唤起学生浓厚的学习兴趣
教师应该充分利用诸如奇趣的实验演示、科技史话、实物模型、图表、动画等来制造悬念,配上生动风趣幽默的语言来创设教学情景。这样可以激起学生探根求源的愿望,进而产生学习兴趣,引发探究冲动, 创造性的活动就由此开始了。
三、教学过程中锻炼学生的创新能力
物理学是一门以实验为基础的科学。物理教育中应从以下几个方面为学生的亲身体验创造更多的机会,同时注重实验的创新与探索性,培养和锻炼学生的创新能力。
1.演示实验对观察能力的培养
教师在演示过程中要讲明实验目的、原理、方法、使用器材、设计思想,分析可能出现的问题;用严谨的科学作风与熟练操作技能给学生做出示范,使之对学生产生潜移默化的影响。更重要的是培养学生的观察能力和思维能力。科学家正是由于有敏锐的观察能力,才发现出别人所不能察觉的规律。所以,通过演示实验促使学生在观察中和观察后进行深入细致的思维活动,引导学生的思维向思维深度和广度发展。
2.学生实验对知识运用能力的培养
教师应充分挖掘教材中的探索成分,将演示性实验改为学生实验,通过指导或引导,让学生去操作、分析和探索,使学生成为知识的再发现者而不是接受者,变被动接受为主动求索,从而培养学生创造性思维的独立性。或将验证性实验改为探索性实验,变依赖思想为探索精神,培养学生忠于实验数据的求实精神和领悟教材的思维方法。
3.课外实验对创新能力的培养
1948年,丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法,随后用实验证实这一想法,即全息术,并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想,虽然未能用电子波证实其原理,但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期,全息图制作具有以下共同特点:全息图都是用汞灯作为光源;而且是所谓同轴全息图,即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图,标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题,一个是再现的原始像和共轭像分不开,另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中,全息术进展缓慢。
1960年激光的出现,提供了一种高相干度光源,为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题,利思和乌帕特尼克斯(1962)提出,将通信理论中的载频概念推广到空域中,用离轴的参考光与物光干涉形成全息图,再利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。该方法被称为离轴全息术,这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题,并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展,但是激光再现的全息图失去了色调信息。
科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录,而用白光再现的全息图,在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。
激光的高度相干性,要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变,这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是,科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图,它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室,进入更加广泛的实用领域。
2全息术的基本原理和特点
全息术是一种“无透镜”的两步成像法,它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息,即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步:第一步称为波前记录(全息记录);第二步物体的再现(重现)。
波前记录依据的是干涉原理,物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分布,干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说,全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出,任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布,而不能直接记录位相分布,全息照相之所以能记录位相分布,是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波,或者它与物光波不相干,波前上的位相分布是不可能记录下来的。
