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1.以山水為主的自然景觀在一些有眾多自然資源的地方,教師在美術鑒賞課上必須引導學生關注家鄉的山水自然風光。紹興有著名的水鄉、橋鄉、酒鄉、蘭鄉、書法之鄉、名士之鄉之稱。紹興境內江河密布,被稱為“水鄉澤國”和“橋都水城”,具有很高的欣賞價值和藝術價值。
2.以人文歷史為主的文化遺產紹興的歷史人文文化悠久,在南宋的時候,政治中心向南遷移。公元1131年間越州成為紹興首府,歷經元、明、清三個朝代。紹興府一度是南宋的陪都和攢宮,建筑工整,街道井井有條,石橋玲瓏,氣宇軒昂,都市繁華,是典型的水鄉之城。紹興在水利設施的建設方面也很有建樹,明代的三江閘工程,使內河和外海的水患得以有效解決,舜種嘉谷和禹治洪水的傳說、遺跡,也給紹興添加了幾分神秘的色彩。
二、鄉土文化的無限魅力
1.身邊的美術城市學校的教學硬件設施優良,有圖書館、博物館和豐富的網絡資源,而農村學校的教學硬件條件就要差很多。但農村中有千姿百態的自然風光,這些都是豐富的自然教學材料,是針對農村學生開展美術鑒賞課程教學的基礎題材,是取之不盡、用之不竭的寶藏。將鄉土文化帶入小學生美術鑒賞課堂,有利于學生熟知身邊的風土人情及古老的文化,有利于培養學生熱愛家鄉的感情,用善于發現美的眼睛去觀察身邊的藝術,這會潛移默化地使學生的藝術鑒賞能力得到長足的進步和提高。紹興當地的自然資源很豐富,是美術課堂上的寶藏。以自然環境為創造基礎,以地方特色為創作的源泉,鼓勵學生從身邊取材,開發生活中的優秀創作資源,發揮個人創作的意識,創造出具有當地文化色彩的作品。由此,學生在學習美術的同時,將藝術鑒賞能力和對鄉土文化的認知能力提高到了一個新的高度。
2.風土人情、淳樸的鄉土文化家鄉的風土人情具有典型的地域特色,是其他地方所不及的,如果進行充分的開發,絕對是一筆寶貴的財富。讓學生在家鄉進行采風,感受古老而濃郁的純正的鄉間文化,將現場人物訪談的藝術采風教學模式融入寫生課教學,是一種非常好的教學方法。這種美術活動可以加深學生對紹興的地域風光及傳統文化的更深層次的了解,使其有更加親近的接觸和認識。雖然農村的美術課堂教學存在自身的局限性,但只要教師發掘其優勢,用優勢來彌補其劣勢,將鄉土人情融入美術課堂,跳出純藝術的小圈子,進入美術文化的大環境,注重鄉土文化在農村美術教學中的應用,就能用當地的美術資源使農村的美術教學更有生氣和活力。
三、鄉土美術教育的方法
1.從鄉土中尋找真實的家園教師在美術教學過程中應多留些時間給學生,讓他們自己去想、去感受、去體會、去欣賞。在美術課堂中,教師可以帶領學生來到鄉間的古老的小山村,與小山村近距離接觸。在這里學生可以聞古人所聞,見古人之見,穿越回古代去尋找古人留下的點點滴滴,找回自己的精神本體。
2.在鄉土中釋放應有的激情紹興是魯迅的故鄉,也是著名無產階級革命家的祖籍。此地山川秀美,歷史人物眾多,名人薈萃,為歷代人所歌頌。因此,教師應該帶領學生深入了解當地文化,使其認識鄉土文化中的精華。
四、結語
關鍵詞:網絡;圖書館;醫院
網絡時代的到來,極大地促進了醫院信息化的發展,帶來了用戶需求的大變化。傳統的圖書館已不能適應社會發展的需要。為了適應社會的快速發展,醫院圖書館就需要逐步向高度的數字化方向邁進,逐步擴大自己的網絡規模。醫院圖書館的工作應該是充分利用網絡優勢開展工作。
1醫院圖書館的現狀
我國衛生資源發展極度不平衡,位于大城市的大型綜合性醫院的圖書館和發達地區的醫院圖書館基礎建設、設備條件較好,基本能跟上形勢發展的要求。但是,也有相當部分醫院圖書館長期處于投入少、社會化程度低的狀況。主要表現在:①缺乏整體規劃,經費投入不足。由于近些年圖書、期刊價格不斷上漲,超出醫院經費投入比例,造成書刊入藏量的不斷下降,信息資源來源困難。②服務手段落后,大多數仍停留在手工借閱手段,只有約半數的醫院圖書館配備了少量電腦,且大多數未得到充分利用,未連接因特網。③圖書管理方式落后,各館之間往往各自為政,相互封閉,不能實現資源共享[1]。④被動服務,等客上門。圖書館員僅注重對“知識寶庫”的保護,而對知識和信息資源的開發利用缺乏主動權和積極性。
2網絡化圖書館的特點
網絡化圖書館有自己獨到的特點。這些特點主要表現在:
①信息資源的數字化
網絡圖書館是以數字化為基礎,圖書館的信息大量存于光盤及其他介質的存儲庫中。網絡圖書館的其他特點都是建立在數字化基礎上的,這是網絡圖書館與傳統圖書館之間最大的區別。
②信息資源的網絡化
信息的網絡化,使信息的使用更標準化、科學化和規范化。
③信息資源的高度共享性
資源的共享性建立在數字化和網絡化的基礎之上,有了以上兩方面的支持,使信息的共享成為可能。醫務工作者在圖書館就可以查詢到自己想要的信息,所有的人可共同享有同一份文獻資料,使交流和科研變得更加快捷。
④信息管理資源的自動化
管理者數據資源的采集、加工、存儲、傳輸都離不開計算機的支持,使用者也是通過計算機終端才能進行網絡的查詢和閱覽,使其在真正意義上實現管理的自動化[2]。
⑤信息資源實體的虛擬化
實體圖書館與虛擬圖書館相結合,在實體的基礎上趨向于虛擬化,構成了網絡實體的虛擬化。在數字圖書館中,用戶通過網絡可以到達世界上任何地方的數字圖書館,使其在世界范圍內相互交流。[3]
3改變醫院圖書館現狀的策略
3.1積極爭取醫院領導的支持
圖書館要發展,醫院領導重視和支持是關鍵。主動及時向領導請示、匯報工作,要說服他們用長遠的眼光看待圖書館。醫院新技術、新項目的開展,科研課題的研究,專業論文的撰寫,管理決策的提出以及醫院醫療水平的提高,都是通過強有力的信息支持來實現的[4]。沒有領導的支持,圖書館的現狀無法改變。獲取支持需要圖書館工作人員的智慧和策略。只有做好信息服務工作,促進醫療不斷向前發展,才能證明圖書館的價值。
3.2突破醫院圖書館的傳統模式,向數字化、特色化、網絡化的方向發展[5]。
3.2.1人才是關鍵
如果一個醫院沒有圖書館,這個醫院是不完整的;或雖然有圖書館,但人員嚴重不足,且不能勝任工作,要實現醫院的預定目標也很困難。另一方面,如果沒有發揮圖書館應有的作用,圖書館的地位也不能提高。圖書館在醫院整個建設中發揮作用,需要工作人員的創造性勞動和為醫務人員提供優質的文獻信息服務。
3.2.2創新是前提[6]
作為信息知識集散地的醫院圖書館,創新是其生存、發展的重要保證與必然選擇。創新不是口頭上的標新立異,而是從理論研究、管理模式、技術服務和人才培養等原有模式中脫穎而出,是從客觀實際出發,找準自身坐標,根據新形式、新環境的需要,制定切實的戰略目標,達到傳統與現代的完美結合。參考文獻
[1]李秀英,孟昭鵬.網絡環境下小型醫學圖書館的困惑及發展方向.中華醫學圖書情報雜志,2002,11(4):21-22.
