信息光學(xué)-chap p講義作者

信息光學(xué)講義：《信息光學(xué)》作者 蘇顯渝，科學(xué)主講：王克逸k

TP:要求背景知識(shí)：普物光學(xué)數(shù)理方法History

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克利:

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ofoptics20世紀(jì)以前的光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)

20世紀(jì)的光學(xué)

21世紀(jì)的光學(xué)21世紀(jì)

將是光子的世紀(jì)

古典光學(xué)現(xiàn)代光學(xué)光子時(shí)代的到來(lái)20世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)新學(xué)科紫外光學(xué)、X射線光學(xué)、微光夜視、紅外光學(xué)可見(jiàn)光X射線

紫外

近紅外

中紅外

遠(yuǎn)紅外1、光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展波段：向兩端擴(kuò)展波長(zhǎng)：?jiǎn)紊?、相干性研究方?/p>

激光器

激光全息光強(qiáng)：?jiǎn)喂庾?激光光源 星際光源20世紀(jì)光學(xué)的

主要特點(diǎn)1、光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展研究對(duì)象：宇宙、宏觀、介觀、微觀研究方向

宏大光學(xué)

微小光學(xué)研究方向

天文光學(xué)

納米光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡空間尺度：百億光年微透鏡單原子尺度，介觀尺度時(shí)間尺度：天文時(shí)間 原子反應(yīng)時(shí)間（10-15

秒）研究方向靜態(tài)光學(xué)如超快速現(xiàn)象瞬態(tài)光學(xué)納秒、

皮秒、飛秒

阿秒20世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)2、應(yīng)用功能的擴(kuò)展光機(jī)電算材光學(xué)精密機(jī)械電子材料計(jì)算機(jī)現(xiàn)代精密儀器：多功能、高效率光、機(jī)、電、算技術(shù) ：自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化光學(xué)工程——綜合技術(shù)學(xué)科20世紀(jì)光學(xué)的

主要特點(diǎn)3、研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、放大鏡等傳統(tǒng)光學(xué)：研究現(xiàn)代光學(xué)：擴(kuò)展到光子已不僅是作為信息傳遞

段，幫助人類認(rèn)識(shí)世界光子也能改變物質(zhì)的形態(tài)，

幫助人類改造世界激光核科學(xué)技術(shù)光探測(cè)器全息航空航天圖象處理微光光纖與光纖通信圖象融合光集成光信息處理靈巧結(jié)構(gòu)光計(jì)算機(jī)器人視覺(jué)等等激光核聚變:神光II裝置載人航天飛行:神舟風(fēng)云II號(hào)氣象2.16m反射望遠(yuǎn)鏡微光夜視技術(shù)全息防偽技術(shù)4、應(yīng)用范圍的擴(kuò)展空間20世紀(jì)光學(xué)的

主要特點(diǎn)能源材料微電子生物工程醫(yī)療環(huán)境保護(hù)遙感計(jì)量通信印刷核技術(shù)生態(tài)環(huán)境防災(zāi)農(nóng)業(yè)精密加工資源保護(hù)軍事信息科學(xué)遙測(cè)生命科學(xué)化學(xué)工程機(jī)械領(lǐng)域：激光加工：打孔、切割、焊接、表面處理激光光刻、激光微細(xì)加工、X射線光刻能源領(lǐng)域：——空間能電池、激光核聚變的能源，地球能源光電子光電子成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的主角光纖通信：以低損耗石英光纖和半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)，成為 通信的主體和方向

顯示技術(shù)：液晶大屏幕顯示成為下一代電視的主流;圖像顯示和

設(shè)備：激光照排、印刷、分色、打印、復(fù)印、傳真，——

構(gòu)成龐大印刷產(chǎn)業(yè)成像和探測(cè)領(lǐng)域

CCD等數(shù)字圖像設(shè)備：掃描儀、傳真機(jī)、攝象機(jī)、攝錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)……使光信息數(shù)字化;光電子成像器件和探測(cè)器可以涉及到不可見(jiàn)光（微光和紅外）光信息科學(xué)光是最重要的信息載體，人類感官接收客觀世界總信息量的90%以上通過(guò)眼睛采集傳輸處理存儲(chǔ)速度超大容量信息時(shí)代對(duì)提出更高要求信息光子技術(shù)的優(yōu)越性20世紀(jì)光學(xué)的主要特點(diǎn)響應(yīng)速度快以光速30萬(wàn)

km

/

s（3x108

m

/

s）電信號(hào)傳輸速度：105

m/s電子開關(guān)速度：10-9

s光開關(guān)速度：飛秒（FS）10-15s對(duì)比光子技術(shù)的優(yōu)越性能力強(qiáng)不受外界電磁場(chǎng)干擾相互間幾乎不干擾可共用一個(gè)空間，不“串音”電子受外界電磁場(chǎng)干擾RC問(wèn)題滯后效應(yīng)對(duì)比光子技術(shù)的優(yōu)越性處理速度快電子在電線里傳輸串行傳輸：“瓶頸”問(wèn)題并行傳輸：由于線徑影響出現(xiàn)RC問(wèn)題對(duì)比光子可在 空間可在波導(dǎo)內(nèi)并行傳輸并行處理速度快二維圖像處理，更快、更優(yōu)傳輸容量大對(duì)比光子技術(shù)的優(yōu)越性高密度

