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廣告行業和傳媒行業息息相關,在中國,廣告行業最早被視為新聞學的組成部分,直到成為一門獨立的學科,才有了系統的理論和實踐作為例證。廣告行業作為與傳媒息息相關的行業受經濟的影響并不大。無論是經濟蕭條還是繁榮,廣告行業都能在不同時期找到屬于自己的定位。經濟繁榮時期,廣告為企業集團進行市場宣傳,經濟蕭條時期,企業更需要廣告來拓寬市場和知名度。同其他行業一樣,廣告行業也需要系統的管理和規范,由于復雜的行業性質,使得廣告行業的人力資源管理也充滿挑戰。
一、廣告行業人力資源管理現狀
1.中國廣告行業發展不成熟,人力資源管理不完善。雖然從事廣告行業的人員眾多,但是專業人才卻少之又少,加之裙帶關系、工作心態浮躁、人員流動機動和懲獎制度等問題,導致廣告企業用人機制混亂。隨著市場經濟的發展,各行各業的就業機會和機遇都不斷增加,由于廣告行業接觸面廣,很多人都在廣告行業積累了工作經驗之后,轉行到其他行業或企業以求得更大的發展空間和更好的發展前景。這在一定程度上給廣告行業的人力資源管理增加了難度。
2.從業人員能力水平參差不齊。廣告行業的工作靈活性很大,對于從業人員的要求自然也高,可是有些公司利用家族企業的背景,進行關系式工作人員輸入。帶有家族關系的從業人員,從企業人力資源的角度上看,非常不利于管理,也無法進行鮮明的懲獎制度以規范企業內部管理。這些人占有一定比例,卻沒有相應的專業知識和經驗,這不僅阻礙了新專業人才的引進也阻礙了企業的發展。
3.廣告人才培養機制落后。廣告行業的要求從業人員上崗就能夠承擔獨立的策劃或活動任務,但是中國特色決定了學校對于人才的培養到有能力進行實踐需要社會提供足夠的機會和支持。廣告專業人才供不應求,而人才素質又高低不一無法滿足廣告行業的用人需求,加深了雙方矛盾。
4.優秀廣告人才匱乏。雖然廣告人才眾多,也包含留學歸來的高端人才,但是和歐美開放的地區相比,還是缺少實踐機會和多元的創作眼光,而且設備和材料也相對很匱乏,并沒有高端的圖像處理和技術。因而哪怕從業人員有足夠新穎的創意,也無法通過技術來實現。國外的廣告市場廣闊,而且在不同的領域都有廣拓的發展空間。而中國的廣告業雖然服務于市場經濟,但是仍舊和國家政治有著千絲萬縷的關系。這在管理上,就要考慮如何在平衡市場和國家關系的同時,還要平衡人才需求和人才對于從業的要求。我國廣告行業專業人才和非專業人才的平衡。對于非專業人才,他們并沒有敏銳的市場和傳媒觸覺,也不懂得如何策劃,但是這些人流動性大,隨時都有轉行的可能。而專業人才有很難在短時間內招錄,所以對于工作周期短,工作流動性大的從業人員,在人力資源管理上也無法做出長遠的應對之策。
5.人力資源管理還沒有完善的機制和長足的發展。和廣告企業一樣,人力資源管理在中國也是剛剛起步,在有些企業甚至都不是一個獨立的部門,一般都被歸在行政部門里面。這也就是說,人才管理在龐雜的行政事務中很容易被忽略,工作也無法被細化。在人才選拔以及后期培訓甚至考核中,都無法建立一套系統的體制來管理,只能隨著行政管理的安排進行調配。而一些企業往往老板才是最后敲定用人與否的關鍵,人力資源管理部門的職能被其替代,形同虛設。且廣告企業內部部門劃分粗糙,很多部門分類也很混亂,很難進行統一的調配和組織,也給本就沒什么權利的人力資源部門增加了協調的難度。
二、廣告行業人力資源管理的改進方法
1.平衡廣告企業和廣告人才之間的矛盾,協調二者的需求。首先對廣告專業人才的培養要注重實踐,并且依靠政府的宏觀調配給在校的廣告專業學生創造足夠的實踐機會。其次,大型的廣告公司可以創辦新進人員的專業進修培訓課程,甚至可以送到國外去學習。作為廣告人,就要不斷汲取新鮮事物、拓寬眼界和思維,相關專業技能的培訓無疑是最好的方法,這樣也可以吸引有廣告創作能力的人加入并且可以通過間斷性的進修課程,讓從業人員數目保持穩定,并且本著企業培養、回饋企業的原則,達到良性循環。這樣的培訓既可以降低用人成本,還可以為雇員提供更多的機會,這樣一來就可以鞏固企業內部的固定員工數量,便于企業內部指定對相關人員進行長期的管理的計劃。
2.制訂科學合理的用人機制
首先,對于廣告企業來說,人力資源的管理要堅決杜絕家族式管理和裙帶關系,一切職位都要憑能力而為之。并且細化分工,細化部門,賞罰分明,將責任落實到個人。用干部管理和現代人力資源管理的理論進行內部選拔制度,不夾雜私人感情,有機化企業內部的機制。
其次,將戶外廣告和室內廣告分開來管理。對于戶外廣告,由于工作的靈活性和分散性,將管理分成周期來進行,這樣避免了由于工作需要造成的瑣碎問題,也可以將問題集中分類處理,并且將某些執行權力落實到負責人,便于及時更換雇員。對于室內廣告,可以按組管理,先以團隊為單位建立工作分區,然后將善于不同類型廣告的團隊分開來,這樣在選用和招聘人才的時候,要求細化,避免了盲目選人被動上崗的現象。
其三,建立防止人才流失的機動體制?,F在市場競爭激烈,對于廣告企業也是一樣,沒有足夠吸引人的條件就無法留住人才,這不僅在薪資上要有公平的待遇,還要定期進行業務考核,擇優而上,并且根據業績進行獎評,一切公開、公正、合理。對于管理標準和管理進度,也可以在內部網絡上公布,通過透明的管理,給從業人員一個放心、干凈的工作環境。一個簡單的工作環境,這在現今浮躁的社會也是一個留住人才的重要因素。人力資源管理者可以通過借鑒國外企業的管理模式并結合中國國情指定符合市場經濟的人才管理機制,在激發人才對企業愿景的同時,給予合理的薪資和充足的發展平臺。
3.注重人力資源管理專業人才的引進。很多廣告企業由于本身復雜的行業性質和廣泛的接觸面,并沒有刻意的招聘專業人力資源管理人才。同時很多人力資源管理部門并不是獨立的部門,所以要想更好的進行人才管理,需要將其從其他部門中劃分出來。人力資源本身并不是管理和經營的部門,而是一個統籌和協調的部門,需要從大局入手,根據各個部門不同的分工進行合理的人員分配。人力資源管理者不是考慮雇員會什么特長,而是考慮這個雇員在這個職位上能否為企業的發展做出最大的貢獻,這個職位能否將雇員的潛能完全激發出來。這在廣告行業中是十分重要的。隨著經濟的發展,在中國廣告涉足的領域和行業也越來越多,對廣告行業多元化的創作素質的要求也越來越高,因而,合理的人員調配,也可以將企業的利益最大化。
三、結語
廣告行業作為充滿挑戰和機遇的行業,在中國不斷地成長。這個過程,需要專業的人力資源管理人才和廣告人才來實現。除了要在立足中國國情的基礎上積累經驗,也要通過充足的理論知識來指導實踐。在人力資源管理這個部門不斷成熟的過程中,企業也要給予足夠的成長空間。廣告人在策劃引人注目的廣告同時,也要經營好企業,把握好人才,規范管理機制,將企業帶到通往長足發展的道路上去。
參考文獻:
[中圖分類號]G423
[文獻標識碼]A
[文章編號]2095-3712(2013)34-0052-06
[基金項目]廣西教育科學“十一五”規劃課題“廣西民族地區學困生發展策略與語文德育的功能研究”(2008C21)。
[作者簡介]韋美日(1964―),女,廣西環江人,碩士,廣西師范學院文學院副教授,研究方向:語文課程與教學論,廣西民族地區語文德育。