[2]張曉文.關于醫院圖書館信息化管理的分析.醫學信息:醫學與計算機應用,2004,17(8).
[3]黃萍,楊俊志.利用網絡圖書館的特點做好醫院圖書館的工作.中華臨床醫藥雜志,2004,5(15).
[4]任郁芳.醫院圖書館的發展要與時俱進.中華醫學寫作雜志,2004,11(12).
缺少對突發事件應急管理的事后績效評估
雖然近些年高校校園突發事件發生的頻率不斷攀升,但相比校園日常生活事件,仍為少數,高校對突發事件的管理,除了沒有相對應的應急方案外,對處理應急事件之后的績效評估也是相當的不足,存在很嚴重的缺失,并沒有對發生在校園的每一類突發事件進行有關的經驗總結,這對未來學校應對突發事件是十分不利的,不利于學校在應急管理方面的發展。缺乏之前相關經驗的收集與匯總,使得在應對類似的突發事件時,總是無法迅速、有效的解決,而時間拖延所帶來的后果,有時將是不堪設想的。因此,在高校校園中應對突發事件時,對當前事件的妥善處理并不是整個突發事件應急管理的終點,而應在此基礎上,完善對每一次突發事件應急處理的經驗匯總與收集,進行全方位的績效評估。
項目管理與高校突發事件應急管理的關聯
項目管理是現代管理實踐的一種先進的、科學的管理理論和方法,項目管理是以項目為對象的系統管理方法,通過一個臨時性的、專門的柔性組織,對項目進行高效率的計劃、組織、指導和控制,以實現項目全過程的動態管理和項目目標的綜合協調與優化??茖W的項目管理理論已被國防等領域廣泛采用,并表現出了突出的優勢。項目管理的特性與高校校園應急管理存在很多的相通之處,高校管理者可以借鑒項目管理的方法,將其與校園應急管理相融合,從項目管理的理論中汲取與應急管理相關的科學方法,制定出一套有效的應對校園突發事件的管理方法。
1項目管理與高校校園突發事件應急管理的組織機構
項目管理的系統方法,是通過一個臨時的、專門的柔性組織對項目進行科學管理,這與突發事件的應急管理很相似。突發事件作為一個不可預測的事件,發生迅速,形式多變,在學校日常的管理活動中,應當設置一個專門的機構,有相關的人員對發生在學校的突發事件進行處理。但由于突發事件的形式較為復雜,這個組織機構中的人員并不是一成不變的,對于其中的有專業知識的核心人員,應長期在該組織中任職,但其他一部分人員,則可以根據校園突發事件的不同,任用不同的人員,但這部分人員應當在該組織中備案,以便事件發生時,及時參與。同時,高校校園的開放性,可以允許從校外邀請相關專家,進行專業的指導,以最大化保證在校師生的利益不受損害。
2項目管理與高校校園突發事件應急管理的目標
科學的項目管理,目的是為了在一定的時間內,對有限的資源進行合理的安排,實現資源的最大化利用,并通過對項目的計劃與事前預測,高效地對項目進行組織、實施、控制,以最低的成本,實現全方位的協調和最高的收益。高校校園突發事件應急管理也具有這樣的特征,應對校園突發事件時,需要在最短的時間內,明確目標,應用項目管理WBS的方法,將任務目標分解,利用一切可以利用的資源,對已發生的事件進行迅速的處理。由于突發事件發生后所帶來的結果是非常嚴重的,這就使得項目管理成為一種被管理者迫切需要采用的理論方法,所以,這就需要突發事件的管理者,在充分理解項目管理內涵的基礎上,找出項目管理與高校校園突發事件應急管理目標的關聯性,從而準確的運用項目管理的先進技術與方法,積極的應對校園突發事件,以使突發事件所帶來的消極性后果降到最低,以保障在校師生的利益,整體提升學校處理突發事件的能力。
3項目管理與高校校園突發事件應急管理的項目生命周期
項目的生命周期是描述項目從開始到結束所經歷的各個階段的,一般包括“定義,計劃,執行,交付”四個階段,實際工作中根據不同領域或不同方法再進行具體的劃分。項目管理的科學方法貫穿整個項目周期,在項目運行過程中的不同階段,不同的組織、個人和資源扮演著不同的角色。項目生命周期的設定也決定了我們可以利用項目生命周期理論,來將項目和執行組織的連續性操作鏈接起來。高校校園突發事件作為一個個相互獨立又相互關聯項目,可以運用項目生命周期理論來安排相關事宜。通常,高校校園中的突發事件是獨立的,但同類性質的突發事件的應對措施是相通的,從事前的預防,到事件發生時采取的有效措施,再到事后對應對突發事件的效果的考核與績效評價,都是與項目管理的科學方法相互關聯的,正確的理解項目生命周期的真正含義將會使校園突發事件應急管理的系統方法逐步完善。
項目管理在高校突發事件應急管理的應用
科學的項目管理方法是:項目的管理者在有限的資源約束下,運用系統的觀點、方法和理論,對項目涉及的全部工作進行有效地管理,即從項目的決策開始到項目結束的全過程進行計劃、組織、指揮、協調、控制和評價,以實現項目的目標。高校校園突發事件的管理者,可以借鑒項目管理的方法,高效的進行團隊整合、計劃制定、方案實施、績效評價等,使學校形成一套系統的突發事件應急管理措施。針對目前高校校園內在突發事件應急管理中存在的問題,通過建立項目管理與校園突發事件應急管理的關聯性,有效地完善當前校園突發事件應急管理中存在的不足,使校園突發事件的應急管理執行方案成為可以有效保障在校師生安全及社會最大利益的法寶。
1基于項目管理的理念構建應對突發事件的柔性組織
項目管理方法的運用始于項目的定義、計劃階段。同樣的,高校校園若要形成一套有效的突發事件應急管理方案,就要從構建一個應對突發事件的組織機構和制定應急預案開始,這是有效應對突發事件與迅速處理突發事件的前提。校園突發事件應急管理機構的建立,應當首先選取具有專業知識的人員,組建強有力的組織,該組織中的人員應當在具備突發事件應急管理的知識的同時,對所在高校的具體情況,諸如學校設施、在校師生人數有十分詳細、全面的了解,否則,將無法勝任校園突發事件應急管理的工作。該組織中的人員應分為兩大類,分為常在組織中任職的人員,和臨時工作人員。常在組織中的人員在校園日常工作中,以制定預案、關注校園動態為主;而臨時人員,應當在該組織備案,主要任務為在發生突發事件時對校園突發事件的處理,平時主要為其他部門服務。這樣的機構設置,具有靈活性,既避免了不必要的人員浪費,也避免了不熟悉相關處理程序的人員無法勝任職務、導致辦事效率不高的后果,有效的利用人力資源。接下來,在制定校園突發事件應急預案時,應當對不同的突發事件進行分類,如可分為自然災害、校園安全事故等,不同的突發事件,應當采取不同的措施,分別有針對性的對待不同的突發事件,將更有利于突發事件發生后迅速、準確的解決出現的問題,而不會導致手忙腳亂的局面。同時,與制定預案同等重要的是,在學校的日常管理中,必須提高所有高校在校人員積極應對突發事件的意識與理念。應對突發事件是所有在校人員在日常生活中需要解決的問題,而不僅僅只局限在管理層。高校在校人員,應當了解學校有關的制度與實施方案,以及應對突發事件時自救的常識,以便全體人員較快的開展應對突發事件的各類措施。
2基于項目管理的方法實施應對突發事件的科學方案
