文科物理課件：3光學(xué)與光電信息技術(shù)

第三章

光學(xué)與光電信息技術(shù)§3.1幾何光學(xué)§3.2波動光學(xué)§3.3光電信息技術(shù)2022/11/251第三章光學(xué)與光電信息技術(shù)§3.1幾何光學(xué)幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中，以光線為基礎(chǔ)研究光的傳播和成像規(guī)律的一個重要的實用性分支。幾何光學(xué)是當(dāng)光波的波長→0時的極限情況。能以其簡便的方法解決光學(xué)儀器中的光學(xué)技術(shù)問題。2022/11/252光線傳播的基本定律1、光線的直線傳播定律

2、光的獨立傳播定律

3、反射定律：確定光在反射過程中反射光線方向的定律。光在兩種媒質(zhì)的平滑界面上反射時，反射定律示意圖2022/11/253光線傳播的基本定律4、折射定律n’sini’=nsini全反射：i’=90°，此時光線按反射定律全部反射。臨界角：折射角正好為90°時的入射角ic

。在光導(dǎo)纖維中，光線就是靠一次次的全反射來傳播的。折射定律示意圖2022/11/254§3.2波動光學(xué)光的波動學(xué)說首先是惠更斯在1690年提出來的。他設(shè)想光的傳播類似水波、聲波。光振動所達(dá)到的每一點都可以看作次波的中心。次波的包絡(luò)面為傳播著的波陣面。波陣面上每一點又產(chǎn)生新的次波，依次繼續(xù)傳播。但這個原理只能說明光的折射和反射。到了1815年菲涅耳補(bǔ)充了惠更斯原理，即各次波到達(dá)某一點的作用，要考慮到次波間的位相關(guān)系。這補(bǔ)充能很好地說明光的衍射現(xiàn)象，稱惠更斯－菲涅耳原理。2022/11/255§3.2.1光的干涉一、干涉現(xiàn)象

光的干涉已經(jīng)廣泛地用于精密計量、天文觀測、光彈性應(yīng)力分析、光學(xué)精密加工中的自動控制等許多領(lǐng)域。

雙孔干涉實驗2022/11/256xk=+1k=-2k=+2k=0k=-1S1S2S***I楊氏雙孔干涉演示：楊氏雙縫干涉2022/11/257二、相干條件相干條件要求：①各成員波的頻率（因而波長）相同；②任兩成員波的初位相之差在t內(nèi)保持不變；③兩波的振幅不得相差懸殊；④在疊加點兩波的偏振面須大體一致。相干光源或相干光波：滿足相干條件的光源或光波。2022/11/258三、產(chǎn)生相干光波的方法相干光波產(chǎn)生的方法：分波面法和分振幅法

1、分波面干涉從同一源波面上分出若干個面域，使它們繼續(xù)傳播而發(fā)生干涉。例：楊氏干涉菲涅耳雙鏡干涉菲涅耳雙鏡干涉2022/11/2592、分振幅干涉采用一塊光學(xué)媒質(zhì)使入射波在其表面上發(fā)生反射和折射，然后令反射波和折射波在繼續(xù)傳播中相遇而發(fā)生干涉。例：牛頓環(huán)裝置牛頓環(huán)牛頓環(huán)裝置2022/11/2510陸末——格爾克片的多光波干涉薄膜干涉（演示）2022/11/2511四、應(yīng)用1、用邁克耳孫干涉儀測量長度（誤差不超過±/20）邁克耳孫干涉儀用邁克耳孫干涉儀觀察到的燭焰附近的對流氣體2022/11/2512應(yīng)該出現(xiàn)

暗紋的位置實際的暗紋位置試件標(biāo)準(zhǔn)件利用干涉現(xiàn)象檢驗平面的平整度演示：光干涉的應(yīng)用§3.2.2光的衍射一、光的衍射現(xiàn)象a垂直單狹縫b更窄的單狹縫c矩孔d三角孔e方孔f正多邊形

g正方網(wǎng)格光孔的遠(yuǎn)場衍射圖樣演示：光的衍射2022/11/2514二、惠更斯——菲涅耳原理大約在1680年荷蘭物理學(xué)家惠更斯提出：介質(zhì)中波動傳到的各點都可看作是一個新的波源——子波源；在其后的任一時刻，由于波源發(fā)射的子波波陣面組成的包跡就決定新的波面。菲涅爾增加了“子波相干迭加”的原理，從而發(fā)展成為惠更斯——菲涅耳原理。惠更斯原理2022/11/2515三、衍射分類夫瑯和費衍射菲涅耳衍射2022/11/2516四、衍射應(yīng)用①光譜分析：如衍射光柵光譜儀。

②結(jié)構(gòu)分析：衍射圖樣對精細(xì)結(jié)構(gòu)有一種相當(dāng)敏感的“放大”作用，故而利用圖樣分析結(jié)構(gòu)，如X射線結(jié)構(gòu)學(xué)。

③衍射成像：在相干光成像系統(tǒng)中，引進(jìn)兩次衍射成像概念，由此發(fā)展成為空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處理。④

衍射再現(xiàn)波陣面：這是全息術(shù)原理中的重要一步。2022/11/2517§3.2.3光的偏振光的電矢量的振動方向不變，或電矢量末端在垂直于傳播方向的平面上的軌跡呈橢圓或圓的現(xiàn)象。

偏振光

平面偏振光：線偏振光，部分偏振光。圓（橢圓）偏振光：偏振光的電矢量的末端在于傳播方向的xy平面上的軌跡是圓或橢圓。平面偏振光圓偏振光的波場分布2022/11/2518線偏振光部分偏振光自然光2022/11/2519四、應(yīng)用1、偏振濾光片最簡單的應(yīng)用為在照相機(jī)這一類儀器的物鏡前，加一片雙色性微晶制的偏振片。則可大大減弱反射光，能使湖面上的物體拍攝得更清楚。可消除在夜間行車時汽車頭燈耀眼燈光對迎面汽車司機(jī)的影響2、偏光眼鏡：觀看立體電影片演示：起偏與檢偏2022/11/2520(a)用偏振干涉儀觀察到的懸浮在水面上的昆蟲(b)用偏振干涉顯微鏡觀察到的碳化硅晶體(c)在正交偏振片間觀察到的硫代硫酸鈉晶體(a)(b)(c)2022/11/2521§3.3光電信息處理

§3.3.1光學(xué)信息處理1.阿貝成像原理2.傅立葉光學(xué)信息處理圖像相減、模糊圖像的恢復(fù)、圖像識別、彩色圖像恢復(fù)、密度假彩色編碼、

實時假彩色編碼，計算全息。3.

近代光學(xué)信息處理前沿光學(xué)小波變換，光學(xué)廣義傅立葉變換，光折變介質(zhì)信息處理，數(shù)字光計算，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2022/11/25221.阿貝成像原理1.1阿貝成像原理1.2空間濾波2022/11/25231.阿貝成像原理一百多年前，德國人阿貝(E.Abh，1874年)在研究如何提高顯微鏡的分辯本領(lǐng)時，提出了阿貝成像原理，為現(xiàn)代變換光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1.1阿貝成像原理2022/11/25241.1阿貝成像原理著眼于頻譜的轉(zhuǎn)換相干成像過程分兩步完成:第一步是入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯和費衍射，在透鏡后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑發(fā)出的球面次波在像平面(x’，y’)上相干迭加，像就是干涉場。2022/11/25251.2空間濾波空間濾波概念阿貝成像原理是把成像過程分成兩步：第一步衍射起“分頻”作用，第二步干涉起“合成”作用。成像光學(xué)儀器要求：圖像盡可能與原物相似。阿貝成像原理的觀點要求：在分頻與合成的過程中盡量不使頻譜改變。有限口徑的透鏡是一個‘‘低通濾波器”，丟失了高頻信息，圖像的細(xì)節(jié)變得有所模糊。因此要提高系統(tǒng)成像的質(zhì)量，就應(yīng)該擴(kuò)大透鏡的口徑。2022/11/25261.2空間濾波空間濾波概念