在語文課程改革中,出現了一些自相矛盾的奇怪現象:一邊是課改實驗的“泛人文化”,表現為在公開課或是教學競賽中,以培養學生的人文素養為主,進行漫無邊際的拓展延伸,忽略了語文知識、技能的傳授、訓練;一邊是學校的常規教學中的“去人文”,表現為課堂教學仍然以傳授知識為主,扎扎實實進行應試能力訓練,把人文精神的培育當成可有可無的內容,隨意增減。
一、語文教學中遇到的問題
語文課堂教學中的矛盾現象背后是語文課程的價值取向指導下的語文課程資源開發的問題。功利化的價值取向使語文課堂教學僵化、老化,局限于狹小的語文課程,受制于語文教學的狹窄空間,不能進行真正的跨學科、跨領域、面向生活的語文綜合性學習,不能全面提高學生的語文素養。
(一)語文教學實踐的功利化取向
語文課程改革中,這種看似矛盾的現象,事實上有其內在聯系,即語文課程實踐中的功利性價值取向侵蝕了語文課程標準的理性價值取向,導致對語文課程理念的淺表理解,或者是誤讀。在教學行為上則表現為陽奉陰違:在展示語文教學改革成果的實驗課上,盡可能多地增加人文性的內容,貼近語文課程標準的要求,會獲得比較高的評價;在常規語文教學實踐中,認認真真落實語文知識點,盡量吃透語文考試的內容,在各種語文考試中成績優秀,會得到大家的承認。這種過于功利化的語文教學活動必然走向經驗性和機械化,輕視排斥理論指導,惰于實踐創新,消解語文課程改革的核心價值體系,在語文課程改革旗幟掩護下,走的是應試教學的老路。
(二)語文教學內容和語文教學研究的單一化
要擺脫語文教學的經驗性和機械化的慣性傾向,語文教學就不能只顧在自己的領地上埋頭耕耘,還需要具有宏觀的、全局的戰略眼光,超越眼前的功利性需要,為國家民族文化的傳承和學生的未來謀劃,在更廣闊的天地中運籌帷幄。語文教學立足于語文素養的提高而不只是在實驗課中表演人文性,語文知識和技能的獲得也不只在語文課本和語文課堂教學活動中,其途徑和方法是無限多樣的,需要語文教師在語文教學實踐中勇于探索,更需要綜合運用相關學科的理論和研究方法指導語文教學實踐,不同學科的理論可以為語文教學開辟新天地,提供不同的解決問題的思路和方法,有可能達到事半功倍的效果。
民族學的經濟文化類型理論所關注的經濟文化類型及其對經濟文化類型的研究方法,為成功地利用本土的語文課程資源提供可參照的理論框架和方法論基礎,引導語文課程實施走出“泛人文化”和“去人文”的泥潭。
二、經濟文化類型理論及其發展
(一)經濟文化類型理論的提出
人類學的經濟文化類型理論是“蘇聯專家CH托爾斯托夫、MT列文、HH切博克薩羅夫等人在20世紀50年代共同提出的?!盵1]“1956―1958年期間,時任蘇聯民族學研究所東亞和南亞室主任的切博克薩羅夫到我國中央民族學院進行講學。期間,我國學者林耀華與他共同撰寫了《中國經濟文化類型》一文,全面地運用了經濟文化類型理論來研究中國民族問題,踏出了此理論在中國進行本土化研究的第一步。但在之后2O多年的時間里,由于多方面的原因,國內關于這方面的研究沒有取得任何進展,直到20世紀80年代中期,林耀華的學生張海洋開始繼續此項研究,其碩士學位論文便是《中國經濟文化類型研究》。”[2]蘇聯的經濟文化類型是指“居住在相似的自然地理條件下,并有近似的社會發展水平的各民族在歷史上形成的經濟和文化特點的綜合?!盵1]林耀華先生認為經濟文化類型是指“居住在相似的生態環境下,并操持相同生計方式的各民族在歷史上形成的具有共同經濟和文化特點的綜合體。”[1]
(二)經濟文化類型理論在中國的發展
羅吉華文章所說的“本土化研究”是指中國的人類學家用蘇聯專家的經濟文化類型理論來認識中國的經濟文化類型,在研究實踐中修正完善這一理論,使之更貼近中國民族分布和經濟文化發展的特點,為民族地區的經濟文化發展服務,這一工作在20世紀80年代以后得到延續。50年代,林耀華先生在《中國經濟文化類型》中結合東亞各個經濟文化類型的情況,區分了三組經濟文化類型:第一組,以狩獵、采集和捕魚起著主導作用的類型;第二組,以鋤掘(徒手耕)農業或動物飼養為主的類型;第三組,以犁耕(耕耘)農業為主的類型。[3]他還對每一種類型的特點及分布范圍進行了具體的闡述,為建立和運用中國特色的經濟文化類型理論奠定了扎實的基礎和基本的研究框架。其優點是將研究置于東亞的大背景中進行比較分析,有一個中觀的認識角度,選取了每一類型中的典型進行描述,加深了對某一類型的特點的理解和認識;其不足是未能深入到中國領土上的56個民族的生態環境內部,了解其具體的生計方式,區分其經濟文化類型,其研究成果依然是一個大致的輪廓,沒有構成一個細節完備的邏輯體系。
林耀華先生主編的1997年出版的《民族學通論》第四章《經濟文化類型》在原來分析框架的基礎上進行了充實和完善。首先,闡明了經濟文化類型理論的含義及其作用,強調了經濟文化類型理論的方法論意義,它在學科理論方面的價值和現實意義。方法論方面指出了它的一系列操作規范,為正確理解和實際運用這一概念指明了方向。其次,闡明了其在學科理論建設方面的重要貢獻和民族地區的現代化建設方面的作用,使其方法論意義落實到具體的學科內容方面和現實生活領域,有效擴大了它的影響范圍,強化其實踐意義,把它從純學科的認識論逐步發展為能為解決民族地區的經濟文化事業發展提供理論依據的有中國特色的民族學理論。與在《中國經濟文化類型》中所提出的內容框架相比,《民族學通論》區分了類型組里面的具體類型。第一組,采集漁獵經濟文化類型,包含兩個類型:以鄂倫春族為代表的山林狩獵型和以赫哲族為代表的河谷漁撈型;第二組,畜牧經濟文化類型組分為四個類型:以部分鄂溫克族為代表的苔原畜牧型,以蒙古族為代表的戈壁草原游牧型,以哈薩克族為典型的盆地草原游牧型,以藏族為典型的高山草場畜牧型。第三組,農耕經濟文化類型組,區分出六個類型:山林刀耕火種型、山地牧耕型、山地耕獵型、丘陵稻作型、綠洲耕牧型、平原集約農耕型,最后一種類型還區分出兩個亞型:北方亞型和南方亞型。[4]
《中國經濟文化類型》和《民族學通論》第四章《經濟文化類型》的內容相比較,有三點不同:第一點,類型組名稱有變化;第二點,類型組中的典型變成了具體的類型;第三點,各類型的經濟文化的地域性、歷史性、綜合性的特點更為突出。這三點變化把中國的經濟文化類型從東亞的經濟文化類型的背景中凸顯出來,作為一個獨立的研究對象來考察,因而從名稱到特點都更符合中國民族地區的地理分布特點,歷史以來形成的各民族的居住格局,以及在此基礎上逐步形成的民族經濟文化發展的特點。這個體系的優點是很明顯的,它突出了中國地理環境和民族地區經濟文化發展的特色,有利于正確認識民族地區的社會結構及其歷史發展規律,能更好地指導民族地區的經濟文化建設;其不足之處是由于顧及到經濟文化類型的綜合性特點,雖然提到了建立有層次的立體結構的四個內容,但在具體闡述內容時,沒有對構成這種綜合性的具體因素及其相互影響關系進行相應的描述,即其類型內部的基本結構仍然有待完善。
(三)經濟文化類型理論在民族教育中的應用
