传统光学仪器向现代光学仪器转变的必要性

当今世界传统光学仪器已突破经典模式,发展成为光、机电、算一体化和智能化现代光学仪器。主要工业发达国家的光电子产业已迅速崛起,世界市场已达数百亿美元,成为对国民经济有重要影响的高新技术产业,预计下一世纪人类将跨入“光时代”。

我国光学仪器工业正处于产业结构调整和更新的时期,这是发展历程上的关键时期。面临当前我国光学仪器行业不景气,欲摆脱困境并在下一世纪初能发展成为结构优化的高效益的产业,必须把实现传统光学仪器向现代光学仪器转变提到发展战略的高度来认识并实践,加快转变步伐。

 

1、传统光学仪器向现代光学仪器转变是现代科技发展和国际竞争的必然趋势

1.1 是现代化生产和科学实验的迫切要求

以光、机为主体的传统光学仪器主要靠视觉参与下的人机系统,还离不开人的操作和观察,这与当代社会化大生产的要求很不适应。在当今高度发达的信息社会,日益迫切要求对来自各方面的复杂信息进时实时、高速采集,数据处理和自动控制。如对高速运动或瞬息短暂过程的观察、记录、显示和储存;对复杂的二维或三维物体的形状和尺寸的识别、精确测量;对宏观或超微细图形的分析和判读,特别是对于太空、深水、高温、有害气体、核辐射等人类难以长期接触的各种特殊工作环境,这些都是传统光学仪器所难以胜任的。如,在轧钢生产过程中,被测对象温度高达1000C以上,运动速度每秒数米并伴有振动,高温氧化层飞溅,冷却水珠水雾弥漫,强电磁干扰和环境高温,在如此复杂的环境下,要对生产线上的钢材尺寸进行在线测量和控制,极其困难。目前最好的解决办法是采用光电检测,用激光扫描法,CCD热轧钢在线测径系统已成功地应用在生产线上。又如日本某炼油厂内遍布光纤光缆,全部用光电观测设备构成厂区的局部监控、信息系统,成功地利用了光电技术的防爆特性,实现了综合管理,对炼油厂内的事故灾害防患于未然,确保安全生产。再如光电遥感仪器帮助人类解决目前所面临的能源、粮食、气象预报、环境监视等重大问题。美国在70年代先后发射三颗陆地卫星,花了25000万美元,但获得经济效益比此大得多,其中用遥感仪器监视洪水、改造良田、探测农作物病虫害、改进油田探测及小麦估产等5项,每年经济收益达15亿美元以上。

由于光电系统能充分发挥光学和电子两方面技术的优越性,所以在生产过程中的自动监控、图象分析、精密测量、信息处理和传输、能源利用、微观探索等各个领域发挥着越来越重要的作用。因此,现代化生产和科学实验迫切要求开发更多的光、机、电、算一体化的现代光学仪器或光电仪器和设备。

1.2 是适应产业结构调整和市场竞争的需要

一方面新技术革命加速了传统光学仪器工业的变革,美、日、德等国都把发展高技术和建立高技术产业作为重要发展战略,谋求在全球的领先地位。他们利用微电子技术改进传统的光学工业,提高产品档次,开发高附加值的现代光学仪器,在实现光、机、电、算一体化的同时,还重点发展以激光为核心的光电子技术,形成光电子产业。

另一方面自80年代中期以来,以望远系统,照相系统和显微系统这三大系统为主导的传统光学仪器开始步入成熟期,全行业出现了不景气现象,其特征表现为:市场需求从上升期转入稳定期,主导产品在技术上缺乏新的重大突破,经济效益开始下滑。这一现象始于美国,以后波及日本、德国等国家。纵观当今世界范围的传统光学仪器生产已不是雨后春笋般的发展势头,而是呈缩短战线发展的趋势。

