荼明光学仪

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按照《国务院关于开展第三次全国土壤普查工作的通知》（国发〔2022〕4 号）要求，根据《第三次全国土壤普查工作方案》（农建发〔2022〕1 号），为保障安徽省第三次全国土壤普查（以下简称“土壤三普”）工作科学有序开展，安徽省第三次全国土壤普查领导小组办公室制定印发《安徽省第三次全国土壤普查试点工作方案》。目标任务：通过试点为全省全面推开普查工作积累经验、探索路径；检验和完善普查工作流程、技术规程和方法，明确成果要求，探索运行机制，总结工作经验。2022 年，试点县按期完成样点规划布设核对工作；6 月底前完成外业调查采样工作；8 月底前完成内业测试化验工作；9 月补充样品及分析化验；10 月审核上报数据，汇总分析；12 月底前实现对辖区耕地、园地、林地、草地等土壤的“全面体检”，摸清土壤质量家底，并形成试点工作总结上报国务院土壤三普办公室。试点对象和内容：试点对象。经省、市农业农村部门推荐，并报农业农村部同意，明光市为安徽省第三次全国土壤普查工作试点单位。试点对象为明光市辖区内的耕地、园地、林地、草地等农用地和部分未利用地的土壤。其中，林地、草地重点调查与食物生产相关的土地，未利用地重点调查与可开垦耕地资源相关的土地等。试点内容。包括土壤性状普查、土壤类型普查、土壤立地条件普查、土壤利用情况普查、土壤数据库和土壤样品库构建、土壤质量状况分析、普查成果汇交汇总等。国家层面负责统一构建工作平台、制作工作底图和布设采样样点等，省、市、县共同推进外业调查采样、内业测试化验、质量控制校核、数据整理分析和成果汇交汇总等工作。1.外业调查采样。外业调查采样包括任务认领、立地与生产信息调查、表层土壤样品采集、剖面样品采样、土壤类型校核与完善等。省土壤三普办公室认领试点外业调查与采样任务并分发至明光市土壤三普办公室。明光市成立外业调查队，负责现场确认样点位置，样点的地形地貌、水文地质、植物类型、化肥农药使用等立地与生产信息调查以及采集表层样品、土壤剖面样品。其中采集土壤剖面的调查采样，由省土壤三普办公室安排熟悉土壤分类与制图的专家带队，在明光市外业调查采样队的协助下，重点对挖掘土壤剖面、观察与记载剖面形态、采集剖面土壤样品与标本，开展土壤类型校核完善与边界勾绘等。外业调查采样队通过手持终端 APP 完成任务认领、实地采样、数据保存和上传等，及时完成样品包装与寄送等工作。2.内业测试化验。内业测试化验主要包括样品制备、流转、检测等。省土壤三普办公室组织初筛检测实验室、确认省级质量控制实验室，报送国务院土壤三普办公室，并从国务院土壤三普办公室公布的实验室名录中择优选择承担明光市试点任务的检测实验室。省土壤三普办公室组织实验室开展样品制备、流转、检测等工作。省级质量控制实验室负责样品转码、流转等工作。检测实验室负责样品风干、粗磨等制备工作，严格按照统一的检测指标和检测方法开展检测工作，加强内部质量控制。3.全程质量控制校核。全程质量控制包括外业调查采样、样品制备保存流转、样品检测、数据审核等 4 个环节质量控制。省土壤三普办公室负责组织开展明光市外业调查采样任务的监督检查，资料检查不低于采样任务 5%、现场检查不少于 5‰；组织省级质量控制实验室对所有制样实验室开展样品制备任务的监督检查，检查数量不少于样品总量 5%；对承担检测任务实验室开展留样抽检，抽检量不低于检测样品量 5‰，同时配合国家层面开展能力验证和飞行检查。省土壤三普办公室负责组织专家及质量控制实验室开展数据审核工作，范围覆盖所有入库数据。4.数据整理分析。数据整理分析包括数据汇总整理和数据分析，主要对基础地理信息和历史土壤调查资料、土壤三普调查的土壤立地与利用信息以及检测的土壤物理化学性状等数据开展汇总计算、分析模型构建等。试点县要将相关数据与第三次全国国土调查耕地资源质量分类、农用地质量分等定级等相关成果进行校核比对，并对异常数据进行排查。省土壤三普办公室负责组织通过全国土壤普查信息化工作平台填报普查数据，组织专家对上报普查数据进行审核，开展数据系统整理分析。5.成果汇交汇总。成果汇交汇总包括形成土壤普查试点成果报告，包括相关数据资料、土壤类型图、土壤属性图、以及文字报告和技术报告等，初步构建数据库和样品库。明光市土壤三普办公室负责完成本区域内普查工作数据汇总、土壤质量专题评价报告、土壤类型图和土壤属性图制作以及试点总结报告撰写，初步建成省级土壤普查数据库。省土壤三普办公室组织专家对明光市上述成果进行论证，2022 年底将试点相关成果及2023年工作安排按要求报送国务院土壤三普办公室。

自然界中一些最基本的过程发生在微观尺度上，远远超出了我们肉眼所能看到的极限，这推动了技术的发展，使我们能够超越这个极限。早在公元4世纪，人们发现了光学透镜的基本概念，并在13世纪，人们已经在使用玻璃镜片，以提高他们的视力和放大植物和昆虫等对象以便更好地了解他们。随着时间的推移，这些简单的放大镜发展成为先进的光学系统，被称为光学显微镜，使我们能够看到和理解超越我们感知极限的微观世界。今天，光学显微镜是许多科学和技术领域的核心技术，包括生命科学、生物学、材料科学、纳米技术、工业检测、法医学等等。在这篇文章中，我们将首先探讨光学显微镜的基本工作原理。在此基础上，我们将讨论当今常用的一些更高级的光学显微镜形式，并比较它们在不同应用中的优缺点。　　　　什么是光学显微镜?　　光学显微镜用于通过提供它们如何与可见光相互作用(例如，它们的吸收、反射和散射)的放大图像来使小结构样品可见。这有助于了解样品的外观和组成，但也使我们能够看到微观世界的过程，例如物质如何跨细胞膜扩散。　　显微镜的部件以及光学显微镜的工作原理　　从根本上说，显微镜包括两个子系统：一个用于照亮样品的照明系统和一个成像系统，该系统产生与样品相互作用的光的放大图像，然后可以通过眼睛或使用相机系统进行观察。　　早期的显微镜使用包含阳光的照明系统，阳光通过镜子收集并反射到样品上。今天，大多数显微镜使用人造光源，如灯泡、发光二极管(LED)或激光器来制造更可靠和可控的照明系统，可以根据给定的应用进行定制。在这些系统中，通常使用聚光透镜收集来自光源的光，然后在聚焦到样品上之前对其进行整形和光学过滤。塑造光线对于实现高分辨率和对比度至关重要，通常包括控制被照亮的样品区域和光线照射到它的角度。照明光的光学过滤，使用修改其光谱和偏振的光学过滤器，可用于突出样品的某些特征。图1：复合显微镜的基本构造：来自光源的光使用镜子和聚光镜聚焦到样品(物体)上。来自样品的光被物镜收集，形成中间图像，该图像由目镜再次成像并传递到眼睛，眼睛看到样品的放大图像。　　成像系统收集与样品相互作用的照明光，并产生可以查看的放大图像(如上图1)。这是使用两组主要的光学元件来实现的：首先，物镜从样品中收集尽可能多的光，其次，目镜将收集的光中传递到观察者的眼睛或相机系统。成像系统还可包括诸如选择来自样品的光的某些部分的孔和滤光器之类的元件，例如仅看到已从样品散射的光，或仅看到特定颜色或波长的光。与照明系统的情况一样，这种类型的过滤对于挑出某些感兴趣的特征非常有用，这些特征在对来自样本的所有光进行成像时会保持隐藏。　　总的来说，照明和成像系统在光学显微镜的性能方面起着关键作用。为了在您的应用中充分利用光学显微镜，必须充分了解基本光学显微镜的工作原理以及当今存在的变化。　　简单复合显微镜　　单个镜头可以用作放大镜，当它靠近镜头时，它会增加物体的外观尺寸。透过放大镜看物体，我们看到物体的放大和虚像。这种效果用于简单的显微镜，它由单个镜头组成，该镜头对夹在框架中并从下方照明的样品进行成像，如下图2所示。这种类型的显微镜通常可以实现2-6倍的放大倍率，这足以研究相对较大的样本。然而，实现更高的放大倍率和更好的图像质量需要使用更多的光学元件，这导致了复合显微镜的发展(如下图3)。图2：通过创建靠近它的物体的放大虚拟图像，将单个镜头用作放大镜。图3：左：简单显微镜。右：复合显微镜。　　在复合显微镜中，从底部照射样品以观察透射光，或从顶部照射样品以观察反射光。来自样品的光由一个由两个主要透镜组组成的光学系统收集：物镜和目镜，它们各自的功率倍增，以实现比简单显微镜更高的放大倍率。物镜收集来自样品的光，通常放大倍数为40-100倍。一些复合显微镜在称为“换镜转盘(nose piece)”的旋转转台上配备多个物镜，允许用户在不同的放大倍数之间进行选择。来自物镜的图像被目镜拾取，它再次放大图像并将其传递给用户的眼睛，典型的目镜放大率为10倍。　　可以用标准光学显微镜观察到的最小特征尺寸由所使用的光学波长(λ)和显微镜物镜的分辨率决定，由其孔径数值(NA)定义，最大值为NA =1空中目标。定义可区分的最小特征尺寸(r)的分辨率极限由瑞利准则给出：　　r=0.61×(λ/NA)　　例如，使用波长为550nm的绿光和典型NA为0.7的物镜，标准光学显微镜可以分辨低至0.61×(550nm)/0.7≈480nm的特征，这足以观察细胞(通常为10µm大小)，但不足以观察较小生物的细节，例如病毒(通常为250-400nm)。要对更小的特征成像，可以使用具有更高NA和更短波长的更先进和更昂贵的物镜，但这可能不适用于所有应用。　　在标准复合显微镜(如下图4a)中，样品(通常在载玻片上)被固定在一个可以手动或电子移动以获得更高精度的载物台上，照明系统位于显微镜的下部，而成像系统高于样本。然而，显微镜主体通常也可以适应特定用途。例如，立体显微镜(如下图4b)的特点是两个目镜相互成一个小角度，让用户可以看到一个略有立体感的图像。在许多生物学应用中，使用倒置显微镜设计(如下图4c)，其中照明系统和成像光学器件都在样品台下方，以便于将细胞培养容器等放置在样品台上。最后，比较显微镜(如下图4d)常用于法医。图4：复合显微镜。a)标准直立显微镜指示(1)目镜，(2)物镜转台、左轮手枪或旋转鼻镜(用于固定多个物镜)，(3)物镜、调焦旋钮(用于移动载物台)(4)粗调，(5)微调，(6)载物台(固定样品)，(7)光源(灯或镜子)，(8)光阑和聚光镜，(9)机械载物台。b)立体显微镜。c)倒置显微镜。　　光学显微镜的类型　　下面，我们将介绍一些当今可用的不同类型的光学显微镜技术，讨论它们的主要操作原理以及每种技术的优缺点。　　亮视野显微镜　　亮视野显微镜(Brightfield microscopy，BFM)是最简单的光学显微镜形式，从上方或下方照射样品，收集透射或反射的光以形成可以查看的图像。图像中的对比度和颜色是因为吸收和反射在样品区域内变化而形成的。BFM是第一种开发的光学显微镜，它使用相对简单的光学装置，使早期科学家能够研究传输中的微生物和细胞。今天，它对于相同的目的仍然非常有用，并且还广泛用于研究其他部分透明的样品，例如透射模式下的薄材料(如下图5)，或反射模式下的微电子和其他小结构。图5：亮视野显微镜。左图：透射模式-在显微镜下看到的石墨(深灰色)和石墨烯(最浅灰色)薄片。在这里，图像上看到的亮度差异与石墨层的厚度成正比。右图：反射模式-SiO2表面上的石墨烯和石墨薄片，小的表面污染物也是可见的。　　暗视野显微镜　　暗视野显微镜是一种仅收集被样品散射的光的技术。这是通过添加阻挡照明光直接成像的孔来实现的，这样只能看到被样品散射的照明光。通过这种方式，暗场显微镜突出显示散射光的小结构(如下图6)，并且对于揭示BFM中不可见的特征非常有用，而无需以任何方式修改样品。然而，由于在最终图像中看到的唯一光是被散射的光，因此暗场图像可能非常暗并且需要高照明功率，这可能会损坏样品。　　图6：亮视野和暗视野成像。a)亮视野照明下的聚合物微结构。b)与a)中结构相同的暗视野图像，突出显示边缘散射和表面污染。c)与a)和b)相似的结构，被直径为100-300nm的纳米晶体覆盖。仅观察到纳米晶体散射的光，而背景光被强烈抑制。　　相差显微镜　　相差显微技术(Brightfield microscopy，PCM)是一种可视化由样品光路长度变化引起的光学相位变化的技术.这可以对在BFM中产生很少或没有对比度的透明样品进行成像，例如细胞(如下图7)。由于肉眼不易观察到光学相移，因此相差显微镜需要额外的光学组件，将样品引起的相移转换为最终图像中可见的亮度变化。这需要使用孔径和滤光片来操纵照明系统和成像系统。这些形状和选择性地相移来自样品的光(携带感兴趣的相位信息)和照明光，以便它们建设性地干涉眼睛或检测器以创建可见图像。图7：人类胚胎干细胞群落的相差显微图像。　　微分干涉显微镜　　与PCM类似，微分干涉显微镜(differential interference contrast microscopy，DICM)通过将由于样品光路长度变化引起的光学相位转换为可见对比度，从而使透明样品(例如活的未染色细胞)可视化。然而，与PCM相比，DICM可以实现更高分辨率的图像，并且减少了由PCM所需的光学器件引入的清晰度和图像伪影。在DICM ，照明光束被线性偏振器偏振，其偏振旋转，使其分裂成两个偏振光束，它们具有垂直偏振和小(通常低于1µm)间隔。穿过样品后，两束光束重新组合，从而相互干扰。这将创建一个对比度与图像成正比的图像差在两个偏振光束之间的光相位，因此命名为“差”干涉显微镜。DICM产生的图像出现与采样光束之间的位移方向相关的三维图像，这导致样品边缘具有亮区或暗区，具体取决于两者之间的光学相位差的符号(如下图8)。图8：微分干涉对比显微镜。左：DICM的原理图。右图：通过DICM成像的活体成年秀丽隐杆线虫(C.elegans)。　　偏光显微镜　　在偏振光显微镜中，样品用偏振光照射，光的检测也对偏振敏感。为了实现这一点，偏振器用于控制照明光偏振并将成像系统检测到的偏振限制为仅一种特定的偏振。通常，照明和检测偏振设置为垂直，以便强烈抑制不与样品相互作用的不需要的背景照明光。这种配置需要一个双折射样品，它引入了照明光偏振角的旋转，以便它可以被成像系统检测到，例如，观察晶体的双折射以及它们的厚度和折射率的变化(如下图9)。图9：偏光显微镜。橄榄石堆积物的显微照片，由具有不同双折射的晶体堆积而成。整个样品的厚度和折射率的变化会导致不同的颜色。　　荧光显微镜　　荧光显微镜用于对发出荧光的样品进行成像，也就是说，当用较短波长的光照射时，它们会发出长波长的光。示例包括固有荧光或已用荧光标记物标记的生物样品，以及单分子和其他纳米级荧光团。该技术采用了滤光片的组合，可阻挡短波长照明光，但让较长波长的样品荧光通过，因此最终图像仅显示样品的荧光部分(如下图10)。这允许从由许多其他非荧光颗粒组成的样品中挑出和可视化荧光颗粒或已被染料染色的感兴趣细胞的分布。同时，荧光显微镜还可以通过标记小于此限制的粒子来克服传统光学显微镜的分辨率限制。例如，可以用荧光标记标记病毒以显示其位置在生物样品的情况下，可以表达荧光蛋白，例如绿色荧光蛋白。结合各种新颖形式的样品照明，荧光显微镜的这一优势实现了“超分辨率”显微镜技术，打破了传统光学显微镜的分辨率限制。荧光显微镜的主要限制之一是光漂白，其中标记物或颗粒停止发出荧光，因为吸收照明光的过程最终会改变它们的结构，使它们不再发光。图10：荧光显微镜。左：工作原理-照明光由短通激发滤光片过滤，并由二向色镜反射到样品。来自样品的荧光通过二向色镜，并被发射滤光片额外过滤以去除图像中残留的激发光。右图：有机晶体中分子的荧光图像(晶体轮廓显示为黄色虚线)。由于来自其他分子和晶体材料的荧光，背景并不完全黑暗。　　免疫荧光显微镜　　免疫荧光显微镜是主要用于在微生物的细胞内的生物分子可视化的位置荧光显微镜的具体变化。在这里，用荧光标记物标记或固有荧光的抗体与感兴趣的生物分子结合，揭示它们的位置。(如下图11)图11：免疫荧光显微镜。肌动蛋白丝(紫色)、微管(黄色)和细胞核(绿色)的免疫荧光标记的两个间期细胞。　　共聚焦显微镜　　共聚焦显微镜是一种显微镜技术，它可以逐点成像来自样品的散射或荧光。不是一次对整个样品进行照明和成像，而是在样品区域上扫描源自点状光源的照明点，敏感检测器仅检测来自该点的光，从而产生2D图像。这种方法允许以高分辨率对弱信号样本进行成像，因为来自采样点之外的不需要的背景信号被有效抑制。在这里，所使用的波长和物镜在所有三个维度上都限制了成像光斑的大小。这允许通过将物镜移动到距样品不同的距离，在样品内的不同深度处制作2D图像。然后可以组合这些2D图像“切片”以创建样本的3D图像，这是所讨论的其他宽视场显微镜技术无法实现的，并且还允许以3D方式测量样品尺寸。这些优势的代价是无法一次性拍摄图像，而是必须逐点构建图像，这可能非常耗时并阻碍样本的实时成像(如下图12)。图12：单分子荧光的共聚焦荧光图像。小点对应于单个分子的荧光，而较大的点对应于分子簇。此处的荧光背景比简单的荧光显微镜图像弱得多，如亮点之间的暗区所见。　　双光子显微镜　　双光子显微镜(Two-photonmicroscopy，TPM)是荧光显微镜的一种变体，它使用双光子吸收来激发荧光，而不是单光子激发。在这里，通过吸收两个光子的组合来激发荧光，其能量大约是单个光子激发所需能量的一半。例如，在该方案中，通常由单个蓝色光子激发的荧光团可以被两个近红外光子激发。在TPM中，图像是逐点建立的，就像在共聚焦显微镜中一样，也就是说，双光子激发点在样品上扫描，样品荧光由灵敏的检测器检测。与传统荧光显微镜相比，激发和荧光能量的巨大差异导致了多重优势：首先，它允许使用更长的激发波长，在样品内散射较少，因此穿透更深，以允许在其表面下方对样品进行成像并创建3D样品图像。同时，由于激发能量低得多，光漂白大大减少，这对易碎样品很有用。激发点周围的荧光背景也大大减少，因为有效的双光子吸收仅发生在激发光束的焦点处，因此可以观察到来自样品小部分的荧光(如下图13)。　　TPM的一个缺点是双光子吸收的概率远低于单光子吸收，因此需要高强度照明，如脉冲激光，才能达到实用的荧光信号强度。图13：双光子显微镜。花粉的薄光学切片，显示荧光主要来自外层。　　光片显微镜　　光片显微技术是荧光显微术的一种形式，其中样品被垂直于观察方向的薄“片”光照射，从而仅对样品的薄切片(通常为几微米)进行成像。通过在样品在光片中旋转的同时拍摄一系列图像，可以形成3D图像。这要求样品大部分是透明的，这就是为什么这种技术通常用于形成小型透明生物结构的3D图像，例如细胞、胚胎和生物体。(如下图14)图14：光片显微镜。左：工作原理。右：通过荧光成像用光片显微镜拍摄的小鼠大脑的荧光图像。　　全内反射荧光显微镜　　全内反射荧光(Totalinternal reflectionfluorescence microscopy ，TIRF)是一种荧光显微技术，可通过极薄(约100nm厚)的样品切片制作2D荧光图像。这是通过照明光的渐逝场激发样品的荧光来实现的，当它在两种不同折射率(n)的材料之间的边界处经历全内反射时就会发生这种情况。消逝场具有与照明光相同的波长，但与界面紧密结合。在TIRF显微镜中，激发光通常在载玻片(n=1.52)和样品分散的水介质(n=1.35)之间的界面处发生全内反射。渐逝场的强度随距离呈指数下降来自界面，这样在最终图像中只能观察到靠近界面的荧光团。这也导致来自切片外区域的荧光背景的强烈抑制，这允许拾取微弱的荧光信号，例如在定位单个分子时。这使得TIRF非常适用于观察参与细胞间相互作用的荧光蛋白(如下图15)的微弱信号，但也需要将样品分散在水性介质中，这可能会限制可以测量的样品类型。图15：TIRF图像显示培养的视网膜色素上皮细胞中的蛋白质荧光。每个像素对应67nm。　　膨胀显微镜　　膨胀显微镜背后的基本概念是增加通常需要高分辨率显微镜的样品尺寸，以便可以使用标准显微镜技术(尤其是荧光显微镜)对其进行成像。这适用于保存的标本，例如生物分子、细胞、细菌和组织切片，可以使用下图16中所示的化学过程在所有维度(各向同性)均匀扩展多达50倍。扩展样本可以隔离感兴趣的个别特征通常是隐藏的，可以使它们透明，从而可以对它们的内部进行成像。图16：膨胀显微镜的样品制备。细胞首先被染色，然后连接到聚合物凝胶基质上。然后细胞结构本身被溶解(消化)，使染色的部分随着凝胶各向同性地膨胀，从而使染色的结构更详细地成像。　　光学显微镜中的卷积　　除了使光学系统适应特定用例之外，现代光学显微镜还利用了数字图像处理，例如图像去卷积。该技术通过补偿光学系统本身固有的模糊，可以提高空间分辨率以及光学显微镜拍摄图像的定位精度。这种模糊可以在校准步骤中测量，然后可以用于对图像进行去卷积，从而减少模糊。通过将高性能光学元件与先进的图像处理相结合，数字显微镜可以突破分辨率的极限，以更深入地观察微观世界。(如下图17)图17：图像解卷积。左：原始荧光图像。右：解卷积后的图像，显示细节增加。　　光学显微镜与电子显微镜　　光学显微术通常使用可见光谱中的光波长，由于瑞利准则，其空间分辨率固有地限制为所用波长的大约一半(最多约为200nm)。然而，即使使用具有高NA和高级图像处理的物镜，也无法克服这一基本限制。相反，观察较小的结构需要使用较短波长的电磁辐射。这是电子显微镜的基本原理，其中使用电子而不是可见光照亮样品。电子具有比可见光短得多的相关波长，因此可以实现高达10000000倍的放大倍数，甚至可以分辨单个原子。(如下图18)　　图18：同心聚合物结构中纳米晶体放大15000倍的扫描电子显微镜图像，即使是细微的细节，例如基材的孔隙，也能分辨出来。　　总结与结论　　光学显微镜是一种强大的工具，可用于检查各种应用中的小样本。通过调整用于特定用例的照明和成像技术，可以获得高分辨率图像，从而深入了解样品中的微观结构和过程。文中，我们讨论了各种光学显微镜技术的特点、优势和劣势，这些技术在光线照射和收集方式上有所不同。显微镜种类优点技术限制典型应用亮视野显微镜结构相对简单，光学元件很少低对比度、完全透明的物体不能直接成像，可能需要染色对彩色或染色样品和部分透明材料进行成像暗视野显微镜显示小结构和表面粗糙度，允许对未染色样品进行成像所需的高照明功率会损坏样品，只能看到散射图像特征细胞内颗粒成像，表面检测相差显微镜实现透明样品的成像复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗跟踪细胞运动，成像幼虫微分干涉对比显微镜比PCM更高的分辨率复杂的光学设置，需要的高照明功率会损坏样品，通常图像较暗活的、未染色的细胞和纳米颗粒的高分辨率成像偏光显微镜来自样品非双折射区域的强背景抑制，允许测量样品厚度和双折射需要双折射样品成像胶原蛋白，揭示晶体中的晶界荧光显微镜允许挑出样品中的单个荧光团和特定的感兴趣区域，可以克服分辨率限制需要荧光样品和灵敏的检测器，光漂白会减弱信号成像细胞成分、单分子、蛋白质免疫荧光显微镜使用抗体靶向可视化特定的生物分子大量样品制备，需要荧光样品，光漂白识别和跟踪细胞和蛋白质共聚焦显微镜低背景信号，可以创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统3D细胞成像，荧光信号较弱的成像样品，表面分析双光子显微镜样品穿透深度、背景信号低、光漂白少成像速度慢，需要复杂的光学系统和大功率照明神经科学，深层组织成像光片显微镜图像仅样品的极薄切片，可通过旋转样品创建3D图像成像速度慢，需要复杂的光学系统细胞和生物体的3D成像全内反射荧光显微镜强大的背景抑制，极精细的垂直切片成像仅限于样品的薄区域，需要复杂的光学系统，样品需要在水介质中单分子成像，成像分子运输膨胀显微镜提高标准荧光显微镜的有效分辨率需要对样品进行化学处理，不适用于活体样品生物样品的高分辨率成像　　参考：　　1. Rochow TG, Tucker PA. A Brief History of Microscopy. In: Introduction to Microscopy by Means of Light, Electrons, X Rays, or Acoustics. Springer US 1994:1-21. doi:10.1007/978-1-4899-1513-9_1　　2. Smith WJ. Modern Optical Engineering: The Design of Optical Systems.