項目管理的科學方法,是指在項目的實施過程中,在有限的時間內,充分利用有限的資源,對目標進行分解,合理部署人員,以使項目可以高效、迅速的完成。高校校園突發事件的應急管理過程,正具有這樣的特性,發生較快,可利用的人力、物力資源有限,所以,利用項目管理的科學方法已成為當下各高校應對校園突發事件的必然選擇。在校園突發事件發生后,相關組織機構要合理的安排人員,結合先前制定的預案與所發生的問題,明確目標,采用標準化的方法,利用項目管理WBS方法,將任務層層分解,明確責任,以使各應對措施全方位的展開,避免不必要的浪費和不應有的時間拖延。在對不同類型的突發事件進行處理時,應采取不同的方案。如在應對自然災害時,高校管理者應根據自己所處的地理位置的不同,事先做好當地多發災害應急措施,提前預警;災害發生后,應將在校人員及時進行疏散,并進行安撫與心理健康的調查;面對災害所帶來的財產的損毀,應當及時清理并進行搶救,尤其是學校的重要資料的保護,同時,設施重建也是自然災害發生后所面臨的主要問題,項目管理理論將有利于災后應急管理中災害嚴重程度的評估、資源的有效利用與所需資金的估測,以便管理者迅速的做出決策,合理的進行災后重建。
3基于項目管理的目標建立應對突發事件的績效評價
一、.產生職業倦怠,自主發展專業的積極性不高。
新課改對中學歷史教師的角色定位、專業發展等提出了更高、更新的要求,使得教師在短時間內感到過度的負荷和角色沖突的不適應,而這種沖突和不適應又使教師產生了過高的職業壓力,從而進一步加深了教師的職業倦怠情緒。職業倦怠的教師常常會滿足于現狀。同時,他們會用消極、悲觀和漠不關心的態度和行為對待職業和自身發展。這種不思進取常常會造成教學能力低下,久而久之,他們就會有一種低個人成就感,無意也無力提高自身的專業水平和教學質量,即使是“偶有為之”,積極性也不高。
二、.知識結構狀態與歷史課程改革要求存在明顯的差距。
長期以來,歷史教師的知識結構存在著明顯的缺陷,其中相對固定的“史實”和“結論”過多,與其它學科知識的有機聯系欠缺。更為重要的是,這種知識結構具有一種靜態的特質,過于固定化,具有這種知識結構的教師,其歷史專業知識的獲得和更新大都依賴于比較消極的外部給予。一些歷史教師,長期以來就是圍繞著一本教科書教學,教科書以外的內容知之甚少,更不必說對相關學科知識的了解。而在新的歷史課程實施過程中,歷史教師如果簡單依靠原有的知識結構進行教學,就會出現各種困難和矛盾。
三、.應試教育的評價標準使得教師無心實施新課改理念。
新課程理念要求面向全體學生,注重個性發展;要求中學歷史教師迅速走進新課程,改進原來習以為常的教學方法、教學行為和教學手段。這些理念無論是對教師還是對學生都是有益處的。但是,在實踐中不少教師發現:這些理念僅僅是口號而已。因為在課改后,仍有許多學校評價學生的標準還是學生的考試成績。同時,學生的成績也是評價教師是否優秀的一個重要標準。所以,應試教育不改變,評價教師和學生的標準不改變,又怎么實施呢?
二、課改后中學歷史教師專業發展的方向和途徑
中學歷史教師的專業化發展對提高歷史學科的教學水平起著至關重要的作用,因此培養專業化教師就成為當今我國教育發展的一個趨勢。歷史教師要適應新課改的需要,必須建立健全教師專業化發展的機制。這個過程艱巨而復雜,需要從以下幾個方向和途徑努力。
一、.通過自主學習激勵歷史教師專業發展。
教師要實現專業發展,如果沒有淵博的知識和相應的能力,就如無米之炊,無源之水。教師只有不斷加強自主學習,豐富自己的知識內涵,才能促進自己的專業發展。在新課改后,歷史教師必須努力掌握三方面的知識,即扎實的歷史專業知識、寬廣的其他學科知識、豐富的教育科學知識。因為教師具備豐富、廣博的知識,不僅能在新課程教學中擴展學生的精神世界,而且能激發學生的求知欲望,學生的全面發展在很大程度上取決于教師的理論素養和實踐能力。歷史教師在研究歷史教材和歷史讀物的同時,還要閱讀歷史理論著作,關注最新的史學研究動態,積極與其他歷史教師或歷史研究人員進行交流,廣博地汲取其他學科的知識,從其他優秀教師的交流中體會與汲取。歷史新課標要求教師勤于學習,廣泛涉獵,使自己不僅有豐富的學科知識,更有廣闊的文化視野和深厚的文化底蘊。一旦把這些學習內化為自己的自覺行為,教師就會從中感受到樂趣,并得到成功的喜悅。
二、.通過教學反思促進歷史教師專業發展。
教學反思是實施新課程教學的一個不可缺少的技能要求,也是提升歷史教師素質的重要途徑。在歷史學科中要真正地實施反思性教學,必須養成自覺反思的意識,知曉在教學中反思的內容,并懂得在教學中反思的策略與方法。如:(1)教師采用教學日記的形式,把當日自己在教學活動中產生的亮點、疑點、難點、盲點、弱點等中的某一點或幾點,及時準確地記錄下來,深入反思其產生的主要原因、改善的對策及預期可能生成的結果。(2)在同行會診中反思。當教師在長期的歷史教學實踐中,取得一定的成績,積累一定的教育教學的經驗之后,往往會出現教學水平的停滯不前,其中可能有多方面的原因,包括教師犯經驗主義錯誤、不思進取、教育觀念老化,等等。通過同行會診,教師能找到教學水平下滑的現象的主要癥結所在。(3)在學生反饋中反思。通過學生反饋的有效信息,從中獲取改進教育教學方法的信號;通過反思學生,明確在教學實踐中教師的目標任務是否完成,學生是否能夠獲得他們期望的意義。反思性教學拓展了歷史教師的發展空間,讓歷史教師成為研究型學者,從而促進其專業化發展。
三、.通過校本研究帶動歷史教師專業發展。
校本教研作為一門科學,涵蓋的內容極其豐富,其根本目的在于激發教師的教研積極性,促進教師的專業發展。因此要讓歷史教師了解校本教研的價值所在,幫助他們提高校本教研的意識,樹立在校本教研中主動發展的自信心,激發他們主動參與校本教研的積極性,營造良好的校本教研的工作氛圍。歷史教師在教研組中通過集體備課、相互聽課、集體討論等活動方式,發現問題,解決問題,促進同伴有效互助,實現經驗共享,使每一位教師都在過程中學習,在過程中進步。
校本教研的發展在于建立一個長效機制??梢园鸭訌娦1窘萄凶鳛樘岣邭v史教師的教學水平和教學質量的一個重要內容,形成與新課程相適應的以校為本的教學研究制度,實施多項管理,開展豐富多彩的教學實踐活動。學校的中心工作是教學,而教師是從事教育教學工作的首要校本資源,充分利用和發揮這一重要教育資源,強化校本教研能夠帶動歷史教師的專業發展。
四、.通過教育部門、學校支持推動中學歷史教師的專業發展。
在事物的發展中,內因起著決定性的作用,但是外因也是不容忽視的。中學歷史教師要實現專業的發展,除了具有強烈的自主發展意識外,各教育部門、學校也必須給予實質性的支持。在中學,存在著一個很普遍的問題,即只重視語數外,對于史地等學科關注得很少。出現這種情況的原因之一就是教育部門相關政策的偏差。一個人的全面發展除了學好語數外,還必須有其他知識的熏陶,其中歷史作為一門人文學科就是培養學生各方面素養的一個有力途徑。所以作為教育部門,應該努力為中學的歷史教學提供各種保障。
學校是教師工作和學生學習的場所。在以往的教研中,我們都關注學校對學生發展的影響,而忽視了學校對老師發展的影響。要實現中學歷史教師的專業發展,學校就要積極支持,努力提供各種可能的條件。首先,學校要營造良好的歷史學習氛圍。只有大家都意識到歷史學習的必要性和重要性,歷史教學才能走上一個新的起點。其次,學校要努力為歷史教師的專業發展提供實質性的發展條件和機會。如加強歷史教研組建設;組織專題講座;舉辦理想課題研究和優質課比賽;構建促進教師學生發展性評價體系,建立適應新課改要求的教師培訓模式等。所以機制保障也是促進教師專業化成長的有效途徑之一。
關鍵詞:視頻圖像;多項式擬合;簡支梁模型;模態參數;振動測試
中圖分類號:TN911.7;TU311文獻標識碼:A 文章編號:
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.