美国的传统光学仪器工业已萎缩,不少企业并转,但美国巧妙地避开了劳务费用高、传统光学工艺落后的短处,凭借其科技和资金方面的优势,调整了产业结构,发展技术密集的现代光学仪器,开拓新的领域如半导体光刻机等微细加工设备及检测仪器,傅立叶红外光谱仪和其它智能化的光谱仪器,多种类别的联用仪器,各类生化和医疗仪器,太空和宇航的光学遥感仪器以及激光干涉仪、打印机等光学或光电仪器,均处领先地位。日本更是一个对新技术敏感的国家,为了保持市场竞争优势,产品中不断引入高新技术,80年代的日本已成为一个“电子大国”,充分利用电子技术优势,加速对传统光学仪器工业的改造和产品更新,特别加强独创性技术开发,促进光学仪器工业的转变。德国原光学工业基础雄厚,具有高度专业化和生产技术柔性化,并不断注入新技术、新原理、新工艺。在集成光学、纤维光学、全息技术、激光技术等方面的应用取得很大进展,在80年代应用新技术和新原理推出一批新颖的电子工业用检测仪器、超声显微镜、激光扫描显微镜和采用光导纤维、多光栅系统和机械手的全自动光谱仪等,都是德国首先实现商品化,可以说德国的光学仪器至今仍保持着高水平、高精度优势。

在光学产业结构调整过程中,发达国家竞相发展高技术产品,一些劳动密集型的传统产品,则逐渐向新兴工业国家(或地区)和发展中国家转移。尤为明显的是通过独资或合作方式将劳动密集型产品望远镜、显微镜、照相机和枪瞄准镜等的生产转移到我国及东亚其他国家或地区。如日本奥林巴斯公司在深圳设立奥林巴斯深圳工业有限公司,生产照相机;镰仓光机公司于1993年在广东东莞设立东莞镰仓光学有限公司,生产双筒望远镜;莱卡(Leica)公司与上海光学仪器厂建立合资的显微镜生产厂;日本西亚州光学公司与长春第四光学仪器厂合资生产望远镜和枪瞄准镜;德国蔡斯(Zeiss)厂和西北光学仪器厂合作生产大地测量仪器等等。另一方面,国外著名的生产厂其产品结构发生变化,如尼康主要靠半导体工业用光刻设备等,1994年占其销售额的40%;奥林巴斯主要依赖医用内窥镜系列产品,维持生存与发展,1994年度占销售总额的49%。

由于产业结构调整,使光学仪器工业的发展和市场竞争形成了新的格局,技术密集型和高新技术产品渐成为市场竞争的重心。传统光学仪器中消费类产品如望远镜、照相机目前销售势头虽看好,市场份额却越来越小,与现代光学仪器和光电产品的市场规模、经济效益无法比拟。据联合国1995年公布的统计资料,1993年世界光学仪器的进出口额各为50多亿美元,照相机类产品的进出口额各为93亿、88亿美元,上述统计中并不包括光机电算一体化的光谱仪器、计量仪器、遥感仪器和测绘仪器等,而世界光电子产品市场高达660亿美元,若加上现代光学仪器的销售额,其市场规模大大超过了传统产品的市场。更何况不少传统产品已处于成熟期,有的甚至进入衰退期,近期的年平均增长率不会高于5%。

1.3 是我国光学仪器行业走出困境的主要途径

我国光学仪器制造业(民用系统)目前主要生产传统光学仪器,包括显微镜、望远镜、光学计量仪器、物理光学仪器、测绘和遥感光学仪器及电子光学仪器等,已生产的品种约600种。现面临的突出问题是产业结构和产品结构不合理。

从产业结构看,光学仪器行业长期以来条块分割,各系统自成体系,力量和资金分散,重复投资,重复生产,专业化生产水平低;点多批量小,难以形成适量的规模经济;大中型企业的主力军作用未充分发挥。从总体上说,行业劳动生产率低,竞争能力弱,效益差,而且未能形成真正的科研、生产一体化的企业集团公司,管理模式落后,联结纽带松散。行业处于“散、弱、低”状态,与现代化生产不相适应。