在哈經雄、滕星先生主編的2001年出版的《民族教育學通論》第四章第二節《經濟文化類型與民族教育》中,在林耀華先生所下定義和前人研究的基礎上,根據“對世界民族分布和地理類型的概括分析,首先對世界民族及民族區域的經濟文化類型進行一個粗線條的分類,然后對民族經濟文化類型同民族教育的一般關系進行初步探討?!盵5]這里區分出四個經濟文化類型組,第一組,采集漁獵經濟文化類型組,包括兩個亞型:北部寒帶亞型和南部熱帶亞型;第二組,游牧經濟文化類型組,包括兩個亞型:北部寒帶、溫帶亞型和南部熱帶亞型;第三組,農業經濟文化類型,包括山地雨林混合農業和犁耕農業;第四組,現代化工農牧業類型組,包括三種類型:高度發達的商品化農牧業、商品化的種植園農業、城鎮工農業綜合經濟文化類型?;谑澜缃逃亩嘣幕尘昂兔褡褰逃囊暯?,其內容的特點也很鮮明,第一點,從“世界民族分布和地理類型的概括分析”來區分的經濟文化類型,與世界多元文化教育的背景相呼應,吸收了《中國經濟文化類型》的中觀視角并賦予時代特色;第二點從“民族經濟文化類型同民族教育的一般關系”出發進行研究,重點不在于構建經濟文化類型的理論,而在于探討其特點對民族地區學校教育的影響。這一論題的優點是簡潔明了,突出特定研究視界中的經濟文化類型的核心內容,其不足在于宏觀角度必然要犧牲許多具體的內容,而經濟文化類型與民族教育的許多特點是要通過具體細節才能得到精確反映的。
經濟文化類型理論從20世紀50年代由蘇聯專家提出到20世紀80年代以后在中國的實踐與發展,在理論體系的建構上,從宏觀、中觀、微觀三個層面進行了有成效的探索,在本土化的實踐中,經濟文化類型的區分更加能體現中國區域民族分布的特點,在方法論的意義上,強化了它在民族地區現代化進程中的價值和意義。
三、經濟文化類型理論對語文課程資源開發的啟示
經濟文化類型理論不但在民族學的發展和民族學研究中有積極的意義,因為其對民族地區經濟文化獨特的研究視角和研究方法,對語文課程資源的開發利用也有重要的啟示。
(一)語文課程資源開發立足于本地的物質文化基礎
“經濟文化類型理論充分地肯定了自然地理環境和社會生產力水平對于物質文化發展所帶來的影響,從而為民族學對人類社會物質文化的起源和特征的研究提供了一條科學的認識途徑。”[4]對語文課程資源的開發也要從認識本地的自然地理環境和社會生產力開始,進而認識其物質文化的特點,這一認識途徑對民族地區的語文課程資源開發來說尤其有價值,因為它是自然的饋贈和歷史的遺存,不須投資。廣西民族地區大部分都屬于“農耕經濟文化類型組”中的“丘陵稻作型”,“水稻種植與干欄式建筑的結合是丘陵稻作型的基本文化叢結?!盵4]這是與民族地區學生的生活有密切聯系的物質文化,如水稻的起源和分類,水稻種植的知識,干欄式建筑的特點和地理環境的關系,也是最基本的語文課程資源,可以幫助學生理解自己和自然的關系,培養學生對自己民族物質文化的認同。不僅如此,本地物質文化資源進入語文課程還能激發學生的學習興趣,活躍語文課堂氣氛,激活學生的生活經驗,使學生的學習更有成效。
(二)語文課程資源的開發面向不同的學科領域
對世界民族的分類有各種角度和方法,但各種方法都有其長處和短處,如語言譜系法,能準確標出各民族在歷史上的親緣關系及接近程度,但卻不能標出各族群的地理環境,經濟文化發展方向和生計方式的特征,這正是經濟文化類型理論的長處。[4]就是說,經濟文化類型理論綜合運用了不同學科的研究方法和研究成果,建構自己的理論體系,解決了本學科的理論問題。語文課程的綜合性、社會性、實踐性的特點,決定了語文課程資源的無限廣闊性,語文課程資源的開發如果局限于本學科領域,課堂教學中一味強調以語言文字為中心的“語文味”,只重視“語文”的課外讀物,或者只圈定在“語文教學輔助材料”的范圍里面,那么語文教學就很難逃脫沒有“文化”、脫離現實生活的宿命。不同學科領域的知識及其獲取知識的方法對語文課程資源的開發利用是有意義的,這是因為語文學科知識的綜合性特征決定了它必須不斷從各個學科領域中源源不斷地獲得新的知識和新的方法,再以“語文”為核心,對這些知識和方法進行整合,成為語文課程資源。
(三)語文課程資源的開發要重視背景知識的運用
經濟文化類型理論重視對各種經濟文化類型的縱向的歷史考察和橫向的地域差異比較,其經濟文化類型組的排列就體現了不同地域的民族發展的歷史進程及其經濟文化特征。在基礎教育課程改革中執行國家、地方、學校三級課程體系,也是考慮到不同地域經濟文化發展的不平衡性,而經濟文化類型的形成是一個長遠的歷史過程,因此要真正了解其類型特征并在此基礎上建設和發展,就必須了解其形成的歷史背景。民族地區學校教育的知識體系的構建,尤其是地方鄉土知識體系的構建,民族地區經濟文化類型的背景知識是其中必不可少的內容,否則三級課程體系的建構就失去了實質意義。語文課程是所有學科的基礎,語言文字的正確應用不但是語言文字本身的事情,還有語言文字涉及的社會經濟文化發展的背景,也只有關注了語言文字所蘊含的社會經濟文化內涵,語文課程作為各門學科的基礎才名副其實,才能在三級課程體系中發揮它的基礎作用?!凹冋Z文知識”的教學,其實只重視語言形式方面,而拋棄了文字的豐富內涵,是缺乏“文化”的語文課程,無法完全承擔語文學科作為基礎學科的任務。
(四)語文課程資源開發要重視經驗的積累和理論的建構
“了解作為人類進化的遺傳和變異背景的經濟文化類型,必然能使體質人類學的認識途徑得到豐富。”[4]了解民族地區的經濟文化類型,也可以開闊語文課程資源開發的眼界。因此民族地區的學校教育也應該重視作為課程資源基礎的民族地區的經濟文化類型的認識和研究,重視在經濟文化類型的基礎上開發的語文課程資源的原始材料的積累。這些資料應該把已有的體質人類學、民族志的資料包含在其中,眼光不能只局限在語言文字的范圍內,也應包含物質文化,如民居、生產工具等要素,要透過語言文字和物質形態去理解和傳承語言文字和物質形態所承載的民族文化傳統。語文教學的目的從來就不是語言文字本身,而是以它為工具掌握其中的文化內容,形成適應社會的基本能力。另外,為了使經驗的積累具有明確的目的和意義,需要借助其他學科先進理論的指導,但即使是有親緣關系的交叉學科,也有自己的研究對象和范圍,其構建的理論體系首先必須能解釋本學科的事實和現象,而不是解釋相關學科的事實和現象。希望借助相關學科的理論解釋本學科的事實和現象,擺脫不了模仿和借用的慣習,最終會使自己處于缺乏適切的解釋框架的狀態,無法建構一個能充分闡述學科特點的理論體系。語文課程資源開發目前就處于這種尷尬的狀態。要有所作為,借鑒其他學科的理論也只是手段,目的還在于,在積累豐富的語文課程資源開發的經驗的基礎上建構語文課程資源開發的理論體系,只有這樣,民族地區語文課程資源的開發才會走上有序發展的道路。
(五)語文課程資源開發要體現語文學科的特點
經濟文化類型理論“不僅本身就注意環境、地域和經濟、文化的綜合因素,而且還有一個歷史民族區或歷史文化區的概念與之相輔相成?!盵4]因為經濟文化類型理論的這種獨特視角和研究路線,使其區別于民族學的其他理論,對中國民族經濟文化具有更強的解釋力,也有更廣泛的適用范圍,為其他學科領域的借鑒和應用提供了可能性。把它運用于民族地區的語文課程資源開發領域,就要注意民族地區語文學科教育的特點與經濟文化類型的契合度。語文課程標準所闡述的語文學科的特點,即人文性、實踐性、具有漢語言文字的特點,適用于國家課程體系,而民族地區語文學科教育除了具有上述特點之外,還有適用于地方、學校課程體系的特點,其中之一就是母語思維和漢語思維的轉換、兼容問題,這個問題的背后其實就是歷史以來民族地區的經濟基礎和文化傳統的變遷問題,這是語文課程資源開發與經濟文化類型之間的結合點。
(六)語文課程資源開發要服務于本地區的經濟文化發展