朗讀
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Key words: digital video; polynomial fitting; simply supported beam model; modal parameter;vibration testing
圖像測量技術[1]表現出其非接觸式、無設備損耗、表面全尺度、重復可比性好、環境適應性強、無負載效應等優點,不僅適合靜態測量,也可滿足動態測量要求,對結構可實現全域高密度檢測。數字圖像測量技術近年來發展迅速,其對結構邊緣識別精度可達到0.05像素,如劉敏提出識別結構一維大變形的數字圖像邊緣檢測法[2],袁向榮提出的一維DIC法檢測結構邊緣變形[3],胡朝輝提出結構振動測試的視頻圖像技術測試方法 [4]。
本文以數字圖像測量技術為理論依據,采用普通數碼攝像頭和PC機作為硬件設備與matlab軟件相結合而成的視頻圖像振動測試的系統[5],使用該測試系統在實驗室進行簡支梁模型的振動測量試驗,結果表明對低頻結構的振動測量采用該測振系統是可行和可信的。
視頻圖像振動測試系統簡介
視頻圖像進行振動測量的原理是:使用普通USB攝像頭實時拍攝并記錄被測對象振動狀態下的時間序列圖像,對圖像用數字圖像處理技術處理,得到測試對象準靜態的變形序列,進而獲得被測對象的振動軌跡。具體測試流程如圖1所示:
圖1測試流程圖
模型試驗及結果分析
2.1 試驗Ⅰ
采用梁長L=2.1m等截面勻質材料,兩端鉸支,單位長質量為160g/ m,抗彎剛度EI=21.5N.m2;梁體表面光滑平整,顏色為純黑色,背景顏色取為白色,拍攝時光照條件良好,以有利于邊緣識別。試驗簡圖如圖2所示。
圖2試驗Ⅰ簡圖
振動試驗開始后,對梁進行激勵,采集振動穩定后振動狀態,采樣時間為5s,利用matlab程序處理圖像序列[5],獲取各像素點的振動信號,部分結果列于表1中。
表1 實測振動頻率與阻尼比
簡支梁模型的理論固有頻率: ,用數字圖像測量所得到的梁的一階頻率為4.1016,誤差為0.7%,故數字圖像法在橋梁測試中的數據是真實可信的。
2.2 試驗Ⅱ
梁長L=2.1m等截面勻質材料,兩端鉸支,單位長質量為160g/ m,抗彎剛度EI=21.5N.m2;同時采用DASP動力測試系統進行數據采集和處理,試驗簡圖如圖3所示。測試結果比較如表2及圖4―圖7所示。
圖3試驗Ⅱ簡圖
表2 視頻圖像和傳統測試實測頻率對比表(Hz)
圖4視頻圖像測試擬合不同像素點的一階圖5傳統測試前三階的振型圖
本次試驗通過用采用DASP動力測試系統來驗證數字圖像法,二者結果很相近,梁的一階頻率結果比值僅為1.038,具體如表2所示。
結論與建議
簡支梁模型動載試驗結果表明:
(1)對于動態位移的測量,試驗數據均較合理,簡支梁模型的二次試驗均測出了結構的一階模態參數,通過驗證,測量結果也真實可信,因此認為數字圖像振動技術可用于低頻振動結構的測試;
(2)但是二次試驗均未測出二階模態參數,經分析認為可能的原因有:響應譜對應二階頻率處的幅值太小以及激勵點選取位置不適當以致未能激勵出其二階模態,普通攝像頭信噪比低而無法識別也是原因之一。
(3)通過與傳統的DASP動力測試系統試驗對比,說明相對于傳統測試方法,數字圖像振動測試技術精度較好;但是傳統方法可測得前三階模態,說明該方法測試分辨率與傳統方法有一定的差距;故對于高頻、高階的結構振動測試,能通過高速、高清的圖像采集設備,提高其測試分辨率 。
參考文獻:
[1] 張紅娜,王祁.圖像測量技術及其應用[J].電測與儀表,2003,451(40):19-22.
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以色列研究人員找到一種讓截癱人士和“閉鎖”綜合征患者與外界溝通的方法,甚至還能利用他們的鼻子操控輪椅。
研究小組利用一個可以將鼻壓轉化為電子信號的設備,成功地令“閉鎖”綜合征患者在不依賴刺激物的條件下書寫信息,并能令截癱患者有效地操縱電子輪椅。
這種“鼻息控制器”通過一條橡皮管戴在鼻子上,這與醫院病人用于吸氧的管子沒有什么不同。但并非所有人都能使用這種鼻壓裝置,因為研究發現在健康對照組中有1/4的人對軟腭的控制不足。軟腭是鼻腔通道的一部分,可以讓你控制吸氣強度。但對那些有著足夠軟腭控制能力的人來說,鼻息控制器能讓試驗對象享受到新的自由度。
研究者先對36位健康者通過控制鼻壓來玩電子游戲的反應時間和精確度進行測試,同時測試他們使用鼠標和游戲控制桿的能力。研究小組發現,對軟腭擁有良好控制的人,其鼻息控制的可靠度與熟練使用鼠標和游戲控制桿的可靠度相當。
研究小組對3名“閉鎖”綜合征患者進行試驗,這種疾病使患者只能通過眨眼睛來和別人交流。其中2人很快就學會利用字母選擇和組詞程序進行溝通和表達。
對那些有著行動或交流障礙的人來說,鼻息控制器能為他們提供一種使用各種設備的方式,從而提升他們的生活品質。
小腿粗老人患心臟病幾率低
法國科學家發現,小腿粗并非壞事,這可能預示著心血管功能良好,發生血栓和心臟病的危險也越小。
法國國家健康和醫學研究院的?蘇里克博士及其同事共同完成了這一研究。
專家調查了法國第戎蒙彼利埃及波爾多的6200多名居民,其年齡在65-84歲。
結果發現,與小腿細的老人相比,小腿粗的老人發生頸動脈斑塊的幾率要低29%。
專家指出,小腿的粗細與向大腦供血的關鍵通道頸動脈密切相關,小腿越粗,頸動脈出現斑塊或阻塞的危險就越小,發生血栓和心臟病的危險也越小。
專家已將小腿周長作為診斷頸動脈硬化的新指標。
上班路途遙遠易出現疼痛焦慮等健康問題
上下班路途太遠,耗時太長,是許多大城市上班族面臨的問題。一項調查指出,上班路途遠近,與健康密切相關。
研究者調查了近千名公司雇員,結果發現,上下班時間單程多于90分鐘的人,超過1/3經常出現脖子疼或背疼。而交通時間短于20分鐘的人,只有不到1/10的人會出現此種情況。此外,上班路途遙遠的人更容易出現焦慮、失眠等問題。對此,研究者建議,上下班時最好先步行一段路,再乘坐交通工具。(李姜)
英國研究發現重色輕友是普遍現象
論文摘要:回顧了全息術的歷史,闡述了全息術的基本原理,然后介紹了全息術在實際中的應用及其發展方向。
我們看到的世界是三維的、彩色的,這是因為每個物體發射的光被人眼接受時,光的強弱、射向和距離、顏色都不同。從波動光學的觀點看,是由于各物體發射的特定的光波不同,光的特征主要取決于光波的振幅(強弱),位相(同相面形狀)和波長(顏色)。如果能得到景物光波的完全特征,就能看到景物逼真的三維像,這就是全息術。全息術誕生到現在60年來取得了很大的進展,已被廣泛地應用于近代科學研究和工業生產中。
1全息術的歷史和發展階段
1948年,丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法,隨后用實驗證實這一想法,即全息術,并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來是為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的設想,雖然未能用電子波證實其原理,但用可見光證實了。從第一張全息照片制成到20世紀50年代末期,全息圖制作具有以下共同特點:全息圖都是用汞燈作為光源;而且是所謂同軸全息圖,即物光和參考光在一條光路上得到的全息圖。這一時期的全息圖被稱為第一代全息圖,標志著全息術的萌芽。第一代全息圖存在兩個嚴重問題,一個是再現的原始像和共軛像分不開,另一個是光源的相干性太差。因此在這十多年中,全息術進展緩慢。