近几年来，随着LED技术与全球植物工厂、垂直农场等现代设施农业的发展，植物照明市场迎来了新的发展机遇，成为众多照明厂商走差异化竞争之选。 图1 植物照明由于LED灯具有光效高、发热低、体积小、寿命长灯特点，因此非常受植物照明生产厂商的青睐。不同植物生长过程中对不同光谱的光需求量不同，为此所选的补偿光也有差异。。 图2 LED灯具植物工程可分为种植设备技术和植物工艺技术，其中植物照明光谱技术是种植设备技术和植物工艺技术的关键。好的光谱设计可保证种植工艺所要求的光质能达到高效利用。 图3 光谱制造商设计植物照明系统，通常根据植物所需的光质、光密度，然后对植物照明光源进行选择。植物灯光谱设计需要依据植物种植工艺要求而设计，植物灯光谱分析和设计能力对制造商市场竞争至关重要。而这些都需要精确的光源光谱分析方法和设备。 蓝菲光学40年光学测量生产设备经验，可提供精确的光源光谱分析方法和积分球光谱分析设备，有效的计算PAR/PPF/PPFD值。 图4 蓝菲光学积分球光谱分析仪不同植物或者同一植物不同时期吸收光谱不同，通过确定种植工艺确定植物照明光谱范围和峰值波长，植物照明的光谱和峰值波长均可通过蓝菲光学积分球光谱分析仪获得。蓝菲光学（Labsphere）illumia® Plus2积分球光谱分析仪积分球尺寸 25 cm -3 m可选，具有 2π 和 4π 几何方式。三种光谱仪可选、特定的应用模块在保证生产效率最大化的同时也保证了非常高的精确度、可重复性。图5 蓝菲光学积分球光谱分析仪结构图提高生产力改进后的积分球设计允许待测灯在点亮的情况下放进，保证更高的效 率、缩短测量时间。 新增了兼具功能性与简易性的电控模块，符 合 IES LM-79-19、IES LM-78 等相关标准。图6 蓝菲光学积分球光谱分析仪系统图Integral® 软件驱动设备搭配的 Integral® 软件支持任何平台、任何设备、 任何地点、多种语言。符合 LM-45 标准要求进行稳定，自动执行校准程序。 符合 LM-79-19 和 LM-78 测量方法和行业标准颜色计算。 图7 Integral软件图概念：太阳辐射中对植物光合作用有效的光谱成分称为光合有效辐射（PAR，photosynthetically active radiation），波长范围400～700纳米，与可见光基本重合。标注单位有两种：一是用光合辐照度表示（w/m2），主要用于太阳光的光合作用的广义研究。二是用光合光子通量密度PPFD表示（umol/m2s），主要用于人造光源和太阳光对植物光合作用的研究。采用每秒辐射到植物表面的光子流量的这个方法表示辐射源的辐射能力，称为PPF_PAR法。PPF光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux）是指波长在400-700nm波段里，人造光源每秒辐射出光子的微摩尔数量，单位umol/s。PPFD光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density）是每平方米每秒光源辐射出的微摩尔数量，单位umol/m2s。

首先介绍一下医用光学显微镜，它在很多的校园里用于教学科学研究，它的结构非常的匀称，显微镜的即体非常的稳定和刚性，整体上下是一体化结构，在电压方面，可以自我适应110伏特-220伏特的电压，无限远无应力物镜，提供像质更好，它能够提供给使用者非常清晰非常美观的微观世界。而且它的偏光载物台是专业的金属设置，转动、操作舒适，可以任意旋转，使用是非常方便的。　　显微镜的光学系统主要包括物镜、目镜、反光镜和聚光器四个部件。广义的说也包括照明光源、滤光器、盖玻片和载玻片等。　　（一）、物镜　　物镜是决定显微镜性能的zui重要部件，安装在物镜转换器上，接近被观察的物体，故叫做物镜或接物镜。　　1、物镜的分类　　物镜根据使用条件的不同可分为干燥物镜和浸液物镜；其中浸液物镜又可分为水浸物镜和油浸物镜（常用放大倍数为90—100倍）。　　根据放大倍数的不同可分为 低倍物镜（10倍以下）、中倍物镜（20倍左右）高倍物镜（40—65倍）。　　根据像差矫正情况，分为消色差物镜（常用，能矫正光谱中两种色光的色差的物镜）和复色差物镜（能矫正光谱中三种色光的色差的物镜，价格贵，使用少）。（所谓象差是指所成的像与原物在形状上的差别；色差是指所成的像与原物在颜色上的差别）　　（消除色差（当不同波长的光线通过透镜的时候，它们折射的方向略有不同，这导致了成像质量的下降）　　2、物镜的主要参数：　　物镜主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。　　①、放大倍数是指眼睛看到像的大小与对应标本大小的比值。它指的是长度的比值而不是面积的比值。例：放大倍数为100×，指的是长度是1μm的标本，放大后像的长度是100μm，要是以面积计算，则放大了10,000倍。　　显微镜的总放大倍数等于物镜和目镜放大倍数的乘积。　　②、数值孔径也叫镜口率，简写N• A 或A，是物镜和聚光器的主要参数，与显微镜的分辨力成正比。干燥物镜的数值孔径为0.05-0.95，油浸物镜（香柏油）的数值孔径为1.25。　　③、工作距离是指当所观察的标本zui清楚时物镜的前端透镜下面到标本的盖玻片上面的距离。物镜的工作距离与物镜的焦距有关，物镜的焦距越长，放大倍数越低，其工作距离越长。例：10倍物镜上标有10/0.25和160/0.17，其中10为物镜的放大倍数；0.25为数值孔径；160为镜筒长度（单位mm）；0.17为盖玻片的标准厚度（单位 mm）。10倍物镜有效工作距离为6.5mm，40倍物镜有效工作距离为0.48mm 。　　3、物镜的作用是将标本作*次放大，它是决定显微镜性能的zui重要的部件——分辨力的高低。　　分辨力也叫分辨率或分辨本领。分辨力的大小是用分辨距离（所能分辨开的两个物点间的zui小距离）的数值来表示的。在明视距离（25cm）之处，正常人眼所能看清相距0.073mm的两个物点，这个0.073mm的数值，即为正常人眼的分辨距离。显微镜的分辨距离越小，即表示它的分辨力越高，也就是表示它的性能越好。　　显微镜的分辨力的大小由物镜的分辨力来决定的，而物镜的分辨力又是由它的数值孔径和照明光线的波长决定的。　　那么医用光学显微镜到底在哪些领域有所应用呢？适合电子、地质、矿产、冶金、化工和仪器仪表等行业，在这些行业领域中，用于观察透明、半透明或不透明的物资,例如金属陶瓷、集成块、印刷电路板、液晶板、薄膜、纤维、镀涂层以及其它非鑫属材料，除此之外，也适合医药、农林、*、学校、科研部门作观察分析用。透反射式矿相显微镜不仅能实时观察动态图像，还能将所需要的图片进行编辑、保存和打印。透反射式矿相显微镜广泛应用于生物学、细胞学、组织学、药物化学等研究工作。如果医用光学显微镜物象不在视野中心，可移动玻片，将所要观察的部位调到视野范围内。（注意移动玻片的方向与视野物象移动的方向是相反的）。如果视野内的亮度不合适，可通过调整光圈的大小来调节，如果在调节焦距时，镜台下降已超过工作距离（5.40mm）而未见到物象，说明此次操作失败，则应重新操作，切不可心急而盲目地上升镜台。