經濟文化類型理論的發展指向民族地區“因地制宜地開發和利用、保護生態環境與資源”“通過自己的努力來實現本民族本地區的經濟發展”“減輕文化變遷中不可避免的心理壓力及其他方面的消極影響”“保持其應有的文化特點”。[4]應該說,這不僅是民族學及其經濟文化類型理論努力的方向,也是民族地區學校教育努力的方向,當然也是語文課程資源開發的目標。在語文課程資源的選擇和鑒別過程中,經濟文化類型理論提供了有實用價值的標準,這一標準包含三個內容:第一,作為語文課程資源它是否具有本地區生態環境的特點;第二,作為語文課程資源它能否促進本地區的經濟文化發展;第三,作為語文課程資源它能否反映本地區經濟文化變遷的特點。按照這一標準,并非所有的民族地區的鄉土知識都適合作為語文課程資源,在這個意義上說,語文課程資源的開發其實就是一個價值選擇、文化選擇的過程,而語文課程資源開發的標準的確定就是一個關乎教育哲學的問題,是民族學和教育學共同關注的基本問題,而服務于本地區的經濟文化發展則是各學科當前都必須面對的基本問題。
綜上所述,從經濟文化類型理論在民族學研究和發展中所發揮的作用出發,對作為同樣關注民族地區經濟文化的建設和發展的語文課程資源開發而言,它所受到的啟發是多方面的。把服務于本地的經濟文化發展作為立足點,關注本地特有的文化背景知識,從語文學科的需要出發,有效整合多學科的知識與經驗進行語文課程資源開發,就有可能有效解決當前語文課程實施中的經驗性和機械化傾向,走上促進民族地區經濟文化發展的道路。
參考文獻:
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1. 引言
分布式光纖傳感技術適用于橋梁工程的檢測以及施工過程監控。其原理基于在光纖中傳播的激光會發生布里淵散射,而散射光的頻率,會隨所在的點的溫度和應變發生變化,這兩種效應都是線性的。一般使用通訊光纖布置于工程構件,進行測量,因此,必須對光纖進行標定。標定后的光纖,其頻移與相應的溫度或應變有一個明確的換算系數,單位是Hz/℃,以及Hz/?ε.
為了標定光纖,我們制作了專用標定臺。由鋼質簡支梁組成,采用砝碼做四點彎曲加載,因此中段是純彎曲段。梁的彈性模量、尺寸已知,因此可以在理論上確定彎曲應變、應力。在純彎曲段貼應變片,測試應變值作為校驗。由于本次試驗目的在于檢驗標定方法和標定方案的合理性,采用一段已經標定過的光纖做實驗,其標定值為0.051MHz/?ε,本文不做應變片以及砝碼載荷下理論應變的校驗分析。
2. 試驗材料和儀器
此次試驗同時標定的光纖有:(1)裸光纖;(2)普通緊套光纖;(3)鎧裝緊套光纖。
三組光纖稍微預張拉后分別粘貼在鋼梁的下側即受拉一側,三條光纖線路分別連接好(激光筆測試光路通暢),各自編號,各自線路上對應的待測純彎段距離范圍量測準確后,即開始測試。
測試儀器為日本 NBX6050分布式光纖監測儀。圖1是實驗裝置。
圖1 實驗裝置
3. 測試結果及數據分析
本文僅分析裸光纖的標定結果,另兩組光纖的標定,數據處理較復雜,將另文發表。
實驗過程包括加載砝碼、運用光纖監測儀發出激光、讀取散射光、分析頻移得出數據。數字化的數據以電腦文件形式保存。圖2是由數據畫出的裸光纖的測量曲線。其中中段是純彎曲段的響應,兩側有非純彎曲段以及光纖引線的響應。
圖2 裸光纖應變曲線
根據數字化的數據文件,數據導入excel繪制散點圖并擬合線性直線
得出結果見表1. 擬合的直線見圖3。根據直線方程,可以知道其標定系數。
表1 擬合直線的數據
圖3 擬合的線性度及其斜率
擬合線性方程式表明裸光纖的標定值在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。與名義標定值符合較好,也符合一般光纖的平均特性。
4. 結論
通過使用標定臺,對光纖進行試驗性標定,確認名義應變系數為0.051的光纖,其標定系數在0.0508-0.0514MHZ/?ε之間。標定的最大相對誤差為0.78%. 研究表明,這種標定臺性能較好,標定方法合理。
本次試驗還有很多其他數據待分析,將另外撰文發表。
參考文獻
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另外,語法要求還包括正確使用標點符號等其他很多方面。如“H省是一個自然災害頻發且多樣的省份,形成機制復雜,防治難度大……”的語言表達,就寫得太隨意,第一句的主語與后面帶逗號的句子應該不是同一個主語,但形式上逗號后面的主語應該是“H省”。這樣,邏輯上是不通的。所以,科技語言的語法問題不能不引起注意。
2.使用簡單句和陳述句。學術論文不同于小說、散文等文藝作品。學術論文一般是對科學事實、材料信息等的描述和表達,是對科學分析的陳述、討論和邏輯推理,是對科學結論、認識的總結和提升。這就要求科技論文使用簡單、明了的語言。因為盡量使用簡單句、陳述句,才方便讀者閱讀、理解。一般單個句子不宜太長,形容詞、副詞等修飾語不宜過多,疑問句、反問句盡量少用。
3.用事實說話,避免空洞表達??萍颊撐牡淖畲筇攸c就是擺事實、講道理。一般自然科學的論文,由引言入題后,就是事實(現象)描述、分析和討論,然后就是結論。整個過程的邏輯關系,就是以事實為基礎,進行科學分析、論證,得到科學認識。文章的語言應符合科技論文的這個特征和要求。不宜泛泛而談,空洞無物。如某學院在介紹自然地理專業總體概況、優勢與特色時,有如下一段文字表述:
“自然地理學以地球表層,即自然地理環境為研究對象。自然地理學是把組成自然環境的各種要素相互聯系起來進行研究,以闡明自然環境的整體,各組成要素及其相互間的結構、功能、物質遷移、能量轉換、動態演變以及地域分異規律?,F代自然地理學著重研究大氣圈、水圈、巖石圈、生物圈相互作用的過程機制及其響應體系。尤其重視人類活動對自然環境的作用,并應用地理系統的原理,探討人類與自然環境的相互關系和全球變化對自然環境的影響,以及人口、資源、環境與區域開發之間的協調發展等問題?!?/p>
筆者認為這段文字不但脫離事實、空泛,而且漫無邊際、不很靠譜。讓人讀后,很難獲得該學院該專業的任何具體信息。介紹了等于沒有介紹,甚至還不如不介紹。
4.邏輯性強、條理清楚??萍颊撐牡淖畲筇攸c就是有很強的邏輯性,經得起推敲。即陳述的事實、分析的問題、論證的理論原理、得到的科學結論等之間有嚴密的邏輯關系。所以,語言表達也應十分注重邏輯關系。比如前面一句是“(激光)根本穿不透(霧霾)”,后面接著一句“如果激光武器的作用距離是10公里,有霧霾的情況下一下降到1公里”。前后邏輯關系相矛盾。再比如“上世紀八十年代,很多學者對XX進行了XX研究(張X,1987;姚X,2005)”。這里引證參考文獻,出現明顯的邏輯錯誤。這樣的細節問題,稍作思考,就可以避免。
另外,語言表達的句與句之間、段與段之間,不但邏輯關系明顯,還要條理清楚。比如在表述某風化剖面主元素含量特征時,文章中一會兒“自上而下,元素A含量增高”;一會兒又“自下而上,元素B含量降低”。這樣缺乏條理,讓讀者讀起來很費力,也不便于自己總結有關規律性的認識。值得注意。
中圖分類號:P258 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2013)01-0085-02
1 概述
三維激光掃描技術又稱作高清晰測量(High Definition Surveying,簡稱HDS),它是利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面點的三維坐標信息、反射率、紋理等信息,將被測實體和場景的三維數據完整地采集到電腦中,進而快速復建出被測目標三維模型及線、面、體等圖件數據。