波前再现的理论依据是衍射原理,照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分,即物光波(+1级衍射波),物光波的共轭波(-1级衍射波),照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中,这三种衍射波在空间彼此分离,互不干扰,便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。
全息术的原理决定了它所记录的全息图有下列特点:
(1)三维性——因为全息图记录了物光的相位信息,图像具有显著的视差特性,可以看到逼真的三维图像。
(2)不可撕毁性——因为全息图记录的是物光与参考光的干涉条纹,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象,只是分辨率受到一些影响。
(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录,并能互不干扰地再现各个不同的图像。
(4)全息图的再现相可放大或缩小——因为衍射角与波长有关,用不同波长的激光照射全息图,再现相就会发生放大或缩小。
3全息术的主要应用及其发展方向
全息术经过60年的发展,已与计算机技术、光电技术以及非线性光学技术紧密结合,成为一种高新技术,扩展到医学、艺术、装饰、包装、印刷等领域,在一些发达国家还兴起了全息产业,并且正在形成日益广阔的市场,实用前景非常可观。本文介绍全息术中几个应用较为广泛、产业化较成熟的领域并说明其发展方向。
3.1全息存储
全息存储是依据全息术的原理,将信息以全息照相的方式存储起来,它利用两个光波之间的耦合和解耦合,可以把信息存储和信息之间的比较(相关)、识别,甚至联想的功能结合起来,也就是可以把信息存储和信息处理结合起来。用于全息信息存储的记录介质较多,可永久保存信息的全息图用银盐干板、银盐非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蚀剂等;可擦除重复使用的实时记录材料有光导热塑料、有机或无机光折变材料等。全息存储在存储容量方面具有巨大的优势,原因是:
(1)全息存储具有存储容量大的优势。用感光干板作为普通照相记录信息时,信息存储密度的数量级一般为105bit/mm2;用平面全息图存储信息时,存储密度一般可提高一个数量级达106bit/mm2;如果用体全息图存储信息时,存储密度可高达1013bit/mm2。
(2)全息存储具有极大的冗余性,存储介质的局部缺陷和损伤不会引起信息丢失。
(3)全息存储具有读取速率高和能并行读取的特点,每个数据页可包含达1Mbit的信息,写人一页的时间在100ms左右,读信息的时间可以小于100μs,而磁盘的寻址时间至少需要10ms。
当前,在世界范围内掀起了全息存储研究的热潮,并取得很大的进展,其主要表现在:
(1)存储容量迅速提高和性能不断改善,并逐步走向实用化。例如,1994年美国加州理工学院在1cm3掺铁妮酸锉晶体中记录了1000幅全息图,同年,斯坦福大学的一个研究小组把经压缩的数字化图像视频数据存储在一个全息存储器中,并再现了这些数据而图像质量无显著下降。1999年美国加州理工大学利用空-角复用技术,在同一块在掺铁铌酸锂晶体中存储了26000幅全息图。北京清华大学实现了在掺铁妮酸铿晶体中的同一空间位置记录1500幅全息图,并研制了具有紧凑结构的灵巧型全息存储装置。
(2)实用化的全息存储系统逐渐推出。例如,1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大学等联合成立了协作组织并在美国国家存储工业联合会(NS1C)支持下川,投资约7000万美元,实施了光折变信息存储材料(PRISM)和全息数据存储系统(HDSS)项目,预期在5年内开发出具有容量为1Tbit数据,存储速率为1000MB/s的一次写人或重复写人的全息数据存储系统。同样的研究在法国、英国、德国和日本等国家也正在加紧进行。近几年来,光电子技术和器件取得了系列重大进展,为全息存储器提供了所必要的高性能半导体激光器、液晶空间光调制器、CCD阵列探测器等核心元器件,全息存储的理论和方法的发展使这项技术日趋成熟然而,美中不足的是全息图的寿命问题尚待解决,虽然张泽明、谢敬辉等对Ce:Fe:LiNbO3晶体的全息存储和热定影进行了理论和实验研究,从方法上给出了记录角度越大,光栅周期越小,热定影所需最小离子数密度越高,存储系统的整体性能越好,但是目前还未解决的一个难题是寻找合适的记录材料。无疑,这将成为全息存储界研究的热门课题。
3.2显示全息
显示全息技术是在激光透射全息图的基础上来制作各种类型的全息图,如白光反射全息图、白光透射全息图等,各种类型的显示全息图可用于舞台布景、建筑、室内装饰、投影等;再如,以动态显示的全息技术、层面X射线照相术、3DCAD技术、3D动画片、雷达显示、导向和模拟系统等,每3年一次的显示全息国际会议上都有全息界泰斗展出令人吃惊的全息图,它们充分展示了全息技术创造性的魅力和艺术的美。
