光學工程以後的發展如何？

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這個我來。本人一枚女，光學工程碩士，畢業迄今已六年半。我猜測你可能正在學這個專業，想知道這個專業在就業上，發展上有沒有空間，所以我暫時按照我的思路來回答。光學工程很寬泛，還有很多細分，我就將我知道的一一道來。1)光學設計zemax，應用光學要搞懂，要不然你咋設計各種成像設備？什麼相機啦，望遠鏡啦，熱成像儀啦; 2)光學薄膜，膜系設計軟體你得會用撒，別該透的時候不透，該反的時候瞎透，將來去深圳廣州一帶，您就先去開幾百萬的鍍膜機，如果自己能撈到軍方的項目，年薪30萬也不是夢撒;3)顏色處理，電腦裡面照片美美的，可是列印出來總感覺缺點啥，這樣就輪到你上場啦，總得有人想辦法校正色差，將各設備的色域映射一番撒，當然，白光還分紅橙黃綠藍靛紫，所以一定的顏色對應一定的光譜，你也可以去設計各種外光譜成像儀，神馬紅外啦，紫外啦; 如果懷抱遠大的理想，那麼還可以去印刷學院做一名優秀的人民教師; 4)自適應光學，我暈，這是我的專業呀！這個就業麵灰常窄，知道啥叫自適應波？就是各種光學設備自己調整狀態到最佳，是的，完全不需要人的介入呢，你說拍個照，人還調個光圈焦距啥的，自適應設備就不用啦，至少我學的時候是用在太空望遠鏡上，把望遠鏡往拉格朗日點一放，設備就自己玩去吧，沒人啥事兒了，nasa的jwst就是這樣設計的，當年航天x院就沒要我，嫌我是外地的還是女的…………; 5)做全息的嘛，圓明園的電腦恢復圖貌似就是這種技術吧，具體不清楚，因為沒混那個實驗室，但是有耳聞; 6)光學檢測，利用光學的手段來檢測一些器件，隔壁實驗室，算實用性比較強的專業; 7)光學感測，我暫且把光纖感測歸入其中，神馬光柵，陀螺，水聽器，畢竟智慧中國旗號再震，也得前端數據採集不是？？7)學激光的，那就應用更多了，激光焊接，激光雕刻，更別提激光武器鳥………，額，貌似說了不少，總結幾句:::::1)國內光學工程人不少，可應用光學，物理光學啃透的人真不多，換句話說，優秀的光學工程師相當少，我那從弗吉利亞回國的朋友說國內光學工程畢業生素質欠國外若干若干若干; 2)我誤打誤撞進入這個專業，現在卻在感謝我學的專業，因為不管是工作還是生活，哪裡都有光的影子，將筷子插在水杯里，筷子看起來像是折斷了是波，那個時候你是不是可以得瑟一下？彩虹出來你就更可以得瑟啦，甚至買上裝備，讓他們天天看彩虹，有木有？脖子上挎的相機，帶投影的手機，在橋樑上檢測的全站儀，電視上鋪天蓋地的激光整形美容，電視上看到美國的設備探出誰家的潛艇又在哪兒活動，blablabla，哪個能脫離光學？3)學過光學工程的同學們對各種高端設備的工作原理都能說個大概，親們還真別不服，一般高端設備都是非常好的光學設備; 4)但是不要以為學過光學就很牛叉，未來的世界是光機電一體化，光學補充了我們的視覺，可並不是看到就完了，看到之後做分析，做控制才有系統性; 5)希望學弟學妹們好好學習光學，我有沒有說，其實我畢業後做的是市場～～～

複製自己以前寫的光學在生命科學中的應用，你就可以光學的光明未來。

光學的開發和應用幫助現代醫學和生命科學進入了快速發展階段，如微創手術，激光治療，疾病診斷，生物學研究，DNA分析等。

本篇文章將2個應用部分來簡述光學（不包括X-Ray）在生命科學領域的作用：手術和葯代動力學和診斷學。

手術和葯代動力學

光學在手術和葯代動力學中的作用主要表現在兩個方面：激光和體內照明及成像。

1.1 激光作為能量源的應用

激光治療的概念在上世紀60年代被引入眼科手術。當不同種類的激光和其特性被認識之後，激光治療被快速的擴展到其他領域。

不同的激光光源（氣體，固體等）可以發出脈衝激光（Pulsed Lasers）和連續激光（Continuous wave），對人體不同組織產生的作用也不同。這些光源主要有：脈衝紅寶石激光器（Pulsed ruby laser）；連續氬離子激光器（CW argon ion laser）；連續二氧化碳激光器(CW CO2)；釔鋁石榴石（Nd:YAG）激光器。因為連續二氧化碳激光器和釔鋁石榴石激光器在切割人體組織的時候有凝血作用，在一般手術中應用最為廣泛【1】。