在进入主题之前，我首先要澄清一下，这里的“激光粒度仪”是指基于静态光散射或衍射原理的粒度分析仪器, 测量范围从大约100纳米到几毫米。与之容易混淆的还有另一种也是以激光作为照明光源的粒度分析仪器——动态光散射粒度仪，在国内通常叫作纳米粒度分析仪。本文探讨的产品是指前者。 一提起高端的科学仪器，大多数国人都认为进口的国外仪器比国产仪器先进。但是，对激光粒度仪，我可以很负责任地说，总体上国产仪器与进口仪器水平相当，有些国产品牌甚至领先于世界同行。国外产品的价格确实高，但是技术性能一点都不高。所以，某些国家如果想在激光粒度仪上卡中国的脖子，不仅对中国的粒度仪应用产业丝毫无损，而且还会自行断送国外品牌在中国的市场，对中国的上下游产业发展只有好处，没有坏处。 能不能制造出高水平的科技产品，关键点有三：一是产品的设计，二是供应链（配套原材料），三是制程管理。 就原料供应来说，国内国外的粒度仪厂商都是全球采购的，相互之间没什么差别。具体来说，集成电路和部分电子元件大多是国外生产的，机械零件和光学镜头大多是中国生产的，有些国外品牌甚至连整机都是在中国境内、由中国工人完成组装调试的。某些国产品牌为了宣传自己的粒度仪“高大上”，声称光学镜头是某发达国家生产的，不知真假？但愿是假的；如果是真的，那真要为之惋惜了。其实，国产光学镜头完全能够满足激光粒度仪的使用需求。就连某些著名的进口品牌的镜头都是中国产的，说明国外同行早就认可中国镜头的质量。你又何必花高价到国外采购呢？要说卡脖子，电子元器件真是国产科学仪器“脆弱的要害部位”。激光粒度仪要用到的激光二极管，一些模拟集成电路，单片机等，都需要进口。但这不是我们激光粒度仪的厂商能够解决的。 至于制程管理，需要经验的积累和精益求精的态度。国产品牌或者其主要负责人，进入激光粒度仪行业都已超过20年，而且有些人曾长期在国外同行企业工作，再笨也学会该如何管理了，更何况中国人还是挺聪明的，至少不会在智力上输给西方人。对产品质量的态度，我认为几家主要的国产品牌都是很认真的。或许是激烈竞争的原因，大家都迫切地希望用户使用自己的产品时有良好的体验：精确、稳定、可靠。说到用户体验，我要提一句提外话：目前进口产品在售后服务上给用户的感觉都不太好：不仅服务不及时，态度不友好，而且收费巨贵。在这一点上，国外品牌就大大比不上国产品牌了。 最后一点就是激光粒度仪的设计了，这是硬核技术，也是本文要谈的重点。在供应链和制程管理不相上下的情况下，设计水平的高低决定了激光粒度仪的技术性能的高下。 下面将正式展开对国内外激光粒度仪的认知和设计水平的比较。表述听起来可能比较“学究”，请读者诸君谅解。这是因为不用专业的表达，就无法把其中的要点说清楚，就会显得模棱两可，给人留下质疑的空间。但是我会尽量表达得通俗一点。1. 激光粒度仪的光学模型及简要历史回顾 粒度仪器有多种原理，但大多数都把被测量的颗粒看成一个理想的圆球。尽管实际的颗粒很少是理想圆球，有的甚至远远偏离圆球，但是由于颗粒的数量太大，形状也是千变万化，如果连形状都要考虑进去，是一件无法完成的工作，所以只能把颗粒当作圆球来处理。激光粒度仪也是把颗粒当成理想圆球来处理，全世界的品牌都一样。 1.1 光散射的模型 光是电磁波。在均匀的介质中，光是沿着直线传播的。如果光在传播的途中遇到一个颗粒，光和颗粒就会发生相互作用，光波一部分可能被颗粒吸收，一部分则偏离原来的方向继续传播，后者就称为“光的散射”。这种相互作用遵循电磁波理论，即麦克斯韦方程组。只要颗粒尺寸远大于原子尺度，并且没有原子激发辐射（荧光）现象发生，那么，电磁波理论的正确性是不容置疑的。平面电磁波遇到圆球颗粒后发生的散射现象，可以有严格的数学解，称作“Mie散射理论”。不过这个解在数学形式上非常复杂、计算量庞大，物理意义很抽象。在颗粒直径远大于光波长时，散射现象可以用几何光学近似理论解释，这样物理意义就变得很直观了。 请看图1。在颗粒远大于光波长的情况下，颗粒对光的散射，可以分成两个部分：衍射和几何散射。从无限远（远场）的位置观察，衍射光的偏离角度只跟颗粒在观察面上的投影的大小有关，颗粒越小，衍射角越大，这部分信息可以用来分析颗粒的大小。几何散射光是指光线投射到颗粒表面以后，一部分发生反射，另一部分经过折射进入颗粒内部，又在另一个界面上发生折射（到介质）和反射的现象。散射光场是这两部分光的叠加。图1中只画出了衍射光和一次折射光。从远场看，几何散射光的相对强度分布与颗粒大小无关，只与颗粒的折射率与吸收系数有关。另外，当颗粒很大时，衍射光的分布范围远远小于几何散射光的分布范围，但是由于两种散射光的总能量相同，所以从小角度看，衍射光的强度要远远大于几何散射光的强度。这也是在小角度范围内观察大颗粒的散射光时，可以只考虑衍射光的原因。图1 光散射模型的几何光学近似 激光粒度仪在上世纪70年代初刚出现时，只考虑衍射光，所以颗粒可以看成一个不透光的圆片，见图2。根据光学上著名的巴比涅互补原理，一个不透光的圆片所产生的衍射场与同直径的圆孔所产生的衍射场只在位相上差180°，振幅则完全相同。激光粒度仪直接测量的是光强的分布，它是振幅的模的平方，跟位相没关系，所以一个直径为D的颗粒所产生的衍射光强的分布可以用等直径的圆孔产生的光强分布来代替。图2 从圆球散射到圆孔衍射的简化圆孔的衍射在19世纪末就有解析形式的理论表达。远场的衍射理论称为“夫朗和费衍射理论”。图2还表示出了观察远场衍射的经典装置：在圆孔后放置一个光学透镜，在透镜的焦平面上放置观察屏，这样在屏上看到的图像就是远场衍射光斑。衍射角度为的衍射光落在屏上的位置到屏的中心的距离为（ 是透镜的焦距）。顺便科普一个光学名词：如果透镜是对焦平面消像差的，该透镜就称为“傅里叶透镜”。从图2可以看到，远场的衍射光斑由中心亮斑和一系列同心圆环组成，被称为“爱里斑”。理论上可以证明，爱里斑的第一个暗环内包含了大约84%的衍射总光能，所以习惯上把第一个暗环所对应的衍射角称为爱里斑的（角）半径。爱里斑的半径与圆孔直径、也就是颗粒的直径近似成反比，因此屏上的光强分布与颗粒大小之间有一一对应关系。激光粒度仪就是根据这个原理分析颗粒大小的。 1.2 国内外激光粒度仪的发展史 一个10微米的颗粒，如果用0.633微米（红光he-Ne激光波长）的光去照射，那么衍射角就是4.4°；100微米的颗粒，衍射角就是0.44°了。世界上第一台激光粒度仪直到1970年前后(准确的年份有几种说法)才出现，就是因为它首先需要一种单色性、方向性都足够高、强度足够强的光源，这就是激光。所以它只能出现在激光器问世（1961年）之后。另外，探测衍射光场的分布需要硅光电探测器阵列，需要用到集成电路制作工艺；把衍射光的分布转换成粒度分布需要台式计算机，这些条件都是1960年以后才出现的。国内最早开始激光粒度仪研制的是天津大学的张以谟团队，当时是承接了国家科委的六五（1981年到1985年）科技攻关项目。项目于1989年通过了国家科委的技术鉴定。产品名称当时叫做“激光滴谱仪”，设定的应用对象是液体雾滴的粒度测量。比天津大学略晚开展激光粒度仪研制的单位还有上海机械学院（后改名“上海理工大学”）、山东建材学院（后并入济南大学）、四川省轻工业研究院、重庆大学和辽宁（丹东）仪器仪表研究所。从上面的介绍可以看出，国产激光粒度仪的出现时间比世界上最早的同类产品晚了大约20年。早期国产仪器的落后，首先就是因为起步的时间晚。起步晚的原因有这么几个：（1）国外开始研发激光粒度仪的时间正好是中国的文革时期，闭关锁国，国内的科研人员不太了解国外的动态，一直到1970年代末改革开放后，国外的产品卖到中国，以及国内的科研人员到国外进修，才知道有这么一种产品。（2）激光粒度仪的应用对象是从事粉体、浆料、乳液、胶体以及喷雾的科研和生产单位，当时中国在生产和科研两个方面都大幅落后于国外。国内的应用需求对该产品的研发的拉动不强烈。（3）在改革开放前以及改革开放后的很长一段时间，科研由高校和研究机构做，而生产由工厂做。科研单位感受不到应用的需求，而生产单位即使知道有需求，也没有能力设计一款光、机、电和计算机一体化的产品。（4）激光粒度仪作为当时的高精尖产品，需要激光器、电脑、形硅光电池阵列、半导体芯片等元器件和设备的配套，在上世纪六、七十年代，中国很难获得这些东西。目前国内的情况已经完全改观：一是国内需求拉动强烈，二是各种电子元件、计算机软硬件等都能在全球采购，三是国内的研发人员理论基础雄厚，创新意识强，能开展基础理论研究和技术创新。经过30多年的进步，国产激光粒度仪的技术已经能和全球同行并驾齐驱，并有一部分实现了超越。1.3 当前各种品牌对光学模型的应用从1.1节的讨论可以看到，如果只考虑远大于光波长的颗粒，并且只测量小角度的散射光（例如小于5°）的话，用衍射理论基本可以满足粒度测量的要求。衍射理论的优势在于数值计算相对简单，也不需要知道颗粒的光学参数（折射率和吸收系数）。但是如果想把粒度测量下限扩展到接近或小于光的波长，那么就不得不考虑更大角度范围的散射光了。现在的粒度仪测量下限可以达到光波长的1/10左右。图3表示出几种亚微米颗粒的散射光强分布。从图上可以看出，对小颗粒来说，不同粒径散射光强度分布的差别，主要在大角度上，甚至大到180°。这就需要仪器的光学系统能测量0°到180°全角范围的散射光，光学模型也必须用Mie散射理论了。图3 对数极坐标下亚微米颗粒的散射光强分布图中的坐标系是对数极坐标，方位角就是散射角，辐射线的长度是散射光强度的对数。(a)(d)分别表示1µm、0.5µm、0.25µm和0.12 µm的颗粒的散射光强分布。 目前国内国外的厂商，大多数采用复杂但严谨的Mie理论，但也有个别国外厂商还在用衍射理论。从所采用的光学模型来看，国内厂商与国外的主流厂商是同步的。相反，个别国外厂商还在用夫朗和费衍射理论，就显得抱残守缺了。1.4 对光学模型研究的新发现 激光粒度测试技术的研究者和厂商都隐藏着一个困惑：激光粒度仪无法正常测量3微米左右的聚苯乙烯微球。这是为什么？ 国内厂商——珠海真理光学仪器有限公司与天津大学的联合团队发现了造成这个困惑的根源：爱里斑的反常变化（ACAD）。通常我们都认为颗粒越小，爱里斑越大，于是颗粒大小与爱里斑大小之间有一一对应关系，所以粒度仪能够根据散射光的分布推算粒度分布。但事实上在有的粒径区间，会出现违反上述规律的情况：颗粒越小，爱里斑也越小。我们把这样的粒径区间叫做“反常区”。图4是根据Mie散射理论用数值计算的方法模拟出的聚苯乙烯微球的爱里斑的变化。图中粒径从3微米到3.5微米的爱里斑尺寸的变化就属于反常变化。对聚苯乙烯微球来说，3微米左右正好是在反常区，所以测量出现异常。研究论文发表于2017年。 图4 爱里斑的反常变化现象 该研究揭示出，任何无吸收或弱吸收的颗粒的光散射都存在反常现象。如果颗粒无吸收，则存在无限多个反常区。对粒度测量有影响的主要是第一反常区，其所处的粒径区间大约在0.5微米到10微米，具体位置跟颗粒与分散介质的折射率以及光波长有关。颗粒折射率越大，反常区中心对应的粒径越小。被测颗粒的粒径落在第一个反常区的话，通常的反演算法就难以根据散射光的分布计算出正确的粒度分布。反常现象对激光粒度测量的影响是普遍存在的，这将在第3节继续讨论。 爱里斑反常变化现象的发现与研究，是国内厂商与研究机构对激光粒度测试技术的创造性贡献，当然是世界范围内独一无二的，是领先于世界的。 2. 各种仪器的散射光接收系统 粒度仪的散射光接收系统决定了仪器能否获得充分的颗粒散射光信息，从而准确计算出被测颗粒的粒度分布。它是激光粒度仪的关键技术之一。 亚微米颗粒的散射光能分布见图5，其中假设了探测器的面积与散射角成正比，照明光是线偏振光，偏振方向垂直于散射面。其中图（a）表示全角范围内完整的散射光能分布。从中可以看出，垂直偏振散射光是分布在0°到180°的全角范围内的，对0.3微米以细的颗粒来说，散射光能的主峰分布处在40°到90°的前向大角度上。由于光能分布的主峰位置（如果有）与粒径之间有最显著的特异性，因此获取40°以上的散射光信息对亚微米颗粒测量至关重要。图5 亚微米颗粒的散射光能分布曲线(a) 全角范围的光能分布，(b) 正入射平板玻璃窗口得到的；(c) 斜置梯形玻璃窗口得到的 图6是当前国内外比较有影响力的几种品牌的激光粒度仪的散射光接收系统的光路图。其中图 (a)称为经典光路，又称正傅里叶变化光路。是激光粒度仪发展的早期就开始采用的光路。其特点是用平行激光束垂直入射到测量窗（池），相同角度的散射光通过傅里叶镜头后被聚焦到探测器的一个点上。其缺点是系统能接收的最大散射角受傅里叶镜头的孔径限制。目前能达到的最大孔径角是45°。如果颗粒分散在水介质中，那么对应的最大散射角是32°。这样的系统能测量的最小粒径约为0.4微米。图6 各种散射光接收系统原理图 图6(b)是一种逆（反）傅里叶变换系统。它用会聚光垂直照射到测量池。在小散射角上也能会聚同角度的散射光。但是大角度的聚焦不良，不过可以在光学模型的数值计算上对此进行补偿，并不影响对散射光分布的测量。它的好处是最大接收角不受透镜孔径限制。空气中的最大接收角可达60°或更大，对应于水介质中的散射角为41°以上。如果前向散射角继续增大，大于49°时，就会受到全反射规律的约束，无法出射到空气中，该以上角度称为“全反射盲区”。盲区内的散射光也就无法被探测器接收。这将丢失0.3微米及以细颗粒的散射光能主峰信息，见图5(b)。这种系统一般还设置后向探测器，能接收大于139°的散射光。对0.1左右的颗粒测量有帮助。 图6(c)是一种是多光束方案，是为突破全反射的限制而专门设计的。它用一束光作为主光束，正入射到测量池，用另外一束或两束光作为辅助光束，斜入射到测量池。如果设置后向探测器，则只需一束辅助光。。通常，为了尽量扩大仪器的测量范围，主光束用红色激光，而辅助光束用蓝色LED光源。假设辅助光的对测量池的入射角为45°，那么在该辅助光的配合下，测量盲区可以减小32°。如果只有主光束时散射角测量上限为41°，那么现在的测量上限可达73°。但是它的缺点是，主光束照明情况下的散射光测量和辅助光照明下的测量（如果两束辅助光，也要分别测量）必须分开进行，两次测量的数据拼接，不是一件容易做好的事情。如果辅助光和主光用不同的波长，还需要同时获取两种波长所对应的折射率。有时要得到一种波长的折射率都有困难，两种更难了。 图6(d)称为偏振光强度差（PIDS）方案（该图取自许人良博士未出版的书稿）。其特征是除了正入射的主光束以及配套的双镜头散射光接收系统外，另外串联了一个测量池，并在照明光行进路径的侧面设置对应不同散射角的探测系统。利用90°散射角周围垂直偏振的散射光与平行偏振的散射光的分布差异，分析亚微米颗粒的大小。存在的问题是: （1）主光束获得的信息与PIDS窗口获得的信息之间如何拼接？（2）PIDS测量利用了多种波长的照明光，要想获得多种波长的折射率是非常困难的。 图6(e)称为“斜置平行窗口”方案或“照明光斜入射”方案。作者最早于2010年提出该方案（专利）。它的优点是用一束照明光就可以突破全反射的限制，却没有多光束方案的数据拼接难题。比如说斜置20，被接收的最大散射角就可以增加到60°。但是要完全消除全反射的影响，必须斜置70°。此时入射光在探测平面上不能良好聚焦，从而影响了大颗粒的测量。这是作者没有在真理光学的产品中采用这种方案的原因，但有其他国产品牌在用这种方案。 图6(f)是真理光学在用的“斜置梯形窗口”光学系统。它只需一束照明光。测量池整体倾斜10°，不影响入射光的聚焦，测量池右侧的玻璃做成梯形，让接近或大于全反射临界角的散射光从梯形的斜面出射。这种方案能让前向最大散射角达到80°，使系统能够接收所有亚微米颗粒的散射光能分布的主峰信息，见图5(c)。这是目前前向散射接收角最大的光学系统，而且还只用了一束照明光，没有数据拼接问题。是一种世界领先的方案。3. 反演算法与粒度测试结果的真实性 反演算法就是把仪器测量得到的被测颗粒的散射光分布，结合事先根据光学模型的数值计算得到的预设的各种粒径颗粒的散射光能分布（组成“散射矩阵”），反向计算出被测颗粒的粒度分布的计算机程序。粒度分布是激光粒度仪输出的最终结果，它能否真实反映被测颗粒的粒度，是激光粒度仪性能的最终体现。3.1 获得真实的粒度测试结果的基本条件 能否获得好的粒度分布数据由以下三点决定： （A）充分的被测颗粒的散射光分布信息，最好含有光能分布的主峰（如果有）； （B）利用光学模型计算得到的散射光分布与粒度分布之间存在一一对应关系； （C）合理的算法。 各厂商的算法是技术秘密，外人无从知晓与评价。但是可以确定的是，如果条件（A）和（B）有缺失，一定会影响最终的粒度分布结果。从第2节的叙述我们已经看到，现有的各种散射光的接收方案都不能百分之百获得0到180°的散射光信息，但是有的方案好一些，比如图6(f)的方案；有的则有较大的信息缺口，比如图6(a)和(b)所示的方案。作者在第1节中谈到过，真理光学团队发现的爱里斑的反常变化，将导致在被测颗粒是透明的条件下，对于粒径落在第1反常区内的颗粒，条件(B)不能满足。 相对来说，国产的真理光学做得比较好。对条件(A)，前向最大散射角（介质中）的接收能力达到80°，能捕获所有颗粒的光能分布主峰，并且只用一束照明光，避免了不同照明光的数据拼接。对条件(B)，基于对爱里斑反常变化的原创发现和规律的深入研究，通过软硬件的结合，基本上解决了爱里斑反常变化对粒度分析的影响。 现在国内外各厂商都宣称自己的仪器能测量小到100纳米以细，大到数千微米，全量程无死角的粒度分布，但是上述条件(A) 和(B)的缺失，从客观上限制了这些仪器的测量能力，使得它们宣称的性能难以实现。3.2 国外某仪器有多种反演计算模式，不同模式会给出不同的粒度分析结果 有些国外仪器有多种反演计算模式。同样的被测样品，选不同的模式就会输出不同的结果。图7 国外某仪器不同反演模式输出不同结果的案例 图7是该仪器的实测案例。图7(a)是标称D50为150纳米的聚苯乙烯微球标样的测量结果。选“通用”模式时，D50为121纳米，与样品标称值相差较远，且分布曲线明显展宽；选”单峰窄分布”模式时，D50为148纳米，与样品标称值相符。图7(b)是标称D50为3微米的标样的测量结果。选“通用”模式时，结果呈现多峰，与样品的单分散特征完全不符；选“单峰窄分布”模式时，与样品形态特征及标称值相符。图7(c) 是一个人工配制的3个峰的SiO2 微球。选“通用”模式时，结果只有1个峰，完全失真；选“多峰窄分布”模式时，曲线呈现2个峰，结果比“通用”模式接近真实，但还是有失真。 从使用经验看，该仪器在测量颗粒标准样品时只能用“单峰窄分布”模式去分析。因为颗粒标准物质就是单峰窄分布的，所以这种做法颇有“量身定做”的意味。如果用 “通用”模式分析标准微球时，则经常出错。人们难免要问：“通用”模式连最容易测量的颗粒标准物质都给不出正确的结果，如何保证一般样品的测量结果是正确的？还有一个疑问是：一种仪器的不同模式给出不同的结果，究竟哪一个是正确的结果？ 上述问题如果没有合理的解答，那么从基本的科学逻辑出发，我们就可以得出这样的结论：一种仪器有多种分析模式是仪器性能不完善的表现。国产的真理光学的仪器就完全没有这样的问题。它只有一个统一的反演模式，不论测什么样品，都用同样的算法。图8是上述3个样品用国产真理光学仪器测量的结果：150纳米和3微米标样的D50值和分布形态完全符合预期，实际样品的3个峰也能得到正确的体现。图8 国产真理光学的激光粒度仪对三个样品的测量结果3.3 国内外仪器对爱里斑反常现象的处理 爱里斑的反常变化会导致一种散射光能分布对应多种粒度分布的可能性，从而使粒度仪得不到正确的粒度分布结果。图7(b)所示的3微米标样在某国外仪器“通用”模式下给出的完全失真的结果，就是因为3微米标样的构成材料是聚苯乙烯微球，这个粒径正好处在这种材料颗粒的第1个反常区。该国外仪器没能解决这个问题，所以在“通用”模式下得不到正确结果，而只能选用“单峰窄分布”这种量身定做的模式进行“特殊处理”。如果是普通的待测样品，由于事先无法知道被测颗粒的粒度分布特征，不知如何去“特殊”，就难以给出正确的结果。 目前除了真理光学以外，国内外的激光粒度仪厂家的通行做法是，在计算散射矩阵（光学模型）时，即使被测颗粒是透明的，也要人为加一个吸收系数，最常见的数值是0.1。这样在光学模型中就不会出现反常现象，从而使反演结果稳定，或者看上去比较正常。问题在于实际颗粒是无吸收的，人为加吸收必然使测量结果失真。 图9是一个碳酸钙样品的粒度测量结果。该样品经过沉降法的分离，去除了2微米以细的颗粒（可通过显微镜验证）。碳酸钙的折射率是1.69，无吸收。图9(a)是真理光学仪器的测量结果，2微米以细的颗粒含量几乎为零，与预期的一致。图9(b)是在光学模型中加了0.1的吸收系数后的反演结果：在2微米后拖了一个长长的尾巴。我们知道真实的粒度分布中，这个尾巴是不存在的，这是人为加吸收系数所引起的错误结果。有些国外仪器为了避免假尾巴的出现，人为地在1到3微米之间减去一定比例的颗粒含量。这种人为主观的处理会引起新的不良后果：如果在该粒径区域真实存在颗粒，也会被人为减少其含量甚至清零。图8(c)所示的SiO2样品在1微米到3微米之间有一个小峰，但是用该进口仪器测量的结果如图7(c)所示：无论用什么模式分析，这个真实存在的小峰都消失了。图9 在光学模型中给透明颗粒加吸收系数的后果（a）实际的粒度分布 （b）光学模型中加0.1吸收系数后得到的结果 可见，当透明颗粒的粒度分布处在反常区时，通过人为加吸收系数的方法无论怎么做，都有问题。目前国产的真理光学是世界上唯一解决了爱里斑反常变化困扰的厂家。3.4 国内外激光粒度仪对亚微米颗粒的测量能力的比较 采用图6(b)所示的散射光接收系统的仪器是国外品牌，在中国占有很可观的市场份额。然而这种结构由于丢失了0.3微米以细颗粒的光能分布主峰的信息（见图5(b)），从而注定了难以很好地测量0.3微米以细的实际样品（有别于标样，因此通常都用“通用”模式）。图10 某进口仪器和国产真理光学仪器测量纳米硅碳颗粒样品结果的比较 图10是某进口仪器和国产真理光学仪器测量纳米硅碳颗粒样品结果的比较。图10(a)是国外仪器的结果，图10(b)是真理光学的测量结果。两张图中的上图是粒度分布，下图是拟合光能分布与实测光能分布的对比。比较两种结果，可判断真理光学的结果更加真实、可靠。理由是： （A）真理光学的结果拟合残差只有0.43%，而进口仪器的拟合残差高达5.25%。前者拟合更好。 （B）真理光学给出的粒度分布曲线是单峰的，而进口仪器的结果是多峰的。经验告诉我们，正常制造出来的样品极少出现多峰的情况. （C）从光能拟合曲线看，进口仪器在第40单元后测量值（绿线）和拟合值（红线）之间出现较大的偏离，而国产仪器的两条曲线非常一致。 类似的0.3微米以细颗粒的测量案例还有很多。 4. 激光粒度仪行业的未来发展问题 前面三节从激光粒度仪的光学模型、散射光接收系统和反演算法及实际测量能力等三项硬核技术方面对比了国内外激光粒度仪的技术水平和测试性能，表明国产激光粒度仪不会逊色于国外同类产品。真理光学团队发现的爱里斑反常变化现象及规律、独创的斜置梯形窗口克服前向超大角测量盲区以及统一的反演算法等技术，则领先于世界同行。但是，对于激光粒度仪整个行业来说，还存在需要改进甚至急需改进的地方。我的建议如下：（1）国内外的厂家都应正视粒度测量数据对比困难的问题 目前，全球范围内激光粒度仪测量实际样品时给出的数据经常是不可比的。对同一颗粒样品，不同品牌的仪器的测量结果不可比；同一厂家生产的仪器，不同型号之间的结果不可比；更绝的是同一台仪器不同反演模式给出的结果也不可比。到目前为止，对这三个“不可比”，都没有人拿出令人信服的、符合科学的解释。 作者尝试分析一下原因。从理论上说，大家测量相同的样品，使用相同原理的仪器，应该得到相同的结果（在合理的误差范围内）。两个结果如有不同，那么至少有一个结果是错的，甚至两个结果都是错的。这就说明当前国内外的各种激光粒度仪还存在不完善的地方。这些不完善包括：（A）光散射模型上，有的仪器还在使用夫朗和费衍射理论；（B）光的全反射现象的制约，或者大角与小角散射光数据拼接的困难，导致有的仪器没有获得或者没有准确获得大角散光的信息，影响了0.3微米以细颗粒测量的准确性；（C）爱里斑的反常变化引起粒径与散射光分布之间一一对应关系的破坏，除了真理光学，其他品牌都采用人为地在光学模型中给颗粒添加吸收系数的方法来敷衍性地解决，但是没有真正解决，导致结果失真；（D）一种仪器有多种反演算法，从逻辑上就可断定这样的算法是不完善的，而根据作者分析，这个不完善又和不完善点（B）和（C）有关。（E）仪器厂商为了迎合客户的偏好，对原始的粒度分析结果进行了失实的修饰，比如把多峰分布改为单峰分布，把粒度分布中粗、细方向的展宽改窄等等。 仪器技术上的不完善，需要国内外厂家去正视问题，然后改正原先的不足。（2）国内用户应破除对进口仪器的迷信心理 国内很多用户都认为进口仪器就是比国产仪器好。国内用户要是遇到进口仪器的测量结果与国产仪器数据不一致的情况，第一反应就是国产仪器错了。我在前面分析过，进口仪器不比国产仪器好，请用户客观判断。 另一方面，国内有的仪器厂家也拿自己的仪器结果能和国外的结果相一致，来证明自己的高水平。这是自我矮化行为，当然也表明该厂家对自己制造的仪器没有信心。但是国内厂家的这种行为会助长用户原本就有的认为国产仪器水平低的心理。（3）激光粒度仪测量数据的正确运用问题 激光粒度测试报告的核心内容是体积粒度分布。形式上可以是表格或者曲线。有时为了简洁起见，用特征粒径来表示粒度分布。最常见的是D10、D50和D90三个数。其中D50表示样品颗粒的平均粒径（与之并行的也可用D[4,3]）），而D10和D90分别表示粒度分布往小粒径和大粒径方向延伸的宽度。在大多数情况下，一个粉体样品的平均粒径和分布宽度（或者均匀性）确定了，其粒度特征也就基本确定了。激光粒度仪国家标准（GB/T 19077-2016/ISO 13320：2009）中明确规定，不允许用D100的数值。这是因为从概率论分析，D100的数值是不稳定的，另外D100实际上并不代表颗粒样品中的最大粒直径。如果把这个值作为最大粒，可能会引发严重的应用后果。 然而在有些激光粒度仪的应用行业，例如电池的正负极材料行业，其国家标准中就把激光粒度仪的Dmax（即D100）作为控制指标。该行业内上下游间的粒度控制指标中，不仅包含了D100，还包还可了D0和Dn10，这些都是误导性的应用。（4） 激光粒度仪的测量下限和上限被严重夸大的问题 目前激光粒度仪的测量范围动辄下限10纳米，上限5000微米以上。这显然被严重夸大了。这会误导客户，扰乱市场。需要行业自律。国家相关组织也要加强督导的力度。

近日，中国科学技术大学物理学院光电子科学与技术安徽省重点实验室/合肥微尺度物质科学国家研究中心教授张斗国研究组提出并实现了一种基于光学薄膜的平面型显微成像元件，用作被测样本的载波片，可在常规的明场光学显微镜上实现暗场显微成像和全内反射成像，从而获取高对比度的光学显微图像。研究成果以Planar photonic chips with tailored angular transmission for high-contrast-imaging devices为题，发表在Nature Communications上。光学显微镜利用光学原理，把人眼不能分辨的微小物体放大成像，进而拓宽人类观察物质结构的空间尺度范围。通用的光学显微镜是明视场显微镜（Brightfield Microscopy），它利用光线照明，样本中各点依其光吸收的不同在明亮的背景中成像。但对于一些未经染色处理的生物标本或其他透明样本，由于对光线的吸收少，其明视场显微镜像的对比度差，难以观测。为解决以上问题，科学家们发展出暗视场显微镜（Darkfield Microscopy）：其照明光线不直接进入成像物镜，只允许被样品反射和衍射的光线进入物镜。无样品时，视场暗黑，不可能观察到任何物体；有样品时，样品的衍射光与散射光等在暗的背景中明亮可见，因此其成像对比度远高于明场光学显微镜，如图1a所示。另外一个解决方案是，利用光线全反射后在介质另一面产生衰失波（又称表面波）来照明样品，无样本时，衰失波光强在纵向呈指数衰减的特性使得其不会辐射到远场，视场暗黑；有样品时候，衰失波会被散射或衍射到远场，从而在暗背景下形成物体的明亮像，该显微镜被称为全内反射显微镜（Total internal reflection microscopy, TIRM），同样可以提高成像对比度。衰失波光强在纵向呈指数衰减的特性，只有极靠近全反射面的样本区域会被照明，大大降低了背景光噪声干扰观测标本，故此项技术广泛应用于物质表面或界面的动态观察，如图1b所示。然而，上述两种显微镜均需要复杂的光学元件，如暗场显微镜需要特殊的聚光镜来实现照明光以大角度入射到样品；全内反射显微镜需要高折射率棱镜或高数值孔径显微物镜来产生光学表面波；这些元件体积大，不易集成，成像效果严格依赖于光路的精确调节，增加了其操作复杂度。研究提出的基于光学薄膜的平面型显微成像元件可有效弥补上述不足。图1c为该元件结构示意图，主要包含三部分：中间部分是掺杂有高折射率散射纳米颗粒的聚合物薄膜，利用纳米颗粒的无序散射来拓展入射光束的传播角度范围；上部和下部是由高低折射率介质周期性排布形成的光学薄膜，利用其来调控出射光束的角度范围。通过光子带隙设计，下部光学薄膜只允许垂直入射的光束透过，其他角度光束的均被抑制；上部光学薄膜在750 nm波长入射下，只有大角度的光束才能透射；在640 nm波长下任何角度的光均不能透射，只能产生全内反射。图1. 传统暗场照明（a）与全内反射照明（b）光学显微镜，基于光学薄膜结构的显微成像照明元件（c）因此，在正入射下，经过该光学薄膜器件的光束出射角度或大于一定角度（对应750 nm波长），或在薄膜表面产生光学表面波（对应640 nm 波长）。利用一块光学薄膜器件，在常规的明场显微镜上（图2a），可同时实现暗场显微成像与全内反射成像。成像效果如图2b，2c所示，相对于明场光学显微镜像，其成像对比度有大幅提升。该方法不仅适用于空气中的样品，也适用于液体环境中生物活细胞的成像，如图2d所示。进一步实验结果表明，该方法可以实现介质薄膜上的表面波，并可用于金属薄膜表面等离激元，如图3所示，研究利用其作为照明光源，实现了新的表面等离激元共振显微镜架构，相较于目前广泛使用的基于油浸物镜的表面等离激元共振显微镜，基于光学薄膜器件的表面等离激元显微镜结构简单，成本低、操作便利，易于集成。图2. 基于光学薄膜结构的全内反射照明与暗场照明显微成像图3. 利用光学薄膜结构激发表面等离激元实现新型表面波光学显微镜上述实验结果表明，无需改变现有显微镜的主体光路架构，通过设计、制作合适的显微镜载玻片可以有效提升其成像对比度，拓展其成像功能。研究工作得到国家自然科学基金委员会、安徽省科技厅、合肥市科技局等的支持。相关样品制作工艺得到中国科大微纳研究与制造中心的仪器支持与技术支撑。论文链接

蓝菲光学（Labsphere）邀您参加CIOE中国光博会参展厂商：上海蓝菲光学仪器有限公司参展时间：2019年9月4-7日参展地点：深圳会展中心 展 位 号：6号展馆D41/D42（位于6馆3号门和4号门附近）图1 6号馆分布图，绿色标记为蓝菲光学展区美国蓝菲光学（Labsphere）作为生产积分球为核心的光电仪器厂商。在40余年的发展历程中蓝菲光学致力于在激光和照明光源测量、辐射标定、反射率透射率测试及光学漫反射涂料领域内的技术发展，蓝菲光学已为众多光学领域客户专业设计并提供多种用途的积分球测量系统，此外蓝菲光学还具备极其丰富的定制经验，以满足不同用户的特殊需求。在本次2019中国国际光电博览会（CIOE），蓝菲光学展会推出全新产品：VCSEL测试解决方案 、第二代CCS大动态范围可调光谱传感器校准光源、柔性漫反射材料和目标板、激光功率测试系统、激光雷达（LiDAR）长距离灵敏度标准测试目标板，此外还会展示QES成像传感器量子效率测试光源、LED及其他光源光测量系统、反射率/透射率测量系统、标准漫反射板等核心产品。 图2 蓝菲光学CIOE现场展示图现场展品（一）VCSEL光学测试（二）光学传感器光谱响应测试系统（三）激光雷达（LiDAR）长距离灵敏度标准测试目标板(四) 辐射遥感定标系统与LED及其他光源光测量系统(五)反射率/透射率测试系统产品特点：Labsphere反射率/透射率积分球可用于各种媒介的反射率和透射率测量。积分球内部涂料有两种选择：积分球内部涂料有两种选择：Spectraflect® 涂料，在300-2400nm波长范围内效果较好；Infragold® 涂料适用于波长0.7-20μm范围。欢迎您莅临我司展位参观洽谈！

10个月建成投产，国际一流，填补国内空白的项目落户晋中……创造多项奇迹的平遥煤化新型光学材料产业链项目在7月初投产以来运行良好。 　　山西省平遥煤化（集团）有限责任公司的新型光学材料是生产液晶电视和LED照明产品用的特殊材料，目前我国全部依靠国外进口。平遥煤化新型光学材料产业链项目投产以来，不急于生产产品，而是不停地全负荷开机调试，以验证设备的性能，细化每一个零件的运转。一旦出现问题，立即停机查找问题进行处理，之后再次全负荷开机。如此循环往复，力求万无一失。这套设备除日、韩本土外在全世界上马的套数屈指可数，能很好地操作这套设备的人不多，反复调试以避免一旦日、韩技术人员离开，设备出现突发问题无法处理影响生产。精益求精，防患于未然的精细化管理与快速发展壮大的煤化速度一起诠释着“煤化现象”的真谛。此项目预计年均总产值可达9亿元，实现利润3.2亿元，上缴税金1.3亿元。据了解，该项目是总投资38.4亿元的新型光学材料产业链项目的一期工程，二、三期工程分别为新型光学材料及新型结构材料、液晶电视用背光模组及LED平面照明光源项目建设。整个项目2015年11月达产达效后，可实现年均总产值98亿元、利润22.8亿元、上缴税金7.6亿元，同时还可吸纳2200余人就业。