1960年激光的出現,提供了一種高相干度光源,為全息技術發展提供了可能。針對第一代全息技術出現的問題,利思和烏帕特尼克斯(1962)提出,將通信理論中的載頻概念推廣到空域中,用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖,再利用離軸的參考光照射全息圖,使全息圖產生三個在空間互相分離的衍射分量,其中一個復制出原始物光。該方法被稱為離軸全息術,這是全息術發展的第二階段。第二代全息術解決了光源的問題,并且在立體成像、干涉計量檢測、信息存貯等應用領域中獲得巨大進展,但是激光再現的全息圖失去了色調信息。
科學家們開始致力于研究第三代全息圖到。這是用激光記錄,而用白光再現的全息圖,在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。第三代全息術已經在很多領域的到了應用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模壓全息等。
激光的高度相干性,要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質的相對位置嚴格保持不變,這也給全息技術的實際使用帶來了種種不便。于是,科學家們又回過頭來繼續探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應該是白光記錄白光再現的全息圖,它將使全息術最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室,進入更加廣泛的實用領域。
2全息術的基本原理和特點
全息術是一種“無透鏡”的兩步成像法,它能在感光膠片上同時記錄物體的全部信息,即物體光的振幅和位相。全息照相過程分全息記錄和再現兩步:第一步稱為波前記錄(全息記錄);第二步物體的再現(重現)。
波前記錄依據的是干涉原理,物光波和參考光波相干疊加而產生干涉條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布,干涉條紋的幾何特征(包括形狀、間距、位置)記錄了物光波前的位相分布。就是說,全息圖上的強度分布記錄了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它們分別反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。應當指出,任何感光底片都只能記錄振幅(或者說強度)的分布,而不能直接記錄位相分布,全息照相之所以能記錄位相分布,是利用了參考光波把它轉化成了干涉條紋的強度分布。假如沒有參考光波,或者它與物光波不相干,波前上的位相分布是不可能記錄下來的。
波前再現的理論依據是衍射原理,照明光波(再現光)經過全息圖衍射后出現一個復雜的光波場。全息圖的衍射波含有三種主要成分,即物光波(+1級衍射波),物光波的共軛波(-1級衍射波),照明光波的照直前進(零級衍射波)。在現代記錄和重現的全息照相裝置中,這三種衍射波在空間彼此分離,互不干擾,便于人們用眼睛或鏡頭去觀測物光波的虛像或其共軛波的實像。
全息術的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點:
(1)三維性——因為全息圖記錄了物光的相位信息,圖像具有顯著的視差特性,可以看到逼真的三維圖像。
(2)不可撕毀性——因為全息圖記錄的是物光與參考光的干涉條紋,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再現完整的被攝物形象,只是分辨率受到一些影響。
(3)信息容量大——同一張全息感光板可多次重復曝光記錄,并能互不干擾地再現各個不同的圖像。
(4)全息圖的再現相可放大或縮小——因為衍射角與波長有關,用不同波長的激光照射全息圖,再現相就會發生放大或縮小。
3全息術的主要應用及其發展方向
全息術經過60年的發展,已與計算機技術、光電技術以及非線性光學技術緊密結合,成為一種高新技術,擴展到醫學、藝術、裝飾、包裝、印刷等領域,在一些發達國家還興起了全息產業,并且正在形成日益廣闊的市場,實用前景非??捎^。本文介紹全息術中幾個應用較為廣泛、產業化較成熟的領域并說明其發展方向。
3.1全息存儲
全息存儲是依據全息術的原理,將信息以全息照相的方式存儲起來,它利用兩個光波之間的耦合和解耦合,可以把信息存儲和信息之間的比較(相關)、識別,甚至聯想的功能結合起來,也就是可以把信息存儲和信息處理結合起來。用于全息信息存儲的記錄介質較多,可永久保存信息的全息圖用銀鹽干板、銀鹽非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蝕劑等;可擦除重復使用的實時記錄材料有光導熱塑料、有機或無機光折變材料等。全息存儲在存儲容量方面具有巨大的優勢,原因是:
(1)全息存儲具有存儲容量大的優勢。用感光干板作為普通照相記錄信息時,信息存儲密度的數量級一般為105bit/mm2;用平面全息圖存儲信息時,存儲密度一般可提高一個數量級達106bit/mm2;如果用體全息圖存儲信息時,存儲密度可高達1013bit/mm2。
(2)全息存儲具有極大的冗余性,存儲介質的局部缺陷和損傷不會引起信息丟失。
(3)全息存儲具有讀取速率高和能并行讀取的特點,每個數據頁可包含達1Mbit的信息,寫人一頁的時間在100ms左右,讀信息的時間可以小于100μs,而磁盤的尋址時間至少需要10ms。
當前,在世界范圍內掀起了全息存儲研究的熱潮,并取得很大的進展,其主要表現在:
(1)存儲容量迅速提高和性能不斷改善,并逐步走向實用化。例如,1994年美國加州理工學院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖,同年,斯坦福大學的一個研究小組把經壓縮的數字化圖像視頻數據存儲在一個全息存儲器中,并再現了這些數據而圖像質量無顯著下降。1999年美國加州理工大學利用空-角復用技術,在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲了26000幅全息圖。北京清華大學實現了在摻鐵妮酸鏗晶體中的同一空間位置記錄1500幅全息圖,并研制了具有緊湊結構的靈巧型全息存儲裝置。
(2)實用化的全息存儲系統逐漸推出。例如,1995年由美國政府高級研究項目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學等聯合成立了協作組織并在美國國家存儲工業聯合會(NS1C)支持下川,投資約7000萬美元,實施了光折變信息存儲材料(PRISM)和全息數據存儲系統(HDSS)項目,預期在5年內開發出具有容量為1Tbit數據,存儲速率為1000MB/s的一次寫人或重復寫人的全息數據存儲系統。同樣的研究在法國、英國、德國和日本等國家也正在加緊進行。