从产品结构看,传统产品比例过大,低水平生产能力过剩,高水平生产能力不足。现有光学仪器产品90%以上的品种属传统式,真正算得上光机电算一体化的现代光学仪器所占品种不足10%。数量的75%属低档产品,产量过大,供大于求;中档产品不能满足需求;高档产品缺口甚大,依赖进口。不少企业挤在低档产品上竞争,如现在生产普及型生物显微镜和S3水准仪的企业各有二十多家,竞争激烈,内耗严重,经济效益不断滑坡,陷于严重困境。若不扭转这种局面,我国光学仪器工业还会进一步萎缩。

为此,加速产业结构和产品结构调整,促进传统光学仪器向现代光学仪器转变已成为当务之急。

1.4 光学技术的发展以及各门科学技术相互渗透为传统光学仪器向现代光学仪器转变提供了有利条件

光学的发展经历了理论上不断完善、技术不断成熟、应用逐渐广泛的过程。在光的电磁波理论产生前的二千多年中,各国光学科学家发现了许多光学现象,建立了许多几何光学和物理光学定理,并根据这些定理制作了许多至今仍有重要实用价值的光学仪器,包括望远镜、显微镜、照相机、电影机、经纬仪、光谱仪等,大大扩展了人类的观察、测量和分析能力,在长期的生产和科学实验中作出了重要贡献。但在关于光的相干电磁波理论建立之前,光学还摆脱不了经典理论的束缚,使光的应用受到很大限制,因而发展速度与电子技术等现代科学技术相比,比较缓慢。

自从本世纪50年代以来,由于数学、通信理论与光学的紧密结合,改变了经典光学的概念,形成了傅立叶光学,为光学信息处理、相干光计算奠定了基础。1960年激光的出现,更使光学的发展出现了重大的突破,派生出许多新的光学分支,使人类对光学的掌握和利用进入一个崭新的阶段。特别是相干性,是激光区别于经典光学的最大标志,它打破了长期以来光学的传统应用范围。激光亮度高、准直性好、光谱纯、相干性好,这些特点给光学带来许多的应用,一大批新型激光光谱仪器¾ 激光拉曼分光光度计,激光红外分光光度计、激光光声光谱仪等应运而生。高时间相干性和高频率特性,使光学在通信、非接触测量等方面获得应用,制成品种繁多、原理新颖的双频激光干涉仪、激光测量机和各类在线检测仪器;空间相干性又使光学在显示技术、信息处理,音像和文化教育中取得应用,包括视唱机、光存储、图像处理和识别,立体电影等;激光技术引入显微镜,开发出激光扫描显微镜和激光共焦扫描显微镜等。

在光学技术自身发展的同时,其它学科的发展和向光学的渗透,促进了现代光学技术发展。尤其是微电子技术、计算机技术的发展和应用,推动了光学仪器的光机电算一体化和智能化。微电子技术同光学和精密机械的有机结合,使光学仪器性能、结构、效率和可靠性有相当大的改善,使测量、数据处理、传输以及控制过程有可能实现自动化,而且测量和分析的精度、工作速度提高,功耗降低,更加可靠。光谱仪器已实现微机化,现正向更高层次发展,自动化和智能化已成为各类产品的发展趋势。由于应用傅立叶变换和快速傅立叶变换来描述光学系统性质,从而形成了傅立叶光学,以傅立叶变换原理为基础并应用计算机,傅立叶变换红外光谱仪应运而生,近年来已发展成熟,正以不可阻挡之势,逐渐取代传统光栅式红外分光光度计,而且傅立叶变换原理已嫁接到其它产品,形成傅立叶变换紫外分光光度计等。

由于电子技术和现代光学的渗透,产生了光电子学这个具有深远意义的交叉学科分支。光电子学的发展,导致利用光的波动特性,如频率、相位、偏振等理论,形成光波电子学或相干光电子学。光电子技术和光电器件已成为当今和未来各种高技术和基础,对于科技进步、经济增长和社会进步有重要意义。高性能的光电子器件,如光电二极管、各种红外探测器、光电传感器及光电耦合器(CCD列阵)、半导体激光器等高灵敏度、高性能器件的出现并形成大批量生产,必将推动光学仪器光电化,为传统光学仪器变革带来划时代的意义。