大容量三傳輸高帶寬？？？一根光纖可同時(shí)傳送多少路106

—— 108路美、日103

路1

路彩電信號(hào)1012

bits

/s

（Tb/s）一路微波通道，傳送或：超大容量傳輸系統(tǒng)21世紀(jì)投入使用密度大光子技術(shù)的優(yōu)越性海量例1200mm雙面光盤，2.4mm厚可

2部 的全部聲、像信息例2全息1cm3

光折變晶體1萬(wàn)幅二維圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)到10Gbit計(jì)算機(jī)控制，快速全息信息空間光調(diào)制器探變換透鏡參考光束信號(hào)光束激光器待的信息記錄介質(zhì)中國(guó)的光學(xué)(光子學(xué))已經(jīng)對(duì)高科技、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活產(chǎn)生了影響?？梢灶A(yù)期，光學(xué)（光子學(xué)）在21世紀(jì)將會(huì)像20世紀(jì)的電子學(xué)（微電子學(xué)）那樣大發(fā)展。讓

一起為迎接光學(xué)（光子學(xué)）方面的重大突破而歡呼吧！-這一代人將成為最有希望的力量是一支強(qiáng)大的生力軍認(rèn)識(shí)光,駕馭光發(fā)展光學(xué)參考書：1. <

從波動(dòng)光學(xué)到信息光學(xué)>

， ，科學(xué)高級(jí)科普讀物，適合于光學(xué)背景弱或想盡快了解信息光學(xué)全貌?？商岣邔W(xué)習(xí)趣味;;<近代光學(xué)信息處理

>，

，

J.W.Goodman,Introduction

to

FourierOptics,Mcgraw- Hill,NewYork,1968.

A.W.

著（ 、金國(guó)藩）;光學(xué)信息處理，

，1987;[美]楊振寰著（母國(guó)光、羊國(guó)光、莊松林譯）光學(xué)信息處理， 大學(xué)

，1986;麥偉麟著,光學(xué)傳遞函數(shù)及其數(shù)理基礎(chǔ)，國(guó)防工業(yè)，1979。信息光學(xué)的發(fā)展光學(xué)發(fā)展經(jīng)歷了幾百年幾何光學(xué)波動(dòng)光學(xué)(Chistain

Huygens

1629-1695)菲涅耳(Augustin

Jean

Fresnel

1788-1827)夫瑯禾費(fèi)已形成了完整的―――電磁波―――光量子以及與理論配套試驗(yàn)方法。信息光學(xué)經(jīng)歷40年的發(fā)展，已形成較為完整的學(xué)科。信息光學(xué)產(chǎn)生于三件大事1948年全息術(shù)誕生，獲得全息圖；1955年提出“光學(xué)傳遞函數(shù)”概念，用于評(píng)價(jià)光學(xué)鏡頭質(zhì)量；1960年激光器誕生，出現(xiàn)了有高度相干性的光源。構(gòu)成了信息光學(xué)的基礎(chǔ)。而透鏡的傅里葉變換效應(yīng)則構(gòu)成了信息光學(xué)的理論框架。信息光學(xué)研究物體的衍射行為規(guī)律，標(biāo)量衍射理論是本課的理論基礎(chǔ)。該理論有其特定的適用范圍（空間上）。包括菲涅耳衍射

夫瑯禾費(fèi)衍射該理論要求接收面離物較遠(yuǎn)z>>.在近距離（～

）上，光與物質(zhì)相互作用可用矢量衍射理論或電磁場(chǎng)理論處理。例如BPM、FDTD法。在以后的微光學(xué)課程中介紹。傅里葉光學(xué)是一

系完整的學(xué)科。有完整的數(shù)學(xué)描述，

表達(dá)式中各部分有明確的物理意義。在信息光學(xué)中，從“空域”“空間坐標(biāo)系”觀念對(duì)圖像的描述過(guò)渡到用“頻域”或“頻率坐標(biāo)系”描述。開辟了。由傳統(tǒng)的波動(dòng)光學(xué)，在引入傅里葉變換后，形成了新的學(xué)科――信息光學(xué)（或傅里葉光學(xué)）。光學(xué)信息處理特點(diǎn)是高度并行、大容量、高速。透鏡的傅里葉變換特性可視為模擬計(jì)算機(jī)（與數(shù)字計(jì)算機(jī)類比）全息記錄、 過(guò)程是整頁(yè)進(jìn)行（3）圖像處理、圖像識(shí)別本課重點(diǎn)講授一、二、三、五、、十章本課學(xué)完后可以對(duì)光學(xué)現(xiàn)象有一個(gè)新認(rèn)識(shí)。衍射場(chǎng)計(jì)算；透鏡成像本質(zhì)；顯微鏡分辨本領(lǐng)，改進(jìn)方法。新成像技術(shù)；共焦、近場(chǎng)、暗場(chǎng)、相位顯微鏡…；圖像識(shí)別；識(shí)別）；圖像處理原理,光學(xué)傳感器（6．理解高級(jí)光學(xué)儀器原理；遙感技術(shù)――――成像光譜儀工業(yè)檢測(cè)――――細(xì)絲測(cè)量

軍事技術(shù)――――相關(guān)器科研儀器――――傅里葉變換光譜儀、光學(xué)顯微鏡日常生活――――相機(jī)使用當(dāng)前信息光學(xué)的前沿課題有：(王大絎）圖像特 息的提取