應用在醫療上的激光波長一般大於100 nm。不同波段的激光在人體不同組織中的吸收作用被用來拓展其在醫療的應用，比如當激光波長大於1um時，水是首要的吸收物。激光不僅能在人體組織吸收中產生熱效應，用於手術切割和凝固，而且還能產生機械效應。尤其在人們發現激光的非線性機械效應後，如產生空化泡（Cavitation bubbles）和壓力波（Stress waves），激光就被應用於光致破裂（Photodisruption）技術，比如內障手術和腎結石碎化手術。激光還可以產生光化學效應，引導具有光敏介質的癌症藥物對特定組織區域釋放藥效，如PDT療法。激光結合葯代動力學在精準醫療領域有非常重要的作用【2】。

基於激光的熱效應，機械效應，光化學效應和電磁場效應，不同激光源在臨床手術中有以下應用（不限）【3】：

激光在一些主要的臨床手術中的應用機制如下：

眼科屈光手術-視覺矯正（Laser Refractive Surgery）【4】

心血管成形術-血管舒通(Laser Angioplasty)【5】

美容外科手術-皮膚修復 (Laser Skin Resurfacing)【6】

泌尿外科手術-膽結石碎石術(Holmium Laser Stone Surgery)【7】

微創腫瘤切除術-腦瘤切除 (Stereotactic Laser Ablation)【8】

光動力療法（PDT）-癌症靶向藥物 (Photodynamic Therapy)【9】

光動力療法原理：特定波長的激光照射處於人體目標區域的光敏劑，使其受輻射激發。而激發態的光敏劑又把能量傳遞給周圍的氧，生成活性很強的單態氧，單態氧和相鄰的生物大分子發生氧化反應，產生細胞毒性作用，進而導致目標細胞受損乃至死亡。

1.2 光作為體內照明和成像工具的應用

自從上世紀90年代CCD（Charge-Coupled

Device）相機被引入微創手術（Minimally Invasive Therapy, MIT）,光學在手術應用中有了質的變化。光在微創和開放手術中的成像作用表現形式主要有內窺鏡，微成像系統和手術全息成像等。

柔性內窺鏡 (Flexible Endoscope)，包括胃腸鏡，十二指腸鏡，結腸鏡，血管鏡等。

內窺鏡光路包括照明和成像兩套獨立配合的系統【10】。

剛性內窺鏡 (Rigid Endoscope)，包括關節鏡，腹腔鏡，胸腔鏡，腦室鏡，宮腔鏡，膀胱鏡，耳鼻鏡等。

剛性內窺鏡一般只有幾種固定的光路角度可選，如30度，45度，60度等【11】。

微型體內相機，以微型CMOS和CCD為技術平台的成像設備。比如一種膠囊式內鏡，

PillCam。它可以進入人體的消化系統檢查病變以及監測藥物效果【12】。

手術全息顯微鏡，一種在精密型手術中用於觀察細微組織的3D圖像的成像設備，比如用於開顱的神經手術中【13】。

醫學診斷應用

光學檢測因無創性和精準性等特點，已經成為醫學診斷領域定性和定量判斷的最重要的技術之一。該領域的光探測技術原理包括吸光度（absorbance），熒光效應(fluorescence)，化學發光(chemiluminescence)，干涉度量(interferometry)，拉曼散射（Raman scattering）和表面等離子共振等 (surface plasmon resonance)。

根據以上原理，基於不同光譜波段的光學診斷和分析儀器如下圖所示。

本章分主要簡述光在醫學診斷和分析領域的應用：血液監測 和腫瘤檢查-光活檢。

血液監測 (Blood Monitoring)