随着光学工业对微型化的要求和微电子技术的发展、渗透,出现了微光学和二元光学。微光学是研究微米级尺寸光学元件或光学系统的现代光学分支,是在基底材料上用光刻、波导及薄膜技术制成的光学微器件;二元光学是基于光的衍射原理发展起来的微光学,二元光学元件是采用光刻和微细加工方法,用电子束、离子束或激光束的刻蚀技术制作而成,这就使透镜批量生产变得容易了。微光学特别是二元光学的发展,使光学技术得以创新,使传统光学实现微型化、列阵化和集成化成为可能,使宏观光学元件转化为微光学元件和具有处理功能的集成光学组件,从而推动传统光学仪器发生根本性的变革。

 

2、传统光学仪器向现代光学仪器转变的主要内容

现代光学仪器的大量出现,并非意味传统仪器立即失效或已发展到尽头,而是一个较长新旧转换过程,两者之间并不存在不可逾越的鸿沟。传统光学仪器同现代光学仪器的重要区别可概括为:

(1)传统光学仪器是以经典理论¾ 几何光学或物理光学的原理为基础,应用领域受到很大限制;现代光学仪器突破了传统理论束缚,原理创新,技术新颖,拓宽了应用领域,激光、红外、光纤、光信息处理等许多新技术获得应用。

(2)传统光学仪器以光学、机械为主体;而现代光学仪器冲破了光机的基本结构,具有光机电算一体化的发展趋势与特征,电子技术和计算机成为仪器不可分割的主要部分。

(3)传统光学仪器基本上是视觉参与下的人机系统,离不开人的操作和观测;而现代光学仪器已完全冲破这种经典模式,操作、检测和数据处理由计算机控制,自动化程度、工作方便性和可靠性大大提高。

(4)从设计方法上看,传统光学仪器除光学设计外,总体与结构设计的主要方法是模仿、参考设计与经验设计;现代光学仪器则越来越多地采用计算机辅助设计、优化设计和“三化”设计,仪器设计方案的制订不单纯考虑某一产品,而是整个系列仪器各品种之间零部件通用性很强,标准化程度高,标准件多,因而产品成本下降,质量提高。

根据两者区别,转变的主要内容是;

2.1 扩大微电子技术在光学仪器中的应用,实现光机电算一体化,这是现代光学仪器的重要特征

转变关键在于计算机化和自动化,微电子技术是基础。应用微电子技术和计算机,可以提高仪器的使用价值,即提高技术性能、工作效率、仪器质量和可靠性。例如自动图象分析和图象处理方法可以提高效率150倍以上。应用微电子技术和计算机有利于采用新的工作原理,使仪器结构明显改进和简化。由于在光学仪器中使用微机,就可以用微电子器件或简单的机械和微电子组件来代替原结构中光学、机械以及电子学中成本昂贵的组件,从而提高了经济效益。例如将三座标测量机的精密导轨改成带有增量式发送器和微机的反馈伺服驱动,就可降低机械精度要求和简化结构,减少机械件的数量,并提高运动的速度和性能。



在同微电子技术结合方面,光谱仪器发展最快,发达国家80年代已实现微机化,现已向联机化、全自动化(如内装机器人系统,实现无人操作)、实验室信息管理系统自动化以及智能化方向发展。现在光学计量仪器从三座标测量机到传统的投影仪、自准直仪都实现了微机化、自动化。大地测量仪器也向光机电算的结合过渡,推出了电子水准仪和电子经纬仪、光电速测仪等。航空摄影机由于配置了微机,能监控全部功能,并自动补偿因飞行引起的象移。

2.2 大力发展光电子基础技术、光电器件和功能材料并推广应用

大力发展光电子基础技术、光电器件和功能材料并推广应用,是传统光学仪器实现光机电算一体化和光电化基础。对光学仪器制造业来说,显得更为迫切的是光电二极管、电荷耦合器(CCD列阵)、半导体激光器、光纤传感器、光电调制器等以及功能材料和新的制造技术上,扩大应用范围,因为这是传统光学仪器转变的基础。例如CCD器件由于具有优异性能,已广泛用于各种光谱检测系统、光学遥感仪器、光学计量仪器等,对传统光学仪器的变革正起着或将发挥重要的作用,呈现良好的发展前景。