显示全息目前主要有两大类:第一类是Lippmann全息图,制作方法有Denisyuk的单光束法和Benton的开窗法。第二类是S.A.Benton的彩虹全息图,这是一种透射式显示全息图,可在白光照明下再现立体图像,且图像的颜色随观察的位置的变化而变化,从红到紫如雨后彩虹而得名。随着高质量记录材料的发展,随后的一些研究者和艺术家不断追求更实用的拍摄技术,如假彩色编码和真彩色反射全息图等。美国光学学会主办的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世纪80年代都有关于这方面的论文报道。由SPIE主办的《Holosphere》和美国全息制造商协会主办的《HolographyNews》以往和近年都不断地报道有关显示全息图的最新制作技术和商业信息。但从这些报道情况来看,显示全息存在不足主要表现在:
(1)视角范围、图像体积有限;
(2)没有获得特别有效的全息图的计算方法;
(3)由于全息计算数量巨大,导致动态显示异常困难。克服以上不足,将可能成为显示全息研究的几个热点。
近年来,显示全息技术掀起一场数字化变革,数字合成全息技术为全息三维显示开辟了前所未有的应用前景。随着计算机运行速度的提高和高分辨空间调制器件的发展,利用显示全息的大视场、大景深、全视差、真彩色、可拼装、价格低廉等特性,在不久的将来开发出真正意义的全息电影和全息电视,为显示全息技术创造良好的商业前景。
3.3模压全息
模压全息是1979年RCA公司为解决视频标准件的全息拷贝而提出的,它是将全息术和电镀、压印技术结合起来,使全息图的制作产业化,用白光再现时,可得到色彩鲜艳逼真的三维图像,并可通过印刷方式大批量生产,使得它在许多领域得到广泛的应用,以商品形式走向市场。模压全息的制作主要分为三个阶段:激光摄制原片全息图;电成型制金属模板;模压复制。这三个阶段生产工艺和技术要求都比较高,因此,模压全息作为安全防伪首当其冲,是安全防伪技术的一个里程碑。正如全息图的新奇性、强烈的视角效果、制作的难度以及易于应用在钞票的包装上,不能去除性、价格低廉、容易验证等特点,使它很快占领了防伪领域。模压全息是一种技术与艺术结合的高科技产品,无论在高档商品促销、名优商品的防假冒或在有价证券(如信用卡、钞票、护照签证)的防伪和加密以及图书、印刷、印染、装磺、纪念邮票和广告标牌等都有采用模压全息技术,并备受使用者青睐。
模压全息出现于20世纪70年代,80年代中期已形成了一种产业,90年代达到了鼎盛时期。本世纪初,随着防伪技术要求的不断提高,模压全息技术又有了新的突破:美国斑马图像公司推出了二维图像的数字化采集和拍摄技术;2003年,苏州大学研制成功并已批量生产“数码激光全息照排系统”;同年,倪星元、张志华等成功研制了可替代传统镀铝防伪薄膜的透明TiO2激光全息防伪薄膜。这些模压全息的一个个技术突破,使防伪功能有了提高,让激光全息防伪技术达到新的境界。
模压全息产业在我国起步较晚,但发展速度迅猛,目前国内已有100多条模压全息生产线。为了使模压全息技术健康发展,我国模压全息产业发展必须在三个方向上引起重视:首先是开拓全息烫金材料,取代金膜和银膜,其次开发全息包装材料,实现立体防伪包装,第三个方向是模压全息技术和现代印刷术相结合,体现传统的美术效果和现代科技的艺术魅力。
3.4全息干涉计量
全息干涉计量术是将不同物光,在不同的时间记录在同一张全息干板上,然后利用全息术的空间波前再现原理,非接触地对物体表面进行三维测量而获得信息。全息干涉计量术是全息应用的一个重要方面,它能实现高精度非接触性无损测量,比一般光学干涉计量有很多优点。一般光学计量只能测量形状比较简单、表面光度很高的零部件,而全息计量方法则能对任意形状、任意粗糙表面的物体进行测量,测量精度为光波波长λ的数量级。目前,全息干涉计量术在方法上先后发展了实时全息干涉法(单次曝光法)、二次曝光全息干涉法、时间平均全息干涉法、双波长干涉法以及双脉冲频闪全息干涉法,此外,J.A.Leendertz开辟了全息干涉计量术的另一个新的分支-激光斑纹计量术。随着光电技术、计算机技术、CCD器件及光纤技术的飞速发展,使得全息干涉计量技术在信息采集和处理上更为方便、快捷和可靠,并得以在恶劣环境条件下对某些物理量进行定时测量。再加之相移技术、外差技术和锁相技术等,可使测量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉计量在20世纪80年代美国等西方先进国家已产业化,我国在20世纪80年代初有几所大学和科研单位的研究项目通过鉴定,其中有些达到当时的先进水平。经过近几年的开发和研制,我国在全息干涉计量测试设备方面主要发展有:
(1)用于测试火箭发动机喷雾化特性的YSCI型离子瞬态激光全息测试仪;
(2)用于激光热核聚变稠密等离子体电子密度测量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外线激光全息探测仪;
(3)包括记录、再现、图像处理三部分的瞬态激光全息干涉计量测试系统;