“2024中国检测技术与半导体应用大会暨半导体分析检测仪器与设备发展论坛”于2024年7月11-13日在上海虹桥新华联索菲特大酒店隆重举行。大会以“大会报告+分会报告+产品展览+高校科技成果展示+学术墙报+晚宴交流”的形式召开，91个口头报告专家及15个提供墙报的学生，分别来自于半导体检测领域知名科研院校、半导体制造企业、半导体检测企业等。大会设立了包括集成电路晶圆级缺陷检测技术、半导体器件可靠性及失效分析、集成电路先进制造及封装技术、半导体检测设备及核心零部件等在内的15个分会场报告，多样的报告主题讨论极大促进了与会者之间的互动交流和融合创新。会场外也精心布置了国内多家知名企业展位，如安捷伦、珀金埃尔默、北方华创等，他们纷纷展示了各自在半导体量检测领域的新技术、新设备。会议期间，仪器信息网特别采访了光库智能科技（南阳）有限公司总经理何贵明。在采访中，何老师就光库智能在半导体量检测设备领域提供的产品和解决方案，其主要技术、创新点和应用场景，如何实现国产替代以及公司最近一年取得的成就和未来发展规划等话题进行了深入的交流和分享。以下是现场采访视频：丰富的镜头产品系列仪器信息网：近年来，贵公司在半导体量检测方面提供了哪些新的解决方案或产品？何贵明老师：大家好，我们光库智能主要是针对超高精密的检测领域提供精密零部件，主要是指光学系统，特别具有代表性的就是照明和成像。具体的产品系列我们是这样，第一个是大表面的高分辨率的镜头系列。我们针对日本的厂商做了一系列的替代性的产品，其中最具代表性的就是目前我们推出的配6500万像素，光学分辨率达到1.3微米，还有就是配1亿像素，光学分辨率达到1.5微米的这么一个系列产品。第二个系列是针对半导体晶圆检测里面的高反光的特点，这个部分我们也设计了一系列的产品，最具代表性的镜它的光学分辨率可以达到5微米以下，视野范围达到几十个毫米。它对半导体表面反射这种高反特点，可以很好的把缺陷及特征给提取出来。第三个系列是我们的投影光机系列，因为在半导体检测里面，除了2D检测以外，还有3D测量，3D测量里面有一个很重要的是结构光，而产生结构光的模式可能主要来自于投影光机，针对这种偏轴投影光机我们有一个行业突破，这个部分产品里面最代表性的是我们的4710系列，它可以实现高分辨率的投影测量。还有我们的这种高度定制化的产品。因为目前在半导体检测领域里面，多数的产品它是定制化的，而定制化有一个最重要的特点，就是它不仅仅是单倍率了，针对多倍率的这种成像镜头，它要一个镜头适配不同的相机，而且是同时的，这种情况下就需要有大量的镜片需要兼容不同的倍率，不同的视野范围，不同的分辨率，不同的相机，这一种产品是我们的特色，目前也得到客户的广泛好评。理论创新和精密镜片制造是独到之处仪器信息网：其产品运用的主要原理与技术有哪些？有哪些创新点？何贵明老师：我们用的核心技术原理有这么几点，第一个就是我们的照明光学，照明光学其实包含这几大部分，成像光学里面的几何光学和相差理论，光度学、色度学。照明光学是一个极其复杂的光学学科，它不但要涉及到对光的能量的整合，还需要对光的方向，光的能量均匀性，以及人的密度、角度、均匀性等一系列的进行综合的整合起来。还有就是要考虑它的衍射，照明光学是一个复杂的学科，目前能够在照明光学做的比较好的，国内是比较少的。第二个部分就是我们的成像光学，成像光学它又夹杂着几何光学相差理论和物理光学的部分，我们目前能够做高分辨率的这种镜头一直以来是被国外所垄断，它有一个很重要的原因是因为我们的这个行业的理论创新程度不够，这个是我们长年累月积攒下来的行业经验以及理论基础所能够达到的一个结果。还有一个部分是精密镜片的加工，我们光库智能在精密镜片加工方面有很深厚的技术积累，我们的创始人大股东他是在镜片加工这个领域里面有着20多年的从业经历，以及在一些国内著名的这种公司都有过这种总监级的这种工作经历，所以说我们在镜片加工方面有了独到之处。目前国内精密镜片部分我们的市场份额也是非常大，所以综合起来，我们的镜头的结果创新是来自于理论创新，以及我们对镜片本身上制造的一个理解，这是我们的独到之处。为半导体量检测设备提供“眼睛”仪器信息网：贵公司产品在半导体检测方面有哪些应用场景？何贵明老师：半导体晶圆加工的生产制程非常长，每一个生产制程它都可能会产生一些缺陷，对这些缺陷都需要进行检测测量，在每一个测量环节它都必不可少的，需要半导体的检测设备，在整个所有的半导体检测设备中，光学检测设备占了整个半导体检测设备的75%以上。而在半导体光学检测设备中，光学系统本身它占据了整个半导体设备部门成本的25%以上，它又占据了我们半导体检测设备的核心卡脖子的一个位置。我们可以提供什么样的产品在这里面？第一个就是因为现在半导体检测它是一个综合性的，包括2D检测、3D检测以及AI算法在这里面综合起作用。在每一个环节我们都需要精密的光学系统，比如用于2D测量的我们的高分辨率的检查镜头，因为在我们所有的检测测量里面有两个永恒的主题，第一个是更高精度，第二个是更快速度，那更高精度更快速度，第一个来源于就是我们的大靶面的高分辨率的这种镜头。第二个部分如果对于3D测量，我们可以提供两类产品，第一个3D测量里面的投影光机，它是结构光的主要来源者，第二个部分就是成像镜头。在3D测量系统里面结构光机和成像镜头是最主要的两个零部件。第三个部分是什么？在很多半导体设备里面它需要测一些膜厚，膜厚的测量目前主要来自于椭偏仪，而精密椭偏仪上面也需要精密的镜头，我们也会提供椭偏仪上面的精密镜头。总之就是在半导体检测领域里面，2D、3D以及AI它都需要精密的成像拍照，而我们提供就是成像拍照用到的光学镜头以及照明系统。四大核心技术助力实现国产化替代仪器信息网：看到您展位上有提到国产替代，请问贵公司是如何实现的？ 何贵明老师：在自动化的高精密半导体检测设备中，我们有很多镜头可以使用，但是在超精密这里面其实只有一类镜头是最适合的，就是双远心镜头。双远心镜头从它自身的原理来讲，它对震动不敏感。因为非远心的镜头它会存在一个精度高测不准的问题，在不同的高度它的测量值不一样，它在每一个高度测量精度很高，但是它值不一样，双远心镜头可以很好的规避这个问题。在这个领域里面，国内的镜头做的确实是有所欠缺。在我们这个领域有几个重要指标，第一个一定要大范围，我们一次性拍照拍很大范围；第二个一定要高分辨率，光学分辨率高，我们最终设备的测量精度就会很高。第三个方面是我们的镜头系列一定要多，一定要提供高度定制化的一个产品给客户。基于这些国内也做了很多工作，但是迟迟进展不是很好，为什么我们可以做到全系列国产替代呢？其实是基于这几个原因，第一个就是我们的理论积累，我们公司主要的技术人员，一个是我，另外一个是我搭档赵博士。我先介绍一下我自己的经历，就是我本科是长春理工大学光学工程毕业的，长春理工大学是一个由中国光学之父王大珩先生所创立的一个以光学教学为主的学校。然后硕士是在哈尔滨工业大学，我们是做航天光学，做的也是超分辨率的一些大口径的航天镜头。工作之后我是在半导体封测方面工作了很多年，所以说在理论积累方面我们是比较深厚的。我另外一个搭档他本科也是长春理工，硕士和博士是在中科院西安光机所，他在光学理论积累方面也非常深厚，这是第一个部分。第二个部分就是精密的镜片制造。我们的另外一个创始人也是我们大股东，他是在国内镜片制造加工这个领域里面工作了20多年的，在镜片制造方面我们经验非常丰富，而且我们配备了很多先进的国外镜片制造设备，以及镜片本身的量测设备，在这个部分是保证了我们在镜片制造方面能够达到一个比较先进水平。第三个部分是精密装调技术，镜片在镜头本身生产制造过程中非常重要，而精密装调又搭配着精密评测，精密评测和精密装调是一个相互迭代的过程。我们知道全世界做镜头质量评测最厉害的公司就是德国的全欧光学，我是全欧光学中国区的研发总监，到目前为止我也是创新中国区的唯一一个研发总监，在整个中国光学界我是独一份。因为我们了解镜头的精密评测，所以说我们对精密镜头的精密装调，我们就非常了解。加上我们的精密评测技术，所以说我们最终集合这四大技术，第一个就是我们的理论积累理论创新，第二个部分就是我们的镜片的精密制造，第三个部分是镜头的精密装调，第四个部分是镜头的精密评测，这4大技术方面我们有非常深厚的积累，所以说从结果上看，我们确实是做到了可以全系列替代国外产品的程度。深耕半导体量检测设备光学原理，实现更大突破仪器信息网：贵公司近一年取得了哪些成就？未来有哪些规划？何贵明老师：我们光库智能产品规划最开始我们是做一些精密的零配件，特别是精密晶片的制造这方面，我们做了很多工作，目前市场占有率已经非常高了。今年我们开始陆续的推出这种超高精密的镜头，我们目前瞄准的主要是半导体检测量测这个领域，国内一个半导体量测检测设备的头部企业，他们的一个资深副总裁在去年他们的年会上讲了一句话，就是说我国目前半导体检测量测领域里面最重要的问题是我们的一些精密零部件还需要国产突破，他特别提到两点，第一个就是镜头，第二个是光源。他觉得这个部分现在国内无法突破，需要国家大力投入来突破整个半导体检测领域里面的卡脖子的一个问题，这个部分我们也迅速捕捉到信息，迅速组织人力物力来做这方面的研发，加上我个人本身一直在做半导体检测，所以说我们很快就推出了新产品，超高精密的这种半导体检测镜头。我们未来规划是这样子的，就是瞄准半导体检测设备的光学原理，第一个部分是2D测量，对于2D测量，我们会推出全系列的大面阵的线扫描的这种高分辨率高倍率的镜头。第二个部分我们会配合客户推出这种大跨度的双倍率三倍率以及多倍率的这种高分辨率的镜头。第三个部分是因为现在半导体检测，还有一个就是3D测量广泛应用，而我们在3D测量技术沉淀方面我们有独到的优势，其中第一个部分是结构光的3D测量，这个部分我们也推出了精密的偏轴投影光机，这个部分高亮度、高分辨率大靶面的偏轴投影光机，我们在整个行业里面是国内唯二可以提供的，另外一家也是一个很厉害的公司，但是我们的精度会超出远远超过另外一家。还有针对目前比较火爆的线扫描的彩色工具胶，这个部分的高精密成像系统，我们的研发是很早的，技术积累已经有十几年了，这个部分我们会领先于整个行业。第四个部分就是针对刚刚讲的另外一个系列，高反光的系列，因为我们的晶圆都是高反光面的，对于高反光面的检测，这个是整个行业里面是一个老大难的问题，它有传统的就只有三种方法，对于高反光面的缺陷检测，我们第一种是2D视觉、3D视觉、AI算法，这是三种传统的方法，没有哪一种方法可以彻底解决问题，都是一起来使用，我们研发出了第四种方法是利用光的波动性来实现高反光面的全检测。这个部分的系列产品我们已经推出两款，第一款是配2/3寸的镜头，第二个部分是配1.1寸的镜头，这一类我们就不需要特别的照明就可以实现，这个也是一个很大的突破，大概就这些。

LED作为第四代照明光源，实现高效出光、准直照明是关键。中科院西安光学精密机械研究所信息光子学研究室王光珍、王丽莉等科研人员自2011年以来，在实现LED均匀照明和准直照明方面开展研究，并在短时间内取得了重要进展。迄今，已在Applied optics(2篇)，Journal of the Optical Society of America A(1篇)，《光学学报》期刊上发表学术论文4篇。 　　继去年科研人员设计的LED均匀照明透镜论文被美国光学学会Applied Optics第50卷21期作为封面论文报道之后，最近新设计的用于实现LED高效准直照明的透镜设计相关成果Collimating lens for light-emitting-diode light source based on non-imaging optics又被国际光电领域的权威杂志Laser focus world主编John Wallace在“LED OPTICS”专栏上进行了专题报道。该报道指出：“中国科学院西安光学精密机械研究所和西安交通大学的工程师采用简单、快速的方法，设计了两种非成像LED准直透镜。这种新的设计方法完全不同于现有LED光学设计通常采用的复杂迭代软件设计(complex iterative software design)方法。该准直透镜是非常有效的，它可以把LED发出光线的80%聚焦成5米半径的圆柱，传出距离光源200米的路面。” 　　近期，科研人员又通过对几何光学和非成像光学理论研究，设计了一种新的菲涅尔微透镜阵列器件，该类透镜元件具有体积小，重量轻，出光效率高，可实现多种照明光斑等优点。相关成果Design of optical element combining Fresnellens with microlens array for uniform light-emitting diode lighting发表在Journal of the Optical Society of America A 9月29卷第9期上，并成为当月下载最多的论文之一。

光学气体成像热像仪使用中波红外直冷式红外热成像技术，可视化各种气体，如甲烷（ch4）、有机挥发气体（vocs）、六氟化硫（sf6），二氧化碳（co2）和制冷剂。flir制造了多款热像仪，可视化检测各种气体的泄漏。通过光学气体成像技术，石化及环保行业可更安全、更高效地开展“智能ldar（气体泄漏检测与修复）”检测服务。检测人员可以更快地检测气体泄漏，并立即找到泄漏源，帮助快速修复问题，减少气体泄漏，更好地满足管理要求。此外，光学气体成像节省成本，不仅在于效率提高，更重要的是提高了公司人员和资产安全。下面是光学气体成像热像仪的十大使用技巧：一、明白应用场景和需求热像仪检测压缩机阀门等天然气泄漏不同的气体泄漏需要不同的热像仪检测。换言之：一台热像仪可能无法看到所有的气体，所以检测者必须清楚要检测的是什么气体。例如，检测vocs的光学气体成像热像仪无法看到sf6，而检测co的热像仪则看不到制冷剂。二、考虑环境因素热成像检测管道或断路器的sf6泄漏气体。光学气体成像的成功来自于环境条件。背景能量差别越大，热像仪越容易检测到泄漏的气体，找到泄漏点。主动式光学气体成像（使用激光型逆散射法）取决于背景。当检测高空化合物和指向天空时，这个问题尤其突出。还要考虑雨水和强风。三、光学气体成像是一种定性而不是定量方法flir gfx320光学气体成像红外热像仪能够可视化油气工业中大多数碳氢化合物，承担本质安全使命。因为环境不同，背景能量差异，光学气体成像热像仪自身无法确定泄漏气体种类和泄漏量。四、发挥光学气体成像热像仪的全部功能化工厂的压力表泄漏气体掌握光学气体成像热像仪的每一项功能如何工作，如自动增加gps信息或使用图像增强功能。有时即使使用光学气体成像热像仪，也很难发现低浓度气体。高灵敏模式（hsm）可增强图像，即使低浓度气体也能发现。gps功能十分重要，可定位气体泄漏检测的地点。五、测量温度高灵敏模式（hsm）下汽车空调制冷剂泄漏许多光学气体成像热像仪使用者工作中都需要测量工厂装置的问题。它们可用于工业维护检测，因为它们可以测量和记录现场温度，并将数据保存为jpeg或视频。可以使用热像仪在高低压电气设备或机械设备中检测热点或电气问题，或在管道、锅炉等寻找密封故障。光学气体成像热像仪的热成像功能也可以帮助提高气体云与背景之间的视觉对比度。不同于其他热成像应用，检测对象（气体）没有身影。只有在气体云和背景之间渲染辐射对比，才能看到气体云。云本身几乎没有任何辐射。要让气体云可见的关键是提高气体云和背景温差（δt）。六、充分发挥热像仪功能确保安全气体成像热像仪是一种快速、可视化气体泄漏检测方法，可用于危险或难以作业的区域。它们可在几米之外灵敏地检测到细微泄漏，在几百米之外检测到大型泄漏。许多提供高灵敏度增强功能，如hsm，可改善细微或低浓度泄漏检测。因为光学气体成像可在安全距离之外检测气体泄漏，可以充分保护自己。首先在主工作区域之外，初步扫描，确定是否存在任何大型气体泄漏。然后逐步靠近，进行更多定向扫描。务必穿戴正确的安全保护装置，在附带的包装盒内保存和运送光学气体成像热像仪。还有，热像仪的定期维护可确保其本身不会成为安全隐患。七、持证上岗光学气体成像热像是本质安全的，可在石化厂等需要防爆的区域使用。切记，任何顶级光学气体成像热像仪均可从安全区域，即使在设施外围之外，发现大量危险的泄漏。八、保持投资回报在许多情况下，光学气体成像热像仪自购买日起就会有回报。调查表明光学气体成像热像仪一般比传统泄漏检测技术快9倍，而且可以帮助检测嗅探器可能遗漏的泄漏。光学气体成像还是一种非接触式方法，可在不间断工作下进行，因而公司不会因为停机而损失收益。而且，早期发现泄漏并快速修复，公司可避免罚款，保留可赢利出售的气体。九、考虑未来的工业排放法规逃逸气体泄漏会造成全球变暖，并可能对靠近这些设施的人员造成致命的风险。因为flir光学气体成像热像仪可检测数十种挥发性有机化合物，如苯，如果公司遵守现有的工业排放法规，可促进环境改善。这些法规并非一成不变：政府监管机构，如美国环境保护署或欧盟工业排放指令，总是会对逃逸排放采取更严格的规定。运用正确的工具满足这些发挥，可让你公司先人一步。十、正确培训向资深合格的光学气体成像用户学习如何使用热像仪。必须通过正规机构提供的培训课程，如itc红外培训中心。itc红外培训中心为期三天的光学气体成像认证课程覆盖flir gf系列热像仪设置和操作，这些热像仪可以检测的气体种类，环境条件如何影响气体泄漏检测。培训包括教室上课和实验室练习，并获得itc光学气体成像国际认证证书。

“成都造”自主品牌在全球能够做到行业产销量第一的品牌无疑是凤毛麟角。成都光明光电公司的光学玻璃产销量却能居世界首位，以品牌为成都赢得了骄傲。随着成都现代化、国际化进程的加快，我们需要更多在国内以及国际上具有较高知名度的品牌企业群体，来充实和提升国际化成都的内在高品质。 　　市场份额从全国75%到全球25% 　　该公司始建于1956年，是“一五”期间156项重点工程之一，是国内光电信息材料研发、生产及出口的龙头企业。公司拥有国家级光学材料企业研发中心，能够及时配套地向中外客商提供包括镧系玻璃、环境友好光学玻璃、低熔点光学玻璃等在内的200多个品种、不同规格的光学玻璃、光电子玻璃、光学元件，还能为用户提供铂、铑等贵金属提纯及加工业务。企业光学玻璃产销量居世界首位，占领了国内高端光学玻璃75%的市场份额，还远销至欧洲、北美、东南亚的14个国家和地区，占全球光学玻璃销量的25%。凭借“为国际一流光电信息产品提供一流光学材料”的理念，目前企业产品已经大批量进入奥林巴斯、富士、美能达、柯达、佳能等国际光电知名品牌企业的数码相机、数码摄像机、液晶投影机、扫描仪读取头、办公一体化机等产品中。 　　填补国内空白 迅速走向全国 　　20世纪50年代，成都光明的前辈们发扬军工人艰苦奋斗、自力更生的优良传统，于1958年在茅草棚里通过土法熔炼出第一埚光学玻璃，由此填补了我国光学材料生产空白。 　　从20世纪70年代末开始，该公司以改革开放为契机，引进消化了日本先进技术，实现了光学玻璃生产的直接熔炼、直接成型、直接退火，使企业光学玻璃生产工艺实现了根本性的改变，生产效率大大提高。20世纪80年代，公司紧跟市场需求，大力加强新品开发，相继推出变色眼镜片毛坯、超声延迟线玻璃、医用铅玻璃、大块工艺品玻璃，实现了保军转民第二次创业。1982年，该公司成立了专门从事新产品研发的机构，1983年，企业第一件“冰山及图”商标核准注册，1986年，企业主持制定了光学玻璃国家标准，并成功申请了第一件专利。从此，凝结着几代光学材料制造行业专家和技术人员巨大心血的“冰山”商标以独特的商标表现形式、过硬的产品质量标准、强大的专利技术支持迅速走向全国。 　　进军国际市场 为人类带来光明 　　20世纪90年代是光电行业蓬勃发展的年代，光学玻璃应用对象也从传统照相机、望远镜向数码照相机、投影仪等新型光电产品转移。于是企业在消化吸收国外技术的同时，大力进行传统产品的优化升级和更新换代，将目光更多地投向了国际光电市场。该公司成功以高品质的新型光电材料抢占国际市场，研发出环境友好光学玻璃、镧系光学玻璃，在方兴未艾的光电子新技术浪潮中独步一时。 　　精彩源于专注 品牌铸就市场利器 　　进入21世纪，该公司已发展成为拥有15家控股公司的集团企业，年销售收入达到10亿元以上，主营业务拓展到了除光学玻璃以外的电子玻璃、照明玻璃、光学元件加工等产品领域，通过与成都周边的压型企业、冷加工企业合作带动了近10亿元的地方经济发展。 　　经过持之以恒的投入与发展，品牌已成为成都光明发展战略、经营决策的核心组成部分，能够有力地支持企业各项业务领域的发展，成为企业护航市场拓展的利器。

光学技术的发展促进了更大更复杂设备的出现，因此蓝菲光学推出了LMS-3M直径3米积分球，用于测量更大光源或发光体的完整光学特性。该积分球遵循LM-79 和 LM-80规范，能够对任何光源、直径达2米的流线形灯具和30厘米左右直径的发光体进行精确的、可重复的测量。 　　3米光源测量积分球容纳底座向上、底座向下、或纵向定位的光源，可以方便有效地测量任何类型的光源，包括长度达2米的荧光灯。还可以对已经装配的或安装在散热片上的光源进行前向或部分通量测量。 　　较大的积分球能够更好地对光线进行充分积分，对设备的光度和色度性能进行更可靠的测试，测量的单位有：总光谱通量（Total Spectral Flux）、光通量（Luminous Flux）、相对色温（Correlated Color Temperature，CCT）、显色指数（Color Rendering Index ，CRI）和色度（Chromaticity）。测量数据仅仅取决于测试设备的有效功率，而不是尺寸、形状或光谱分布。 　　积分球的Spectraflect® 内涂层具有近朗伯（near-Lambertian）特性，可以对光更好地漫射和积分入并减少热点，这方面比其他现有积分球内涂层材料都要好。Spectraflect的反射率值为98%，在可见光谱段，针对低流明光源可以看到更平坦的光谱。 　　LMS-3M可以通过在同一个系统上稍作调整即可测量多种光源和发光体。标准的球体几何构造能用于4pi的测量，配有可选的孔径缩减装置，可以很方便地配置用于2pi的测量。带有挡板的输入和输出端口，还有一个环境空气温度控制器维护和监控测量环境内部的温度，遵循Energy Star要求。新的积分球充分集成了所有蓝菲光学的光度测定和光谱辐射系统和软件，因此当前用户可以方便地进行升级。

