信息光学课件.ppt

1、信息光学 光学科学与技术的成果已深深渗透到我们光学科学与技术的成果已深深渗透到我们的生活中的生活中.-21世纪世纪 将是光子的世纪，光在信息科学将是光子的世纪，光在信息科学中将要发挥更大的作用中将要发挥更大的作用.王大珩王大珩(1915.2.262011.7.21)王大珩王大珩 两院院士两院院士 中国光学界公认的学术奠基人、中国光学界公认的学术奠基人、开拓者和组织领导者开拓者和组织领导者 20世纪世纪 是微电子的世纪是微电子的世纪;20世纪以前的光学世纪以前的光学古典光学古典光学传统光学传统光学 20世纪的光学世纪的光学传统光学传统光学现代光学现代光学 21世纪的光学世纪的光学光子时代的到来光

2、子时代的到来 21世纪世纪 将是光子的世纪将是光子的世纪 光学领域的扩展光学领域的扩展 应用功能的扩展应用功能的扩展 研究内容的扩展研究内容的扩展 应用范围的扩展应用范围的扩展新学科新学科紫外光学、紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学射线光学、微光夜视、红外光学X射线射线 紫外紫外近红外近红外 中红外中红外 远红外远红外可见光可见光 波段：波段：向两端扩展向两端扩展 波长：波长：单色性、相干性单色性、相干性 研究方向研究方向激光器激光器激光全息激光全息 光强：光强：单光子单光子 激光光源激光光源 星际光源星际光源 研究对象：研究对象：宇宙、宏观、介观、微观宇宙、宏观、介观、微观研究方向研究

3、方向宏大光学宏大光学微小光学微小光学天文望远镜天文望远镜微透镜微透镜研究方向研究方向天文光学天文光学纳米光学纳米光学 空间尺度：空间尺度：百亿光年百亿光年 单原子尺度，介观尺度单原子尺度，介观尺度 时间尺度时间尺度：天文时间天文时间 原子反应时间原子反应时间（10-15 秒）秒）研究方向研究方向静态光学静态光学 瞬态光学瞬态光学如超快速现象如超快速现象 纳秒、纳秒、皮秒、飞秒皮秒、飞秒光光机机电电材材光学光学精密机械精密机械电子电子材料材料现代精密仪器：现代精密仪器：多功能、高效率多功能、高效率 光、机、电、算、材光、机、电、算、材一体化一体化技术手段：自动化、技术手段：自动化、数字化、智能化

4、数字化、智能化望远镜、显微镜、放大镜等望远镜、显微镜、放大镜等 传统光学传统光学：研究研究 现代光学：现代光学：扩展到扩展到 光子已不仅是作为光子已不仅是作为信息传递信息传递的手段，帮助人类的手段，帮助人类认识世界认识世界光子也能光子也能改变物质的形态，改变物质的形态，帮助人类帮助人类改造世界改造世界.激光激光 核科学技术核科学技术 光探测器光探测器 全息全息 航空航天航空航天 图象处理图象处理 微光微光 光纤与光纤通信光纤与光纤通信 图象融合图象融合 光集成光集成 光信息处理光信息处理 灵巧结构灵巧结构 光计算光计算 机器人视觉机器人视觉 等等等等 4、应用范围的扩展、应用范围的扩展 许多学

5、科分支和方向 已形成大规模的产业 全世界光学和光（电）子学技术产业规模 1995年 达 700亿美元 2000年 达 1030亿美元 2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业形成5万亿美元的产业规模，2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业。光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。光电子光电子技术技术光电子成为信息产业的主角光电子成为信息产业的主角光电子成为现代产业的主角光电子成为现代产业的主角 机械领域：激光加工：打孔、切割、焊接、表面处理 激光光刻、激光微细加工、X射线光刻 能源领域：太阳能电池、激光核聚变 空间卫星的能源，地球能源光电子光电子技术

6、技术采采集集传传输输处处理理存存储储超高速度超大容量信息时代信息时代 对对 信息技术信息技术提出提出 更高更高 要求要求实例实例1弹头数量大于1000枚的情况 要求：在数分钟内完成五项功能1015 次次/秒秒要求达寻寻 的的识识 别别跟跟 踪踪发发 射射迎迎 击击计算速度计算速度实例实例2高智能机器人高智能机器人计算速度1015 次次/秒秒要求达学习联想推理识别记忆功能：形象形象声音声音气味气味感觉感觉感知:快速计算、快速反应、达到人脑人脑的水平目标：2003年2月23日报道v 日本 研制的 世界第一个机器人能行走，能认识10个人会握手、挥手、跟在人后面走关于关于现代机器人现代机器人结论电子系