阿貝成像原理的真正價值在于它提供了一種新的頻譜語言來描述信息，啟發(fā)人們用改變頻譜的手段來改造信息（改造圖像）?，F(xiàn)代變換光學(xué)中的空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處理，就概念來說，都起源于阿貝成像原理。2022/11/25271.2空間濾波空間濾波的具體作法：物信息的頻譜展現(xiàn)在透鏡的后焦面(傅氏面)上，可以在這平面上放置不同結(jié)構(gòu)的光闌，以提取(或摒棄)某些頻段的物信息，即可主動地改變頻譜，以此來達(dá)到改造圖像的目的。用頻譜分析的眼光來看，傅氏面上的光闌起著“選頻”的作用。廣義地說，凡是能夠直接改變光信息空間頻譜的器件，通稱空間濾波器，或光學(xué)濾波器。2022/11/25281.2空間濾波在焦平面上的一個水平狹縫消除了網(wǎng)格像的水平線條2022/11/2529阿貝—波特系列實驗阿貝于1873年、波特于1906年分別做了實驗。部分實驗內(nèi)容及結(jié)果:2022/11/2530部分實驗內(nèi)容及結(jié)果:2022/11/25311.2空間濾波(a)輸入圖像(b)用針孔濾掉高頻的輸出圖像2022/11/2532低通濾波器低通濾波器主要用于消除圖像中的高頻噪聲。例如，電視圖像照片、新聞傳真照片等往往含有密度較高的網(wǎng)點，由于周期短、頻率高，它們的頻譜分布展寬。2022/11/2533高通濾波器高通濾波器用于濾除頻譜中的低頻部分，以增強(qiáng)像的邊緣，或?qū)崿F(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)。其大體結(jié)構(gòu)如左圖所示，中央光屏的尺寸由物體低頻分布的寬度而定。

高通濾波器主要用于增強(qiáng)模糊圖像的邊緣，以提高對圖像的識別能力。由于能量損失較大，所以輸出結(jié)果一般較暗。高通濾波器結(jié)構(gòu)2022/11/2534方向濾波器例1：印刷電路中掩模疵點的檢查

印刷電路掩模的構(gòu)成是橫向或縱向的線條[見圖(a)]，它的頻譜較多分布在x、y軸附近。而疵點的形狀往往是不規(guī)則的，線度也較小，所以其頻譜必定較寬，在離軸一定距離處都有分布?？捎脠D(b)所示的十字形濾波器將軸線附近的信息阻擋，提取出疵點信息，輸出面上僅顯示出疵點的圖像，如圖(c)所示。2022/11/2535例2：組合照片上接縫的去除航空攝影得到的組合照片往往留有接縫，如圖(a)所示。接縫的頻譜分布在與之垂直的軸上，利用如圖(b)所示的條形濾波器，將該頻譜阻擋，可在像面上得到理想的照片，如圖(c)所示。2022/11/2536例3：地震記錄中強(qiáng)信號的提取由地震檢測記錄特點可知，弱信號起伏很小，總體分布是橫向線條，如圖(a)所示，因此其頻譜主要分布在縱向上。采用圖(b)所示的濾波器，可將強(qiáng)信號提取出來，[見圖(c)]，以便分析震情。2022/11/2537Schlieren

方法早在1864年在阿貝理論以前，Toepler就發(fā)明了相襯法，這一技術(shù)稱為Schlieren方法，早先用來探測透鏡的疵病。與相襯顯微鏡類似，在這一方法中，只是簡單地把衍射圖形擋去一半多一點，透鏡中的疵病等相位物體就可以看見。HS是光闌，P仍用相干光照明．Schlieren方法使相位物體變?yōu)榭梢?022/11/25382.傅立葉光學(xué)信息處理2.0基本概念與處理系統(tǒng)2.1圖像相減2.2模糊圖像的恢復(fù)2.3圖像識別2.4密度假彩色編碼2.5實時假彩色編碼2.6計算全息2022/11/25392.0基本概念與處理系統(tǒng)近代光學(xué)信息處理的基本概念在透鏡的后焦面即譜面上設(shè)置各種濾波器，就可以對信號頻譜進(jìn)行改造，濾掉不需要的信息或噪聲，提取或增強(qiáng)我們感興趣的信息。濾波后的頻譜，還可以再經(jīng)過一個透鏡還原成為空域中經(jīng)過修改的圖像或信號。2022/11/25402.0基本概念與處理系統(tǒng)相干光學(xué)圖像處理系統(tǒng)(4F系統(tǒng))

2022/11/2541近代光學(xué)信息處理系統(tǒng)

FTL2FTL1SLM2SLM1LSTMCRTSFLA計算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)ffffCCDLA，激光器；ST,光束升降器；M，反光鏡；L1，準(zhǔn)直鏡；FTL1~FTL2，傅里葉變換透鏡；SF，空間（針孔）濾波器；SLM1~SLM2，電尋址空間光調(diào)制器。2022/11/2542光學(xué)相關(guān)器（8”×4”×4”）2022/11/25432022/11/25442022/11/25452022/11/25462022/11/25472022/11/25482.1圖像相減將兩個圖像透明片置于相干光學(xué)處理器中，并在空間頻率平面放一正弦光柵T(p)=(1+sinap)/22022/11/25492.1圖像相減輸出平面的光軸衍射出相減了的圖像[f1(α,β)-f2(α,β)]2022/11/25502.1圖像相減2022/11/25512.2模糊圖像的恢復(fù)將逆濾波器H(p)置于相干光學(xué)處理器的空間頻率平面上，2022/11/25522.2模糊圖像的恢復(fù)

逆濾波器=振幅濾波器+位相濾波器振幅濾波器位相濾波器2022/11/25532.2模糊圖像的恢復(fù)實驗驗證：2022/11/2554H()×逆濾波器≈常數(shù)逆濾波器=振幅濾波器+位相濾波器當(dāng)我們用這一復(fù)合的濾波器對F(u,v)進(jìn)行濾波后，在離焦的像面上將生成清晰圖像f(x,y)。2022/11/2555模糊圖像的恢復(fù)實例(a)離焦像(b)經(jīng)過校正復(fù)原后的像2022/11/2556褪色圖像的恢復(fù)2022/11/2557褪色圖像的恢復(fù)實驗驗證：原彩色像恢復(fù)的彩色像2022/11/25582.3圖像識別聯(lián)合傅里葉變換(jointFouriertransform)是重要的相關(guān)處理器，大量應(yīng)用于圖象、特征識別，在指紋識別、字符識別、空中目標(biāo)和地面遙感圖識別等領(lǐng)域已逐步進(jìn)入實用化階段。原理將一對待識別的圖象通過馬赫—曾特干涉儀并排寫入光尋址空間光調(diào)制器LCLV，將聯(lián)合傅里葉變換的復(fù)振幅譜轉(zhuǎn)化為功率譜，用激光讀出，再次通過傅里葉變換由CCD探測后，經(jīng)過數(shù)字圖象處理系統(tǒng)進(jìn)行后處理，判別圖象相關(guān)性。2022/11/2559聯(lián)合變換相關(guān)圖象識別系統(tǒng)

