2025年大學(xué)《化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——立體成像技術(shù)在化學(xué)測量學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填入括號內(nèi)）1.在立體成像技術(shù)中，利用物體上各點(diǎn)對光源或參考光束的阻擋程度不同來獲取信息的技術(shù)主要是指？A.結(jié)構(gòu)光照明B.激光掃描C.數(shù)字全息D.光學(xué)相干斷層掃描2.三維成像技術(shù)中，通過測量視差來計(jì)算物體深度信息的經(jīng)典方法是？A.激光散斑干涉B.三角測量法C.基于偏振的成像D.結(jié)構(gòu)光掃描3.以下哪一項(xiàng)不是立體成像技術(shù)在化學(xué)測量學(xué)中常用的應(yīng)用領(lǐng)域？A.細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化B.液體界面濃度的精確測量C.固體粉末顆粒尺寸的統(tǒng)計(jì)分布分析D.常壓下氣體分子的高速追蹤4.共聚焦顯微鏡在化學(xué)測量學(xué)中應(yīng)用廣泛，其主要優(yōu)勢之一是？A.極高的成像速度B.實(shí)現(xiàn)真正的三維斷層掃描C.對樣品進(jìn)行非破壞性成像D.能同時(shí)獲取樣品的多種光譜信息5.數(shù)字全息技術(shù)獲取的是？A.物體的二維強(qiáng)度圖像B.物體的三維深度信息C.物體光波幅值和相位的記錄D.物體表面反射率的空間分布6.在使用結(jié)構(gòu)光立體成像技術(shù)測量透明樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，為了提高成像深度，通常需要？A.增加光源與相機(jī)之間的距離B.使用更短波長的光源C.提高光源的照度D.采用更大的視場角7.光學(xué)相干斷層掃描（OCT）技術(shù)利用了什么物理原理？A.光的衍射B.光的干涉C.光的偏振D.光的散射8.立體成像技術(shù)中，分辨率通常指的是？A.成像系統(tǒng)能夠分辨的最小深度差異B.成像系統(tǒng)能夠分辨的最小空間尺寸C.成像系統(tǒng)能夠覆蓋的最大深度范圍D.成像系統(tǒng)記錄光波相位的能力9.當(dāng)使用立體成像技術(shù)對樣品進(jìn)行形貌測量時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)重建的深度圖像存在明顯的偽影，可能的原因之一是？A.樣品表面過于光滑B.相機(jī)分辨率不夠高C.兩個(gè)視點(diǎn)的基線距離過長D.圖像處理算法選擇不當(dāng)10.將立體成像技術(shù)與光譜技術(shù)（如熒光光譜）相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)？A.更高的成像深度B.更快的成像速度C.對樣品內(nèi)部特定成分的識別和定位D.對樣品表面形貌的精確測量二、填空題（每空1分，共15分。請將答案填入橫線上）1.立體成像技術(shù)通常需要至少兩個(gè)不同的__________或視角來獲取物體的三維信息。2.在三角測量法中，物體點(diǎn)的三維坐標(biāo)通常由該點(diǎn)的__________和視差來確定。3.結(jié)構(gòu)光立體成像技術(shù)通過投射__________的光模式ontotheobjecttocalculatedepthinformation.4.數(shù)字全息術(shù)通過記錄物體的__________和__________來重建物體的三維圖像。5.光學(xué)相干斷層掃描（OCT）利用近紅外光的__________效應(yīng)來測量樣品的深度信息。6.在化學(xué)測量學(xué)中，立體成像技術(shù)可用于測量溶液中__________的分布，例如通過標(biāo)記物熒光強(qiáng)度的變化來追蹤反應(yīng)進(jìn)程。7.三維圖像的__________是指圖像中不同深度處的分辨率。8.為了減少立體成像中的誤差，通常需要確保兩個(gè)視點(diǎn)（或光路）之間有合適的__________，但不宜過大。9.圖像分割是立體成像數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵步驟，其目的是將圖像中的不同區(qū)域（如物體、背景、不同成分）區(qū)分開來。10.立體成像技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中可用于__________（例如油膜厚度、沉積物層）的測量。三、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述三角測量法立體成像的基本原理。2.與傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)相比，立體成像技術(shù)在化學(xué)測量學(xué)中有什么主要優(yōu)勢？3.簡述結(jié)構(gòu)光立體成像技術(shù)中，光源圖案（如條紋）的投影方式及其作用。4.