7、统速度慢，现代机器人比不上 人响应响应速度快速度快光传播速度光传播速度30万万km/s (3*108 m/s)电信号传输速度：电信号传输速度：105 m/s电子开关速度：电子开关速度：10-9 s光开关速度：飞秒光开关速度：飞秒(fs)10-15 s对比对比抗干扰抗干扰能力强能力强 不受外界电磁场干扰不受外界电磁场干扰 相互间几乎不干扰相互间几乎不干扰 可共用一个空间，不可共用一个空间，不“串音串音”电子受外界电磁场干扰电子受外界电磁场干扰 RC问题问题 滞后效应滞后效应对比对比处理处理速度快速度快 电子电子 在电线里传输在电线里传输串行传输：串行传输：“瓶颈瓶颈”问题问题并行传输：并行传输：

8、由于线径影响由于线径影响 出现出现RC问题问题对比对比光子光子 可在自由空间传播可在自由空间传播 可在波导内传播可在波导内传播并行传输并行传输并行处理并行处理速度快速度快二维图像处理，更快、更优二维图像处理，更快、更优传输传输容量大容量大对比对比一根光纤可同时传送多少路电话？一根光纤可同时传送多少路电话？106 108 路路一路微波通道，传送一路微波通道，传送103 路电话路电话 或或1路彩电信号路彩电信号 美、日报道：超大容量传输系统美、日报道：超大容量传输系统 1012 bits/s（Tb/s）存储存储密度大密度大海量存储海量存储200mm双面光盘，双面光盘，2.4mm厚厚 可存储可存储

9、2 部电影的全部声、像信息部电影的全部声、像信息全息存储全息存储 数据存储密度的极限是几十数据存储密度的极限是几十TB/cm3计算机控制，快速存储计算机控制，快速存储光信息科学与光信息技术光信息科学与光信息技术据统计，人类感官接收到的客观世界总的信息据统计，人类感官接收到的客观世界总的信息量的量的90%以上要通过眼睛以上要通过眼睛.光学是研究光波传播规律的科学光学是研究光波传播规律的科学.光学又是研究光波与物质相互作用的科学光学又是研究光波与物质相互作用的科学.经典光学主要分为两部分经典光学主要分为两部分:几何光学和波动光学几何光学和波动光学.光学发展最快的时期还是二十世纪，尤其是二十光学发展

10、最快的时期还是二十世纪，尤其是二十世纪下半叶，光学作为物理学的一个分支，发生了深世纪下半叶，光学作为物理学的一个分支，发生了深刻的变化刻的变化.1)信息光学的诞生信息光学的诞生光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科.1)1948年，年，全息术全息术的发明，物理学家第一次精确地的发明，物理学家第一次精确地拍摄下一张立体的物体像，它几乎记录了光波所携拍摄下一张立体的物体像，它几乎记录了光波所携带的全部信息带的全部信息.2)1955年，科学家第一次提出年，科学家第一次提出“光学传递函数光学传递函数”的的新概念，并用它来评价光学镜头的质量新概念，并用它来评

11、价光学镜头的质量.3)1960年，一种全新的强相干光源年，一种全新的强相干光源激光器激光器的诞生的诞生.一门新的学科一门新的学科信息光学从传统的经典波动信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出光学中脱颖而出.由于激光器的应用，全息术获得了新的生命由于激光器的应用，全息术获得了新的生命.全息术和光学传递函数的概念结合，使光学研究全息术和光学传递函数的概念结合，使光学研究不再局限于用不再局限于用光强、振幅光强、振幅的空间分布来描述光学图像，的空间分布来描述光学图像，而把图像看作是由缓慢变化的背景、粗的轮廓等比较而把图像看作是由缓慢变化的背景、粗的轮廓等比较低的低的空间频率空间频率成分和急剧变化的细节

12、等比较高的成分和急剧变化的细节等比较高的“空间频率空间频率”成分构成的，用频率的分布和变化来描成分构成的，用频率的分布和变化来描述光学图像述光学图像.信息光学信息光学又称又称傅里叶光学傅里叶光学，它是，它是应用光学应用光学、计计算机和信息科学算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学相结合而发展起来的一门新的光学学科，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代学科，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心光学的核心.信息光学的特点信息光学的特点：引用通信和信息理论中的普：引用通信和信息理论中的普遍概念和思想阐述光学现象，使光学和通信信息理遍概念和思想阐述光学现象，使光学和通信信息理论相结