2022年1月，中国仪器仪表学会分析仪器分会十届三次理事会及“朱良漪分析仪器创新奖”颁奖在京举行。经过10位专家的会评，2021年“朱良漪分析仪器创新奖”最终评选出“创新成果奖”3项，“青年创新奖”4名。仪器信息网同中国仪器仪表学会分析仪器分会对“朱良漪创新奖”获奖人员进行了联合采访，本期我们的采访对象是“朱良漪青年创新奖”获得者中国科学院生物物理研究所李硕果。李硕果 高级工程师 中科院生物物理研究所主要成果：一种光镜电镜关联成像用光学真空冷台。其研制的成果在科技创新方面，为原位结构生物学研究提供了一种新型、高效的技术手段；在成果转化方面，合作研发产品已落户清华大学生命科学学院。仪器信息网：请您介绍一下您自己，以及您所在的单位？李硕果：感谢仪器信息网的采访，也再次感谢分析仪器学会对我的认可和鼓励。我2012年毕业于四川农业大学生命理学院生物物理学专业，同年加入中国科学院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心，是一名技术支撑工程师。我的研究方向是生物显微成像新技术新方法的研究，涉及到的主要成像技术包括：超分辨荧光显微成像技术、冷冻聚焦离子束技术和冷冻透射电镜技术以及配套的样品制备技术等。仪器信息网：请介绍您进入仪器技术领域的机缘？您在仪器的研制和产业化方面开展了哪些工作，取得了怎样的创新成果?李硕果：要说“进入仪器技术领域的机缘”，我觉得可能要得益于我的物理学背景。我本科专业是物理学，后来决定考研和从事科研工作。主要有两方面的原因：一方面是因为物理学是一门基础学科，在学习过程中我意识到，仅以一个受教育者的身份来学习，不足以深入了解一门学科，需要进一步进修和钻研；另一方面是现实原因，刚毕业的时候找工作确实很迷茫，没想好人生的发展方向，选择考研是希望能给自己进入社会前安排一个缓冲期，同时也可以慎重思考一下自己未来的职业规划。我在读研的时候曾经有一段时间陷入过深深的迷茫与困惑，看待问题不够全面，经常判断错误，导致很多事情都进展不顺利，挫败感带来了很深的焦虑和自我怀疑，也是在那个时候产生了很多次放弃的念头。机缘巧合，我在这种很不成熟的情绪状态下竟然幸运地加入了生物物理所蛋白质科学研究平台。那个时候我就对自己说，也许是天意，那就再给自己一次机会吧。更幸运的是，我在生物物理所遇到了非常多优秀的前辈以及志同道合的朋友。在生物物理所蛋白质科学研究平台韩玉刚主任，生物成像中心孙飞研究员、李栋研究员和季刚教授级高工以及各位同事们的指导、支持和帮助下，我先后以项目负责人的身份承担了中国科学院仪器设备功能开发项目和国家自然基金委青年基金项目，还参与了多项国家重点研发计划、中科院先导专项等，我们项目组团队设计完成了一款基于高真空光学冷台的冷冻光电关联成像系统HOPE，以及一款基于冷冻结构光照明的光电关联成像系统SIM-HOPE，申请发明专利5项，其中已授权2项（含1项美国发明专利）；申请实用新型专利3项，其中已授权3项，发表研究成果性论文5篇。基于高真空冷台的冷冻光电关联成像系统HOPE仪器信息网：您所研制的仪器成果解决了哪些实际问题，仪器的主要用户有哪些，成果的市场前景如何？李硕果：由我们自主研发的高真空光学冷台HOPE，提出了一种全新的真空环境冷冻光学成像以及光电关联成像技术，解决了冷冻光电关联成像技术流程繁琐、操作复杂、实验效率低下的难题，研制成果——高真空低温光电关联荧光成像仪入选《2021年中国科学院自主研制科学仪器》最新产品名录，获中国国家发明专利授权一项，美国国家发明专利授权一项，发表SCI方法学论文一篇，技术应用论文2篇，还先后受邀在2018冷冻电镜国际研讨会（获最佳墙报奖）、2019年冷泉港亚洲专题研讨会等国际学术会议上就该成果的应用进展做大会报告。2019年2月，就该研究成果达成技术成果转化协议，2020年6月，第一台合作研发产品落户清华大学并完成技术验收。随后，我们在该系统基础上完成升级的冷冻结构光照明光电关联成像系统SIM-HOPE也已经研制完成，并入选《2022年中国科学院自主研制科学仪器》最新产品名录。该研究成果已经提交了发明专利申请，并于2022年4月达成技术成功转化协议，后续的市场推广也在稳步推进中。结构光照明成像技术的引入将有助于实现通过三维高分辨率荧光定位指导聚焦离子束对目标区域的精准加工，以及后续开展对目标区域生物大分子的原位高分辨率电子断层数据收集和高分辨数据重构，是对原位结构生物学研究的一大助力。仪器信息网：作为一名同时熟悉技术开发和应用的人员，请您谈谈您对当前我国生物显微成像仪器研制和应用现状的看法，您认为在实际应用中，现有技术最需要解决的问题是什么？李硕果：作为生物显微成像领域的一名科研工作者，我觉得我们处在一个机遇与挑战并存的时代。在技术基础方面，超分辨荧光成像技术、冷冻电镜高分辨率解析技术等等划时代的技术突破如雨后春笋，喷薄而出；在应用研究方面，随着技术的发展，多科学领域，特别是生命科学领域出现了非常多惊人的重大发现，并衍生出了越来越多的精细分支，而新的实际应用需求又将迫使技术不断更新迭代，引发新的技术突破。从眼前看，实际应用似乎更倾向于新技术新突破，但追本溯源，技术的发展，是根植于对基本原理的深刻理解和灵活运用。因此，我个人认为，现有技术最需要解决的问题是，科技工作者们对基本原理的深入认知，以及融会贯通。因为技术创新本质上，是对原理认知的提升和推演。仪器信息网：对于此次获奖您有何感受？您认为“朱良漪分析仪器创新奖”将给青年人带来怎样的影响？李硕果：首先要再次感谢分析仪器学会“朱良漪分析仪器创新奖”对我的认可和鼓励！我个人对本次获奖最大的感受是：深受鼓舞！真的很受激励，这些激励会让人获得被认可的满足感，进而转化为排除万难努力前进的动力。有一句话叫做“热爱是一种能力”，我觉得在个人成长过程中，“扶持”和“鼓励”真的是非常重要的一种力量，它能在你疲惫的时候给你注入新的力量，让你持续保持热爱的能力。我是在获奖之后才了解到，朱良漪先生是我国仪器仪表行业、自动化控制技术行业最早和始终不渝的开拓者之一，是分析仪器行业的主要创始人，也是不断身体力行的实践者，而且，在他的指导和带领下，造就了一大批中、青年科技人材。朱老先生是一位对新生事物敏感而又敢于接受挑战的探索者，而这种精神和意志力正是需要年轻人用一生的时间去学习和锻炼的。我特别希望未来能有更多的科研工作者们可以获得这样精神层面上的鼓励与引导，这些对于年轻人来说才是最宝贵的财富。仪器信息网：后续您还将开展哪些创新工作?我未来近三年的工作重点是将我们的研发成果，包括高真空冷台和冷冻结构光照明光电关联成像系统进一步优化，同时结合聚焦离子束以及冷冻电子断层成像技术开展精准原位结构生物学研究。关于“朱良漪分析仪器创新奖”朱良漪，原机械部国家仪表总局副局长、中国仪器仪表学会分析仪器分会名誉理事长，是仪器仪表和自动化控制领域最早的开拓者，影响中国仪器仪表和自动化控制行业发展的奠基人。为纪念朱良漪先生矢志不渝推动我国分析仪器事业发展的精神，以及激发企业及广大科技工作者积极投身于分析仪器的创新工作中，由中国仪器仪表学会设置、中国仪器仪表学会分析仪器分会承办执行“朱良漪分析仪器创新奖”，共分为“创新成果奖”和“青年创新奖”两个奖项。“朱良漪分析仪器创新奖”的设立不只是对朱老的怀念与敬意，更是对分析仪器创新精神的坚守与传承。自2017年举办至今，“朱良漪分析仪器创新奖”已成功颁发五届，先后有15项分析仪器创新成果、18位青年创新科学家获奖。

来自美国霍华德休斯医学研究所，Janelia研究园的科学家们，借助其发展的新光学超分辨率成像技术，在前所未有的高分辨率条件下研究了活体细胞 内的动态生物过程。他们的新方法显著的提高了结构光照明显微镜(structuredilluminationmicroscopy，SIM)的分辨率， 一种最适合活体超分辨成像的技术。 　　 　　新技术所拍摄的视频生动地展现了细胞内蛋白质的运动和相互作用。它们帮助生物学家理解细胞是怎样改变它们之间的依存结构，以及重整细胞膜结构使得细胞 外的分子可以被吸收到细胞内。来自Janelia研究园的研究员EricBetzig博士，李栋博士后*和他们的同事们基于原有的SIM显微镜原理新发展 了两种新的超分辨率成像技术。超分辨率光学显微成像技术能够跨越理论的分辨率极限，在极高的分辨率下展现细胞内的精细结构。但是，到目前为止，超分辨率显 微镜技术却依然不能进行有效的活体细胞成像。 　　“这些方法设立了超分辨率光学显微镜的成像速度和非侵入特性的新标准，它们使得超分辨率活体细胞成像成为现实。”Betzig博士说道。在传统的 SIM显微镜中，物镜下的物体被非均匀的结构光(类似于条纹码)所照明。在实验中，几束不同的结构光用来照明物体，它们和物体在不同角度混频所产生的摩尔 条纹被相机依次采集。然后计算机提取摩尔条纹编码的信息并将其解码生成三维的高分辨率图像。最终重建的SIM图像具有高于传统显微镜图像2倍的空间分辨 率。 　　Betzig博士和其他两位科学家因为发展超分辨率荧光显微镜而被授予2014年诺贝尔化学奖。他说道，SIM显微镜技术之所以没有得到像其它方法那 样多的关注，是因为其它技术能够提供比两倍更高的分辨率改进效果。但是，他强调SIM拥有两大其它的超分辨率方法所没有的优势。这些其它方法包括了两种去 年获得诺贝尔奖表彰的技术：他和同事HaraldHess博士于2006年开发的光激活定位显微镜 (photoactivatedlocalizationmicroscopy，PALM)，和受激辐射耗尽 (stimulatedemissiondepletion，STED)显微镜。但是，这两种技术都需要过多或过强的光来照明样品，以至于荧光蛋白很快被 漂白，细胞样品很快被损害，从而不可能长时间进行成像。然而，SIM在这些方面不一样，“我爱上了SIM，因为它的速度很快，而且它所需的照明光强度远远 小于其它方法。”Betzig博士说道。 　　Betzig博士在2011年MatsGustafsson博士去世后不久开始与SIM相关的研究。Gustafsson博士是SIM技术的先驱之 一，生前也是Janelia的研究员。Betzig博士那时已经深信SIM有潜力为解析细胞内部的工作机理提供重要的见解，如果SIM的空间分辨率可以被 提高，它对于生物研究的可用性将被大大增强。 　　在生前，Gustafsson博士和博士生HesperRego发展了一种利用饱和耗尽(saturateddepletion)的非线性SIM技 术，但这种技术在改进分辨率的同时需要使用很多的光照并且散失了SIM成像速度快的优势。Betzig博士想到了一种可以避免这些缺陷的方法。 　　饱和耗尽非线性SIM利用光可反复开关的荧光蛋白和其在开关过程中的饱和耗尽效应来提高分辨率。它产生图像的过程是，首先把所有的荧光蛋白分子激活到 可发光的状态(亮态)，然后用一束结构光把大部份的亮态分子反激活到暗态。通过结构光反激活之后，仅有少数处于结构光最弱区域的分子仍然保持在亮态。这些 光调控过程提供了物体的高空间频率信息，从而让图像更加清晰。这一过程需要重复25或更多次才能产生最终的高分辨率图像。Betzig博士说道，这一原理 非常类似于STED或另一种与其相关的叫做RESOLFT的超分辨率技术的原理。 　　这一技术并不适合于活体成像，因为激活和反激活荧光蛋白需要很长的时间。另外，反复的光照明会对细胞和荧光蛋白本身造成损伤。Betzig博士说道， “这一技术的问题在于你首先用光激活了所有的荧光蛋白分子，然后你马上又用另一束光反激活了大部份分子。这些被反激活的分子对最终的图像没有任何贡献，但 却被你用光“油炸”了两次。你让分子承受了很大“压力”，并且花了很多你并没有的时间，因为这段时间内细胞在运动。” 　　解决方法其实很简单，Betzig博士说道：“没有必要激活所有的分子。”在Betzig研究小组新发展的结构光激活非线性SIM的技术中，一开始用 结构光只激活样品里的一部分荧光蛋白分子。“这一结构光激活过程已经给你一些高分辨率的信息了。”Betzig博士解释道。另外一束结构光用于反激活分 子，额外的信息可以在反激活的过程中同时被读出。两个结构光叠加的效应给与最终图像62纳米的分辨率，这一结果好于原始的SIM，并且把由光波长决定的传 统分辨率极限改进了三倍。 　　“我们能够做到快速地超高分辨率成像。”Betzig博士说道。这很重要，他补充道，因为对于动态过程，单纯提高空间分辨率而没有相应地提高成像速度 是没有意义的。“如果细胞内部有的结构以1微米每秒的速度运动，并且我有1微米的分辨率，那么我需要在一秒内采集图像。但如果我有1/10微米的分辨率， 那么我就必需在1/10秒内采集图像，不然图像将变得模糊。”Betzig博士解释道。 　　结构光激活非线性SIM可在1/3秒内采集25幅原始图像，并从中重建出一幅高分辨率图像。它的图像采集很高效，只需用较低的照明光强，并且收集每一 个亮态荧光蛋白分子所携带的信息。从而有效地保护了荧光分子，使得显微镜能够进行更长时间的成像，让科学家们可以观测到更多的动态活动。 　　Betzig博士的团队利用结构光激活非线性SIM获得了在细胞运动和改变形状的过程中骨架蛋白的解体和自身再组装过程，以及在细胞膜表面的叫做caveolae的微小内吞体动态过程的影像。 　　在Science论文里，Betzig博士的团队也利用了已经商业化的高数值孔径物镜将传统SIM的空间分辨率提高到84纳米。高数值孔径限制了被光 照明的样品范围，从而降低了光对细胞以及荧光蛋白分子的损伤。这一方法可以同时对多个颜色通道进行成像，使得科学家们可以同时跟踪几种不同蛋白质的活动。 　　通过高数值孔径的方法，Betzig博士的团队观测了多个骨架蛋白质在形成粘着斑(链接细胞内外的物理链)过程中的运动和相互作用。他们也追踪了 clathrin修饰的内吞体的成长和内吞过程(内吞体将细胞外的分子转移到细胞内)。他们的定量分析回答了几个不能被以往的成像技术所解决的问题，例 如，内吞体的分布，以及内吞体尺寸和寿命之间的关系。最后，通过结合高数值孔径方法和结构光激活非线性SIM，Betzig博士和他的同事可以在超高分辨 率条件同时追踪两种蛋白质的活动。 　　Betzig博士的团队在进一步提高他们的SIM技术。他们也急切地盼望和生物学家一起探索潜在的应用并进一步改进这一技术的可用性。 　　现在，科学家们可以通过现在，科学家们可以通过JaneliaJanelia的高级成像中心利用这些新的的高级成像中心利用这些新的SIMSIM技 术，这个中心提供免费使用前沿的显微镜技术的机会。最后，技术，这个中心提供免费使用前沿的显微镜技术的机会。最后，BetzigBetzig博士说道， 使得博士说道，使得SIMSIM成为能够被其他实验室获得并能够承担的技术应该是比较直接的事。“大部份的‘魔术’在于软件而不是硬件。”成为能够被其他 实验室获得并能够承担的技术应该是比较直接的事。“大部份的‘魔术’在于软件而不是硬件。”

p 　　中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室的黄玮课题组在光学系统偏振像差理论的研究中取得新进展：首次提出了一种能同时表征偏振像差在光学系统的光瞳与视场上分布规律的正交多项式，该多项式在偏振像差的测量与补偿方面有很大潜在应用价值。相关结果发表于近期的Optics Express(Opt. Express 23,21, 27911-27919, 2015, doi:10.1364/OE.23.027911)。 /p p 　　对于高数值孔径的光学系统，如光刻物镜和显微物镜，偏振照明成为一种提高分辨率的方法。但偏振照明光束经光学系统后，受偏振像差影响，其偏振状态会发生改变，进而影响分辨率。已有的研究多集中于偏振像差在光学系统的光瞳处的分布规律，很少关注视场。但对偏振像差的测量和补偿，需要在整个视场上进行。一般的方法是选择多个离散视场点来近似整个视场，精度由视场点个数决定。因此，揭示偏振像差在光学系统视场上的分布规律，对偏振像差的测量和补偿研究具有重要价值。 /p p 　　该研究将方向泽尼克多项式与条纹泽尼克多项式相结合，依据光学系统的旋转对称性，推导出一系列正交多项式，并将其命名为视场-方向泽尼克多项式(Field-orientation Zernike polynomials，FOZP)。FOZP将偏振像差的分布规律从光瞳扩展到了视场，更完整地表述了光学系统的偏振像差。 /p p 　　该工作得到了国家重大专项子课题基金的支持。 /p p img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/insimg/636c3cea-ce6b-40d7-8aab-5c3a5b476b93.jpg" style=" width: 600px height: 429px " title=" W020151217536871222917.jpg" width=" 600" height=" 429" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" / /p p img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201512/insimg/7db4bd1d-c6c6-4517-9b33-346fa05251e2.jpg" style=" width: 600px height: 465px " title=" W020151217536871237159.jpg" width=" 600" height=" 465" border=" 0" hspace=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " span style=" font-size: 16px " 视场-方向泽尼克多项式的视场分布图 /span br/ /p p br/ /p

仪器信息网讯 2010年5月18日，美国Labsphere公司在华全资子公司——上海蓝菲光学仪器有限公司开业庆典在豪迈集团上海闵行的生产中心举行；该工厂位于上海闵行金都路，是海外积分球企业在中国建立的第一个，也是唯一的一个工厂。 　　开业庆典由美国Labsphere公司亚太地区市场和销售总监肖冬先生主持，上海半导体照明工程中心主任助理杨卫桥博士、美国Labsphere公司总裁Kevin Chittim先生、美国Labsphere公司运营副总裁Blaine Flores先生、英国豪迈集团中国区首席代表张明先生分别致辞，Labsphere美国总部的管理层，Labsphere亚太地区的销售和生产团队、其他地区的合作伙伴等近60人参加了此次庆典，仪器信息网作为特邀媒体参加了此次活动。 开业庆典现场 美国Labsphere公司亚太地区市场和销售总监肖冬先生主持开业庆典 上海半导体照明工程中心主任助理杨卫桥博士 　　上海半导体照明工程中心主任助理杨卫桥博士在致辞中说到：“半导体照明产业是21世纪最具发展前景的产业之一，正在引发全球性照明光源的革命。在未来几年，2010世博会的主办城市——上海将有大量道路、景观照明、通用照明以及显示和背光领域会采用半导体照明技术及产品。为了适应产业发展需求、推进产业快速健康发展，在国家科技部和上海市科委的领导、支持下，上海半导体照明工程技术研究中心整合了长三角地区优势技术、产业资源，组建了立足长三角、面向全国的上海半导体照明公共研发和服务平台，积极拓展服务产业的发展途径，提升照明产业的服务水平。今后，我们将进一步加大与上海蓝菲光学仪器有限公司以及美国Labsphere公司的战略合作，共同搭建上海半导体照明检测、评估、交流和合作的平台，推动和促进长三角地区半导体照明产业的发展。” 美国Labsphere公司总裁Kevin Chittim先生 　　美国Labsphere公司总裁Kevin Chittim先生致辞中首先对参加此次庆典的各位嘉宾表示欢迎。同时，Kevin Chittim先生还谈到：“正像现在全世界聚焦上海世博一样，从某种意义上来说，中国光测量界也将眼光投给了上海蓝菲光学仪器有限公司的开业庆典；Labsphere为这一天已经准备了3年，但这仅仅是我们与中国建立长久合作关系的第一步。最初，我们创建了一个技术团队来发掘Labsphere的潜在市场，但我们很快就发现，在中国设计和制造产品对于Labsphere的成功很重要。目前，中国销售额占Labsphere全球市场的10%以上，中国员工也占到10%，同时，亚洲其他国家也间接为我们贡献了10%的销售额。我们期望在未来5年内，亚洲市场能升至50%，中国员工扩增到30-50人，分布于公司的每个职责岗位。虽然Labsphere进入日本市场已30年，印度市场也有所增长，但我们认为亚洲市场的成功与否将取决于中国市场。” 美国Labsphere公司运营副总裁Blaine Flores先生 　　美国Labsphere公司总经理及运营副总裁Blaine Flores先生表示：“对于Labsphere中国市场的成功，我非常感谢豪迈集团、Labsphere供应商和中国销售团队，尤其是我们的用户。上海蓝菲光学仪器有限公司的开业为Labsphere的成功提供了一个重要机会，也是Labsphere市场拓展的一项重要举措。Labsphere应该，也必须在中国占有一席之地，我们已经做好准备，迎接中国及全球的市场挑战。” 英国豪迈集团中国区首席代表张明先生 　　英国豪迈集团中国区首席代表张明先生说到：“新成立的生产中心是Labsphere在亚洲，乃至海外的第一个生产基地。2007年，肖冬先生加入Labsphere，经过3年的努力，Labsphere在中国及亚洲均取得了巨大的成功，其中国市场份额较比之前增加了近4倍，中国团队已增至10人，在北京和深圳也设置了销售点。在接下来的3年里，我们希望Labsphere在中国能够创造更多的奇迹。” Labsphere美国总部高层与嘉宾启动Magic Ball 与会嘉宾参观蓝菲光学的喷涂、组装车间 Labsphere美国总部高层与蓝菲光学中国团队合影留念 　　关于蓝菲光学： 　　http://www.labsphere.com 　　蓝菲光学(Labsphere)有限公司是英国上市公司HALMA(豪迈)集团的子公司，其总部位于美国新罕布什维尔州的北萨顿市。公司于1979年成立，历经30年的发展，现已成为业务遍及世界各地，年营业额超千万美元的国际性光学测量设备和相关材料的供应商。 　　公司目前在美国总部拥有80,000平方公尺的设计，研发和行政设施，其中包括：综合加工车间、化学物混合及喷涂车间、光学和机械设计实验室、2个符合美国标准局(NIST)规范的校准实验室和光学材料校准实验室等。公司具有30年设计、制造各种类型积分球的经验，为业内第一品牌，同时还通过了ISO:9001:2000认证。公司拥有众多的光学测量方面专家，亲自主持、设计、制造各种光测量产品，产品性能稳定可靠。公司选用国际专利高反射率涂层Spectraflect® 和Spectralon® ，使积分球产品性能和稳定性都大大提高。 　　关于豪迈： 　　http://www.halma.cn 　　http://halma.instrument.com.cn 　　蓝菲光学是英国豪迈(HALMA)集团的子公司。创立于1894年的豪迈集团是国际安全、健康及传感器技术方面的领军企业，伦敦证券交易所的上市公司，在全球拥有4000 多名员工，近40家子公司，2008/2009财年营业额超过 4.5亿英镑。豪迈旗下子公司的产品主要用于保护人们的生命安全和改善生活质量，通过持续不断的创新，这些产品在国际市场上始终处于领先地位。豪迈的子公司正在多个领域为中国的经济做出贡献，主要包括制造、能源、水及废物处理、环境、建筑、交通运输及健康行业等。豪迈目前在上海和北京设有代表处，并且已在中国开设多个工厂和生产基地。 　　豪迈旗下仪器品牌多为细分行业领域的领军品牌，如百灵达(Palintest)、豪迈水管理(HWM) 、海洋光学(Ocean Optics)、博纯(Perma Pure)、科尔康(Crowcon)、海诺威(Hanovia)、蓝菲光学(Labsphere)、福科(Volk) 等。