LA，激光器；ST,光束升降器；SP，空間（針孔）濾波器；BS1~BS3,分光鏡;O1~O2,待識別物體;L1~L2，準(zhǔn)直鏡；FTL1~FTL2，傅里葉變換透鏡；DP1~DP2，可變光欄；P,偏振片；LCLV,液晶光閥；PBS,偏振分光鏡;A,可變減光板M3L1BS1LCLVDP1BS2L2O1M2O2STPBSFTL2M1FTL1LACCDPSPBS3DP3DP2ACRT計算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)2022/11/25602.3圖像識別2022/11/25612.3圖像識別裝備在導(dǎo)彈頭部的圖像識別系統(tǒng)2022/11/25622.3圖像識別反射型MSF實時指紋識別器2022/11/25632.4密度假彩色編碼三個步驟：光柵抽樣：經(jīng)羅奇光柵抽樣的負(fù)片；漂白處理：經(jīng)漂白處理得編碼相位光柵；白光信息處理系統(tǒng)中濾波解調(diào)：將編碼相位光柵放在白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，得色度豐富的假彩色圖像。2022/11/25642.4密度假彩色編碼2022/11/25652.5實時假彩色編碼將黑白透明片與正交光柵一起置于白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，1、等空間頻率假彩色編碼在空間頻率平面上四個彩紅色信號的一級衍射譜處安放如圖所示的濾波器，輸出平面合成彩色編碼像，像的低頻結(jié)構(gòu)呈藍(lán)色，高低頻結(jié)構(gòu)呈紅色，相等的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)同一顏色。2022/11/25662.5實時假彩色編碼1、等空間頻率假彩色編碼2022/11/25672.5實時假彩色編碼將黑白透明片與正交光柵一起置于白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，2、等密度假彩色編碼在空間頻率平面上兩個彩紅色信號的一級衍射譜處安放如圖所示的濾波器，輸出平面合成彩色編碼像。像的密度最小處呈紅色，密度最大處呈綠色，中間部分分別呈粉紅、黃、淺綠等顏色，密度相同處呈現(xiàn)同一顏色。2022/11/25682.5實時假彩色編碼2、等密度假彩色編碼2022/11/2569彩色膠片資料存貯

彩色膠片的資料存貯是膠片工業(yè)中長期沒有得到解決的問題，其主要原因是彩色膠片所用的染料不穩(wěn)定而造成逐漸褪色。雖然有一些技術(shù)可以用來保存彩色像，但都存在著不少問題。最常用的方法是用三個基色濾色片將彩色像保持在三個不同的黑白底片上，然后用三個基色幻燈機(jī)來合成彩色像。在這過程中三個像要非常精確地重合，此外這個方法還有兩個主要缺點：一是每個彩色片需用的存貯體積是黑白片的三倍；二是彩色像合成系統(tǒng)，非常昂貴和復(fù)雜。2022/11/2570彩色膠片記錄在黑白透明片上的技術(shù)

記錄過程是將彩色膠片通過倫奇光柵依次用三次接觸法記錄在黑白底片上，每次記錄時通過不同的基色濾色片(即紅、藍(lán)、綠三色)，而對應(yīng)的倫奇光柵的方位角分別為0o位置(紅色濾色片)、60o位置(藍(lán)色濾色片)、120o位置(綠色濾色片)。2022/11/2571為了從所得到的黑白編碼透明片再現(xiàn)逼真的彩色像，我們采用白光處理技術(shù)。如圖所示，將該透明片放置在白光處理器的輸入平面P1處，于是在空間頻譜面P2上對波長為的光強(qiáng)分布為2022/11/2572

在解碼時，讓三個一級衍射分別通過紅、藍(lán)、綠色濾色片，如圖所示。由于是彩色濾波放能讓彩色像的空間譜全部通過，所以不會有象分辨率損失。通過空間頻譜面P2后相應(yīng)的光的復(fù)振幅分布為：

這里r，b

及g

分別為紅、藍(lán)、綠色的波長。2022/11/2573彩色像的空間譜彩色復(fù)原1彩色復(fù)原22022/11/25742.6計算全息1965年在美國IBM公司工作的德國光學(xué)專家羅曼使用計算機(jī)和計算機(jī)控制的繪圖儀做出了世界上第一個計算全息圖(CGH)。計算全息圖不僅可以全面地記錄光波的振幅和相位，而且能綜合復(fù)雜的，或者世間不存在物體的全息圖，因而具有獨特的優(yōu)點和極大的靈活性。計算全息首次將計算機(jī)引入光學(xué)處理領(lǐng)域。很多光學(xué)現(xiàn)象都可以用計算機(jī)來進(jìn)行仿真，計算全息圖成為數(shù)字信息和光學(xué)信息之間有效的聯(lián)系環(huán)節(jié)，為光學(xué)和計算機(jī)科學(xué)的全面結(jié)合拉開了序幕。2022/11/25752.6計算全息計算全息的主要應(yīng)用范圍是：①二維和三維物體像的顯示；②在光學(xué)信息處理中用計算全息制作各種空間濾波器；③產(chǎn)生特定波面用于全息干涉計量；④激光掃描器；⑤數(shù)據(jù)存貯。2022/11/25762.6計算全息計算全息圖制作的典型流程2022/11/25772.6計算全息全息圖再現(xiàn)圖2022/11/25783.近代光學(xué)信息處理前沿3.1光學(xué)小波變換3.2光學(xué)廣義傅立葉變換3.3光折變介質(zhì)信息處理3.4數(shù)字光計算2022/11/25793.1光學(xué)小波變換

小波變換（wavelettransform,WT）是近年來發(fā)展起來的一個新的學(xué)科分支，與常規(guī)的傅里葉變換相比，具有同時處理空域（時域）和頻域信號的能力，并具備對信號進(jìn)行局部化處理的特征，成為信號分析領(lǐng)域重要的工具，常用在空域的局部信號及時域的暫態(tài)信號處理中。2022/11/2580圖:h(t)的實部和h(t)的傅里葉譜Morlet小波2022/11/2581光學(xué)Morlet

小波變換實例實驗采用下圖所示的光學(xué)多通道小波變換相關(guān)器．兩個柱面透鏡的焦距為240mm，球面透鏡焦距為210mm．相關(guān)器由He-Ne激光作光源．

實現(xiàn)一維小波變換的二維光學(xué)相關(guān)器2022/11/2582光學(xué)多通道小波變換相關(guān)器中光學(xué)小波變換的實驗結(jié)果2022/11/2583

圖(a)是對一個帶有低頻噪聲的方波進(jìn)行Haar小波變換的結(jié)果:

在方波的兩個邊緣呈現(xiàn)一對峰，極值恰恰指示了邊緣的位置．峰峰實線為帶有噪聲的方波信號；虛線為Haar小波變換．2022/11/2584

圖(b)是對一個高頻噪聲的方波進(jìn)行Haar小波變換的結(jié)果:

在方波的兩個邊緣呈現(xiàn)一對峰，極值恰恰指示了邊緣的位置．實線為帶有噪聲的方波信號；虛線為Haar小波變換．峰峰2022/11/2585

圖(c)方波同時具有低頻和高頻噪聲干擾.只要伸縮因子a選擇得當(dāng)，小波變換仍然有很高的信噪比，峰很尖銳，正確的指示了邊緣的所在，充分說明Haar小波變換的抗干擾能力．實線為帶有噪聲的方波信號；虛線為Haar小波變換．峰峰2022/11/2586待處理坦克模型圖像和小波函數(shù)平面圖像