13、合，光学和信息科学相互渗透论相结合，光学和信息科学相互渗透.光信息科学与技术的基础是傅里叶光学光信息科学与技术的基础是傅里叶光学(通常通常称之为信息光学称之为信息光学).在光学工程、光学仪器检测、模式识别、图像处在光学工程、光学仪器检测、模式识别、图像处理、显示、传感器、通信、数据处理和成像系统等理、显示、传感器、通信、数据处理和成像系统等领域有许多应用领域有许多应用.信息光学中采用信息光学中采用傅里叶分析傅里叶分析和和线性系统理论线性系统理论分析分析光波的传播、衍射和成像现象，将光学系统看成是光波的传播、衍射和成像现象，将光学系统看成是收集和传输信息的系统，把光学现象用通信和信息收集和传输信

14、息的系统，把光学现象用通信和信息理论进行阐述，因而信息光学是信息科学的一个重理论进行阐述，因而信息光学是信息科学的一个重要部分要部分.2)光学信息及其特点光学信息及其特点光学信息是指光学信息是指光波的强度、复振幅、相位、色光波的强度、复振幅、相位、色彩、偏振态彩、偏振态等内容等内容.光学信息处理，指的是光学信息处理，指的是光学图像的产生、传递、光学图像的产生、传递、探测和处理探测和处理，即对已获得的信息进行加工或变换，即对已获得的信息进行加工或变换，以达到提取所需信息的目的以达到提取所需信息的目的.光学信息处理具有光学信息处理具有高度并行高度并行、大容量大容量的特点的特点.近近年来，这一学科发

15、展很快，理论体系已日趋成熟、年来，这一学科发展很快，理论体系已日趋成熟、完整，成为信息科学的重要分支，在一些领域中逐完整，成为信息科学的重要分支，在一些领域中逐渐进入实用阶段渐进入实用阶段.3)光信息科学与光信息技术分类光信息科学与光信息技术分类 按照光波的相干性、光源的单色性、处理系按照光波的相干性、光源的单色性、处理系统是否线性等方面，光学信息处理通常分为统是否线性等方面，光学信息处理通常分为相干相干处理处理和和非相干处理非相干处理、单色光处理单色光处理和和白光处理白光处理、线线性处理性处理和和非线性处理非线性处理等等.这些处理方法是在空间这些处理方法是在空间域进行还是在频率域进行，又分为

16、域进行还是在频率域进行，又分为空间域处理空间域处理和和频域处理频域处理.4)光学信息和通信光学信息和通信通信系统和成像系统都是用来通信系统和成像系统都是用来收集或传递信息收集或传递信息的的.前者处理的信息一般是前者处理的信息一般是时间性时间性的，而后者处理的的，而后者处理的信息则是信息则是空间性空间性的，但从抽象观点来看，这一的，但从抽象观点来看，这一差别差别并非实质并非实质的的.都可以用同样的数学方法都可以用同样的数学方法傅里叶分析傅里叶分析和和“系统系统”理论理论来描写各自有关的系统来描写各自有关的系统.采用相同的数学方法的采用相同的数学方法的根本原因不只是由于两门学科都对根本原因不只是由

17、于两门学科都对“信息信息”感兴趣，感兴趣，而更在于通讯系统和成像系统都具有某些相同的基本而更在于通讯系统和成像系统都具有某些相同的基本性质性质.许多电子学网络和成像装置都具有许多电子学网络和成像装置都具有线性和不变性线性和不变性.任何具有这两种性质的网络或装置任何具有这两种性质的网络或装置(电子学的、光学的电子学的、光学的或其他或其他)，在数学上都很容易用，在数学上都很容易用频谱分析频谱分析方法来描述方法来描述.某些非线性光学元件具有的输入输出关系，正类某些非线性光学元件具有的输入输出关系，正类似于非线性电子学元件的相应特性，并且类似的数学似于非线性电子学元件的相应特性，并且类似的数学分析方法

18、可以应用于两种情况分析方法可以应用于两种情况.数学结构的相似不但可用于分析的目的，而且也数学结构的相似不但可用于分析的目的，而且也可用于综合的目的可用于综合的目的.信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论信息光学的基本规律仍然没有超出经典波动理论的范围，它仍然以的范围，它仍然以波动光学原理为基础波动光学原理为基础.5)信息光学的研究方法信息光学的研究方法F1.将将信息科学信息科学中的中的线性系统线性系统理论引入光学理论引入光学;F2.把光学把光学成像成像看成是一种二维的图像看成是一种二维的图像信号的传输信号的传输 和处理系统和处理系统;F 3.由由空间域空间域扩展到扩展到空间频率域空间频率域，对光学成像系统，对光学成像系统 进行空间频谱分析进行空间频谱分析;F 4.光学系统的光学系统的单一成像单一成像功能扩展到功能扩展到二维信息二维信息处理处理.