血液中不同的粒子/分子對特定波長光的反射和吸收程度不同。一般來說，監測血液中目標成份的儀器採用的發射光譜集中在紅光和紅外光。

血氧儀（Pulse Oximeter），要測量脈率、血氧飽和度、灌注指數（PI）。其工作原理如下圖。指夾的一端有兩隻二極體，分別釋放波長為660納米的紅光束和 910或者940納米紅外光束，另一端是光接收器。在血氧測量時，通過檢測還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白對不同波長的光吸收的區別，所測出來的數據差就是測量血氧飽和度最基本的數據。

血氧儀工作原理【1】

無創血糖儀（Non-Invasive Glucose Monitor）。紅外線照射人體時，與血糖無關的人體組織，如皮膚、骨骼、肌肉、水等將吸收大部分紅外線、余少量代表血糖特徵的反射紅外線，為血糖特徵頻譜信號，可用來計算血糖值。但是，血液中葡萄糖信息較微弱，且血液成分複雜而造成強吸收成分干擾。目前基於紅外技術的血糖儀在穩定性和檢測精度上依然有著巨大挑戰，

而一直都沒有達到美國FDA等認證的臨床要求。

英國無創血糖儀Gluco-Wise（研發階段）【2】

激光多普勒血流計(laser Doppler Velocimeter)。根據多普勒效應，當激光照射到血流內的粒子時，激光被運動粒子散射，利用散射光頻率和入射光頻率相比較得到的多普勒頻移正比於流速的原理，來測量血流量。

激光多普勒應用原理【3】

基於POCT（床邊診斷）的需求，更多的攜帶型血液監測儀器正被研發和投入到使用中，比如有利用乳膠微球的反射效應而專門監測血液茶鹼含量的儀器。

腫瘤檢查 –光活檢(Optical Biopsy)

光活檢通過分析光和組織的相互作用，在體或離體地為臨床組織病理學提供一種無損、實時、精確和客觀的與人體組織狀態的有關信息。

相對於CT 等影像技術，光活檢具有以下優勢：非輻射性；對軟組織早期生化和癌病變（尤其是非佔位性病變）更敏感，解析度更高；實時或近實時性；使用便捷，禁忌少；費用相對低。

目前發展的光活檢技術主要包括：光學相干斷層掃描（optical coherence tomography,OCT）、近紅外成像( Near Infrared Spectroscopy, NIRS)、擴散光斷層掃描（diffuse optical tomography,DOT）、光聲斷層掃描（Photoacoustic tomography, PAT)、熒光成像（fluorescence )、拉曼成像（Raman scattering ）等。

光學相干斷層掃描儀（OCT）利用弱相干光干涉儀的基本原理，通過改變掃描頻率或掃描距離，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的背向反射或幾次散射信號，可得到生物組織二維或三維結構圖像。目前OCT分為兩大類：時域 TD-OCT和頻域 FD-OCT。時域OCT是調整參照反光鏡深度或角度，把在同一時間從組織中反射回來的光信號與參照反光鏡反射回來的光信號疊加、干涉，然後成像。頻域OCT的特點是參考臂的參照反光鏡固定不動，通過改變光源光波的頻率來實現信號的干涉。其主要應用於眼科，軟組織病理（早期癌病變）及腦部手術介導。

眼科OCT成像示意圖【4】

近紅外成像儀（NIRS）利用探測儀測量目標本身與背景間的紅外線差可以得到不同灰度梯度的圖像。儀器波長範圍一般為0.78—2.0微米，其發射光可穿透身體而不被水和血紅蛋白強烈吸收。NIRS在醫學診斷上的主要應用是根據對微循環中血紅蛋白氧飽和度的敏感度對人體外周組織的成像。尤其，NIRS被廣泛應用在大腦血流成像上(一般會先注射吲哚菁綠ICG)和EEG研究，以及心臟、乳房、前列腺、皮膚等癌症輔助診斷和手術上。兒科心臟手術也開始採用NIRS實時監控靜脈需氧飽和度。另外，NIRS也被應用於血液樣品等實驗室檢驗分析。

紅外成像儀下的非正常組織【5】

熒光成像儀（FS)根據熒光效應而發展的成像技術：原子核外電子受到激發從基態So躍遷到激發態Si後，會通過非輻射躍遷的方式快速降落在最低振動能級，隨後由最低振動能級回到基態，以光子輻射的形式釋放出能量，具有這種性質的出射光稱為熒光。熒光成像的理論基礎是人體組織的熒光物質被激發後所發射的熒光信號的強度在一定的範圍內與熒光素的量成線性關係。其主要應用於腫瘤疾病的檢測和診斷，且因其高解析度和操作便捷性及費用低，已經在軟組織腫瘤診斷中越來越多的應用。另外熒光成像還用於蛋白質、金屬離子的檢測，藥物新劑型研究（下篇文章詳述）。