在使用立體成像技術(shù)進(jìn)行樣品測量時(shí)，如何選擇合適的成像參數(shù)（如視場、分辨率、景深）？四、論述題（每題10分，共20分）1.論述立體成像技術(shù)如何應(yīng)用于化學(xué)測量學(xué)中的樣品形貌表征，并舉例說明。2.結(jié)合具體應(yīng)用場景，論述將立體成像技術(shù)與光譜技術(shù)聯(lián)用所具有的優(yōu)勢及其面臨的挑戰(zhàn)。五、計(jì)算題（共15分）假設(shè)使用三角測量法進(jìn)行立體成像，已知兩個(gè)相機(jī)（C1和C2）相距（基線距離）B=10cm，相機(jī)焦距f=5mm，測得某物體點(diǎn)在C1相機(jī)圖像中的橫向偏差（視差）p=0.5mm。該物體點(diǎn)距離C1相機(jī)光心的垂直距離（近似為成像平面深度）Z1=50mm。請計(jì)算：（1）該物體點(diǎn)距離C2相機(jī)的垂直距離Z2。（2）如果該物體點(diǎn)在成像平面上的實(shí)際尺寸為W=1mm，請估算其在C1相機(jī)圖像中的尺寸W1和在C2相機(jī)圖像中的尺寸W2。（假設(shè)物體垂直于光軸）六、（設(shè)計(jì)/分析）題（共10分）簡述如果你需要測量一個(gè)透明玻璃樣品內(nèi)部微小（亞微米級）且分布不均的熒光粒子三維分布情況，你會選擇哪種立體成像技術(shù)？并說明選擇該技術(shù)的理由，以及你需要考慮的主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)處理步驟。試卷答案一、選擇題1.C2.B3.D4.B5.C6.B7.B8.B9.D10.C二、填空題1.視角2.深度3.結(jié)構(gòu)光4.干涉；衍射5.相干6.物質(zhì)濃度7.深度8.基線距離9.分割10.污染物厚度三、簡答題1.解析思路：三角測量法利用相似三角形的原理。物體點(diǎn)P發(fā)射或反射光線到兩個(gè)不同的視點(diǎn)（相機(jī)）C1和C2。在C1處形成P'點(diǎn)，在C2處形成P''點(diǎn)。測量P'和P''在成像平面上的橫向偏差，即視差p。由于相機(jī)光心到成像平面的距離近似相等（設(shè)為f），且基線距離B已知，可以通過幾何關(guān)系推導(dǎo)出物體點(diǎn)P到成像平面的垂直距離Z，以及物體點(diǎn)P到光心的距離R?；竟綖閠an(α)≈p/f和tan(β)≈p/B，進(jìn)而推導(dǎo)Z≈fB/p。2.解析思路：立體成像提供深度信息，這是其核心優(yōu)勢。優(yōu)勢體現(xiàn)在：1）三維可視化：直觀展示樣品的內(nèi)部和表面三維結(jié)構(gòu)，超越二維圖像的局限。2）定量形貌分析：可精確測量樣品的尺寸、高度、曲率、體積等三維參數(shù)。3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測：可對透明或半透明樣品進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)成像，無需切片。4）動(dòng)態(tài)過程觀察：可記錄樣品隨時(shí)間變化的三維形態(tài)（如結(jié)晶、生長、相變）。5）與化學(xué)測量結(jié)合：可實(shí)現(xiàn)成分的空間分辨（如結(jié)合熒光標(biāo)記），進(jìn)行原位、原味分析。3.解析思路：結(jié)構(gòu)光立體成像通過一個(gè)或多個(gè)特殊圖案的光源（如條紋、網(wǎng)格）照射到物體表面。這些光圖案隨物體表面的起伏發(fā)生變形。相機(jī)在遠(yuǎn)離光源的位置捕捉變形后的光圖案。通過分析圖案的變形程度，可以計(jì)算出物體表面每個(gè)點(diǎn)的深度信息。其作用是：將三維形狀信息編碼到二維的光圖案中，然后通過分析圖案的變形來解算出物體的三維結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)雙目立體成像中復(fù)雜的視差計(jì)算。4.解析思路：選擇成像參數(shù)需綜合考慮測量目的和樣品特性。1）視場（FieldofView,FOV）：根據(jù)需要觀察的樣品區(qū)域大小選擇，確保目標(biāo)物體完全處于視場內(nèi)。2）分辨率（Resolution）：需根據(jù)要分辨的細(xì)節(jié)尺寸選擇。空間分辨率由相機(jī)像素、物鏡數(shù)值孔徑等決定；軸向（深度）分辨率受光源相干性、探測深度范圍等影響。高分辨率需要高成本和可能的挑戰(zhàn)（如較淺景深）。3）景深（DepthofField,DOF）：指圖像中保持清晰的三維深度范圍。對于形貌復(fù)雜的樣品，需要足夠大的景深或采用分層掃描策略。參數(shù)選擇需平衡成像范圍、細(xì)節(jié)精度和測量效率。四、論述題1.解析思路：論述需涵蓋原理、步驟和應(yīng)用。原理：利用立體成像獲取樣品表面或內(nèi)部各點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x,y,z）。步驟：1）選擇合適的立體成像技術(shù)（如雙目、結(jié)構(gòu)光、OCT等）和系統(tǒng)。2）對樣品進(jìn)行成像，獲取一系列二維圖像或直接獲取三維數(shù)據(jù)。