及小波變換邊緣增強(qiáng)后實驗結(jié)果

2022/11/2587待檢測彩色圖像

灰度圖像后邊緣檢測

RGB空間邊緣檢測

YUV空間邊緣檢測2022/11/2588待檢測彩色圖像

灰度圖像后邊緣檢測

Lαβ空間邊緣檢測

選擇域值二值化處理

2022/11/2589小波變換在圖象識別中的應(yīng)用簡介：由于小波變換具備空域-頻域綜合分析的能力，因此在圖象識別中具有優(yōu)勢，可以大大改善相關(guān)識別的效果。原理：CCD1、CCD2通過計算機(jī)-數(shù)字圖象處理系統(tǒng)在第一個空間光調(diào)制器SLM1上生成待測圖形及參考圖形，輸入光學(xué)圖形識別系統(tǒng)，經(jīng)傅里葉變換透鏡FTL進(jìn)行聯(lián)合傅里葉變換，CCD3將聯(lián)合變換振幅譜轉(zhuǎn)換成功率譜,通過計算機(jī)-數(shù)字圖象處理系統(tǒng)在電尋址空間光調(diào)制器SLM1上再次生成。小波變換濾波函數(shù)系列則預(yù)先存儲在計算機(jī)中，并生成在第二個電尋址空間光調(diào)制器SLM2上。經(jīng)SLM2調(diào)制的激光讀出SLM1中的聯(lián)合變換功率譜，SLM1的透射波為聯(lián)合變換功率譜與小波變換濾波函數(shù)之積，再通過第二次傅里葉變換產(chǎn)生相關(guān)輸出與小波函數(shù)的卷積，選擇恰當(dāng)?shù)男〔ㄗ儞Q濾波函數(shù)，將有效地提高相關(guān)輸出的信噪比。2022/11/2590小波變換圖象識別系統(tǒng)LA，激光器；ST，光束升降器；SP，空間（針孔）濾波器；M，反光鏡；L1，準(zhǔn)直鏡；L2~L3，成象透鏡；FTL，傅里葉變換透鏡；SLM1~SLM2，電尋址空間光調(diào)制器；S，可變光欄;；O1~O2，待識別物體與參考物體FTLSLM2SLM1STLACCD1CRT計算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)CCD3ffSML1SPCCD2O2O1L2L32022/11/25912022/11/25923.2光學(xué)廣義傅立葉變換廣義傅立葉變換：傅立葉變換：又稱分?jǐn)?shù)階傅立葉變換。當(dāng)α=π/2時，就變成傅立葉變換。2022/11/25933.2光學(xué)廣義傅立葉變換實現(xiàn)廣義傅立葉變換的方法：正透鏡負(fù)透鏡2022/11/25943.2光學(xué)廣義傅立葉變換實現(xiàn)廣義傅立葉變換的方法：2022/11/25953.3光折變介質(zhì)信息處理相位共軛光波經(jīng)一器件后產(chǎn)生一反射波，而光波與反射波的波前完全重合，只是傳播方向相反，那么反射波稱為光波的相位共軛波。反射鏡相位共軛鏡2022/11/25963.3光折變介質(zhì)信息處理利用非線性介質(zhì)中的四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生相位共軛光折變介質(zhì)有顯著的四波混頻-相位共軛效應(yīng)。例如：

BaTiO3，KTa1-xNBxO3（KTN），Sr1-xBax

Nb2O6（SBN），LiNbO3Bi12GeO20（BGO），Bi12SiO20（BSO）KNbO3，GaAs，InP，CdTe

等2022/11/25973.3光折變介質(zhì)信息處理光折變效應(yīng)引起的相位共軛具有以下特點1、光折變效應(yīng)的特征時間；2、很弱的泵浦光導(dǎo)致顯著的四波混頻-相位共軛效應(yīng)；3、光折變效應(yīng)的積累效果。引起特殊效應(yīng)：自泵浦相位共軛、互泵浦相位共軛、光放大、光振蕩等。2022/11/25983.3光折變介質(zhì)信息處理利用光折變效應(yīng)帶來的優(yōu)點

位相畸變的補(bǔ)償，高衍射效率，高角度分辨率，高波長分辨率等。光學(xué)信息處理應(yīng)用光信息存儲、圖像相加、圖像相減、像差圖象復(fù)原、邊緣突出、相關(guān)識別、光互連、光計算等2022/11/25993.3光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/11/251003.3光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用(a)受激光折變后向散射(SPB)示意圖(b)沒有像差片(c)帶有像差片(d)用一塊普通反光鏡代替晶體，并在反光鏡前插入像差片后的反射像。2022/11/251013.3光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/11/251023.3光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/11/251033.4數(shù)字光計算光學(xué)邏輯運算：光雙穩(wěn)態(tài)器件光學(xué)互連：自由空間、光纖、光波導(dǎo)優(yōu)點：高速、無相互干擾、空間和時間帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率大）光存儲：光盤存儲、光全息存儲優(yōu)點：極高的存儲容量、數(shù)據(jù)存取速度2022/11/251043.4數(shù)字光計算全光通用性計算機(jī)的體系尚不明確現(xiàn)實的光電混合計算機(jī)的發(fā)展途徑1、光電分列的混合處理系統(tǒng)

(1)單一計算機(jī)使用光存儲；

(2)多計算機(jī)采用光存儲、光互連、光處理。

2、光電交叉混合處理系統(tǒng)

(1)以光子為傳輸介質(zhì)，光電子列陣中的電子運算結(jié)果調(diào)制通過的光束，采用光互連。(2)以電子為傳輸介質(zhì)，光檢測列陣和發(fā)光器列陣作為輸入和輸出的轉(zhuǎn)換器件，其間是平行布置的電子線路。2022/11/251053.4數(shù)字光計算現(xiàn)實的光電混合計算機(jī)的發(fā)展途徑

3、光電子混合處理系統(tǒng)

采用光電混合圖像處理，空間光調(diào)制器是關(guān)鍵性輸入輸出和運算器件。

主要體系和已實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)有：特征空間變換如：傅立葉變換、矩特征空間變換、弦分布特征空間變換、Hellin、Chord變換）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，這是一種循環(huán)式近域操作處理。細(xì)胞邏輯列陣2022/11/25106例(3×1向量及3×3矩陣)

y1=11x1+12x2+13x3(5)y2=21x1+22x2+23x3(6)

y3=31x1+32x2+33x3(7)矩陣-1維向量乘法2022/11/25107edcbaSLMabcde521125SL1CL1SL2CL2Fig.3.Schematicdiagramofopticalmatrix-vectormultiplier2022/11/25108用兩個透鏡陣實現(xiàn)

矩陣-向量乘法運算2022/11/25109張量-矩陣乘法的光學(xué)實現(xiàn)設(shè)要處理的是一個2×2矩陣．結(jié)果的矩陣中的元素由下式給出：

y11=1111x11+1112x12+1211x21+1212x22(8)y11=1121x11+1122x12+1221x21+1222x22(9)y11=2111x11+2112x12+2211x21+2212x22(10)y11=2121x11+2122x12+2221x21+2222x22(11)

2022/11/25110成像透鏡和透鏡列陣

實現(xiàn)張量—矩陣乘法1112x121122x122112x122122x121111x111121x112111x112121x111212x221222x222212x222222x221211x211221x212211x212121x222022/11/25111成像透鏡和透鏡列陣實現(xiàn)

張量—矩陣乘法1112x121122x122112x122122x121111x111121x112111x112121x111212x221222x222212x222222x221211x211221x212211x212121x222022/11/25112Farhat和Psaltis的構(gòu)想（面探測器）點探測器代替面探測器2022/11/25113§3.3.2光存儲技術(shù)1.光存儲原理、分類、特點2.光盤存儲3.雙光子光學(xué)存儲4.持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲5.近場光學(xué)存儲6.光全息存儲2022/11/251141.光存儲原理、分類、特點(1)原理：只要材料的某種性質(zhì)對光敏感，在被信息調(diào)制過的光束照射下，能產(chǎn)生理化性質(zhì)的改變，并且這種改變能在隨后的讀出過程中使讀出光的性質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲的介質(zhì)。(2)分類按介質(zhì)的厚度：面存儲、體存儲；按數(shù)據(jù)存?。褐鹞淮鎯?、頁面并行式存儲；按鑒別存儲數(shù)據(jù)：位置選擇存儲、頻率選擇存儲等。2022/11/251151.光存儲原理、分類、特點(3)光學(xué)信息存儲的一般特點存儲密度高理論估計：面密度為1/λ2；體密度為1/λ3，按λ=500nm計算，存儲密度為1TB/cm3。并行程度高：提供并行輸入輸出和數(shù)據(jù)傳輸。抗電磁干擾存儲壽命長：磁存儲2—3年；光存儲10年以上。非接觸式讀／寫信息信息價格位低：價格可比磁記錄低幾十倍。2022/11/251162.光盤存儲自60年代末美國ECD及IBM公司共同研制出第一片光盤以來，光盤存儲技術(shù)發(fā)展之迅速出人意料。