2.3 开拓新的领域,促进光电产品商品化和产业化

80年代是光电子技术从实验室走向大规模开发应用阶段,美、日等主要发达国家已形成巨大的光电子产业,光电子技术已开始腾飞,它正在把人类从电子时代推向光的时代。1993年光电子产品的市场规模为660亿美元,而2000年将达1050亿美元。光电产品现已渗透到各个应用领域,包括工业自动化、办公自动化和家庭文化教育等。例如:

(1)光盘及其存储系统

作为视唱系统的光盘在音乐、影像、文化教育等方面显示了其优越性,现在正普及到家庭。1992年整个光盘系统销售额达85亿美元,2000年可达100亿美元以上,市场巨大。

(2)激光打印机

世界年销售量达200万台以上,其中日本佳能公司占世界市场的70%,年产150~180万台。

(3)图像监视系统迅速崛起

这是一种与电脑结合的光电装置,典型的系统主要由电脑、摄录放系统或光电传感器、光电源及显示终端组成。现在作监视用的多传感器CCD摄像机发展很快,应用也渐广泛,估计产业用CCD摄像机的世界年产量90万台以上。监视系统已用于质量控制、零件识别、导向和工业机器人等。

(4)生化和激光医疗仪器

1992年这一领域的世界市场已达5亿多美元,年平均增长率给10%。

(5)条形码阅读器

应用领域日益扩大,市场剧增,年销售额超过10亿美元。不仅在超级市场推广应用,还向工厂、办公自动化、仓库、图书馆管理等领域扩展,预计将以每年20%左右的幅度增加。

2.4 开发先进的生产制造技术是转变的重要手段

现代化生产对制造技术的要求是不断提高制造质量和加工效率,缩短制造周期和降低制造成本,因此现代制造技术将向更高的精度和高速、高效、自动化方向发展,用于单一产品的“刚性化自动流水线”的生产机制已很难适应需要。在主要工业发达国家中,数控加工中心早已成为制造技术发展的一个主要方向,在此基础上已向计算机集成制造(CIM)发展。多品种中小批量零件生产已从传统的刚性生产线模式过渡到计算机控制的柔性制造系统(FMS)。如采用工序集中原则的加工中心已成为发展重点,具有综合化的可靠性,在多品种、中小批量生产中取得明显的经济效益,形成了引人注目的技术发展趋势。据预测,到2000年美、日、西欧各国柔性制造系统加工的产品将占一半。近几年来,激光加工系统和激光加工中心已逐步成为新的精密加工技术,将激光加工中心配以计算机控制的工业机器人,联合常规机械加工,组成复合柔性加工系统,这是当今世界上最先进的加工开发项目。

现代光学仪器制造的特点正是多品种、小批量零件的生产,为了缩短制造周期,提高在国内外市场的应变能力,开发先进的生产制造技术具有重要价值。

 

3、实现转变的途径

3.1 加大企业和行业组织结构改革和力度,加速并完善企业集团化

深化产业结构的改革,是实现转变的根本保证。因为只有尽快形成企业集团,才能集中科技和资金的优势,形成专业化生产模式和规模经济,改变目前一家一户的“小农经济”模式,建立适应现代光学仪器生产的机制。



3.2 充分引入电子技术,强化光和电的渗透,推动传统光学仪器的改造和更新

为使我国光学仪器工业在总体水平上缩小同国外差距,提高开拓国内外两个市场的能力,就必须立足于重点发展技术密集型产品和高技术产品。为此也就必须充分引入电子技术,强化光和电的渗透,加强激光、红外、微光、光纤、图象分析、快速傅里叶变换等新技术的开发和推广应用。当前产品发展的主攻方向应放在同电子技术和计算机技术相结合的环节上,冲破经典的以光、机为主体的模式,努力实现光机电算一体化,使产品档次和产品附加值有较大的提高,能以较简便的制造技术达到较高的技术经济水平,形成结构优化、布局合理、有多元层次的产品结构。