近幾年來,光電子技術和器件取得了系列重大進展,為全息存儲器提供了所必要的高性能半導體激光器、液晶空間光調制器、CCD陣列探測器等核心元器件,全息存儲的理論和方法的發展使這項技術日趨成熟然而,美中不足的是全息圖的壽命問題尚待解決,雖然張澤明、謝敬輝等對Ce:Fe:LiNbO3晶體的全息存儲和熱定影進行了理論和實驗研究,從方法上給出了記錄角度越大,光柵周期越小,熱定影所需最小離子數密度越高,存儲系統的整體性能越好,但是目前還未解決的一個難題是尋找合適的記錄材料。無疑,這將成為全息存儲界研究的熱門課題。
3.2顯示全息
顯示全息技術是在激光透射全息圖的基礎上來制作各種類型的全息圖,如白光反射全息圖、白光透射全息圖等,各種類型的顯示全息圖可用于舞臺布景、建筑、室內裝飾、投影等;再如,以動態顯示的全息技術、層面X射線照相術、3DCAD技術、3D動畫片、雷達顯示、導向和模擬系統等,每3年一次的顯示全息國際會議上都有全息界泰斗展出令人吃驚的全息圖,它們充分展示了全息技術創造性的魅力和藝術的美。
顯示全息目前主要有兩大類:第一類是Lippmann全息圖,制作方法有Denisyuk的單光束法和Benton的開窗法。第二類是S.A.Benton的彩虹全息圖,這是一種透射式顯示全息圖,可在白光照明下再現立體圖像,且圖像的顏色隨觀察的位置的變化而變化,從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質量記錄材料的發展,隨后的一些研究者和藝術家不斷追求更實用的拍攝技術,如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國光學學會主辦的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世紀80年代都有關于這方面的論文報道。由SPIE主辦的《Holosphere》和美國全息制造商協會主辦的《HolographyNews》以往和近年都不斷地報道有關顯示全息圖的最新制作技術和商業信息。但從這些報道情況來看,顯示全息存在不足主要表現在:
(1)視角范圍、圖像體積有限;
(2)沒有獲得特別有效的全息圖的計算方法;
(3)由于全息計算數量巨大,導致動態顯示異常困難??朔陨喜蛔?,將可能成為顯示全息研究的幾個熱點。
近年來,顯示全息技術掀起一場數字化變革,數字合成全息技術為全息三維顯示開辟了前所未有的應用前景。隨著計算機運行速度的提高和高分辨空間調制器件的發展,利用顯示全息的大視場、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價格低廉等特性,在不久的將來開發出真正意義的全息電影和全息電視,為顯示全息技術創造良好的商業前景。
3.3模壓全息
模壓全息是1979年RCA公司為解決視頻標準件的全息拷貝而提出的,它是將全息術和電鍍、壓印技術結合起來,使全息圖的制作產業化,用白光再現時,可得到色彩鮮艷逼真的三維圖像,并可通過印刷方式大批量生產,使得它在許多領域得到廣泛的應用,以商品形式走向市場。模壓全息的制作主要分為三個階段:激光攝制原片全息圖;電成型制金屬模板;模壓復制。這三個階段生產工藝和技術要求都比較高,因此,模壓全息作為安全防偽首當其沖,是安全防偽技術的一個里程碑。正如全息圖的新奇性、強烈的視角效果、制作的難度以及易于應用在鈔票的包裝上,不能去除性、價格低廉、容易驗證等特點,使它很快占領了防偽領域。模壓全息是一種技術與藝術結合的高科技產品,無論在高檔商品促銷、名優商品的防假冒或在有價證券(如信用卡、鈔票、護照簽證)的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝磺、紀念郵票和廣告標牌等都有采用模壓全息技術,并備受使用者青睞。
模壓全息出現于20世紀70年代,80年代中期已形成了一種產業,90年代達到了鼎盛時期。本世紀初,隨著防偽技術要求的不斷提高,模壓全息技術又有了新的突破:美國斑馬圖像公司推出了二維圖像的數字化采集和拍攝技術;2003年,蘇州大學研制成功并已批量生產“數碼激光全息照排系統”;同年,倪星元、張志華等成功研制了可替代傳統鍍鋁防偽薄膜的透明TiO2激光全息防偽薄膜。這些模壓全息的一個個技術突破,使防偽功能有了提高,讓激光全息防偽技術達到新的境界。
模壓全息產業在我國起步較晚,但發展速度迅猛,目前國內已有100多條模壓全息生產線。為了使模壓全息技術健康發展,我國模壓全息產業發展必須在三個方向上引起重視:首先是開拓全息燙金材料,取代金膜和銀膜,其次開發全息包裝材料,實現立體防偽包裝,第三個方向是模壓全息技術和現代印刷術相結合,體現傳統的美術效果和現代科技的藝術魅力。
3.4全息干涉計量
全息干涉計量術是將不同物光,在不同的時間記錄在同一張全息干板上,然后利用全息術的空間波前再現原理,非接觸地對物體表面進行三維測量而獲得信息。全息干涉計量術是全息應用的一個重要方面,它能實現高精度非接觸性無損測量,比一般光學干涉計量有很多優點。一般光學計量只能測量形狀比較簡單、表面光度很高的零部件,而全息計量方法則能對任意形狀、任意粗糙表面的物體進行測量,測量精度為光波波長λ的數量級。目前,全息干涉計量術在方法上先后發展了實時全息干涉法(單次曝光法)、二次曝光全息干涉法、時間平均全息干涉法、雙波長干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法,此外,J.A.Leendertz開辟了全息干涉計量術的另一個新的分支-激光斑紋計量術。隨著光電技術、計算機技術、CCD器件及光纖技術的飛速發展,使得全息干涉計量技術在信息采集和處理上更為方便、快捷和可靠,并得以在惡劣環境條件下對某些物理量進行定時測量。再加之相移技術、外差技術和鎖相技術等,可使測量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉計量在20世紀80年代美國等西方先進國家已產業化,我國在20世紀80年代初有幾所大學和科研單位的研究項目通過鑒定,其中有些達到當時的先進水平。經過近幾年的開發和研制,我國在全息干涉計量測試設備方面主要發展有:
(1)用于測試火箭發動機噴霧化特性的YSCI型離子瞬態激光全息測試儀;
(2)用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測儀;
(3)包括記錄、再現、圖像處理三部分的瞬態激光全息干涉計量測試系統;
創新意識是人們從事創造性活動的出發點和內驅力,是創造性思維、想象和創造的前提。一個人的創新意識與他的情感、動機、興趣等非智力因素緊密相關。
1.創建適合創新教育的學習環境
教師應保護學生理解的自由,容許學生對物理環境、物理認知結構有自己的理解和把握,而不應將自己的意識強加給學生,從而澆滅了那些剛剛燃起來的“創新的火花”。
2.巧設質疑,誘發學生的創新動機
“學始于思,思源于疑”。教師要善于結合教材,巧設問題情境,設計具有針對性和啟發性的疑難問題,尤其是物理教學中疑點和難點以及比較含蓄或潛在的內容,從而引導學生主動質疑。同時通過學生自己閱讀教學內容和思考問題,鼓勵學生活讀書,敢于對課本、對參考書質疑,學生間各抒己見,相互質疑。
二、教學過程中啟迪學生的創新思維