我们知道，采用手机便携式的拍照方式，已成为人们大众很重要的生活方式。然而，采用手机拍照方便的同时，人们对照片质量的苛求并没有降低。所以，如何提高手机的拍照质量是各大手机厂商关注的重点问题。为此，对于此类相关的检测技术也孕育而生，而汉谱公司手机闪光灯镜片二次光学色温照度分析，就是该检测技术的成功典范。 　　2012年6月29日，汉谱公司为旭瑞光电科技有限公司量身定做的项目：&ldquo 手机闪光灯镜片二次光学色温照度分析&rdquo 顺利经过客户的验收，并交付使用。 　　旭瑞光电科技有限公司主营光学塑胶模具制作、光学塑胶镜片生产、光学镜头开发制造。产品主要应用于手机、数码相机、汽车、医疗、电脑、监控、扫描灯各种光学镜头及LED应用照明等电子产品。 　　汉谱自主研发的HP-L100色彩照度计是一款应用于照明光源测试的便携式仪器，主要用于测量光源的三刺激值、照度、色差、相关色温及色度。操作简单，携带方便，具有很大的测量范围：0.1~99990lx，且能够最多同时支持30个测量探头工作，可对光源进行单点测试评估 可用多个探头组合布满需要测试的平面进行整个面的光源评估 可建立有线无线网络进行测量。 　　汉谱的HP-L100色彩照度计完全满足了旭瑞光电科技有限公司对于产品提出的实际应用要求：一、13个探头能同时测量手机闪光灯照度及色温的最大值 二、主机显示13个探头测量的照度和色温值 三、 PC软件测试13个探头的照度和色温值，对测量数据保存为EXCEL格式数据 四、探头以有线的方式连接主机 五、Ev的重复性为1%，台间差：Ev：2%。 　　此项目为有线多点的应用，针对客户的要求，在闪光灯闪灯的过程中，通过HP-L100色温照度计抓取闪光灯通过透镜模组发出光的Ev的最大值和相应的色温值。在测试的过程中， HP-L100色温照度计设置一段时间间隔，采集到测得该段时间内Ev的最大值和色温值 在此项目中，添加了单次测量和多次测量。 　　汉谱的研发团队仅用一个多月的时间就完成了整个项目的开发。这不仅基于汉谱拥有一支强大研发团队，更是汉谱服务精神全体贯彻的体现：想客户之所想，急客户之所急!优质、完善的项目服务，是我们获得客户信赖的基础。 下图为：一个主机，13个探头，测量各设置点的色温及照度值

仪器信息网讯 2021年2月11日，美国光学学会(OSA)公布2021年OSA奖和奖章的17位获奖者名单。全年，OSA将表彰总共23名获奖者的杰出成就。在今年获奖者中，包含了首批获得Max Born Award、C.E.K. Mees Medal和John Tyndall Award的女性学者。同时，17位获奖者中，浙江大学特聘研究员吴仍茂上榜，并获得OSA Kevin P. Thompson Optical Design Innovator Award。以表彰其在自由曲面照明光学理论和计算方法方面的成就。吴仍茂，山东大学学士学位，上海大学硕士学位，浙江大学博士学位。他曾在西班牙马德里理工大学和美国亚利桑那大学光学科学学院做博士后研究。2016年，他回国在浙江大学光学科学与工程学院担任特聘研究员。吴仍茂在自由曲面光学方面做出了重大贡献。2013年初，当他还是浙江大学的博士生时，他发明了Monge-Ampère (MA)方程法，允许基于理想源假设设计光滑的自由曲面。他还为自由曲面成像光学的设计做出了贡献，开发了一种利用B样条曲面设计自由曲面成像光学的算法，并探索了其在增强现实中的应用。吴仍茂发表了40多篇同行评审的文章，活跃在光学界，并在许多会议和计划委员会中任职。 2019年，他获得了DAMO学院青年研究员奖。他是OSA的高级成员。OSA系列奖项旨在表彰该领域学者在技术、研究、教育、商业、领导力和服务等方面取得的成就。“2021年的获奖者真正体现了创新、诚信、包容和影响力等社会核心价值，”2021年OSA主席、美国加州大学伯克利分校EECS讲席教授Connie Chang-Hasnain说。“他们现在加入了这些对全球光学和光子学界产生了巨大影响的OSA获奖者的行列。此外，我也对那些提名候选人、提交推荐信和参加选拔委员会的人们所做的努力表示感谢。”以下为2021年OSA奖的17位获奖者名单:奖项名称：Esther Hoffman Beller Medal获奖者：Nicholas Massa, 斯普林菲尔德技术社区学院，美国获奖描述：在光子学技术教育方面发挥杰出的领导作用，包括开发和传播创新的教育材料等。埃丝特霍夫曼贝勒奖章奖项名称：Max Born Award获奖者：Anne L' Huillier, 隆德大学，瑞典获奖描述：在超快激光科学和阿秒物理方面的开创性工作，实现和理解高谐波产生，并将其应用于原子和分子中电子运动的时间分辨成像奖项名称：Stephen D. Fantone Distinguished Service Award获奖者：Anthony M. Johnson，马里兰大学巴尔的摩分校(UMBC)，美国获奖描述：数十年来始终坚持不懈地为光学协会和光学界服务，特别是作为OSA的大使奖项名称：Michael S. Feld Biophotonics Award获奖者：Arjun Yodh，宾夕法尼亚大学，美国获奖描述：用于散射介质中光学传感的开创性研究，尤其是漫射光学和相关光谱学和层析成像，以及通过指导来推进生物光子学领域发展奖项名称：Joseph Fraunhofer Award / Robert M. Burley Prize获奖者：Zeev Zalevsky，巴伊兰大学，以色列获奖描述：对光学超分辨领域做出了重大贡献，包括发明了许多绕过阿贝衍射极限和传感器设定的几何极限的新概念奖项名称：Nick Holonyak Jr. Award获奖者：Martin D. Dawson, 斯特拉斯克莱德和弗劳恩霍夫大学，英国获奖描述：为III-V半导体器件的开发和应用做出广泛贡献，特别是包括氮化镓微型LED和光泵浦半导体激光器的III-V半导体器件奖项名称：Robert E. Hopkins Leadership Award获奖者：Pierre Chavel, 光学研究所，法国获奖描述：在整个欧洲提供出色的光学支持和推广，并在OSA，SPIE，ICO，EOS和SFO等机构和科学学会中发挥卓越的领导作用奖项名称：Emmett N. Leith Medal获奖者：Bahram Javidi，康涅狄格大学，美国获奖描述：在现场信息光学方面进行卓越的创新和变革性的技术影响，包括为生命科学，信息安全，光学传感和光子饥饿场景的处理等数字全息术做出的开创性贡献奖项名称：Ellis R. Lippincott Award获奖者：Rohit Bhargava，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，美国获奖描述：在中红外显微技术的基础物理学和仪器工程及其在医学成像上的应用方面的贡献奖项名称：Adolph Lomb Medal获奖者：Laura Waller，加州大学伯克利分校，美国获奖描述：对计算机显微技术及其应用的发展做出了重要贡献奖项名称：C.E.K. Mees Medal获奖者：Halina Rubinsztein-Dunlop，昆士兰大学，澳大利亚获奖描述：在光学角动量转移到粒子方面的开创性创新，利用雕刻光在原子、纳米和微尺度上进行激光操作，产生基本见解，并为生物医学提供强大的探针奖项名称：William F. Meggers Award获奖者：Keith Nelson，麻省理工学院，美国获奖描述：将脉冲受激拉曼散射（ISRS）的视野扩展到产生强烈的可调谐太赫兹脉冲，从而建立了新的瞬变光栅技术，以更有效地将时域相干非线性光谱应用于凝聚相分子动力学研究中奖项名称：David Richardson Medal获奖者：Majid Ebrahim-Zadeh，ICFO-光子科学研究所和ICREA-加泰罗尼亚研究和高级研究所，西班牙获奖描述：对非线性光学技术的进步和尖端光学参量振荡器的商业发展做出贡献奖项名称：Kevin P. Thompson Optical Design Innovator Award获奖者：吴仍茂，浙江大学，中国获奖描述：在自由曲面照明光学理论和计算方法方面的成就奖项名称：Edgar D. Tillyer Award获奖者：David H Brainard，宾夕法尼亚大学，美国获奖描述：对我们对视觉系统如何解决感官信号固有的歧义的理解产生稳定的物体颜色感知的理解做出开创性的实验和理论贡献奖项名称：Charles Hard Townes Medal获奖者：Mikhail Lukin，哈佛大学，美国获奖描述： 表彰他在量子非线性光学和量子信息科学与技术方面的开创性理论和实验贡献，以及纳米级量子传感系统的发展和应用奖项名称：R. W. Wood Prize获奖者：Tobias Kippenberg，瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)，瑞士获奖描述：为实现芯片级光频率梳做出了开创性的贡献关于美国光学学会美国光学学会（OSA）成立于1916年，是面向科学家、工程师、学生和商业领袖的领先专业组织，他们推动光科学的发现，塑造现实应用，加速光科学的成就。通过世界知名的出版物、会议和会员倡议，OSA为广泛的全球光学和光子学专家网络提供高质量的研究、有启发的互动和专用资源。

p 　　2月18日出版的美国光学学会旗下期刊Optics Express& nbsp 同时刊登了中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组的三篇研究论文。& nbsp /p p 　　在第一篇题为Large-scale 3D imaging of insects with natural color& nbsp 的文章中，研究人员实现了大尺寸昆虫自然色三维高分辨率定量成像。经过亿万年的进化，生物结构非常复杂与精巧，并承载了多样的功能和迷人的景象。生物结构在不同尺度、不同维度和不同部位的观察与形态分析，为科学研究结果提供最直接的证据，在众多学科领域扮演着不可或缺的角色。目前高分辨率三维成像技术已经在生物学领域有了广泛的应用，并推动着生物学研究不断取得新的进展。但是已有的技术与研究工具还存在一些不足，比如对大样品进行三维成像时数据量大且耗时，高分辨率与大成像视场难以同时满足，样品自然色彩难以获取等。因此，寻找一种能够对昆虫进行快速三维成像，并获得其高分辨形貌信息和色彩信息的设备，就成了昆虫分类学家和相关研究领域的迫切需要。 /p p 　　为了解决这些问题，课题组在前期工作的基础上，与中科院动物研究所合作，通过对彩色结构照明光学成像系统和相关算法进行改造升级，克服了已有三维成像方法的缺陷，大大提升了系统的光能利用率和照明均匀性，使得成像系统在高分辨率、大尺寸、三维、快速、全彩色和定量分析等六大成像要素上均得到有效提升。该研究对大尺寸昆虫的高分辨三维定量分析具有重要的参考意义，同时为昆虫结构色的研究提供了新的技术手段，在进化生物学、仿生学、分类学、功能形态学、古生物学和工程学等领域具有广泛的应用前景。 /p p 　　在第二篇题为Real-time optical manipulation of particles through turbid media& nbsp 的文章中，研究人员主要实现了透过散射介质后对微粒的实时光学微操纵。2018年诺贝尔物理学奖的一半授予了光镊的发明人Arthur Ashkin，在那里激光捕获和操纵微粒是在透明和无散射介质中进行的。而当光学系统中有散射介质存在时，成像目标难以在像面清晰呈现，激光也难以聚焦成为一个焦点。目前有多种方法来克服散射的影响，其中最常用的方法是利用光场调控器件和相应的优化算法对经过散射介质后的光场进行调控。遗传算法具有收敛速度快、抗噪声能力强的优势已经被广泛应用于散射介质后的光场聚焦和成像，然而遗传算法在实际应用中依然存在一些问题，比如随着优化的进行，其收敛速度逐渐变慢，噪声对最终聚焦结果影响较大，优化结果受探测器动态范围限制等。近年来，随着相关技术的成熟，已有研究者将波前矫正技术和光学捕获结合，实现利用散射光场对微粒的捕获，但是此类技术在散射介质后产生的聚焦光场质量不高，而且无法实现在散射介质后特定目标点对微粒的捕获，也无法在散射介质后沿特定路径对粒子进行操控，灵活性以及应用场合受到限制。 /p p 　　为了实现对经过散射介质后光束的高质量聚焦并将其应用于实际，该文提出了一种相间分区域波前校正方法，实现了入射光经过散射介质后单点和多点的重新聚焦。将该方法和光镊技术结合，可以对散射介质后单一粒子和多个粒子的同时捕获，并且可以实现在散射介质后某一平面内沿特定轨迹对微粒的操纵。与传统遗传算法相比，该方法具有收敛速度快、聚焦强度高、对探测器动态范围需求小的优点，大大提高了光经过散射介质后的聚焦效果，不仅可以应用于光学微操纵，而且可以应用于其它相关领域，为散射介质后的物体成像、深层样品荧光显微成像以及散射介质后的光场调控提供了有效手段。 /p p 　　在第三篇题为Three-dimensional space optimization for near-field ptychography& nbsp 的文章中，研究人员实现了近场叠层成像术的三维空间优化。叠层成像术（Ptychography）是一种无透镜的相干衍射成像技术，拥有大视场、高分辨和定量相位的优势。通过记录多幅交叠的衍射图像，利用交叠区域的数据冗余和先进的相位恢复算法，能恢复出物体的透射率函数分布、分解相干态以及校准系统误差。这一无透镜的成像方法已经成功应用于可见光、电子波段和X射线波段。然而，叠层成像术在实际应用过程中依然存在一些限制，比如在针对三维厚样品成像时，其厚度是未知的，传统成像方法是尽可能减小对样品每一层的成像厚度，这就增加了成像的层数，而且该方法只适用于连续样品，对于离散的有着非均匀空间分布的样品则可能会出现伪影，额外的空白层也会降低图像质量。 /p p 　　该文提出一种基于遗传算法的三维叠层成像算法（GA-3ePIE），可同时优化层数与层距，并且适用于近场三维叠层成像术。相比于远场，它可以使用更少的图像重构相同大小的视场，而且对光源相干性以及探测器动态范围要求更低。通过分析发现，随着交叠率和采样率的提升，可恢复层数变多。该算法也能被推广到X射线及电子波段领域，同时也可以用于其它计算成像技术，如傅里叶叠层显微成像术。 /p p 　　姚保利团队多年来一直致力于新型光学成像及光学微操纵新方法、新技术和新仪器的研究和开发，已在PRL、PRA、OL、OE& nbsp 等国际期刊上发表200多篇研究论文，授权多项国家发明专利。2013年在国际上首次提出并实现了基于数字微镜器件（DMD）和LED照明的结构光照明显微成像技术，分辨率达到90nm，该成像设备已成功应用于多项生命科学研究之中。研究团队先后为国内外多所大学研制了多套激光光镊微操纵仪，设备性能稳定可靠，获得用户的普遍好评。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201902/uepic/a6b3f109-b9e5-42b8-acb9-e595133d2c9a.jpg" title=" W020190220588050271958.png" alt=" W020190220588050271958.png" / & nbsp /p p style=" text-align: center " 　　图1.& nbsp 两种中华虎甲的三维成像结果。(a)& nbsp 虎甲1的最大值投影图（4X, NA0.2），其三维成像体积约为18.7 x 9.4 x 7.0 mm3。(b)& nbsp 利用20X, NA0.45物镜对图(a)中红色方框内区域进行成像的最大值投影结果。(c)& nbsp 图(b)的三维形貌信息。(d)& nbsp 图(c)中蓝色曲线所经过的复眼的三维轮廓曲线。(e)& nbsp 虎甲2的最大值投影（4X, NA0.2），其三维成像体积约为19.5 x 8.3 x 6.6 mm3。(f)& nbsp 利用20X, NA0.45物镜对图(e)& nbsp 中红色方框内区域进行成像的最大值投影结果。(g)& nbsp 图(f)的三维形貌信息。(h)& nbsp 图(g)中蓝色曲线所经过的复眼的三维轮廓曲线。 /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201902/uepic/a3470cf2-4f00-434b-8fc3-7f813add3756.jpg" title=" W020190220588050370079.jpg" alt=" W020190220588050370079.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图2.& nbsp 激光透过散射介质后对微粒的捕获和操纵实验结果。(a)-(e)散射介质后操纵微粒沿矩形轨迹运动；(f)-(j)散射介质后操纵微粒沿圆形轨迹运动（标尺：10μm） /p p style=" text-align: center " img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201902/uepic/b6b6794c-fd26-414a-bcda-beba9a7f0645.jpg" title=" W020190220588050432825.jpg" alt=" W020190220588050432825.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　图3.& nbsp 不同参数下USAF分辨率板的强度恢复结果。（a）单层重构结果。（b1-b2）和（c1-c2）不同层距下两层重构结果。（d1-d3）三层重构结果，包含一层空白层。（e1-e2）和（f1-f2）使用GA-3ePIE算法下的重构结果及放大图。（g）一张典型的衍射图。 /p p br/ /p