激光唱片(CompactDisk，CD)

激光視盤(LaserVideo—Disk，LVD)：LD，VCD，DVD，EVD……。

計算機(jī)外存設(shè)備：光盤2022/11/251172.1光盤存儲的原理激光經(jīng)聚焦后可在記錄介質(zhì)中形成極微小的光照微區(qū)(直徑為光波長的線度，即1μm以下)，使光照部分發(fā)生物理和化學(xué)變化，從而使光照微區(qū)的某種光學(xué)性質(zhì)(反射率、折射率、偏振特性等)與周圍介質(zhì)有較大反襯度，可以實現(xiàn)信息的存儲。光盤是按位存儲的二維存儲介質(zhì)。記錄軌道的密度可高達(dá)1000道／mm以上。

性能：信息載噪比(CNR)均在50dB以上；每一通道數(shù)據(jù)速率可達(dá)50Mbit/s以上。2022/11/251182.2光盤的類型按其功能劃分主要有四種：(1)只讀存儲光盤(ROM)(2)一次寫入光盤(WORM；或稱DRAW)

①燒蝕型②起泡型③熔絨型④合金型⑤相變型(3)可擦重寫光盤(EDAW)：先擦后寫(4)直接重寫光盤：寫同時擦除原信息2022/11/251192.3光盤存儲器根據(jù)光盤存儲介質(zhì)分類(1)單光束光學(xué)系統(tǒng)2022/11/251202.3光盤存儲器(2)雙光束光學(xué)系統(tǒng)：用于可擦重寫光盤寫／讀光路擦除光路寫、讀激光器波長0.83μm擦除激光器波長0.78μm2022/11/251212.3光盤存儲器國內(nèi)情況：成都電子科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)分別研制成功的可擦重寫磁光盤、直接重寫相變光盤等；中國科學(xué)院上海冶金研究所國家光存儲研究中心已建成各類光盤的母盤生產(chǎn)線；清華大學(xué)國家光盤工程研究中心致力于改進(jìn)光盤驅(qū)動器及其關(guān)鍵部件，提高其性能和存儲容量，減少搜尋時間，改進(jìn)數(shù)據(jù)速率和存儲數(shù)據(jù)的可靠性，同時進(jìn)行新一代多功能光盤驅(qū)動器的開發(fā)，研制適合于各種無機(jī)和有機(jī)的一次寫入和可擦除介質(zhì)的雙觸長束多功能光學(xué)頭。2022/11/251222.4光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展1、光盤與磁盤比較存儲密度：磁盤的道距(約10μm)，

光盤的道距(約lμm)據(jù)DataStoragel998年2月報道。IBM已有突破磁盤存儲密度10Gbit/in2大關(guān)的實驗室樣機(jī).數(shù)據(jù)傳輸速率：光盤的性能不及磁盤。2022/11/251232.4光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展2、提高只讀光盤的存儲容量的主要方法采用短波長激光讀寫：激光波長由0.8μm縮短到0.4μm，記錄的面密度可提高4倍。提高道密度和線密度：使用光道密度加倍法；使用區(qū)域比特記錄法。開發(fā)多數(shù)據(jù)層的光盤：采取多光道并行存取技術(shù)例如：一種雙光學(xué)頭的設(shè)計，采用16個激光二極管陣列并行存取，可使數(shù)據(jù)速率達(dá)到100Mbit/s。2022/11/251242.4光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展正在開發(fā)超高容量雙面多數(shù)據(jù)層ROM

例如，日本日立公司等研制的雙面雙數(shù)據(jù)層ROM，采用0.44μm的最小光斑尺寸和每層0.74μm寬的道距，實現(xiàn)總數(shù)據(jù)容量為17GB。研究表明，利用雙面三數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu)(總共包括6個數(shù)據(jù)層)，有可能實現(xiàn)25.5GB的超高容量。2022/11/251252.4光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展3、進(jìn)展：(1)相變光盤技術(shù)已經(jīng)達(dá)到成熟的產(chǎn)品級水平。(2)直接重寫光盤實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率是當(dāng)前研究的熱點。容量：面密度0.4Gbit/cm2，光盤容量3.5GB。數(shù)據(jù)傳輸率：估計能達(dá)10Mbit/s(紅激光)；超過100Mbit/s(藍(lán)激光)。存儲面密度極限：光盤存儲l.0Gbit／cm2

磁盤存儲6.2Gbit／cm22022/11/251262.4光盤存儲技術(shù)的進(jìn)展3、進(jìn)展：(3)體積光學(xué)存儲容量：達(dá)到TB／cm3；存取時間：毫秒或亞毫秒；

數(shù)據(jù)傳輸速率：Gbit／s-Tbit／s。2022/11/251273.雙光子光學(xué)存儲3.1存儲原理雙光子過程：介質(zhì)中的分子同時吸收兩個不同光束中的兩個光于而被激發(fā)到高的電子能態(tài)。當(dāng)兩光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一區(qū)域，確定了一個微小的重疊區(qū)域。在此區(qū)域中發(fā)生雙光子過程后，分子發(fā)生了改變，使材料的理化特性改變，從而記錄了一個信息位。3.2材料光致變色材料：螺旋苯并毗喃(SP)／聚甲基丙烯酸甲酯系統(tǒng)(SP／PMMA)2022/11/251283.3．雙光子三維存儲器件

系統(tǒng)描述2022/11/251293.3雙光子三維存儲器件1991年Strickler和Webb首次報道：存儲密度：(0.3-1.3)×1012bit／cm3材料：液態(tài)丙烯酸鹽與酯類的混合物2022/11/25130實驗的框圖3.3．雙光子三維存儲器件2022/11/251313.4前沿進(jìn)展l

研究具有寬的讀出吸收線形和高的熒光效率新材料，可采用廉價的低功率讀出光源(如發(fā)光二極管LED和經(jīng)過濾光的燈)。l

研究了光學(xué)擦除的方法1997年Wang等人報道：在lcm×lcm×lcm的雙光子材料中以頁面方式記錄了100個數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層間隔80μ，每層包含100×100的隨機(jī)位圖，每位數(shù)據(jù)占據(jù)的30μ×30μ。記錄采用倍頻Nd：YAG激光器的1064nm和532nm兩個波長，讀出采用氦氖激光器的綠色譜線來誘導(dǎo)熒光。用1316×1035像元的制冷CCD攝像頭探測讀出信號，直接測得誤碼率為5.13×10-4。2022/11/251323.4前沿進(jìn)展l

研究盤式雙光子存儲1997年Cokgor等人在單片盤式材料中利用雙光子吸收記錄了三層數(shù)據(jù)，并行地記錄和恢復(fù)了二維數(shù)據(jù)陣列，從轉(zhuǎn)速為1500r／min的盤中已經(jīng)探測到熒光。l