在創新教育中,教師必須通過拓寬思維、多角度、數題一解、一題數解等方法構建物理模型,使學生積極愉悅地解決問題,這樣培養出來的學生,在新的疑難問題面前,往往能從容不迫,思維興奮,解決問題的路子寬。為了有效地啟迪學生的創新思維,教師應做到:
1.教給學生靈活多變的解決問題的方法
初中物理解題方法有多種:整體法、隔離法、圖像法、等效法、估算法,等等。教師要選編有多種解法的習題組織教學,滲透物理知識點,靈活應用物理概念和規律,打破學生思維定勢的消極影響,有效地啟發學生創新思維。
2.提高構建物理模型的能力
物理學的思維方法主要是物理模型方法、等效思維方法、類比思維方法等具體思維方法。而物理模型方法是讓學生掌握建立各種模型的方法和如何應用各種模型解決實際物理問題。教師應幫助學生提高構建物理模型的能力,引導學生學會對所給的信息進行提煉和加工,突出主要因素,忽略次要因素。通過思維加工,采用恰當的方法,找到新問題與熟悉的物理模型之間的聯系,使新問題順利地實現模型化,使復雜問題變得簡單。
3.喚起學生濃厚的學習興趣
教師應該充分利用諸如奇趣的實驗演示、科技史話、實物模型、圖表、動畫等來制造懸念,配上生動風趣幽默的語言來創設教學情景。這樣可以激起學生探根求源的愿望,進而產生學習興趣,引發探究沖動, 創造性的活動就由此開始了。
三、教學過程中鍛煉學生的創新能力
物理學是一門以實驗為基礎的科學。物理教育中應從以下幾個方面為學生的親身體驗創造更多的機會,同時注重實驗的創新與探索性,培養和鍛煉學生的創新能力。
1.演示實驗對觀察能力的培養
教師在演示過程中要講明實驗目的、原理、方法、使用器材、設計思想,分析可能出現的問題;用嚴謹的科學作風與熟練操作技能給學生做出示范,使之對學生產生潛移默化的影響。更重要的是培養學生的觀察能力和思維能力??茖W家正是由于有敏銳的觀察能力,才發現出別人所不能察覺的規律。所以,通過演示實驗促使學生在觀察中和觀察后進行深入細致的思維活動,引導學生的思維向思維深度和廣度發展。
2.學生實驗對知識運用能力的培養
教師應充分挖掘教材中的探索成分,將演示性實驗改為學生實驗,通過指導或引導,讓學生去操作、分析和探索,使學生成為知識的再發現者而不是接受者,變被動接受為主動求索,從而培養學生創造性思維的獨立性?;驅Ⅱ炞C性實驗改為探索性實驗,變依賴思想為探索精神,培養學生忠于實驗數據的求實精神和領悟教材的思維方法。
3.課外實驗對創新能力的培養
1948年,丹尼斯·蓋伯提出一種記錄光波振幅和相位的方法,隨后用實驗證實這一想法,即全息術,并制成世界上第一張全息圖。蓋伯本來是為提高電子顯微鏡的分辨率而提出的設想,雖然未能用電子波證實其原理,但用可見光證實了。從第一張全息照片制成到20世紀50年代末期,全息圖制作具有以下共同特點:全息圖都是用汞燈作為光源;而且是所謂同軸全息圖,即物光和參考光在一條光路上得到的全息圖。這一時期的全息圖被稱為第一代全息圖,標志著全息術的萌芽。第一代全息圖存在兩個嚴重問題,一個是再現的原始像和共軛像分不開,另一個是光源的相干性太差。因此在這十多年中,全息術進展緩慢。
1960年激光的出現,提供了一種高相干度光源,為全息技術發展提供了可能。針對第一代全息技術出現的問題,利思和烏帕特尼克斯(1962)提出,將通信理論中的載頻概念推廣到空域中,用離軸的參考光與物光干涉形成全息圖,再利用離軸的參考光照射全息圖,使全息圖產生三個在空間互相分離的衍射分量,其中一個復制出原始物光。該方法被稱為離軸全息術,這是全息術發展的第二階段。第二代全息術解決了光源的問題,并且在立體成像、干涉計量檢測、信息存貯等應用領域中獲得巨大進展,但是激光再現的全息圖失去了色調信息。
科學家們開始致力于研究第三代全息圖到。這是用激光記錄,而用白光再現的全息圖,在一定的條件下賦予全息圖以鮮艷的色彩。第三代全息術已經在很多領域的到了應用,例如:像全息、反射全息、彩虹全息、模壓全息等。
激光的高度相干性,要求全息拍攝過程中各個元件、光源和記錄介質的相對位置嚴格保持不變,這也給全息技術的實際使用帶來了種種不便。于是,科學家們又回過頭來繼續探討白光記錄的可能性。第四代全息圖應該是白光記錄白光再現的全息圖,它將使全息術最終走出有防震工作臺的黑暗實驗室,進入更加廣泛的實用領域。
2全息術的基本原理和特點
全息術是一種“無透鏡”的兩步成像法,它能在感光膠片上同時記錄物體的全部信息,即物體光的振幅和位相。全息照相過程分全息記錄和再現兩步:第一步稱為波前記錄(全息記錄);第二步物體的再現(重現)。
波前記錄依據的是干涉原理,物光波和參考光波相干疊加而產生干涉條紋。干涉條紋的反襯度記錄了物光波前的振幅分布,干涉條紋的幾何特征(包括形狀、間距、位置)記錄了物光波前的位相分布。就是說,全息圖上的強度分布記錄了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布,它們分別反映了物體的明暗和縱深位置等方面的特征。應當指出,任何感光底片都只能記錄振幅(或者說強度)的分布,而不能直接記錄位相分布,全息照相之所以能記錄位相分布,是利用了參考光波把它轉化成了干涉條紋的強度分布。假如沒有參考光波,或者它與物光波不相干,波前上的位相分布是不可能記錄下來的。
波前再現的理論依據是衍射原理,照明光波(再現光)經過全息圖衍射后出現一個復雜的光波場。全息圖的衍射波含有三種主要成分,即物光波(+1級衍射波),物光波的共軛波(-1級衍射波),照明光波的照直前進(零級衍射波)。在現代記錄和重現的全息照相裝置中,這三種衍射波在空間彼此分離,互不干擾,便于人們用眼睛或鏡頭去觀測物光波的虛像或其共軛波的實像。
全息術的原理決定了它所記錄的全息圖有下列特點:
(1)三維性——因為全息圖記錄了物光的相位信息,圖像具有顯著的視差特性,可以看到逼真的三維圖像。
(2)不可撕毀性——因為全息圖記錄的是物光與參考光的干涉條紋,所以具有可分割性。它被分割后的任一碎片都能再現完整的被攝物形象,只是分辨率受到一些影響。
(3)信息容量大——同一張全息感光板可多次重復曝光記錄,并能互不干擾地再現各個不同的圖像。
(4)全息圖的再現相可放大或縮小——因為衍射角與波長有關,用不同波長的激光照射全息圖,再現相就會發生放大或縮小。
3全息術的主要應用及其發展方向
全息術經過60年的發展,已與計算機技術、光電技術以及非線性光學技術緊密結合,成為一種高新技術,擴展到醫學、藝術、裝飾、包裝、印刷等領域,在一些發達國家還興起了全息產業,并且正在形成日益廣闊的市場,實用前景非??捎^。本文介紹全息術中幾個應用較為廣泛、產業化較成熟的領域并說明其發展方向。
3.1全息存儲
全息存儲是依據全息術的原理,將信息以全息照相的方式存儲起來,它利用兩個光波之間的耦合和解耦合,可以把信息存儲和信息之間的比較(相關)、識別,甚至聯想的功能結合起來,也就是可以把信息存儲和信息處理結合起來。用于全息信息存儲的記錄介質較多,可永久保存信息的全息圖用銀鹽干板、銀鹽非漂白型位相全息干板、光聚合物及光致抗蝕劑等;可擦除重復使用的實時記錄材料有光導熱塑料、有機或無機光折變材料等。全息存儲在存儲容量方面具有巨大的優勢,原因是:
(1)全息存儲具有存儲容量大的優勢。用感光干板作為普通照相記錄信息時,信息存儲密度的數量級一般為105bit/mm2;用平面全息圖存儲信息時,存儲密度一般可提高一個數量級達106bit/mm2;如果用體全息圖存儲信息時,存儲密度可高達1013bit/mm2。
(2)全息存儲具有極大的冗余性,存儲介質的局部缺陷和損傷不會引起信息丟失。