人體分子的吸收和熒光光譜【6】

熒光成像在腫瘤檢查中的應用【7】

紅外II區間光下的癌細胞（綠色熒光粒子）【8】

擴散光斷層掃描儀（DOT）是一種面向厚組織體的利用紅外組織光譜技術NIRS（光波長600nm-900nm）或熒光效應，通過探測透過生物組織的三種光（彈道光、蛇行光和擴散光)，結合光子輸運模型、圖像重建技術和擴散光測量系統獲得三維組織圖像的技術。其的應用領域只要為乳腺成像-早期癌症篩查，腦成像，軟組織內窺等。

高密度DOT 【9】

拉曼成像儀（RSS）是基於拉曼效應的儀器：激光與化學鍵/晶格相互作用而發生非彈射散射，導致激光能量增加或損失，即為拉曼光譜。因每種分子的拉曼光譜都是唯一的（分子指紋），所以通過拉曼光譜可對生物分子進行定性和定量分析。在醫學上，共焦激光（兩束滿足共振條件的激光和斯托克斯光）顯微鏡應用最為廣泛。

拉曼成像用於組織成像【10】

光聲斷層掃描（PAT）是一種結合了純光成像的高對比度和純超聲成像的高穿透深度特點，以超聲作為媒介，利用光生效應（短脈衝如10nm激光照射到生物組織被快速吸收而膨脹，產生壓力波）的生物光子成像方法。

光聲斷層掃描示意圖【11】

因各成像技術的原理不同，其技術參數和應用的場景也不同，如下圖【12】

相對於近年來最為主流的醫學成像技術CT、MRI、超聲等，光成像技術因解析度高，操作便捷，限制應用條件少，非輻射性，價格低等快速發展並在一些診斷領域成為主要手段。

下一章，體外診斷-生物信息分析。

參考資料：

【1】Pulse Oximeter，www.acuclinic.com.au

【2】Gluco-wise, www.gluco-wise.com

【3】Laser Doppler Velocimeter, www.osapublishing.org

【4】Optical Coherence Tomography/Vision science and advanced retinal imaging labroratory, www.vsri.uc.ucdavis.edu

【5】Thermography /lotus path wellness center, www.lotuspathwellness.com

【6】Optical biopsy for cancer detection,Yang Pu,DOI: 10.1533/9780857097545.3.325

【7】Aus der Forschung:Neue Bildgebungstechnik macht krebszellen wahrend OP sichtbar, www.bio-m.org

【8】《細胞》：2016年MIT最美醫學研究影像， www.weixinnu.com

【9】Bioimaging：watching the brain at work,Robert J cooper, nature photonics

【10】Raman Spectroscopy for medical diagnostics-From in-vitro biofluid assays to in-vivo cancer detection, Kenny Kong, www.sciencedirect.com

【11】High-resolution photoacoustic tomography of resting-state functional connectivity in the mouse brain, Mohammadreza Nasiriavanaki, www.pnas.org

【12】Photoacoustic imaging in biomedicine,M.Xu, Review of scientific instruments, 2006

奉勸大家不要學光！！！重要事情說3遍，就業面窄，錢給的少！雙985學光的，不如學電的給的多！！！真話！我所在的光學工程專業也是全國前幾名的大學的排名非常靠前的，但是，沒有卵用，請你抓緊一切機會去學電！！！！，學電才有前途！！！重要事情我就不說3遍了，我們專業學光的，，要麼去做軟體，要麼去做演算法，其他的就是去什麼企業，都是小企業，大企業根本進不去，哎，真他媽的想爆粗口，說句難聽話，這個專業咋還不取消！？坑死人的專業，20年內根本看不見光好吧？

我就說說光學設計吧，軟體必須會用，這包括光學設計軟體zemax、tracepro、lighttools，和機械繪圖軟體，2D的3D的還有就是科學計算軟體matlab或mathcad

現在光學設計應用還是很廣泛的哦

請問有沒有Zemax軟體？

寬泛的問題得到寬泛的回答。。很好，求折

非常感謝啊臨近畢業對將來的研究僧生活真是各種不安啊還有就是我學的也是自適應光學

轉行

絕對有前途。