作者朱金龙*、刘佳敏、徐田来、袁帅、张泽旭、江浩、谷洪刚、周仁杰、刘世元*单位华中科技大学哈尔滨工业大学香港中文大学原文链接：10 nm 及以下技术节点晶圆缺陷光学检测 - IOPscience文章导读伴随智能终端、无线通信与网络基础设施、智能驾驶、云计算、智慧医疗等产业的蓬勃发展，先进集成电路的关键尺寸进一步微缩至亚10nm尺度，图形化晶圆上制造缺陷（包括随机缺陷与系统缺陷）的识别、定位和分类变得越来越具有挑战性。传统明场检测方法虽然是当前晶圆缺陷检测的主流技术，但该方法受制于光学成像分辨率极限和弱散射信号捕获能力极限而变得难以为继，因此亟需探索具有更高成像分辨率和更强缺陷散射信号捕获性能的缺陷检测新方法。近年来，越来越多的研究工作尝试将传统光学缺陷检测技术与纳米光子学、光学涡旋、计算成像、定量相位成像和深度学习等新兴技术相结合，以实现更高的缺陷检测灵敏度，这已为该领域提供了新的可能性。近期，华中科技大学机械科学与工程学院、数字制造装备与技术国家重点实验室的刘世元教授、朱金龙研究员、刘佳敏博士后、江浩教授、谷洪刚讲师，哈尔滨工业大学张泽旭教授、徐田来副教授、袁帅副教授，和香港中文大学周仁杰助理教授在SCIE期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表了《10nm及以下技术节点晶圆缺陷光学检测》的综述，对过去十年中与光学晶圆缺陷检测技术有关的新兴研究内容进行了全面回顾，并重点评述了三个关键方面：（1）缺陷可检测性评估，（2）多样化的光学检测系统，以及（3）后处理算法。图1展示了该综述研究所总结的代表性晶圆缺陷检测新方法，包括明/暗场成像、暗场成像与椭偏协同检测、离焦扫描成像、外延衍射相位显微成像、X射线叠层衍射成像、太赫兹波成像缺陷检测、轨道角动量光学显微成像。通过对上述研究工作进行透彻评述，从而阐明晶圆缺陷检测技术的可能发展趋势，并为该领域的新进入者和寻求在跨学科研究中使用该技术的研究者提供有益参考。光学缺陷检测方法；显微成像；纳米光子学；集成电路；深度学习亮点：● 透彻梳理了有望实现10nm及以下节点晶圆缺陷检测的各类光学新方法。● 建立了晶圆缺陷可检测性的评价方法，总结了缺陷可检测性的影响因素。● 简要评述了传统后处理算法、基于深度学习的后处理算法及其对缺陷检测性能的积极影响。▲图1能够应对图形化晶圆缺陷检测挑战的各类光学检测系统示意图。（a）明/暗场成像；（b）暗场成像与椭偏协同检测；（c）离焦扫描成像；（d）外延衍射相位显微成像；（e）包含逻辑芯片与存储芯片的图形化晶圆；（f）X射线叠层衍射成像；（g）太赫兹成像；（h）轨道角动量光学显微成像。研究背景伴随智能手机、平板电脑、数字电视、无线通信基础设施、网络硬件、计算机、电子医疗设备、物联网、智慧城市等行业的蓬勃发展，不断刺激全球对半导体芯片的需求。这些迫切需求，以及对降低每片晶圆成本与能耗的不懈追求，构成了持续微缩集成电路关键尺寸和增加集成电路复杂性的驱动力。目前，IC制造工艺技术已突破5nm，正朝向3nm节点发展，这将对工艺监控尤其是晶圆缺陷检测造成更严峻的考验：上述晶圆图案特征尺寸的微缩，将极大地限制当前晶圆缺陷检测方案在平衡灵敏度、适应性、效率、捕获率等方面的能力。随着双重图案化、三重图案化以及四重图案化紫外光刻技术的广泛使用，检测步骤的数量随着图案化步骤的增加而显著增加，这可能会降低产率并增加器件故障的风险，因为缺陷漏检事故的影响会被传递至最终的芯片制造流程中。更糟糕的是，当前业界采用极其复杂的鳍式场效应晶体管 (FinFET) 和环栅 (GAA) 纳米线 (NW) 器件来降低漏电流和提高器件的稳定性，这将使得三维 (3D) 架构中的关键缺陷通常是亚表面（尤其是空隙）缺陷、深埋缺陷或高纵横比结构中的残留物。总体上而言，伴随工业界开始大规模的10 纳米及以下节点工艺芯片规模化制造，制造缺陷对芯片产量和成本的影响变得越来越显著，晶圆缺陷检测所带来的挑战无疑会制约半导体制造产业的发展。鉴于此，IC芯片制造厂商对晶圆缺陷检测技术与设备的重视程度日渐加深。在本文中，朱金龙研究员等人对图形化晶圆缺陷光学检测方法的最新进展进行了详细介绍。最新进展晶圆缺陷光学检测方法面的最新进展包含三个方面：缺陷可检测性评估、光学缺陷检测方法、后处理算法。缺陷可检测性评估包含两个方面：材料对缺陷可检测性的影响、晶圆缺陷拓扑形貌对缺陷可检测性的影响。图2展示了集成电路器件与芯片中所广泛采纳的典型体材料的复折射率N、法向反射率R和趋肤深度δ。针对被尺寸远小于光波长的背景图案所包围的晶圆缺陷，缺陷与背景图案在图像对比度差异主要是由材料光学特性的差异所主导的，也就是复折射率与法向反射率。具体而言，图2(c)所示的缺陷材料与图案材料的法向反射率曲线差异是优化缺陷检测光束光谱的基础之一。因此，寻找图像对比度和灵敏度足够高的最佳光束光谱范围比纯粹提高光学分辨率更重要一些，并且此规律在先进工艺节点下的晶圆缺陷检测应用中更具指导意义。▲图2集成电路中典型体材料的光学特性。（a）折射率n；（b）消光系数k；（c）法向反射率R；（d）趋肤深度δ。晶圆缺陷拓扑形貌对缺陷可检测性的影响也尤为重要。在图形化晶圆缺陷检测中，缺陷散射信号信噪比和图像对比度主要是受缺陷尺寸与缺陷类型影响的。图3展示了存储器件中常规周期线/空间纳米结构中的典型缺陷，依次为断线、边缘水平桥接和通孔、凹陷、之字形桥接、中心水平桥接、颗粒、突起、竖直桥接等缺陷。目前，拓扑形貌对缺陷可检测性的影响已被广泛研究，这通常与缺陷检测条件配置优化高度相关。例如，水平桥接与竖直桥接均对照明光束的偏振态相当敏感；在相同的缺陷检测条件配置下，桥接、断线、颗粒物等不同类型的缺陷会展现出不同的缺陷可检测性；同时，缺陷与背景图案的尺寸亦直接影响缺陷的可检测性，尺寸越小的缺陷越难以被检测。▲图3图形化晶圆上周期线/空间纳米结构中的典型缺陷（a）断线；（b）边缘水平桥接和通孔；（c）凹陷；（d）之字形桥接缺陷；（e）中心水平桥接；（f）颗粒物；（g）突起；（h）竖直桥接。丰富多彩的新兴光学检测方法。光是人眼或人造探测器所能感知的电磁波谱范围内的电磁辐射。任意光电场可采用四个基本物理量进行完整描述，即频率、振幅、相位和偏振态。晶圆缺陷光学检测通常是在线性光学系统中实施的，从而仅有频率不会伴随光与物质相互作用发生改变，振幅、相位、偏振态均会发生改变。那么，晶圆缺陷光学检测系统可根据实际使用的光学检测量进行分类，具体可划分为明/暗场成像、暗场成像与椭偏协同检测、离焦扫描成像、外延衍射相位显微成像、X射线叠层衍射成像、太赫兹波成像缺陷检测、轨道角动量光学显微成像。图4展示了基于相位重构的光学缺陷检测系统，具体包括外延相位衍射显微成像系统、光学伪电动力学显微成像系统。在这两种显微镜成像系统中，缺陷引起的扰动波前信号展现了良好的信噪比，并且能够被精准地捕获。后处理算法。从最简单的图像差分算子到复杂的图像合成算法，后处理算法因其能显著改善缺陷散射信号的信噪比和缺陷-背景图案图像对比度而在光学缺陷检测系统中发挥关键作用。伴随着深度学习算法成为普遍使用的常规策略，后处理算法在缺陷检测图像分析场景中的价值更加明显。典型后处理算法如Die-to-Die检测方法是通过将无缺陷芯片的图像与有缺陷芯片的图像进行比较以识别逻辑芯片中的缺陷，其也被称为随机检测。Cell-to-Cell检测方法是通过比较将同一芯片中无缺陷单元的图像与有缺陷单元的图像进行比较以识别存储芯片中的缺陷，其也被称为阵列检测。至于Die-to-Database检测方法，其本质是通过将芯片的图像与基于芯片设计布局的模型图像进行比较以识别芯片的系统缺陷。而根据原始检测图像来识别和定位各类缺陷，关键在于确保后处理图像（例如差分图像）中含缺陷区域的信号强度应明显大于预定义的阈值。基于深度学习的缺陷检测方法的实施流程非常简单：首先，捕获足够的电子束检测图像或晶圆光学检测图像（模拟图像或实验图像均可）；其次，训练特定的神经网络模型，从而实现从检测图像中提取有用特征信息的功能；最后，用小样本集测试训练后的神经网络模型，并根据表征神经网络置信水平的预定义成本函数决定是否应该重复训练。然而，深度学习算法在实际IC生产线中没有被广泛地接收，尤其是在光学缺陷检测方面。其原因不仅包括“黑箱性质”和缺乏可解释性，还包括未经实证的根据纯光学图像来定位和分类深亚波长缺陷的能力。而要在IC制造产线上光学缺陷检测场景中推广深度学习技术的应用，还需开展更多研究工作，尤其是深度学习在光学缺陷检测场景中的灰色区域研究、深度学习与光学物理之间边界的探索等。▲图4代表性新兴晶圆缺陷光学检测系统。（a）外延相位衍射显微成像系统；（b）光学伪电动力学显微成像系统。（a）经许可转载。版权所有（2013）美国化学会。（b）经许可转载。版权所有（2019）美国化学会。未来展望伴随集成电路(IC)制造工艺继续向10nm及以下节点延拓，针对IC制造过程中的关键工序开展晶圆缺陷检测，从而实现IC制造的工艺质量监控与良率管理，这已成为半导体领域普遍达成的共识。尽管图形化晶圆缺陷光学检测一直是一个长期伴随IC制造发展的工程问题，但通过与纳米光子学、结构光照明、计算成像、定量相位成像和深度学习等新兴技术的融合，其再次焕发活力。其前景主要包含以下方面：为了提高缺陷检测灵敏度，需要从检测系统硬件与软件方面协同创新；为了拓展缺陷检测适应性，需要更严谨地研究缺陷与探测光束散射机理；为了改善缺陷检测效率，需要更高效地求解缺陷散射成像问题。除了IC制造之外，上述光学检测方法对光子传感、生物感知、混沌光子等领域都有广阔的应用前景。

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头李强，任冬梅，兰一兵，李华丰，万宇（航空工业北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室，北京 100095）　　摘 要：为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求，研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件，利用差动光斑尺寸变化探测原理，建立了微位移测量系统，结合光学显微成像系统，形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机，对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量，具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点，对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。　　关键词：纳米测量；激光全息单元；位移；光学显微测头；纳米级表面形貌0　引言　　随着超精密加工技术的发展和各种微纳结构的广泛应用，纳米三坐标测量机等精密测量仪器受到了重点关注。国内外一些研究机构研究开发了纳米测量机，并开展微纳结构测量［1-4］。作为一个高精度开放型测量平台，纳米测量机可以兼容各种不同原理的接触式测头和非接触式测头［5-6］。测头作为纳米测量机的核心部件之一，在实现微纳结构几何参数的高精度测量中发挥着重要作用。原子力显微镜等高分辨力测头的出现，使得纳米测量机能够实现复杂微纳结构的高精度测量［7-8］，但由于其测量速度较慢，对测量环境要求很高，不适用于大范围快速测量。而光学测头从原理上可以提高扫描测量速度，同时作为一种非接触式测头，还可以避免损伤样品表面，因此，在微纳米表面形貌测量中有其独特优势。在光学测头研制中，激光聚焦法受到国内外研究者的青睐，德国SIOS公司生产的纳米测量机就包含一种基于光学像散原理的激光聚焦式光学测头，国内也有一些大学和研究机构开展了此方面的研究［9-11］。这些测头主要基于像散和差动光斑尺寸变化检测原理进行离焦检测［12-13］。在CD和DVD播放器系统中常用的激光全息单元已应用于微位移测量［14-15］，其在纳米测量机光学测头的研制中也具有较好的实用价值。针对纳米级表面形貌的测量需求，本文研制了一种基于激光全息单元的高分辨力光学显微测头，应用于自主研制的纳米三维测量机，可实现被测样品的快速瞄准和测量。1　激光全息单元的工作原理　　激光全息单元是由半导体激光器（LD）、全息光学元件（HOE）、光电探测器（PD）和信号处理电路集成的一个元件，最早应用于CD和DVD播放器系统中，用来读取光盘信息并实时检测光盘的焦点误差，其工作原理如图1所示。LD发出激光束，在出射光窗口处有一个透明塑料部件，其内表面为直线条纹光栅，外表面为曲线条纹全息光栅，两组光栅相互交叉，外表面光栅用于产生焦点误差信号。LD发出的激光束在光盘表面反射回来后，经全息光栅产生的±1级衍射光，分别回到两组光电探测器P1~P5和P2~P10上。当光盘上下移动时，左右两组光电探测器上光斑面积变化相反，根据这种现象产生焦点误差信号。这种测量方式称为差动光斑尺寸变化探测，焦点误差信号可以表示为　　根据焦点误差信号，即可判断光盘离焦量。图1　激光全息单元　　根据上述原理，本文设计了高分辨力光学显微测头的激光全息测量系统。2　光学显微测头设计与实现　　光学显微测头由激光全息测量系统和光学显微成像系统两部分组成，前者用于实现被测样品微小位移的测量，后者用于对测量过程进行监测，以实现被测样品表面结构的非接触瞄准与测量。　　2.1　激光全息测量系统设计　　光学显微测头的光学系统如图2所示，其中，激光全息测量系统由激光全息单元、透镜1、分光镜1和显微物镜组成。测量时，由激光全息单元中的半导体激光器发出的光束经过透镜1变为平行光束，该光束被分光镜1反射后，通过显微物镜汇聚在被测件表面。从被测件表面反射回来的光束反向通过显微物镜，一小部分光透过分光镜1用于观察，大部分光被分光镜1反射，通过透镜1，汇聚到激光全息单元上，被全息单元内部集成的光电探测器接收。这样，就将被测样品表面瞄准点的位置信息转换为电信号。在光学显微测头设计中选用的激光全息单元为松下HUL7001，激光波长为790 nm。图2　光学显微测头光学系统示意图　　当被测样品表面位于光学显微测头的聚焦面时，反射光沿原路返回激光全息单元，全息单元内两组光电探测器接收到的光斑尺寸相等，焦点误差信号为零。当样品表面偏离显微物镜聚焦面时，由样品表面反射回来的光束传播路径会发生变化，进入激光全息单元的反射光在两组光电探测器上的分布随之发生变化，引起激光全息单元焦点误差信号的变化。当被测样品在显微物镜焦点以内时，焦点误差信号小于零，而当被测样品在显微物镜焦点以外时，焦点误差信号大于零。因此，利用在聚焦面附近激光全息单元输出电压与样品位移量的单调对应关系，通过测量激光全息单元的输出电压，即可求得样品的位移量。　　2.2　显微物镜参数的选择　　在激光全息测量系统中，显微物镜是一个重要的光学元件，其光学参数直接关系着光学显微测头的分辨力。首先，显微物镜的焦距直接影响测头纵向分辨力，在激光全息单元、透镜1和显微物镜之间的位置关系保持不变的情况下，对于同样的样品位移量，显微物镜的焦距越小，样品上被测点经过显微物镜和透镜1所成像的位移越大，所引起激光全息单元中光电探测器的输出信号变化量也越大，即测量系统纵向分辨力越高。另外，显微物镜的数值孔径对测头的分辨力也有影响，在光波长一定的情况下，显微物镜的数值孔径越大，其景深越小，测头纵向分辨力越高。同时，显微物镜数值孔径越大，激光束会聚的光斑越小，系统横向分辨力也越高。综合考虑测头分辨力和工作距离等因素，在光学显微测头设计中选用大恒光电GCO-2133长工作距物镜，其放大倍数为40，数值孔径为0.6，工作距离为3.33 mm。　　2.3　定焦显微测头的实现　　除激光全息测量系统外，光学显微测头还包括一个光学显微成像系统，该系统由光源、显微物镜、透镜2、透镜3、分光镜1、分光镜2和CCD相机组成。光源将被测样品表面均匀照明，被测样品通过显微物镜、分光镜1、透镜2和分光镜2，成像在CCD相机接收面上。为了避免光源发热对测量系统的影响，采用光纤传输光束将照明光引入显微成像系统。通过CCD相机不仅可以观察到被测样品表面的形貌，而且也可以观察到来自激光全息单元的光束在样品表面的聚焦情况。　　根据图2所示原理，通过光学元件选购、机械加工和信号放大电路设计，制作了光学显微测头，如图3所示。从结构上看，该测头具有体积小、集成度高的优点。将该测头安装在纳米测量机上，编制相应的测量软件，可用于被测样品的快速瞄准和高分辨力非接触测量。图3　光学显微测头结构3　测量实验与结果分析　　为了检验光学显微测头的功能，将该测头安装在纳米三维测量机上，使显微物镜的光轴沿测量机的Z轴方向，对其输出信号的电压与被测样品的离焦量之间的关系进行了标定，并用其对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量［16］。所用纳米三维测量机在25 mm×25 mm×5 mm的测量范围内，空间分辨力可达0.1 nm。实验在（20±0.5）℃的控温实验室环境下进行。　　3.1　测头输出电压与位移关系的建立　　为了获得光学显微测头的输出电压与被测表面位移（离焦量）的关系，将被测样板放置在纳米三维测量机的工作台上，用精密位移台带动被测样板沿测量光轴方向移动，通过纳米测量机采集位移数据，同时记录测头输出电压信号。图4所示为被测样板在测头聚焦面附近由远及近朝测头方向移动时测头输出电压与样品位移的关系。图4　测头电压与位移的关系　　由图4可以看出，光学显微测头的输出电压与被测样品位移的关系呈S形曲线，与第1节中所述的通过差动光斑尺寸变化测量离焦量的原理相吻合。当被测样板远离光学显微测头的聚焦面时，电压信号近似常数。当被测样板接近测头的聚焦面时，电压开始增大，到达最大值后逐渐减小；当样板经过测头聚焦面时，电压经过初始电压值，可认为是测量的零点；当样品继续移动离开聚焦面时，电压继续减小，到达最小值时，电压又逐渐增大，回到稳定值。在电压的峰谷值之间，曲线上有一段线性较好的区域，在测量中选择这段区域作为测头的工作区，对这段曲线进行拟合，可以得到测头电压与样板位移的关系。在图4中所示的3 μm工作区内，电压与位移的关系为　　式中：U为激光全息单元输出电压；∆d为偏离聚焦面的距离。　　3.2　台阶高度测量试验　　在对光学显微测头的电压-位移关系进行标定后，用安装光学显微测头的纳米三维测量机对台阶高度样板进行了测量。　　在测量过程中，将一块硅基SHS-1 μm台阶高度样板放置在纳米三维测量机的工作台上，首先调整样板位置，通过CCD图像观察样板，使被测台阶的边缘垂直于工作台的X轴移动方向，样板表面位于光学显微测头的聚焦面，此时测量光束汇聚在被测样板表面，如图5所示。然后，用工作台带动样板沿X方向移动，使测量光束扫过样板上的台阶，同时记录光学显微测头的输出信号。最后，对测量数据进行处理，计算台阶高度。图5　被测样板表面图像　　台阶高度样板的测量结果如图6所示，根据检定规程［17］对测量结果进行处理，得到被测样板的台阶高度为1.005 μm。与此样板的校准结果1.012 μm相比，测量结果符合性较好，其微小偏差反映了由测量时温度变化、干涉仪非线性和样板不均匀等因素引入的测量误差。图6　台阶样板测量结果　　3.3　一维线间隔测量试验　　在测量一维线间隔样板的过程中，将一块硅基LPS-2 μm一维线间隔样板放置在纳米测量机的工作台上，使测量线沿X轴方向，样板表面位于光学显微测头的聚焦面。然后，用工作台带动样板沿X方向移动，使测量光束扫过线间隔样板上的刻线，同时记录纳米测量机的位移测量结果和光学显微测头的输出信号。最后，对测量数据进行处理，测量结果如图7所示。　　根据检定规程［17］对一维线间隔测量结果进行处理，得到被测样板的刻线间距为2.004 μm，与此样板的校准结果2.002 μm相比，一致性较好。　　3.4　分析与讨论　　由光学显微测头输出电压与被测表面位移关系标定实验的结果可以看出：利用在测头聚焦面附近测头输出电压与样品位移量的单调对应关系，通过测量测头的输出电压变化，即可求得样品的位移量。在图4所示曲线中，取电压-位移曲线上测头聚焦面附近的3 μm位移范围作为工作区，对应的电压变化范围约为0.628 V。根据对电压测量分辨力和噪声影响的分析，在有效量程内测头的分辨力可以达到纳米量级。　　台阶高度样板和一维线间隔样板测量实验的结果表明：光学显微测头可以应用于纳米三维测量机，实现微纳米表面形貌样板的快速定位和微小位移测量。通过用纳米测量机的激光干涉仪对光学显微测头的位移进行校准，可将测头的位移测量结果溯源到稳频激光的波长。实验过程也证明：光学显微测头具有扫描速度快、测量分辨力高和抗干扰能力强等优点，适用于纳米表面形貌的非接触测量。4　结论　　本文介绍了一种用于纳米级表面形貌测量的高分辨力光学显微测头。在测头设计中，采用激光全息单元作为位移测量系统的主要元件，根据差动光斑尺寸变化原理实现微位移测量，结合光学显微系统，形成了结构紧凑、集测量和观察功能于一体的高分辨力光学显微测头。将该测头安装在纳米三维测量机上，对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验，结果表明：该光学显微测头可实现预期的测量功能，位移测量分辨力可达到纳米量级。下一步将通过多种微纳米样板测量实验，进一步考察和完善测头的结构和性能，使其更好地适合纳米三维测量机，应用于微纳结构几何参数的非接触测量。作者简介李强，（1976-），男，高级工程 师，主要从事纳米测量技术研究，在微纳米表面形貌参数测量与校准、微纳尺度材料力学特征参数测量与校准、复杂微结构测量与评价等领域具有丰富经验。

一、 操作说明1、 准备工作：连接电源。使用该仪器前首先把八位反应器（或磁力搅拌器）放入主机箱内，石英反应管（或反应容器）内放入磁子。之后检查所需要使用的汞灯（氙灯）、反应器以及冷却水循环装置是否连接好。2、 反应暗箱内设有八位反应器（或磁力搅拌器）和灯的电源接口，请按指示连接。 3、调节控制器上面的光源选择，使所使用光源与控制器上面的保持一致（按光源种类和功率大小区分） 4、依次打开控制器上面的风扇开关、反应器和灯开关，风扇开始工作（反应暗箱内空气开始外排。5、打开八位反应器（或磁力搅拌器）上面的电源开关，按需调节搅拌速度。6、光源功率调节位于控制器中心位置，可按需调节光源功率大小。7、控制器右上方设有微电脑定时器，可按需设置工作时间。 注：无论使用汞灯或氙灯做实验时，必须将灯源放置在石英冷阱内使用（建议同时配套低温冷却循环装置使用，避免温度过高造成仪器损坏）。 二、反应暗箱主体箱是放置系列光化学反应仪光照装置的地方，具有以下特征： 箱体内部为黑色，以降低光反射。 箱体后部有2个冷却水进出口。三、高压汞灯的光电参数如下：高压汞灯的外型尺寸和光电参数功率W启动电流A工作电流A工作电压V有效弧长MM接线方式3005.43.2220±20125±10单端引出5007.05.2220±20170±10单端引出 汞灯的光谱分布和相对强度如下： 波长nm250313365400510620720相对强度%208510030204080 汞灯的发光部位为石英管，手直接接触会造成污染而影响光强。石英器皿外部常用干净脱脂棉沾取少量酒精擦净，清洗内部则用洗液。 控制器面板设有：总电源、灯选择、灯电源、灯启动等开关。 控制器内有风扇排热。 机箱背面有保险丝座。 控制器背面设有220V供电源输入线接口。 四、氙灯的光电参数 功率W启动电流A工作电流A工作电压V有效弧长MM接线方式5008.318±350220±20单端引出100012.430±360220±20单端引出 五、全石英玻璃光源保护冷阱该全石英或改良性玻璃材质光源保护冷阱不仅具有紫外光高效率穿透率，同时也带走由于光源长时间工作造成的温度问题，确保反应物质仅获得光照而不含实验本身以外的影响。 六、YM- GHX -V型专用反应器YM-GHX-V型专用反应器，是我公司研制的一种新型反应器，该产品在全国各大高校实验室推广试用效果良好，深受用户好评。1、采用8套磁力搅拌装置，搭配8套全石英材料试管，为客户提供8种不同式样实验容器，适合多式样品的实验和采集。2、本机主要部件选材优良，电机选用直流大功率电机，搅拌力矩大﹑噪音小。磁钢选用目前磁力最强的“钕铁蹦”水磁做转子，确保足够的犀利和扭矩。规格型号搅拌容量搅拌速度YM-GHX-V型专用反应器最大200ml无级调速0~1600搅拌方式工作电压强磁力220V/50HZ七、低温冷却液循环装置1、密闭型循环：冷却盘管、保温用套管等密闭回路的循环装置。2、风冷式冷冻机：配备风冷式冷冻机，制冷系统具有延时、过热、过电流多种保护装置。均为进口原装高品质器件，保证可靠性和使用寿命。3、配备进口高压泵：配管尺寸较长，可平稳的进行长距离循环、冷却或恒温机外实验容器或建立第二恒温场。4、高密度耐腐蚀材料：可循环纯水的循环泵、冷却盘管、吐出口、回流口的关键接口都采用不锈钢（SUS304）制造。5、循环介质类型：硅油、水、纯酒精等实验室常用循环介质。上海豫明仪器有限公司021-34208150

近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所光电工程技术中心高级工程师李剑平团队在海洋原位观测仪器技术上取得突破。团队研制了一种用于海洋浮游生物原位监测的新型水下成像仪系统，并在大亚湾海域的系泊水面浮标上进行了长期海试。相关研究成果以Development of a Buoy-Borne Underwater Imaging System for In situ Mesoplankton Monitoring of Coastal Waters为题，发表在Journal of Oceanic Engineering上。浮游生物是海洋生态系统的关键组成部分，在生物地球化学循环和碳循环中发挥着核心作用，同时也是海洋渔业和水产养殖生产的重要基础。开发监测浮游生物种群动态变化的方法、工具和流程，不仅对海洋生态科学研究意义重大，对现代业务化海洋管理也极为重要。然而，浮游生物监测一直依赖人工网采和光学显微镜检分析，不能满足准确、及时、连续和可持续地浮游生物监测需求。该团队利用浮标平台成本低、可长时间部署、可无线组网等优势，研发了一种水下暗场彩色成像系统，提升了对海洋浮游生物长期、连续、高频、原位监测的能力，弥补了现有观测技术的不足。该成像系统采用了一种新型的正交层状闪光无影照明设计，不仅可对海洋浮游生物个体实现高质量的水下真彩色摄影，还减少了照明光向水下局部环境的泄漏，最大程度地避免了浮游动物因趋光性产生聚集而导致的观测偏差。此外，成像仪还支持不同的放大倍率，覆盖了200μm-20mm不同大小的浮游生物体长范围。为了减少数据存储和传输的压力，成像仪配备的嵌入式计算单元可在图像采集后实时进行目标检测预处理，并通过无线网络将感兴趣的目标图像即时传输到云端服务器，通过在云端计算的深度学习算法进一步识别和量化，以获取监测信息，供最终用户远程检索。针对水下微小目标原位图像的特点，团队研发了一种基于主动学习的图像标注和分类算法训练策略，充分利用人类智能与机器智能协同实现图像标注、分类器训练和分类结果校正等目的。在此基础上团队提出了双卷积神经网络级联算法，不仅高效地构建了包含90类图像的大规模图像数据集，还有效地消除了近岸水体中颗粒物对浮游生物识别的干扰，最终实现了浮游生物图像的高准确度精细分类识别。在四年时间里，该团队历经四期累计15天以上的近岸海试后，于2020年6月22日将成像仪系统集成至水面浮标，并部署于深圳大亚湾海域。通过采取多项防生物附着措施，于2021年2月25日成功回收。在此次长达8个月的连续海试中，仪器成功获取了该海域浮游生物丰度变化的时间序列数据，观测到了浮游动物的昼夜垂直迁徙现象、优势种的动态变化，并监测到了大亚湾海域首次记录的尖笔帽螺暴发。团队研发的海洋浮游生物观测系统能够提供全面及时的浮游生物监测信息，有望成为海洋浮标观测平台的一种新工具。论文链接 图1 近海锚系浮标基水下浮游生物原位成像仪图2 浮标海试获取的典型浮游生物图像选集