(3)全息存儲具有讀取速率高和能并行讀取的特點,每個數據頁可包含達1Mbit的信息,寫人一頁的時間在100ms左右,讀信息的時間可以小于100μs,而磁盤的尋址時間至少需要10ms。
當前,在世界范圍內掀起了全息存儲研究的熱潮,并取得很大的進展,其主要表現在:
(1)存儲容量迅速提高和性能不斷改善,并逐步走向實用化。例如,1994年美國加州理工學院在1cm3摻鐵妮酸銼晶體中記錄了1000幅全息圖,同年,斯坦福大學的一個研究小組把經壓縮的數字化圖像視頻數據存儲在一個全息存儲器中,并再現了這些數據而圖像質量無顯著下降。1999年美國加州理工大學利用空-角復用技術,在同一塊在摻鐵鈮酸鋰晶體中存儲了26000幅全息圖。北京清華大學實現了在摻鐵妮酸鏗晶體中的同一空間位置記錄1500幅全息圖,并研制了具有緊湊結構的靈巧型全息存儲裝置。
(2)實用化的全息存儲系統逐漸推出。例如,1995年由美國政府高級研究項目局(ARPA)、IBM公司的Almaden研究中心、斯坦福大學等聯合成立了協作組織并在美國國家存儲工業聯合會(NS1C)支持下川,投資約7000萬美元,實施了光折變信息存儲材料(PRISM)和全息數據存儲系統(HDSS)項目,預期在5年內開發出具有容量為1Tbit數據,存儲速率為1000MB/s的一次寫人或重復寫人的全息數據存儲系統。同樣的研究在法國、英國、德國和日本等國家也正在加緊進行。近幾年來,光電子技術和器件取得了系列重大進展,為全息存儲器提供了所必要的高性能半導體激光器、液晶空間光調制器、CCD陣列探測器等核心元器件,全息存儲的理論和方法的發展使這項技術日趨成熟然而,美中不足的是全息圖的壽命問題尚待解決,雖然張澤明、謝敬輝等對Ce:Fe:LiNbO3晶體的全息存儲和熱定影進行了理論和實驗研究,從方法上給出了記錄角度越大,光柵周期越小,熱定影所需最小離子數密度越高,存儲系統的整體性能越好,但是目前還未解決的一個難題是尋找合適的記錄材料。無疑,這將成為全息存儲界研究的熱門課題。
3.2顯示全息
顯示全息技術是在激光透射全息圖的基礎上來制作各種類型的全息圖,如白光反射全息圖、白光透射全息圖等,各種類型的顯示全息圖可用于舞臺布景、建筑、室內裝飾、投影等;再如,以動態顯示的全息技術、層面X射線照相術、3DCAD技術、3D動畫片、雷達顯示、導向和模擬系統等,每3年一次的顯示全息國際會議上都有全息界泰斗展出令人吃驚的全息圖,它們充分展示了全息技術創造性的魅力和藝術的美。
顯示全息目前主要有兩大類:第一類是Lippmann全息圖,制作方法有Denisyuk的單光束法和Benton的開窗法。第二類是S.A.Benton的彩虹全息圖,這是一種透射式顯示全息圖,可在白光照明下再現立體圖像,且圖像的顏色隨觀察的位置的變化而變化,從紅到紫如雨后彩虹而得名。隨著高質量記錄材料的發展,隨后的一些研究者和藝術家不斷追求更實用的拍攝技術,如假彩色編碼和真彩色反射全息圖等。美國光學學會主辦的《AppliedOptics》和《OpticsLetters》在20世紀80年代都有關于這方面的論文報道。由SPIE主辦的《Holosphere》和美國全息制造商協會主辦的《HolographyNews》以往和近年都不斷地報道有關顯示全息圖的最新制作技術和商業信息。但從這些報道情況來看,顯示全息存在不足主要表現在:
(1)視角范圍、圖像體積有限;
(2)沒有獲得特別有效的全息圖的計算方法;
(3)由于全息計算數量巨大,導致動態顯示異常困難??朔陨喜蛔?,將可能成為顯示全息研究的幾個熱點。
近年來,顯示全息技術掀起一場數字化變革,數字合成全息技術為全息三維顯示開辟了前所未有的應用前景。隨著計算機運行速度的提高和高分辨空間調制器件的發展,利用顯示全息的大視場、大景深、全視差、真彩色、可拼裝、價格低廉等特性,在不久的將來開發出真正意義的全息電影和全息電視,為顯示全息技術創造良好的商業前景。
3.3模壓全息
模壓全息是1979年RCA公司為解決視頻標準件的全息拷貝而提出的,它是將全息術和電鍍、壓印技術結合起來,使全息圖的制作產業化,用白光再現時,可得到色彩鮮艷逼真的三維圖像,并可通過印刷方式大批量生產,使得它在許多領域得到廣泛的應用,以商品形式走向市場。模壓全息的制作主要分為三個階段:激光攝制原片全息圖;電成型制金屬模板;模壓復制。這三個階段生產工藝和技術要求都比較高,因此,模壓全息作為安全防偽首當其沖,是安全防偽技術的一個里程碑。正如全息圖的新奇性、強烈的視角效果、制作的難度以及易于應用在鈔票的包裝上,不能去除性、價格低廉、容易驗證等特點,使它很快占領了防偽領域。模壓全息是一種技術與藝術結合的高科技產品,無論在高檔商品促銷、名優商品的防假冒或在有價證券(如信用卡、鈔票、護照簽證)的防偽和加密以及圖書、印刷、印染、裝磺、紀念郵票和廣告標牌等都有采用模壓全息技術,并備受使用者青睞。
模壓全息出現于20世紀70年代,80年代中期已形成了一種產業,90年代達到了鼎盛時期。本世紀初,隨著防偽技術要求的不斷提高,模壓全息技術又有了新的突破:美國斑馬圖像公司推出了二維圖像的數字化采集和拍攝技術;2003年,蘇州大學研制成功并已批量生產“數碼激光全息照排系統”;同年,倪星元、張志華等成功研制了可替代傳統鍍鋁防偽薄膜的透明TiO2激光全息防偽薄膜。這些模壓全息的一個個技術突破,使防偽功能有了提高,讓激光全息防偽技術達到新的境界。
模壓全息產業在我國起步較晚,但發展速度迅猛,目前國內已有100多條模壓全息生產線。為了使模壓全息技術健康發展,我國模壓全息產業發展必須在三個方向上引起重視:首先是開拓全息燙金材料,取代金膜和銀膜,其次開發全息包裝材料,實現立體防偽包裝,第三個方向是模壓全息技術和現代印刷術相結合,體現傳統的美術效果和現代科技的藝術魅力。
3.4全息干涉計量
全息干涉計量術是將不同物光,在不同的時間記錄在同一張全息干板上,然后利用全息術的空間波前再現原理,非接觸地對物體表面進行三維測量而獲得信息。全息干涉計量術是全息應用的一個重要方面,它能實現高精度非接觸性無損測量,比一般光學干涉計量有很多優點。一般光學計量只能測量形狀比較簡單、表面光度很高的零部件,而全息計量方法則能對任意形狀、任意粗糙表面的物體進行測量,測量精度為光波波長λ的數量級。目前,全息干涉計量術在方法上先后發展了實時全息干涉法(單次曝光法)、二次曝光全息干涉法、時間平均全息干涉法、雙波長干涉法以及雙脈沖頻閃全息干涉法,此外,J.A.Leendertz開辟了全息干涉計量術的另一個新的分支-激光斑紋計量術。隨著光電技術、計算機技術、CCD器件及光纖技術的飛速發展,使得全息干涉計量技術在信息采集和處理上更為方便、快捷和可靠,并得以在惡劣環境條件下對某些物理量進行定時測量。再加之相移技術、外差技術和鎖相技術等,可使測量精度提高到λ/100或更高。
全息干涉計量在20世紀80年代美國等西方先進國家已產業化,我國在20世紀80年代初有幾所大學和科研單位的研究項目通過鑒定,其中有些達到當時的先進水平。經過近幾年的開發和研制,我國在全息干涉計量測試設備方面主要發展有:
(1)用于測試火箭發動機噴霧化特性的YSCI型離子瞬態激光全息測試儀;
(2)用于激光熱核聚變稠密等離子體電子密度測量的SPQ-1型四分幅皮秒紫外線激光全息探測儀;
(3)包括記錄、再現、圖像處理三部分的瞬態激光全息干涉計量測試系統;