研究在室溫下具有更長壽命的光致變色材料／聚合物介質(zhì)系統(tǒng)，為可擦除的存儲(RWE)和只讀存儲(ROM)探尋適合的材料。2022/11/251334.持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲光學(xué)存儲限制：一個信息位最小的聚焦體積在1／λ3的數(shù)量級，或10-12/cm3左右。相應(yīng)地，lbit所占據(jù)的空間中含有106一107個分子。如果能用一個分子存儲一位信息，存儲密度便能提高106一107倍。關(guān)鍵問題：要有適當(dāng)?shù)倪x擇或識別分子的方法。持續(xù)光譜燒孔(PSHB)技術(shù)：正是利用分子對不同頻率的光吸收率不同來識別不同分子的。采用PSHB光學(xué)存儲技術(shù)，有可能使光存儲的記錄密度提高3—4個數(shù)量級。2022/11/251345.近場光學(xué)存儲原理用近場光學(xué)方法在記錄介質(zhì)上獲取超分辨的存儲光斑，以實現(xiàn)高密度存儲，例如1000GB/in2技術(shù)探針型近場存儲 60nm～100nm光斑超分辨近場結(jié)構(gòu)存儲（Super-RENS）80nm光斑固體浸沒透鏡（SIL）125nm光斑2022/11/25135Super-RENS超分辨近場結(jié)構(gòu)存儲SiN/Sb/SiN多層膜系Sb開關(guān)層形成的納米級孔徑在記錄介質(zhì)上實現(xiàn)超分辨記錄650nm激光物鏡（NA=0.85）Super-RENS保護(hù)層（SiN170nm）孔徑開關(guān)層（Sb15nm）保護(hù)層（SiN20nm）2022/11/251366.光全息存儲光全息存儲構(gòu)成原理示意圖2022/11/251376.光全息存儲光全息存儲構(gòu)成原理示意圖6.1原理2022/11/25138角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲簡介：光學(xué)信息存儲具有超大容量、并行、高速等特點。角度復(fù)用全息存儲應(yīng)用體光柵的角度選擇性，通過記錄角度的多次微小改變來存儲多幅全息圖，是目前國內(nèi)外光學(xué)信息存儲的研究前沿，具有重要的應(yīng)用前景。原理：由激光分束形成物光和參考光，其中物光由計算機(jī)通過空間光調(diào)制器產(chǎn)生，不同角度的參考光則由計算機(jī)控制的轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成。射入LiNbO3晶體后，形成傅里葉變換體全息圖，將物光所荷載的信息記錄在晶體中。改變參考光或物光的角度，可以在晶體中存入多幅傅里葉變換體全息圖。將參考光單獨照射記錄介質(zhì)，就可以讀出對應(yīng)角度下存入的信息，還原記錄的圖形。2022/11/25139角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲系統(tǒng)LA，激光器；ST,光束升降器；VBS，可調(diào)偏振分光鏡；Q，半波片；SW1~SW2，電子快門；M，反光鏡；L1，準(zhǔn)直鏡；L2~L3，成象透鏡；FTL1~FTL2，傅里葉變換透鏡；SLM，空間光調(diào)制器；SP，空間（針孔）濾波器；RM，轉(zhuǎn)鏡;C,Fe:LiNbO3

VBSRMQSW2SW1STL2~L3FTL1FTL1CSLML1MCRTSP計算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)ffffCCDLA2022/11/251406.2全息存儲的特點1、高冗余度：以全息圖的形式存儲的信息是分布式的，每一信息單元都存儲在全息圖的整個表面上(或整個體積中)，故記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會引起信息的丟失。2、高存儲容量：光學(xué)極限為6.4×1013bit/cm3采用面向頁面的存儲，容量可達(dá)到106bit/頁面，采用空間復(fù)用和共同體積復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)存儲500000個全息頁面，可以得到總的存儲容量為500Gbit或約63GB，這可以和RAID磁盤系統(tǒng)相比。2022/11/251416.2全息存儲的特點2、高存儲容量1994年Burr等人報道：10000個數(shù)據(jù)全息圖/體積單元。復(fù)用50個體積單元=RAID磁盤存儲容量利用頻率選擇技術(shù)(PSHB)將存儲維數(shù)擴(kuò)展到四維，體全息存儲器的容量還可能進(jìn)一步提高。2022/11/251426.2全息存儲的特點3、高數(shù)據(jù)傳輸速率和快存取時間數(shù)據(jù)傳輸速率：10Gbit／s或約1.25GB／s，使尋址一個數(shù)據(jù)頁面的時間小于100μs.

磁盤系統(tǒng)的機(jī)械尋址需要10ms記錄時間：>1Mbit/s2022/11/25143各種存儲技術(shù)的存儲容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的比較全息存儲同時具有容量大、數(shù)據(jù)傳輸率高、數(shù)據(jù)搜索時間短三方面的優(yōu)良性能.2022/11/251446.2全息存儲的特點4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址全息存儲器可以直接輸出數(shù)據(jù)頁或圖像的光學(xué)再現(xiàn)；在再現(xiàn)出的光學(xué)像被探測到并被轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)圖樣之前，就可以對它們用光學(xué)方法進(jìn)行并行處理，以提高存儲系統(tǒng)進(jìn)行高級處理的功能。2022/11/251456.2全息存儲的特點4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址例如：(1)任何全息存儲器通過工作在傅里葉變換域都能夠執(zhí)行相關(guān)操作;(2)采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，有可能一次讀出存儲在整個全息存儲器中的全部信息，或在讀出過程中同時與給定的輸入圖像進(jìn)行相關(guān)，完全并行地進(jìn)行面向圖像(頁面)的檢索和識別操作;2022/11/251466.2全息存儲的特點4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址例如：(3)可以實現(xiàn)用內(nèi)容尋址的存儲器(CAM)，成為全光計算或光電混合計算的關(guān)鍵器件之一，在光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)互連，以及在模式識別和自動控制等應(yīng)用領(lǐng)域(可以統(tǒng)稱為光計算)中有廣闊的應(yīng)用前景。2022/11/251476.3回顧l

60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)以后，在光折變晶體中全息存儲一度成為熱點，并曾提出過許多設(shè)計精巧的存儲方案。l

1975年美國RCA公司還首次報道了在1cm’摻鐵鈕酸鏗晶體中記錄了500個全息圖。這些早期的工作雖然很出色，但沒有產(chǎn)生出實用的系統(tǒng)。l

80年代，光學(xué)計算研究的熱潮重新激起人們對全息存儲的興趣，國際上爭相在存儲方法和存儲材料等方面加緊進(jìn)行研究。2022/11/251486.3回顧l

1991年美國Northrop公司在1cm3摻鐵鑰酸鏗晶體中存儲并高保真地再現(xiàn)了500幅高分辨率軍用車輛全息圖；l

1992年在同樣的妮酸鏗晶體中存儲1000頁數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并無任何錯誤地復(fù)制回數(shù)字計算機(jī)的存儲器。l

全息存儲器可望存儲幾千億字節(jié)數(shù)據(jù)，以等于或大于108bit/s的速度傳送數(shù)據(jù)，并在100μs或更短的時間內(nèi)隨機(jī)選擇一個數(shù)據(jù)頁面。其它任何一種同時具有這三項優(yōu)點的存儲技術(shù)都沒有體全息存儲這樣接近實用化階段，這一事實在世界范圍內(nèi)再次引起體全息存儲研究熱潮。2022/11/251496.4進(jìn)展1、存儲容量迅速提高l

1994年美國加州理工學(xué)院在1cm3的摻鐵鑰酸鏗晶體中記錄了10000個全息圖。l

1994年斯坦福大學(xué)的研究小組把數(shù)字化的壓縮圖像和視頻數(shù)據(jù)存儲在一個全息存儲器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無顯著下降。l

最近，美國、日本和一些歐洲國家的許多大公司和科研機(jī)構(gòu)仍在不斷提高體全息存儲的記錄密度和發(fā)展新型全息復(fù)用結(jié)構(gòu)。2022/11/251506.4進(jìn)展

2、全息存儲技術(shù)的實用化系統(tǒng)l

1995年由美國政府高級研究項目局(ARPA)、IBM公司的A1maden研究中心、斯坦福大學(xué)、GTE公司、Optitek公司、SRI國際組織、休斯公司和Rockwell科學(xué)中心等聯(lián)合成立了協(xié)作組織，在美國國家存儲工業(yè)聯(lián)合會(NSIC)主持下，投資約7000元，實施了光折變信息存儲材料(PRISM)項目和全息數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)(HDSS)項目，預(yù)期在5年內(nèi)開發(fā)出具有容量為1萬億位數(shù)據(jù)、存取速率為1000MB/s的一次寫入或可重復(fù)寫入的全息存取系統(tǒng)；2022/11/251516.4進(jìn)展2、全息存儲技術(shù)的實用化系統(tǒng)l