項目位于內蒙古敖侖花銅鉬礦露天采場,面積約1平方公里,掃描區域如圖1。作業要求:全野外三維點云數據采集、填挖方量計算、1:2000地形圖、建立三維模型、生成三維視頻。
2 三維激光掃描系統的原理
脈沖式三維激光掃描儀工作原理是激光器發射出單點的激光,通過記錄激光的回波信號,計算激光的飛行時間,來計算目標點與掃描儀之間的距離。這樣連續地對空間以一定的取樣密度進行掃描測量,就能得到被測物體的密集的三維彩色散點數據,稱作點云。三維激光掃描儀通過脈沖測距法獲得測距觀測值S,精密時鐘編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。三維激光掃描一般使用儀器內部坐標系統,X軸在橫向掃描面內,Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直,由此可得點云坐標(XS,YS,ZS)的計算公式,如圖2、3所示。
3 儀器介紹
本項目點云采集三維激光掃描儀,圖4。
此儀器是當今最先進的三維激光掃描系統之一,它是一種高速脈沖式掃描儀,特點如下:
(1)完全的視場角:掃描視場角為水平360°,垂直270°,可獲取頂部,垂直方向、水平方向和水平方向以下區域的數據;(2)測量級精度的雙軸補償器:可架設在已知點上進行導線測量、可輸入點坐標來放樣、精度1”,補償范圍+/-5’;(3)基于標準反射率表面工作距離:300m-90%反射率;134m-18%反射率;(4)高速掃描:掃描速度可達50000點/秒;發射的光斑大小為50m處恒定3mm,大大提高了掃描的速度和精度。(5)測量級精度如表1。
4 Scanstation2外業三維數據掃描
三維點云數據采集,關鍵步驟如下:
4.1 外業踏勘
首先,要進行現場踏勘、制作掃描規劃草圖,規劃的內容包括:外業操作人員、掃描區域和時間、站點設置、標靶位置等。其次,科學設站,在保證儀器發揮最大功效的同時,應避免重復掃描,另外,后期如進行標靶拼接,一定要設計好下一站標靶的位置以確保兩站標靶通視,如進行點云拼接,設站要盡量采集到較多的特征點。最后,標靶設置要規范,標靶擺設要穩固,盡量不要共線,同時標靶的位置最好設置在兩站公共空間的最大距離處,以保證拼接精度。
4.2 外業掃描
外業點云數據掃描,主要步驟如下:(1)連接掃描儀和電腦,設置IP地址;(2)添加數據庫,確定數據存儲位置;(3)添加掃描儀,設置掃描儀參數,主要包括:照片曝光率、掃描范圍、點云間隔密度等;(4)選擇掃描數據存儲的位置并連接掃描儀;(5)三維點云數據及標靶掃描。
5 點云數據處理
在Cyclone系統軟件內進行,步驟如下:
5.1 剔除噪音點
在掃描過程中,由于受掃描系統本身的系統誤差,如數據采集時激光雷達旋轉引起的抖動、在掃描過程中雜散光和被測物體表面粗糙程度、波紋、表面材質等因素及外界環境影響,會產生不屬于掃描實體本身的冗余數據,稱為噪音點,如圖5,6,為了保證數據計算及模型的精度,在數據拼接之前需進行噪音點剔除。
5.2 點云拼接
每站掃描的數據都是獨立的自由坐標系統,坐標系原點為掃描儀鏡頭,其X方向為掃描儀開機時的鏡頭朝向。因此為了統一坐標系,需將各站數據進行拼接處理。拼接的思路是先將每天各測站的數據拼接成一個整體,然后將各天的數據進行拼接。
(1)點云拼接原理:外業掃描時用全站儀測得標靶的真實三維坐標,各測站掃描時均兩兩包含三個以上不共線同名標靶,利用各測站間的同名點將各測站數據拼接在一起。
(2)點云拼接方法:共有四種方法:在已知點上設測站掃描(即坐標拼接)、使用標靶將數據轉換到統一坐標系中(即標靶拼接)、用點云匹配的方法將點云轉換到統一坐標系中(即特征點云拼接)、綜合使用上述三種方法。
第一種方法屬于直接法地理坐標轉換。與傳統的測量方法一樣,首先進行控制測量,獲得控制點坐標,掃描時在已知點上設站,掃描相當于碎部測量。第二和第三種方法屬于間接法的地理坐標轉換。首先用至少三個公共點來將相鄰測站的點云進行拼接,公共點可以是專用標靶或特征點(如窗戶的邊角、房角等)。
5.3 點云建模
建模的過程是在Cyclone軟件下利用海量點云進行精確計算、擬合幾何物體的形狀,精確表現掃描物體。礦區掃描點云數據如圖7。
點云經過剔除噪音點、拼接、構建TIN三角網,生成Mesh三維模型。如圖8所示。
5.4 成果輸出
(1)地形圖制作:在Cyclone下利用Mesh三維模型自動生成等高線如圖9,將點云與等高線導出,在CAD中制作1:2000地形圖。
(2)填挖方量計算:項目采用了兩種計算方法,一是利用點云數據構建三角網,用方格網法計算;二是在Mesh模型中選定參考面,設置取樣間隔,計算土方量,如圖10所示。
在Cyclone系統里,應用Mesh三維模型計算時,取樣間隔的數值可以設置成0.01至1米之間,均可保證土方量計算又快又準,但如采用傳統的方格網法計算,取樣間隔即使設置到1米,也是相當費時費力的。
6 結語
本項目采用世界先進的三維激光掃描系統采集三維點云數據,在Cyclone系統里進行數據處理、模型制作,采用兩種方法計算土方量,通過與傳統測量方法相比,得出以下結論:
(1)數據采集速度快,ScanStation2的掃描速度是50000點/秒,短時間就可完成大區域面積內三維點云數據的采集,既節約成本又提高了工作效率;(2)激光三維掃描,不需要接觸被測物體,且是根據物體的反射率和材質來采集數據信息,可進行全天候掃描;(3)點云數據完整精確,在軟件下可進行多視角、三維可視化漫游瀏覽,方便、直觀;(4)三維激光掃描儀獲取的點云數據信息量豐富,既包含被測物體X,Y,Z坐標信息,還包括RGB顏色及反射率信息,后期對矢量數據可進行深挖掘及研究應用,一舉多得;(5)應用三維點云數據可以提取任何線性特征,可以出任意比例的二維圖,也可以在圖上量取任何想要得到的信息,在保證高精度的同時還大大提高了生產效率,這是目前現有的方法中所不能比擬的。
參考文獻
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1軍校大學物理教學的現狀
最近幾年,很多軍事院校對大學物理課程的課時一減再減,而物理學的內容卻在不斷的豐富,內容越來越多,難度越來越深。大多數物理教員著眼于向學員講清知識點,學會計算、應付考試,抓緊時間趕進度,廣大學員則疲于應付處于被動學習的狀態,理論與實際聯系不緊密。如何順利實現大學物理教學跟部隊的實際情況相結合,這需要我們教員樹立正確的科學的教學觀念,把握教學規律,真正實現教育理念的轉變,從而實現教學方法和教學效果的提高。
2古今軍事裝備中的物理學
2.1軍隊武器裝備的技術,包含著豐富的物理學的基本原理
阿基米德曾經利用的遠、近投石器打退敵人的多次進攻,漢代大面積裝備的弩機都是對杠桿原理的充分認識。阿基米德根據利用梳妝鏡反射太陽光點燃羅馬軍隊的戰船是對光的認識。我國在春秋戰國時期就在城墻根下埋設空水缸來探聽敵人是否挖掘地道、利用空心的羊皮袋做枕頭探聽敵人進攻的腳步聲都是對聲學原理的靈活應用。秦朝時箭只的設計蘊含有豐富的空氣動力學原理。原子彈、氫彈等核武器的研制成功,愛因斯坦的相對論和質能方程功不可沒。人造衛星發射升空,其理論來源是牛頓的萬有引力。美國的全球定位系統、中國的北斗導航系統都離不開對力學、電磁學等理論的綜合應用。由此可見,物理學的基本原理在軍隊的武器裝備技術中有著非常廣泛的應用。