3.3 淡化行业界线,开拓新的发展领域

当今社会,由于光学和各学科紧密联系、相互渗透,并随着现代化生产、科学实验和物质、文化生活的需求,光学产品将会像一般电器一样进入工厂、实验室、办公室和家庭,可开拓的领域极其广泛,开发产品的路子越来越宽。例如:

(1)门类众多的生化分析和光学医疗仪器

这类产品缺口大,市场热门,前景广。其范围包括生态平衡、环境保护、生物工程、医疗诊断、康复保健、药物制造、毒品监测等部门,这些部门有一定投资能力,有开发前途。

(2)与“3C”、“4A”有关的光电产品

3C即计算机、通信和控制系统,4A即工业自动化、办公自动化、管理自动化和家庭自动化。主要产品如图象识别、处理和监视系统,光盘及存储系统,光纤测试仪器,光电传感器,摄录放一体化设备、条形码阅读器,机器人视觉系统等。这些产品的市场正在扩大,应用更趋广泛。例如监视系统1991年销售达26.8亿美元,年增长幅度56.5%,其应用领域包括一般监视用(银行、超级市场、珠宝店、博物馆等报警监视),特殊监视用(生产过程及锅炉等工业监视和火箭发展监控等),办公自动化用(图象判读和机器人视觉)。

(3)各类光学和光电在线检测仪器和装置

现代化生产迫切要求开发各类在线检测仪器,以达到自动控制生产流程、保证高质量和高效率目的。目前国外光电检测已重点应用于冶金工业,如轧钢过程钢材尺寸及厚度控制,玻璃制品工业的指标控制,纸张生产过程中控制浓度变化、水份及色度测定,纺织过程和控制及织物检测,食品加工、啤酒生产过程还原糖浓度的检测仪等,都已利用光学和光电技术进行在线检测。开发这类仪器或配套设备,对发展国民经济各部门和提高本行业经济效益具有重要意义。

3.4 大力发展关键元器件的生产和扩大应用,为光电子产业化创造条件

光电子技术的发展正逐渐进入成熟阶段,发展成熟的标志是产品价格越来越低,市场所占份额越来越高,其特点是大量光电子产品中起关键作用的器件将会像现在的晶体管和集成电路那样被广泛应用。大力开发光电器件是改造传统光学仪器和实现光电产品产业化的基础。如CCD器件、二极管列阵、半导体激光器等对于开发光电产品具有很重要作用,应集中人力、资金,加快开发速度,以尽快推广应用,推动传统光学仪器的改造。

3.5 加快技术改造,开发现代化的生产制造技术,提高劳动生产率

生产高质量、高可靠性的光学和光电仪器,要靠先进的生产制造技术作保证。现代光学仪器生产的特点是多品种、小批量零件的生产,单一产品的“刚性自动化流水线”的生产机制是很难适应需要。为了缩短制造周期,提高对国内外市场的应变能力,开发适应多品种、小批量生产的柔性制造系统(FMS)等高水平的生产制造技术具有十分重要意义。要实现传统光学仪器向现代光学仪器的转变,加速技术改造、形成先进的生产制造技术已刻不容缓。根据光学仪器行业现状,可采用数控化和工序集中原则的加工中心作为重点,力争以方便的制造技术达到较高的制造水平。

3.6加速人才结构的转变,建立多学科知识融合的复合型专业队伍

现代光学仪器是建立在光学、精密机械、电子学(或光电子学)和计算机技术高度结合的基础上的,要开拓应用领域,综合发展新颖仪器,就必须熟悉生物学、生态学、生物化学、医学、光化学等多学科知识。为此应改变目前的人才结构,加强人才培养,将传统仪器知识与新学科知识、计算机知识和技能融会贯通,对现有科技人员提供知识更新的条件,以建立一支与发展现代光学仪器相适应的专业队伍。
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xinyuwaj

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很好的内容哦,获益匪浅,谢谢lz

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