1996年IBM公司研制出一臺高分辨率自動全息存儲系統(tǒng)試驗床，可以對各種體全息存儲材料的參數(shù)按照產(chǎn)品級性能標(biāo)準(zhǔn)作出定量測量；l

Colorado大學(xué)將體全息存儲應(yīng)用于光學(xué)合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像和目標(biāo)識別；l

Rockwell科學(xué)中心還正在為航空航天應(yīng)用研制一個裝載在航空飛行器上的大容體全息存儲系統(tǒng)；l

美國成立了稱為HoloFlex公司的科研生產(chǎn)實體，既承擔(dān)HDSS項目，他們1995年8月宣布了第一個全息存儲器的商業(yè)化產(chǎn)品。2022/11/251526.4進(jìn)展：綜上所述，大容量體全息存儲的研究正在持續(xù)高漲。這一研究高潮的到來，歸因于：過去30年來全息領(lǐng)域的基礎(chǔ)性研究的積累；體全息存儲材料，特別是光折變晶體材料領(lǐng)域中的成果；歸因于近年來光電子技術(shù)的重大進(jìn)展，使得實用化全息存儲器所必需的小型固體激光器、高分辨率空間光調(diào)制器組頁器件(SLM)和高分辨率高速光電探測器陣列(CCD)等周邊技術(shù)日趨成熟。2022/11/25153§3.3.3光纖通信技術(shù)1.光通信的概念及系統(tǒng)的基本組成2.光通信系統(tǒng)的分類3.光纖通信的特點4.光纖通信的發(fā)展歷史和展望5.新型光纖通信系統(tǒng)簡介2022/11/251541.光通信的概念及系統(tǒng)的組成光通信——利用光波來進(jìn)行通信。光波：可見光，包括紅外線，它們的波長比微波更短，頻率比微波更高。光通信系統(tǒng)的基本組成

2022/11/251551.光通信的概念及系統(tǒng)的組成光信號的處理和傳遞過程

光通信和電通信主要差別：在于光終端和傳精介質(zhì)，即在光終端中使用的光源，光電探測器和其它一些光學(xué)元件以及光纖等。

2022/11/251562.光通信系統(tǒng)的分類(1)按傳輸介質(zhì)分類大氣光通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)。大氣光通信系統(tǒng)：屬于無線通信系統(tǒng)，它的傳輸介質(zhì)是大氣或真空。地球表面大氣層對光衰減限制了大氣光通信的發(fā)展。但是，衛(wèi)星之間的光通信，即空間或深空光通信系統(tǒng)，因在宇宙空間中，傳輸介質(zhì)幾乎是真空，沒有大氣干擾和衰減的問題，非常有前途。光纖通信系統(tǒng)：屬于有線通信系統(tǒng)，它的傳輸介質(zhì)是光纖。2022/11/251572.光通信系統(tǒng)的分類(2)按調(diào)制方式分類模擬光通信系統(tǒng)、數(shù)字光通信系統(tǒng)。模擬信號：在幅度上和時間上都是連續(xù)變化的信號數(shù)字信號：在幅度上和時間上都是不連續(xù)變化的、離散的信號。注意：脈沖信號雖然它在時間上是間斷的、不連續(xù)的，但它在幅度或?qū)挾壬先允沁B續(xù)變化的，一般也認(rèn)為它們是模擬信號而不是數(shù)字信號。模擬光通信系統(tǒng)：傳送的是模擬信號數(shù)字光通信系統(tǒng)：傳送的是數(shù)字信號。2022/11/251582.光通信系統(tǒng)的分類模擬調(diào)制方式：強(qiáng)度調(diào)制(IM—IntensityModulation)，

幅度調(diào)制(AM—Amp1itudeModulation)，

頻率調(diào)制(FM—FrequenceModulation)，

相位調(diào)制(PM—PhaseModulation)，

脈位調(diào)制(PPM—PulsePositionModulation)，

脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation

或PulseDurationModulation)，脈幅調(diào)制(PAM—PulseAmp1itudeModulation)，脈沖頻率調(diào)制(PFM—PulseFrequenceModulation)，脈沖數(shù)調(diào)制(PNM—PulseNumberModulation)等等。2022/11/251592.光通信系統(tǒng)的分類數(shù)字調(diào)制方式主要有：脈沖編碼調(diào)制(PCM—PulseCodeModulation)，差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM—Differentia1PulseCodeModulation)，增量調(diào)制(△M)。由于數(shù)字通信系統(tǒng)所占的帶寬較寬，而帶寬非常寬又是光纖的主要優(yōu)點，因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合于采用數(shù)字調(diào)制方式的數(shù)字通信系統(tǒng)。雖然光纖通信和數(shù)字通信兩者是密切相關(guān)的，但光纖通信和數(shù)字通信是兩個不同的概念，兩個不同的范疇，不能將兩者等同起來，混為一談。2022/11/251602.光通信系統(tǒng)的分類(3)按信號的復(fù)用方式頻分復(fù)用系統(tǒng)(FDM——FrequenceDivisionMultiplexing)，時分復(fù)用系統(tǒng)(TDM—TimeDivisionMultiplexing)，波分復(fù)用系統(tǒng)(WDM—WavelengthDivisionMultiplexing)，空分復(fù)用系統(tǒng)(SDM—SpaceDivisionMultiplexing)。

所謂頻分、時分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時間、波長和空間來進(jìn)行分割的光通信系統(tǒng)。2022/11/251612.光通信系統(tǒng)的分類(4)按光電探測方式直接探測光通信系統(tǒng)：直接探測是將光作為光(粒)子來處理的。相干探測光通信系統(tǒng)：相干探測則是將光作為光波來處理的。2022/11/251622.光通信系統(tǒng)的分類(5)按傳輸距離的長短長距離干線光纖通信系統(tǒng):長距離干線光纖通信系統(tǒng)一般是幾百公里、上千公里、甚至幾千公里陸地或跨洋海底光纖通信系統(tǒng)。中短距離局間光纖通信系統(tǒng):

中短距離局間光纖通信系統(tǒng)一般只有幾公里或幾十公里。短距離用戶光纖通信系統(tǒng):只有幾十米到幾百米，光纜直接到用戶。2022/11/251633.光纖通信的特點(1)使用光載波的信息容量特別大；(2)光纖的帶寬寬，傳輸數(shù)據(jù)速率高；(3)光纖損耗低，中繼距離長；(4)光纖通信的保密性好，不易被竊聽；(5)光纖通信的抗電磁干擾能力強(qiáng)；(6)光纖通信系統(tǒng)的絕緣性能好；(7)在光纖通信系統(tǒng)中，不存在接地和共地的問題(8)節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用；(9)光纖通信系統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定性好、壽命長；(10)光纖的尺寸小，重量輕2022/11/251644.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史在古代：烤火臺就是一種最簡單的光通信系統(tǒng)：

光源是烽火；調(diào)制方式是點燃烽火與息滅烽火；傳輸介質(zhì)是大氣；光探測器是人的眼睛。古代的烽火臺光通信系統(tǒng)已經(jīng)包括了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中最基本的部分：發(fā)射、調(diào)制、接收(眼睛)、解調(diào)(人的大腦)。2022/11/251654.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史烤火臺就是一種最簡單的光通信系統(tǒng)：缺點：(1)

傳送的信息量太少；(2)傳送距離太近；(3)抗干擾能力差，雨霧天不能傳送；(4)保密性很差；(5)不能進(jìn)行識別和糾錯；(6)響應(yīng)速度；(7)不能雙工工作，雙向傳遞信息，信號進(jìn)行交換，等等。2022/11/251664.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史用燈、手、眼所組成的光通信系統(tǒng)在這種光通信系統(tǒng)中，燈是光源，手是調(diào)制器，眼是光探測器，解碼由大腦來完成。這種光通信系統(tǒng)至今在某些場合都還在使用，如夜間船舶艦艇之間通信等。2022/11/251674.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史第一位用光來進(jìn)行“通話”實驗美國著名科學(xué)家和發(fā)明家貝爾(AlexanderGrohamBell)。貝爾是電話的發(fā)明人，1876年他發(fā)明電話后，1880年他第一次用可見光波來進(jìn)行通話，傳送了幾百米遠(yuǎn)，他稱這種電話為“光電話”(Phtophone)。