2.2歷史上武器裝備對戰爭的影響
優秀的軍事指揮雖然重要,但武器裝備的作用也舉足輕重。吳越爭霸中的青銅劍的鍛造能力、秦始皇統一六國的箭簇生產和武器生產的管理水平有重要的作用。漢擊匈奴,威震西域,環首刀、弩機、鐵質箭簇的貢獻突出。唐朝軍隊大量裝備唐陌刀,威服四夷,奠定了繁榮穩定的基礎。一代天驕成吉思汗,在征服新的城市后,首先搜尋當地的能工巧匠,為其生產攻城武器。
中,英國人使用的火炮與100多年前英國使者進獻給清乾隆帝的火炮是相同的款式。英國人將它作為開疆拓土的殺手锏,而乾隆皇帝叫人鎖入倉庫。軍事羸弱的宋王朝雖然也重視軍工科技,某些方面還領先于周邊國家,但是沒有對敵方的快速機動的騎兵優勢提出切實有效的應對策略,以至于在與游牧民族的軍事較量中敗多勝少。
3物理學的軍事應用如何適應大學物理課堂
3.1日常教學中加入物理學在軍事領域應用的知識
指揮類的軍事院校幾乎只招收男學員。從認知結構去分析,大多數男孩子對軍事、歷史都比較感興趣,那么大學物理的課堂就可以增加一些軍事應用方面的知識。但是我們必須清楚,我們在這里所談的軍事應用,不是羅列軍事裝備,因為可能有的應用不是裝備層面的,有可能只是在執行軍事任務方面的應用。例如軍隊宿營應當考慮防火、防雷的因素。結合物理學在軍事領域的應用,可以擴展學員的知識視野。
3.2以學生為中心,強調“做中學”
大學物理教學不僅要充分展示物理學知識本身在其他自然學科中的基礎性和生產技術領域中的應用性,更要體現物理學家探索未知的方法和思想在科學研究中的指導性和通用性。授課過程不僅關心學生對知識的獲取和應用,更關注學生對科學的研究方法和思想的領悟以及對物質世界基本規律的感悟,注重學生科研素質的培養和創新心靈的啟迪。為此,要實現這個目標,廣大物理課教員應當轉變教育理念,強調學生“做中學”。筆者認為可將創新性的小論文作為大學物理課程平時成績的一種考查方式。其論文形式可以沒有具體的要求,只要求學員在一學期的物理課程的學習中,通過查閱資料獲得具有創新性的觀點就可以。創新性的觀點可以是物理學某個原理在軍事技術中的某種應用、可以是物理學的思想對個人、對國家的發展的影響等方面,沒有嚴格的規定范圍。期望通過這種形式來推動大學物理課程的教與學,推動教員在課堂教授過程中開展啟發式、研究式的教學,推動學員參與研究式的學習,學會提出問題、分析問題、解決問題的能力。
3.3開展學術探討和軍事應用的小課題研究
橋梁的撓度變形是橋梁健康狀況評價的重要參數,在橋梁檢測、危橋改造以及新橋驗收等方面都需要準確測量橋梁的靜、動態撓度值。隨著橋梁健康監測技術的進步,人們研究了許多用于位移及撓度測量的方法。目前,國內外測量橋梁撓度的方法有許多種,下面對常見的幾種測量方法的原理、特點及適用范圍做以簡要介紹。
1、傳統的人工測量方法
1.1百分表測量法
百分表測量法是較傳統的撓度測量方法。百分表的工作原理,就是利用齒輪轉動機構所檢測位置的位移值放大,并將檢測的直線往返運動轉換成指針的回轉轉動,以指示其位移數值。
特點:1)優點是設備簡單,可以進行多點測量,直接得到各測點的撓度值測量結果穩定可靠;2)缺點比較繁瑣,耗時較長,工作效率較低,現場應用有很大局限性;3)適用于橋下可搭設支架的橋梁工程。
1.2 精密水準儀測量法
水準測量又名“幾何水準測量”,是用水準儀和水準尺測定地面上兩點間高差的方法。在地面兩點間安置水準儀,觀測豎立在兩點上的水準標尺,按尺上讀數推算兩點間的高差。通常由水準原點或任一已知高程點出發,沿選定的水準路線逐站測定各點的高程。
特點:1)具有速度快、計算方便、精度高和能夠及時比較觀測結果的特點;2)主要適用于測點附近能夠提供測站條件、范圍不大的橋梁撓度變化、觀測點數不多的精密水準測量。
1.3 全站儀測量法
全站儀撓度測量基本原理是三角高程測量。三角高程測量通過測量兩點間的水平距離和豎直角求定兩點間高差的方法。
特點:1)這種測量方法簡單,不受地形條件限制,是測量橋梁撓度的一個基本方法。2)在橋梁加、卸載過程中,由于全站儀和棱鏡固定不動,這就完全消除了儀器高和棱鏡高的量測所帶來的誤差。3)采用高精度全站儀可以更加有效地提高橋梁荷載試驗撓度測量精度。
2、橋梁撓度自動檢測技術
2.1 連通管測量法
利用連通管原理,根據安裝在橋梁各處連通管內液面高度的變化獲得橋梁撓度的變化。當橋梁梁體發生變形時,固定在梁體上的水管也將隨之移動,此時,各豎直水管內的液面將與基準點處的液面保持在同一水平面,但各測點處的豎直水管液面卻發生了大小不等的相對移動,測得的相對位移量即是該被測點的撓度值。
特點:連通管法測量橋梁撓度的優點是可靠、易行,當撓度的絕對值大于20mm時,它1mm最小讀數至少可有5%的相對精度。
2.2 傾角儀法
使用傾角法測量橋梁的撓度,并不同于傳統的方法如百分表法、水準儀法直接測得橋梁某一點的撓度值,而是首先使用傾角儀測得橋梁變形時幾個截面的的傾角,根據傾角擬合出傾角曲線,進而得到撓度曲線,這樣就可以求得橋梁上任意一點的撓度值。傾角法實際上是一種間接地利用傾角儀測量得到橋梁撓度的方法。
特點:橋梁不需要靜止的參考點,特別適于測量跨河橋、跨線橋、大型的跨海、跨峽谷橋梁和高橋,大大提高了測量效率。
2.3 激光圖像撓度測量
激光圖像撓度測量利用了激光良好的方向性。隨著橋梁不同程度的變形,照射在被測點固定不動的光電接收器上的激光光斑中心發生等量變化,因此只要獲取光斑中心位置就可得到橋梁撓度。
特點:具有很高的測量精度,可達到0.1 mm,且采樣速率高、成本較低;適合于跨度不大的中小型橋梁。
2.4 GPS撓度測量
利用一臺接收機(基準站)安在參考點(岸基)上固定不動,另一臺接收機(移動站)設在橋梁變形較大的點,2臺接收機同步觀測4顆或更多衛星,以確定變形點相對岸基的位置。實時獲取變形點相對參考點的位置,可直接反映出被測點的空間位置變化從而得到橋梁結構的撓度值。
特點:具有全球性、全天候、連續的精密三維導航與定位能力;具有良好的抗干擾性和保密性。
2.5 光電成像撓度測量
光電成像撓度測量是在橋梁的測點上安裝一個目標靶,并在靶上制作一個光學標志點(光標)。通過光學系統(光學鏡頭)把標志點成像在CCD接收面陣上,當橋梁產生撓度/位移時,目標靶也隨之移動。通過測出靶上光標點在CCD接收面上成像位置的變化值,就可計算出橋梁實際的撓度/位移量。
撓度測量方法的比較圖
3、橋梁撓度監測的發展方向
(1)長期在線自動動態測量
現在和未來,人們對橋梁,尤其是大型橋梁的安全評估不僅要求在施工過程中進行嚴格的檢測,而且,更加注重成橋后在正常載荷下的長期在線自動監測。成熟的網絡技術使人們不再局限于對一座橋梁進行集中監控,而逐步要求實現區域內多座大型橋梁的集群式監控。
(2)大量程測量
隨著建筑材料和工藝的不斷成熟,現代橋梁呈現出/跨度大、結構柔等特點,這就造成橋梁結構本身在各種外界環境的影響下,會出現較大的形變,將來撓度測量的量程相應地要求成倍提高。
總之,隨著計算機等級的提高、數據采樣技術的進步,今后橋梁的撓度測量將在此方法基礎上進一步完善。未來橋梁撓度監測將會沿著/高度集中自動化、大量程測量的方向繼續發展.