3）進(jìn)行圖像預(yù)處理（去噪、增強(qiáng)）。4）應(yīng)用三維重建算法（如三角測量、匹配等）計(jì)算所有點(diǎn)的三維坐標(biāo)，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)或體數(shù)據(jù)。5）使用三維可視化軟件對重建結(jié)果進(jìn)行展示和分析（如測量高度、體積、表面粗糙度等）。應(yīng)用舉例：1）生物樣品：觀察細(xì)胞形態(tài)（如紅血球、神經(jīng)元）、測量組織切片厚度、研究微生物群體生長。2）材料科學(xué)：分析晶體生長形態(tài)、測量粉末顆粒尺寸分布、檢測薄膜厚度和表面形貌。3）化學(xué)過程：監(jiān)控反應(yīng)中固體產(chǎn)物的形貌變化、測量液滴大小和動(dòng)態(tài)行為。2.解析思路：論述需說明聯(lián)用優(yōu)勢（信息互補(bǔ)、功能增強(qiáng)）和挑戰(zhàn)（技術(shù)復(fù)雜度、數(shù)據(jù)處理難度）。優(yōu)勢：1）提高信息維度：立體成像提供空間位置信息（x,y,z），光譜技術(shù)提供物質(zhì)成分或狀態(tài)信息（如熒光強(qiáng)度、吸收光譜），兩者結(jié)合可獲得樣品在每個(gè)空間點(diǎn)上的成分和形態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)“形-物”關(guān)聯(lián)。2）原位、原味分析：可在樣品保持原始狀態(tài)下，同時(shí)觀察其三維形態(tài)和內(nèi)部特定組分（如標(biāo)記的分子）的信息。3）增強(qiáng)表征能力：例如，通過立體OCT結(jié)合熒光光譜，可以不僅能看到血管的三維結(jié)構(gòu)，還能區(qū)分血管壁、血液和周圍組織。挑戰(zhàn)：1）系統(tǒng)復(fù)雜度：需要集成兩種或多種技術(shù)平臺，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。2）數(shù)據(jù)同步與配準(zhǔn)：保證空間成像和光譜采集在空間上精確對準(zhǔn)，時(shí)間上同步進(jìn)行是難點(diǎn)。3）數(shù)據(jù)處理：需要開發(fā)能夠同時(shí)處理三維結(jié)構(gòu)和多維光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析方法。4）信噪比與穿透深度：光譜信號可能被三維結(jié)構(gòu)信息淹沒，或受限于樣品對光的穿透深度。五、計(jì)算題（1）解析思路：利用相似三角形關(guān)系。物體點(diǎn)P、C1、C2構(gòu)成一個(gè)三角形，P、C1、P'構(gòu)成一個(gè)三角形，P、C2、P''構(gòu)成一個(gè)三角形。兩個(gè)小三角形與物體點(diǎn)P、C1、C2構(gòu)成的三角形相似。因此，深度比等于基線比除以視差比。Z2/Z1=B/(p/f)。代入數(shù)值計(jì)算：Z2=Z1*(B/(p/f))=50mm*(10cm/(0.5mm/5mm))=50mm*(10/0.1)=50mm*100=5000mm=5m。（2）解析思路：使用放大率公式。放大率m=視場尺寸/物體實(shí)際尺寸=-f/Z。對于C1和C2，m1=-f/Z1，m2=-f/Z2。圖像尺寸W1=W*m1，W2=W*m2。已知W=1mm,f=5mm,Z1=50mm,Z2=5m=5000mm。m1=-5mm/50mm=-0.1。W1=1mm*(-0.1)=-0.1mm。m2=-5mm/5000mm=-0.001。W2=1mm*(-0.001)=-0.001mm。取絕對值，W1=0.1mm，W2=0.001mm。注意負(fù)號表示圖像倒立。計(jì)算結(jié)果：（1）Z2=5m（2）W1=0.1mm,W2=0.001mm六、（設(shè)計(jì)/分析）題解析思路：選擇技術(shù)需考慮分辨率需求、樣品特性（透明、內(nèi)部結(jié)構(gòu)）、測量目標(biāo)。亞微米級內(nèi)部粒子對分辨率要求很高，透明樣品允許使用內(nèi)部成像技術(shù)。OCT（尤其是高分辨率OCT）是理想選擇，因?yàn)樗诟缮嬖?，具有高軸向分辨率（微米級），且對透明介質(zhì)穿透深度較好。設(shè)計(jì)步驟：1）技術(shù)選擇：選擇高分辨率光譜OCT系統(tǒng)。2）實(shí)驗(yàn)參數(shù)：*光源：選擇中心波長合適（如1050nm或1310nm）且相干長度足夠短的高功率超連續(xù)譜光源以獲得高軸向分辨率。*探測器：高靈敏度、足夠帶寬的CCD或CMOS探測器。*物鏡：高數(shù)值孔徑（NA）物鏡以獲得高橫向分辨率。*成像模式：根據(jù)粒子尺寸和分布，選擇合適的掃描策略（如A-line掃描速度、B-scan/B-volume范圍、Z軸掃描步長）。*樣品臺：精確的樣品移動(dòng)平臺，用于三維掃描。*環(huán)境：避光暗室，控制環(huán)境振動(dòng)和溫度。3）數(shù)據(jù)處理步驟：*數(shù)據(jù)采集：獲取一系列OCTA-line或B-scan圖像，組成三維數(shù)據(jù)集。*信號處理：進(jìn)行