图像识别的细胞计数方法，是基于光学显微成像的分析系统，具有直接测量、完整计数、结果直观、重复性高等优势。测量方式的精密度与准确度取决于细胞图像的质量和采样量，即光学显微系统不仅需要满足分辨率与对比度的最佳成像质量；同时还需要追求尽可能大的观察视场，通过大采样量来减小分析系统的统计误差。 显微成像系统--Microscopy根据阿贝光学原理，照明光线对检测样品作用产生衍射光，然后通过物镜收集各种衍射光，最终衍射光与透射光在像平面上发生干涉，得到样品的显微图像。系统中最为关键的是显微物镜，直接决定了成像质量。 数值孔径NA数值孔径定义为物镜可以收集光线的空间角度，数值孔径决定了物镜的分辨能力。分辨率Resolution分辨率定义为标本上两点之间的最短距离，观察者或探测器仍可将其区分为单独的实体。分辨率衡量成像系统再现物体细节的能力，同时受制于所使用的照明类型、探测器像素大小或光学元件功能等因素影响。样品细节越小，所需的分辨率越高。 值得注意的是，放大倍数的增加并不代表可以有更好的细节呈现，需要有更高的分辨率。放大倍数：为了在荧光成像中获得良好结果，理解放大倍数和分辨率的区别很重要。当提到放大倍数，指的是当我们在显微镜下观察一个对象时，它比原本放大了多少。分辨率：与此相反，实际意义上的分辨率指的是图片中我们能够分辨多少细节，这可能是主观的。分辨率受到光的衍射极限的限制。对比度 Contrast光学显微系统可以采用高数值孔径的物镜来产生高分辨率的图像的，而缺乏足够对比度的高分辨率对图像解析毫无价值。对比度定义为在图像和相对于整个背景强度相邻背景之间的光强度之差；在强度和/或颜色的差别创建图像的对比度，使得样本特征和细节变得可见。 其中是背景的强度，是样品的强度。视场（FOV）视场代表着光学显微系统能够观察到物体的范围。视场的大小是由物镜的放大倍率来决定的。相同的物镜放大倍率下，光学系统的探测器(相机靶面)面积越大，视场越大。 细胞计数--Cell Counting细胞的特性透明物体和周围介质折射率相差微弱，光线通过比较透明的标本时，光的波长（颜色）和振幅（亮度）都没有明显的变化。因此，用普通的光学显微系统观察活细胞（未经染色）的时，其形态和内部结构往往难以分辨。用化学染料染色以提高细胞成像的对比度和细胞内结构之间进行区分。染料选择性地从一个或几个波长吸收光并且通过或反射所有其它波长。 活细胞的立体球状结构，与细胞死亡后塌缩的扁平结构，使得活/死细胞在成像对焦时，不在同一焦平面上。明场染色：化学染料通过与细胞器/细胞质相结合；或是细胞脂膜的通透性选择，来产生颜色（波长）的对比，从而使得细胞形态与状态得以解析。暗场荧光：荧光显微镜借助荧光染料标记，在强烈的黑暗背景对衬下，即使荧光很微弱也很容易辨识，敏感性高可准确而详细地识别细胞和亚微观细胞成分和活动。 当背景是非常深的灰度值即 I（b）=0.01（红线），即细胞在暗场荧光染色下，图像强度的微小变化会产生对比度的较大变化。通过将背景变为稍浅的灰度值I（b）=0.10（绿线），即细胞在明场台盼蓝染色下，图像强度的微小变化提供了有用的对比度范围。在更亮的背景强度即I（b）≥0.50（蓝线），即细胞在明场非染色下，图像对比度对背景强度相对不敏感，图像强度的较大变化仅产生对比度的小幅增加或减少。 CytScop的专利光学技术浚真生命科学CytScop智能细胞计数仪，配备了明场和荧光大视野显微光学系统，大FOV意味着大采样面积，可实现大采样量，减少仪器的系统误差。细胞各部分的折射率和厚度的不同，光线通过细胞时，透射光和衍射光的光程就会有差别。CytScop的光学专利技术利用细胞与其周围水介质之间的微小折射率差异来增强细胞与其类似的透明溶液中产生高效的对比度。 这种技术方法在明场模式下，能够突出细胞的外观形态和局部特征均能产生明显的差异，具有非常好的立体感和极佳的细节表现能力。系统在暗场荧光下，系统能够收集更多的荧光信号，从而增强不同波长的荧光特异性。CytScop智能细胞计数仪可应用于抗体，细胞治疗等生物制药产品从研发至商业化生产的各个环节，保证全生命周期数据的完整性与可追溯性的基础上，实现高精密度，稳定性，一致性的测试结果。

几十年来，半导体异质结生长技术的不断进步驱动着电子和光电子科学研究和技术应用的不断发展。红外和太赫兹波段的许多应用利用了半导体量子阱中量子化状态间的跃迁（子带间跃迁）。然而，目前的传统量子阱器件在功能和应用上都受限于对散射界面以及晶格匹配生长条件的苛刻要求。可喜的是：近期西班牙巴塞罗那科学技术研究所Frank H. L. Koppens教授团队将量子阱子带间跃迁的概念引入到范德瓦尔斯层状材料中，提出了范德瓦尔斯量子阱子带跃迁。范德瓦尔斯量子阱天然形成于二维材料之中，得益于二维材料的原子清晰界面和异质结简易转移堆叠技术，范德瓦尔斯量子阱在克服散射界面限制和晶格匹配生长条件限制上拥有巨大潜力。作者利用德国neaspec公司的近场光学显微镜（neaSNOM, s-SNOM）以低于20 nm的空间分辨率实现了WSe2薄层量子阱子带吸收共振的近场光学纳米成像。并且，通过改变照明光子能量，作者实现了对不同厚度范德瓦尔斯量子阱的光谱方式分辨。此外，作者通过静电调控WSe2中的载流子浓度实现了对量子阱子带吸收强度的原位控制。后，作者在单个WSe2器件的价带和导带均实现了量子阱子带吸收，证明了二维材料子带吸收跃迁的普遍性。这项工作使得我们能够以单的电学或光学控制来实现二维材料量子阱子带跃迁，并且以全新的视角来设计新型的光电探测器、发光二管和激光光源等。该工作同时也证明了利用近场局域探针实现纳米尺度二维材料量子阱子带吸收共振光谱方式分辨的可行性。该工作近期发表在纳米领域杂志Nature Nanotechnology上，并作为封面刊出。图1：Nature Nanotechnology 2018年11月 13卷 11期封面艺术想象图为由层状TMD形成的光激发范德瓦尔斯层状结构 图2： 层状WSe2薄片红外吸收测量装置示意图和测量结果a) s-SNOM实验测量示意图； b) a图中虚线所示区域三阶谐振复合散射光信号值空间图，可以看到散射信号值随层数单调增加； c) 5层区域三阶谐振复合散射信号相位值（正比于样品的光学吸收强度）随背栅电压变化时域图，Eph=117meV；d) 不同层数区域散射信号相位值横截线，Eph=117meV；e) Eph=117meV入射光下，三阶谐振复合散射信号相位空间图，即空间吸收图；f）改变入射光能量为Eph=165meV，三阶谐振复合散射信号相位空间图。德国neaspec公司散射式近场光学显微镜（s-SNOM）具有的伪外差探测模块，可以利用参考镜对近场信号进行相位解调，从而实现强度（反射）和相位（吸收）的同时采集和成像。该研究小组通过德国neaspec公司的散射式近场光学显微镜neaSNOM配合可调谐中红外QCL激光器，对具有不同厚度的WSe2薄片进行了近场光学成像研究。从近场光学成像相位图（图2e和2f）中可以看出，对于117mV的光子能量，1层和5层区域表现出明显的吸收现象，而对于165 meV的光子能量，只有4层区域表现出明显的吸收现象。结合理论计算，作者发现，4层和5层WSe2量子阱空穴子带跃迁的能量分别靠近165meV和117meV的光子能量，所以它们的空间吸收图是观察到范德瓦尔斯量子阱子带跃迁的直接证据，而单层区域的显著吸收行为则来源于Drude吸收机制。通过改变背栅电压，作者发现吸收系数和载流子浓度呈正相关，并且在导带和价带均观察到了子带跃迁行为。该发现证明了设计基于范德瓦尔斯量子阱的红外探测器和激光光源的物理和技术可行性。同时，该研究也展示了德国neaspec公司的散射型近场光学显微镜在二维材料光学研究中的广阔应用前景。目前，Quantum Design中国北京实验室的德国neaspec超高分辨散射式近场光学显微镜neaSNOM设备，可提供8-11μm s-SNOM的成像功能以及650-2200cm?1 nanoFTIR近场光学光谱功能，为广大科研工作者提供更好的测试体验和技术支持。参考文献：Nano-imaging of intersubband transitions in van der Waals quantum wells, Nat. Nanotech. 13, 1035–1041(2018).In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal, Nature. 562, 557–562 (2018).

完美光学成像是人类感知世界的终极目标之一，却从根本上受制于镜面加工误差与复杂环境扰动所引起的光学像差。《科学》杂志也将“能否制造完美的光学透镜”列为21世纪125个科学前沿问题之一。近日，清华大学成像与智能技术实验室，提出了一种集成化的元成像芯片架构(Meta-imaging sensor)，为解决这一百年难题开辟了一条新路径。区别于构建完美透镜，研究团队另辟蹊径，研制了一种超级传感器，记录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。团队攻克了超精细光场感知与超精细光场融合两大核心技术，以分布式感知突破空间带宽积瓶颈，以自组织融合实现多维多尺度高分辨重建，借此能够用对光线的数字调制来替代传统光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提升至光学衍射极限。这一技术解决了长期以来的光学像差瓶颈，有望成为下一代通用像感器架构，而无需改变现有的光学成像系统，带来颠覆性的变化，将应用于天文观测，生物成像，医疗诊断，移动终端，工业检测，安防监控等领域。图1 元成像芯片成像原理与大范围像差矫正效果（来源：Nature）传统光学系统主要为人眼所设计，保持着“所见即所得”的设计理念，聚焦于在光学端实现完美成像。近百年来，光学科学家与工程师不断提出新的光学设计方法，为不同成像系统定制复杂的多级镜面、非球面与自由曲面镜头，来减小像差提升成像性能。但由于加工工艺的限制与复杂环境的扰动，难以制造出完美的成像系统。例如由于大范围面形平整度的加工误差，难以制造超大口径的镜片实现超远距离高分辨率成像；地基天文望远镜，受到动态变化的大气湍流扰动，实际成像分辨率远低于光学衍射极限，限制了人类探索宇宙的能力，往往需要花费昂贵的代价发射太空望远镜绕过大气层。为了解决这一难题，自适应光学技术应运而生，人们通过波前传感器实时感知环境像差扰动，并反馈给一面可变形的反射镜阵列，动态矫正对应的光学像差，以此保持完美的成像过程，基于此人们发现了星系中心的巨大黑洞并获得了诺奖，广泛应用于天文学与生命科学领域。然而由于像差在空间分布非均一的特性，该技术仅能实现极小视场的高分辨成像，而难以实现大视场多区域的同时矫正，并且由于需要非常精细的复杂系统往往成本十分高昂。早在2021年，自动化系戴琼海院士领导的成像与智能实验技术实验室研究团队发表于《细胞》杂志上的工作，首次提出了数字自适应光学的概念，为解决空间非一致的光学像差提供了新思路。在最新的研究成果中，研究团队将所有技术集成在单个成像芯片上，使之能广泛应用于几乎所有的成像场景，而不需要对现有成像系统做额外的改造，并建立了波动光学范畴下的数字自适应光学架构。通过对复杂光场的高维超精细感知与融合，在具备极大的灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。这一优势使得在数字端对复杂光场的操控能够完全媲美物理世界的模拟调制，就好像人们真正能够在数字世界搬移每一条光线一样，将感知与矫正的过程完全解耦开来，从而能够同时实现不同区域的高性能像差矫正。图2 元成像芯片——单透镜高性能成像（来源：Nature）传统相机镜头的成本和尺寸都会随着有效像素数的增加而迅速增长，这也是为什么高分辨率手机成像镜头即使使用了非常复杂的工艺也很难变薄，高端单反镜头特别昂贵的原因。因为它们通常需要多个精密设计与加工的多级镜片来校正空间不一致的光学像差，而如果想进一步推进到有效的十亿像素成像对传统光学设计来说几乎是一场灾难。元成像芯片从底层传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使得我们能够使用非常简易的光学系统实现高性能成像。在普通的单透镜系统上即可通过数字自适应光学实现了十亿像素高分辨率成像，将光学系统的成本与尺寸降低了三个数量级以上。除了成像系统存在的系统像差以外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的非均匀分布，从而引起复杂多变的环境像差。其中最为典型的是大气湍流对地基天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地基的光学观测分辨率，迫使人们不得不花费高昂的代价发射太空望远镜，比如价值百亿美元的韦伯望远镜。硬件自适应光学技术虽然可以缓解这一问题并已经被广泛使用，但它设计复杂，成本高昂，并且有效视野直径通常都小于40角秒。数字自适应光学技术仅仅需要将传统成像传感器替换为元成像芯片，就能为大口径地基天文望远镜提供了全视场动态像差矫正的能力。研究团队在中国国家天文台兴隆观测站上的清华-NAOC 80厘米口径望远镜上进行了测试，元成像芯片显著提升了天文成像的分辨率与信噪比，将自适应光学矫正视场直径从40角秒提升至了1000角秒。图3 清华-NAOC 80cm口径望远镜40万公里地月观测实验（来源：Nature）元成像芯片还可以同时获取深度信息，比传统光场成像方法在横向和轴向都具有更高的定位精度，为自动驾驶与工业检测提供了一种低成本的解决方案。而在未来，课题组将进一步深入研究元成像架构，充分发挥元成像在不同领域的优越性，建立新一代通用像感器架构，从而带来三维感知性能的颠覆性提升，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动终端、安防监控、医疗诊断等领域。上述成果于2022年10月19日以“集成化成像芯片实现像差矫正的三维摄影”（An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography）为题以长文（Article）的形式发表在《自然》（Nature）杂志上。清华大学自动化系戴琼海院士、电子系方璐副教授为该论文共同通讯作者；自动化系吴嘉敏助理教授、清华-伯克利博士研究生郭钰铎、自动化系博士后邓超担任共同一作；自动化系乔晖助理教授、以及清华-伯克利生张安科、清华大学自动化系卢志、清华大学自动化系谢佳辰三位博士研究生共同参与了该工作。该工作受到了国家自然科学基金委与国家科技部的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8

在量子材料与量子效应的研究中，无损的光谱学测量已经变得尤为重要。而在低温等极端条件下的原位显微光学测量是近十年来逐渐发展成熟的测量方法。近几年中大量重要的科研工作中都有低温光学测量的内容。Montana Instruments 生产的超精细多功能无液氦低温光学系统以其卓越的性能广受低温光学领域科学家的好评。超过千套设备分布在世界各地的重要高校和科研院所，并助力用户做出了大量的顶级科研成果。近期，超精细多功能无液氦低温光学系统用户的工作中又有两项问鼎了高水平学术杂志-Nature。1、正方晶格铱酸盐中的量子自旋向列相研究自旋向列是经典液晶概念的磁性类似物，是物质的第四种状态，同时表现出液体和固体的特征。特别是在价键自旋向列中，自旋具有量子纠缠效应，可以形成多极序而不破坏时间反演对称性，但目前为止，还难以在实验室进行透彻的研究。韩国浦项科技大学与浦项基础科学研究所的Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, B. J. Kim等研究者利用变温拉曼光谱、磁光克尔测量和共振非弹性X射线散射等多种技术对Sr2IrO4进行测量，在正方格子铱酸锶 (Sr2IrO4) 中发现了自旋向列相和四极序，并利用共振X射线衍射技术确定了四极序的空间结构和对称性。其结果发表在Nature上（Quantum spin nematic phase in a square- lattice iridate）。本文中基于超精细多功能无液氦低温光学系统进行了大温区范围的变温拉曼测量。在冷却时，从拉曼光谱中获得了静态自旋四极磁化率的发散，以及伴随出现了与旋转对称自发破缺有关的集体模式。这标志着在Tc≈263K时向自旋向列相的转变，并且在Tn≈230K以下的反铁磁相中四极序持续存在。图：变温拉曼测量表明自旋向列相的相变。这一研究表明了在Mott绝缘相中存在自旋向列相等多重序，为我们提供了关于材料中隐藏序的新见解。研究还表明有可能通过电荷四极干涉来检测四极序。本篇研究的结果为探索具有强自旋轨道耦合的过渡金属氧化物等竞争相互作用材料中自旋向列相的产生提供了直接证据。揭示了人们普遍认为与高温超导机制密切相关的Néel反铁磁体的量子序。因此，这篇文章对于凝聚态物理领域的研究具有重要的推动作用。2、量子点-单光子超辐射研究量子光源发射器的亮度最终由费米黄金法则来决定，其辐射率与其振荡器强度乘以光子态的局部密度成正比。由于振荡器强度取决于固有的材料特性，因此对高发射率的追求依赖于使用电介质或等离子体谐振器来提高光子态的局部密度。相比之下，利用超辐射的集体行为来提高振荡器强度从而提高发射率这一途径研究还较少。最近，有人提出使用其巨振子强度跃迁可以使量子阱中的弱约束激子的相干运动延伸到许多晶胞上，从而明显提高振荡器的强度。图：载流子寿命的温度依赖特性瑞士苏黎世联邦理工学院Chenglian Zhu，Maksym V. Kovalenko & Gabriele Rainò等，在Nature上发文（Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots），报道了单个铯铅卤化物量子点的单光子超辐射，在钙钛矿量子点中的单光子超辐射，辐射衰减时间低于100皮秒，几乎与报道的激子相干时间一样短。本篇工作中作者利用超精细多功能无液氦低温光学系统进行了系统的单量子点光谱测量。辐射率对量子点的大小、组成和温度的特性依赖性测量表明，系统形成了巨大的过渡偶极子，并且通过有效质量计算对测量结果进行了证实。本篇研究结果有助于开发超亮相干量子光源。本研究还证明了单光子发射的量子效应在比激子玻尔半径大十倍的纳米颗粒中持续存在。超精细多功能无液氦低温光学系统超精细多功能无液氦低温光学系统以超低振动和超高的温度稳定性被广泛应用于多种高精度的变温光谱和显微成像实验中。Montana Instruments推出的新一代超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance，是基于模块化设计架构的新一代标准化产品。该系统采用特殊减振技术和温度稳定技术，在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供超高温度稳定性和超低振动环境。CryoAdvance系列产品具有多种型号、配置、选件与配件可选，能够满足每个研究人员的个性化需求。除了标准系统之外也可为用户提供整体光学测量系统的解决方案。 CryoAdvance技术特点：&blacksquare 自动控制：智能触摸屏，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。&blacksquare 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。&blacksquare 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。&blacksquare 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。&blacksquare 最低温度：3.2K&blacksquare 振动稳定性：&blacksquare 光学通道：多个光学窗口，近工作距离、集成物镜、光纤引入等多种配置可选。Montana超精细多功能无液氦低温光学系统

显微镜是重要的科学仪器，显微镜的诞生，拓宽了人类的眼界，带领人类进入微观世界。利用显微镜，人类可以看到细胞机构、微生物、材料的微观机构等，在此基础上进行研究和分析，从而产生大量发明和发现，推动了科学的发展。自显微镜发明以来，科学家们不断提升显微镜的性能，新技术层出不穷，更强大的显微镜能够进一步提升科技水平。由于显微镜对科学有着重大贡献，显微镜领域的多项重大发明都获得了诺贝尔奖。1953年，荷兰人弗里茨塞尔尼克因因相衬显微技术而获得了诺贝尔物理学奖。1986年，德国人恩斯特鲁斯卡作为透视电子显微镜的发明人，获得了诺贝尔物理学奖。1986年，德国人格尔德宾宁和荷兰人海因里希罗雷尔研制出扫描隧道显微镜，获得了诺贝尔物理学奖。2014年，美国人艾力克贝齐格、美国人莫尔纳尔和德国人斯特凡赫尔凭借超分辨荧光显微镜，获得了诺贝尔化学奖。2017年，瑞士雅克杜博歇、德国人约阿希姆弗兰克、英国理查德亨德森研发出低温电子显微镜，获得了诺贝尔化学奖。其中超分辨荧光显微镜的出现，使得光学显微镜进入纳米级尺度。现在，中国研究团队进一步提升光学显微镜的性能，在光学超分辨显微成像技术领域取得突破性进展。哈尔滨工业大学仪器学院和北京大学未来技术学院合作，在低光毒性条件下，把结构光显微镜的分辨率从110纳米提高到60纳米，该显微镜是目前活细胞光学显微成像中分辨率最高的超分辨显微镜，并实现564帧/秒、成像时间达到1小时以上。中国团队提出了一种计算显微成像算法，可以突破光学衍射极限，加上荧光成像的前向物理模型以及压缩感知理论，同时结合稀疏性与时空连续性的双约束条件，开发出稀疏解卷积技术，提高了时空分辨率和频谱，从而研发出超快结构光超分辨荧光显微镜系统。这项技术适用于大多数荧光显微镜成像系统模态，能够实现近两倍的稳定空间分辨率提升，将在生物科学领域发挥重大作用。麦克奥迪、舜宇光学科技、永新光学和广州晶华光学是目前国内光学显微镜市场份额排名靠前的企业，均为中国企业。但国内高端光学显微镜市场主要被徕卡、蔡司、尼康、奥林巴斯等国外企业占据。随着中国光学显微镜实力不断提升，中国企业有望改变高端光学显微镜市场竞争格局。结语中国通过引进和吸收国外技术，取得了巨大进步，想要进一步提升国家竞争力，就必须自主创新，自主创新需要从基础研究做起，而基础研究离不开科学仪器，研制科学仪器就是打好发展基础。