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“透鏡對光的作用”實驗是人教版八年級物理上冊第三章第一節的一個重要的演示實驗,它是學好本章的基礎,所以做好這個實驗尤為關鍵。
對原實驗的分析:
現在課本上主要采用兩種演示方法:一種是用當下流行的激光筆來做(圖1),光路比較清晰,效果明顯,但展現給學生的只是一個平面的光路,缺乏立體感。另外一種演示方法是利用太陽光(圖2),這種方法操作簡單、喜聞樂見,但它不能清晰地將光的傳播路徑展現出來,尤其是當太陽光穿過凹透鏡時,紙面上的光斑非常微弱,不便觀察,實驗效果比較差。
對原實驗的改進:
實驗器材:大小薄壁燒杯各一個、禪香、鐵絲支架、火機、凸透鏡、凹透鏡(凸透鏡和凹透鏡的直徑比小燒杯的直徑略小)、手電筒
實驗原理:巧設煙霧,利用煙塵微粒對光的漫反射來顯示光通過的路徑。
實驗過程:
1.取干凈的薄壁燒杯大小各一個,倒扣疊放在一起,分別用支架將點燃的禪香放入大小燒杯中各三根初中物理論文,如果煙霧產生太慢,還可以再加幾根,等燒杯中充滿煙霧時,將兩燒杯中的禪香取出論文的格式。
2.用手電筒通過杯底自上向下照射,調節手電筒的聚光圈,使通過煙霧的光成粗細均勻的柱形光束(圖3)。
3.抬起小燒杯,在大燒杯的底部放上凸透鏡,用手電筒通過杯底自上向下照射,這是可以清晰的觀察到小燒杯里的光束沒有發生改變,而大燒杯中的光路卻向中間發生了偏折,證明凸透鏡對光線具有會聚作用(圖4)。
4.用同樣的方法,可以看到當大燒杯的底部換成凹透鏡時,大燒杯中的光路向兩側發生了偏折,證明凹透鏡對光線具有發散作用(圖5)。
實驗改進后的優點:
大到探月的嫦娥衛星,小到日常生活中的單反相機、CD光盤,無論是國家進步,還是你我的生活質量,都與光學工程息息相關。由于光學工程的應用實踐要求十分嚴格,相關本科專業的畢業生往往無力承擔與光學工程科學技術研究直接相關的工作。因此,每年有大量相關專業的本科畢業生選擇考研。
由于光學工程是一門高層次、高門檻的學科,相較于機械工程、計算機科學與技術等專業,開設此專業的院校并不多??傮w看來,光學工程專業的考研競爭比較激烈,尤其是在一些光學工程名校之中,2012年浙江大學光學工程的報錄比就曾高達17∶1。
目前,我國具有光學工程博士一級授予資格的高校共38所。具有光學工程國家重點學科的高校共有清華大學、北京理工大學、南開大學、天津大學、長春理工大學、南京理工大學、浙江大學、華中科技大學、國防科學技術大學等9所,具有國家重點(培育)學科的高校有上海理工大學、電子科技大學兩所,具有博士培養資格的中國科學院相關研究院所主要有長春光機所、西安光機所、上海光機所、上海技術物理所、安徽光機所、成都光電所等6所。
我們如何在為數不多的頂級名校或科研院所中選擇一所最適合自己的院校呢?
第一,重視院校綜合實力,避免依賴單一數據。
各種評估結果中的得分、排名等數據往往只能反映院校的宏觀指標,且不同機構均有不一樣的標準,很難客觀真實地反映院校的全部情況。各院校的研究方向獨具特色,互有長短,具體到每個研究方向,實力強弱更不相同,比如,光學設計這一領域,普遍認為實力強弱依次為清華大學、北京理工大學、浙江大學、天津大學等。同樣的道理,單純地看重院校的院士、長江學者數量、實驗室規模、研究經費等指標也是不科學的。院校研究水平的高低并不能直接反映研究生教育質量的好壞,院校的導師構成、地理區位與就業環境、同學本科來源的層次與學術氛圍等軟實力也不是量化指標可以衡量的,然而這些因素對研究生階段的學術成就以及未來的職業發展,往往比宏觀數據具備更大的影響,萬萬不可忽視。
第二,光學工程不是什么院校都能“玩得轉”。
在考生中廣泛存在“211高校未必比985高校差”的思想,從而選擇考研難度相對較小的“211工程”院校深造。不可否認,一些“211工程”院校在其傳統優勢學科上的確不比“985院校”差,甚至更有優勢。但是,光學工程是一門“高富帥”的學科,只有高層次的院校才能承載光學工程這門學科,而優秀的光學工程人才往往也出自優秀的院校。主要原因體現在兩個方面:第一,光學工程精密程度非常高,對實驗儀器設備和資金的依賴性比較強,缺少國家重視和資金上的傾斜,院校很難承擔昂貴的實驗儀器設備,從而限制研究生的發展;第二,“985”院校導師的視野更加開闊,對研究生的基本要求更加嚴格、培養目標更高,甚至某些院校的本科生在導師的指導和嚴格要求下也能在諸如Optical Letters等國際頂級光學期刊上。此外,高層次的院校學術氛圍更加濃厚,出國深造、就業等方面也具備更大的優勢。
在此背景下,有必要對光學工程相關院校及其考研情況進行深度解讀。本文將以擁有國家重點學科的浙江大學、華中科技大學、天津大學、南開大學,以及中國科學院的上海光機所為例進行具體分析。
浙江大學:為強者而生
學科地位:浙江大學光學工程學科設立于光電信息工程學系內,該系前身為浙江大學光學儀器專業,是中國光學工程學科的誕生地,具有雄厚的學科實力。在2007―2009年、2010―2012年教育部學科評估中均排名第一。
學科特色:有現代光學儀器國家重點實驗室、國家光學儀器工程技術研究中心、國防重點學科實驗室等國家級研究基地。目前設置有光學工程研究所、光電信息及檢測技術研究所、光電子技術研究所、光電顯示技術研究所、先進納米光子學研究所和光及電磁波研究中心、光學慣性技術工程研究中心等機構。
研究領域:浙江大學光學工程主要研究領域十分寬廣,包括微納光學與介觀光學與器件、光學光電子薄膜、光電顯示技術、高精度光纖傳感、光電成像技術、微納米精密檢測技術、生物光子學、新型激光與光電子技術、光電子集成器件與系統,光通信技術與系統和新穎人工光電介質等。
師資力量:光及電磁波研究中心以長江計劃特聘教授何賽靈為領軍人物,大部分導師均為杰出“海歸”或外籍教授,在光子學和電磁波的理論和實驗研究領域開展了大量工作,獲得了許多具有國際影響的學術成果。
地理區位:長江三角洲地區具有規模龐大的光電產業集群,具有國際化、起點高的特點,相較于珠三角地區以封裝、為主的光電―半導體產業而言具有廣闊的發展前景。
競爭情況:浙江大學就讀光學工程的研究生中超過半數來自于浙江大學、天津大學、南開大學等名校的推免生??佳懈偁帢O為激烈,從近年報錄比便可見一斑。
考試特色:浙江大學光學工程考研參考書為郁道銀、談恒英著的《工程光學》。浙江大學光學工程的專業課考試較其他學校包括的內容更多,報考的同學需要復習幾何像差、傅里葉光學等本科階段較為薄弱的知識板塊。此外,也會考查一定的激光原理知識。
華中科技大學:光谷傳奇
學科地位:華中科技大學光學工程近年來發展迅速,實力雄厚。尤其是在籌的武漢光電國家實驗室是我國目前僅有的幾個國家實驗室之一,學科地位非同一般。華中科技大學在2010―2012年教育部學科評估中與浙江大學并列第一。
學科特色:光學與電子信息學院設有武漢光電國家實驗室、激光加工技術國家工程研究中心、下一代互聯網接入系統國家工程實驗室、國家集成電路人才培養基地、教育部電子信息功能材料重點實驗室(B類)、教育部敏感陶瓷工程中心等研究機構。其中武漢光電國家實驗室是由教育部、湖北省和武漢市共建,依托于華中科技大學,聯合武漢郵電科學研究院、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國船舶重工集團公司第七一七研究所共同組建,已投入4億多元建立了12個科學研究平臺以及1個光電公共測試平臺。
研究領域:華中科技大學主要研究方向為光電測控技術、光電信息存儲、光通信技術、基礎光子學、激光科學與工程、光電子器件與集成、納米光電子學、生物醫學光子學、能源光子學、太赫茲技術。
地理區位:華中科技大學地處著名的武漢光谷,當地產業集群形成的產學研體系研究水平很高,產業價值巨大,尤其在光通信、激光等領域具有較大優勢,就業前景看好。
競爭情況:華中科技大學工學復試分數線2013年為330分、2012年為340分、2011年為330分。招生人數60人左右,隨當年推免生比例有所波動。
考試特色:華中科技大學光學工程專業課考試偏向物理光學、電子學、激光原理相關知識。需要注意的是有兩個單位可以接收光學工程的碩士生,分別是光電學院和武漢光電國家實驗室。
天津大學:精益求精
學科地位:天津大學光學工程學科設立在天津大學精密儀器與光電子工程學院,是我國較早設立光學工程的高校之一。天津大學光學工程在2007―2009年教育部學科評估中名列第二,2010―2012年教育部學科評估中名列第三。此外,天津大學精密儀器與光電子工程學院也是教育部“教育教學改革特別試驗區”的15個全國試點學院之一。
學科特色:所在學院設有精密測試技術及儀器國家重點實驗室、光電信息技術科學教育部重點實驗室、精密儀器中心、現代光學研究所、光電子研究中心、傳感工程研究所、照明技術研究所、光電測控技術研究所、激光與光電子技術研究所、生物光學研究所、安全防偽技術研究中心等研究和開發機構。
研究方向:超快激光理論與應用研究、光學信息處理及其應用、光學技術在計算機科學中的應用、數字圖像處理技術、光學傳感器技術、先進固體激光及非線性頻率變化技術、光電子學與光通信技術、激光與光電子應用技術等。
師資力量:中國科學院院士1人,中國工程院院士1人,長江計劃特聘教授4人。天津大學光學工程的師資隊伍配置十分合理,老中青年教師比例合理。老年教授如姚建銓院士、王清月教授等可以保證該學科的頂級實力,中年學科骨干如劉鐵根教授近年來在光纖傳感領域碩果累累,超快激光實驗室的胡明列教授是天津大學最年輕的教授,學術前景十分光明。
地理區位:既緊挨近年來得到長足發展的天津濱海新區,又毗鄰首都北京,就業環境較為優越。
競爭情況:就讀于天津大學的研究生中,本校生源占有較大比例。天津大學工學復試分數線2013年為330分,2012年為335分,2009―2011光學工程報錄比如下:
考試特色:天津大學考研參考書目為郁道銀、談恒英著的《工程光學》和周炳著的《激光原理》,建議欲報考的同學參考天津大學蔡懷宇教授編寫的《工程光學復習指導與習題解答》。
南開大學:雖小而精
學科地位:南開大學光學工程設立于南開大學現代光學研究所內,隸屬于電子信息與光學工程學院。現代光學研究所由光學工程元老母國光院士創建,是全國高校中最早取得光學和光學工程兩個學科博士學位授予權的單位。在2010―2012年教育部學科評估中,南開大學光學工程名列第五。
學科特色:設有教育部光電信息技術科學重點實驗室以及博士后流動站。
師資力量:南開大學光學工程規模較小,共有教師28人,教授、研究員18人,副教授8人,其中有院士1人,特聘教授1人,博士生導師13人,但導師隊伍水平相當優秀,哈佛大學、劍橋大學等歐美名校留學、訪問研究的經歷非常普遍,近年來在Nature、Science等國際最頂尖期刊發表多篇論文,令國內同行為之拜服。較為出色的是青年教師劉海濤教授,在Nature發表兩篇論文,在Physical Review Letters發表兩篇論文,主要研究方向為表面等離子體等微納光學的相關理論。
培養模式:南開大學光學工程招生規模較小,幾乎與導師人數平齊,每個研究生均能得到導師的大量指導,研究生教育接近于精英教育。需要注意的是,南開大學光學工程的專業型碩士培養計劃與學術型碩士培養計劃基本相同,這與其他學校的培養模式有所區別。
研究領域:相比其他高校,南開大學光學工程的研究方向的理論特色較為明顯,其研究領域主要有:光學/數字圖象處理科學與技術、光學處理與光計算技術、激光與非線性光學科學與技術、現代光通信技術、光波電子學、光子技術、眼視覺光學和共焦顯微技術、飛秒激光技術、微納光學。
地理區位:與天津大學相同。
競爭情況:南開大學近年來考研報錄情況如下所示,可見相較于其他院校,南開大學光學工程的性價比較高。
考試特色:南開大學光學工程往年專業課參考書是趙凱華、鐘錫華編著的《光學》,專業課考試風格自2013年起有所變化,并且2014年考研沒有提供參考書目,需要考生注意。
中國科學院上海光機所:臥虎藏龍
學科地位:上海光機所是我國建立最早、規模最大的激光專業研究所。
學科特色:上海光機所現設8個研究室,分別是:強場激光物理國家重點實驗室、中科院量子光學重點實驗室、中科院強激光材料重點實驗室、高功率激光物理聯合實驗室、空間激光信息技術研究中心(含:中科院空間激光通信及檢驗技術重點實驗室、上海市全固態激光器與應用技術重點實驗室)、信息光學與光電技術實驗室、高密度光存儲技術實驗室、高功率激光單元技術研究與發展中心。
值得一提的是,上海光機所建成了國內僅有國際上也為數不多的“神光”系列高功率大型激光裝置,用于激光分離同位素的激光與光學系統、超短超強激光系統、激光原子冷卻裝置、空間全固態激光器研制平臺。在各種新型、高性能激光器件、激光與光電子功能材料的研制方面,也進入了國際先進水平,是我國現代光學和激光與光電子領域取得研究成果最多的單位之一。
研究領域:強激光技術、強場物理與強光光學、信息光學、量子光學、激光與光電子器件、光學材料等。顯而易見的是,上海光機所的研究方向非常偏向于理論研究,因而十分適合于光學工程理論方向的深造。
地理區位:地處長三角的核心上海,地理區位優勢相當明顯。
競爭情況:每年有許多來自清華大學、浙江大學等頂尖學府的畢業生通過推免進入上海光機所,研究所人才濟濟。近年來上海光機所光學工程的復試分數線為:2013年320分,2012年325分,2011年330分。每年招生人數在40―50人,隨當年推免比例有所浮動。
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;
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,實用前景非常可觀。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1T bit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《Applied Optics》和《Optics Letters》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《Holography News》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??朔陨喜蛔悖瑢⒖赡艹蔀轱@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;