但由于當(dāng)時的技術(shù)條件限制，包括光源，探測器，調(diào)制器，解調(diào)器，電子元器件，傳輸介質(zhì)等多種因素的限制，只能做一做原理性實驗，沒有什么實用價值，因此很長時間沒有得到發(fā)展和推廣。

2022/11/251684.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史大氣光通信：直到1960年麥曼(Maiman)制作的世界上第一臺激光器問世，光通信才又活躍起來。因為激光具有強(qiáng)度高，方向性好，相干性好等優(yōu)點?？茖W(xué)家們立即意識到，由于光波頻率比微波高，若作為載波，它的信息容量將比微波大很多。另外，由于光波的波長很短，和微波相比，它的衍射效應(yīng)也要小很多。因此，用這種相干性很好的激光光波來代替微波進(jìn)行大氣通信，將是非常理想的。大氣光通信前景暗淡：大氣層對激光的強(qiáng)烈衰減2022/11/251694.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史采用“有線光通信”的方式：有人提出采用“透鏡波導(dǎo)”將光束縛在波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸來避免大氣的影響。所謂“透鏡波導(dǎo)”，是在管道中隔一定距離安裝上一片會聚透鏡，使傳播過程中發(fā)散了的光束不斷地隔一定距離又重新再會聚一次，這樣將光波約束在管道內(nèi)進(jìn)行傳播。至于光束的轉(zhuǎn)彎，則可用棱鏡或者反射鏡來實現(xiàn)。但畢竟體積大，不便于安裝和使用，因而未能得到實際推廣應(yīng)用。2022/11/251704.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史光纖通信：1970年以前，光纖損耗非常大，一般是每公里上千分貝甚至更高，根本無法在光通信中使用。1970年，美國Corning公司第一次宣布它所研制的高純硅酸鹽玻璃單模光纖的損耗已小于20dB／km。幾年之后，光纖損耗不斷迅速下降，達(dá)到1dB／km甚至更低。到70年代末半導(dǎo)體激光器實現(xiàn)了室溫連續(xù)運轉(zhuǎn)，工作壽命在百萬小時以上，光纖通信才完全走上實用化、商業(yè)化的軌道。2022/11/251714.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史

光纖通信工作波段：0.85μ→1.32μ附近，光纖的損耗和色散都更低，特別是在1.3μ附近，是光纖的零色散點；而在1.55μ附近，是光纖的最低損耗點。綜述：60年代的準(zhǔn)備階段，70年代的實驗和試用階段，80年代的實際商業(yè)運行階段，90年代的世界范圍大規(guī)模使用階段……2022/11/251724.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(2)光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀模擬光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在80年代先開發(fā)并推廣應(yīng)用的光纖彩色閉路電視系統(tǒng)和廣播電視用光纖傳輸系統(tǒng)，屬于早期的模擬光纖傳輸系統(tǒng)。進(jìn)入90年代，16路、32路、48路、64路、128路的光纖CATV系統(tǒng)相繼研制成功，并已獲得廣泛推廣應(yīng)用。為什么模擬制多路光纖CATV系統(tǒng)有其生命力，關(guān)鍵是有了線性度較好、調(diào)制帶寬很寬的半導(dǎo)體激光器，其次是高頻線性補(bǔ)償電路的研制成功，進(jìn)一步提高了光源驅(qū)動電路的線性。目前在國內(nèi)外有線電視傳輸系統(tǒng)中用得甚多。2022/11/251734.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(2)光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀數(shù)字式光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)狀按用途分類：(1)光纖局域網(wǎng)，例如中速、高速以太網(wǎng)中的應(yīng)用，傳輸速率有10Mb/s、100Mb/s、lGb/s三種；(2)在郵電部門省內(nèi)干線和長途上用的PCM制式的光纖通信，該制式的速率是按群次來區(qū)分的。例如一次群速率是2.048Mb/s，二次群速率是8.448Mb/s，三次群速率是34Mb/s，四次群速率則是140Mb/s，更高速率的PCM系統(tǒng)如五次群、六次群也相繼在開發(fā)和應(yīng)用，目前2.5Gb/s的PCM系統(tǒng)國外己投入應(yīng)用，國內(nèi)正在研制中。2022/11/251744.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(3)光纖通信的發(fā)展方向從小容量、中容量朝大容量或超大容量方向發(fā)展；從多模光纖向單模光纖以及單模單偏振光纖即保偏光纖方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)的中繼距離越來越長；

光纖通信系統(tǒng)向波分復(fù)用系統(tǒng)方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向相干光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向全光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向孤子光通信方向發(fā)展；光纖通信系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)通信方向發(fā)展。2022/11/251754.光纖通信的發(fā)展歷史和展望(3)光纖通信的發(fā)展方向第一代光纖通信系統(tǒng)：0.87μ短波長光纖通信；第二代光纖通信系統(tǒng)：1.3μ波長光纖通信；第三代光纖通信系統(tǒng)：1.55μ波長光纖通信系統(tǒng)；第四代光纖通信系統(tǒng)：相干光光纖通信系統(tǒng)；第五代光纖通信系統(tǒng)：具有光纖放大器的全光通信光纖通信系統(tǒng)?，F(xiàn)在正向著第四、第五代實用化方向發(fā)展。2022/11/251765.新型光纖通信系統(tǒng)簡介(1)長途高速光纖傳輸系統(tǒng)

新型的長途高速光纖傳輸系統(tǒng)，其傳輸速率達(dá)到10Gb/s。它采用單模光纖傳輸。為實現(xiàn)高速傳輸和高靈敏度接收，使用大規(guī)模集成電路構(gòu)成高速電路模塊，并采用摻鎢光纖放大器，使中繼距離超過100km。2022/11/251775.新型光纖通信系統(tǒng)簡介(2)數(shù)字用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)

數(shù)字用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)PCM載波多工技術(shù)，將語音信號和數(shù)據(jù)信號進(jìn)行各種組合，以2Mb/s碼流發(fā)送到光纜、銅線或用數(shù)字微波進(jìn)行傳輸，位數(shù)字電路自中央局端延伸到用戶配線區(qū)附近，減少或消除外線設(shè)施的配置，提高通信質(zhì)量及解決缺線問題。系統(tǒng)能與綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)(1SDN)適配，除提供普通電話服務(wù)外，在市話網(wǎng)上可提供各種新服務(wù)。數(shù)字用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。2022/11/25178數(shù)字用戶網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)2022/11/251795.新型光纖通信系統(tǒng)簡介(3)相干光纖通信系統(tǒng)國外相干光纖通信系統(tǒng)研究進(jìn)展很快。其最大的優(yōu)點是接收靈敏度較現(xiàn)用的光強(qiáng)調(diào)制、直接檢測系統(tǒng)提高10—100倍，中繼距離長，選擇性好，可實現(xiàn)超大容量的光纖通信。2022/11/25180相干光纖通信系統(tǒng)2022/11/251815.新型光纖通信系統(tǒng)簡介(4)全光通信系統(tǒng)

“全光通信”則可充分利用光纖的傳輸帶寬，真正發(fā)揮用“光”傳輸信息的優(yōu)勢。這種系統(tǒng)可能在本世紀(jì)末取得重大突破。2022/11/251825.新型光纖通信系統(tǒng)簡介(5)光纖網(wǎng)絡(luò)

光纖局域網(wǎng)已在幾年前得到應(yīng)用，近年來建立信息高速公路已成為熱門課題。眾所周知，在信息時代，各種信息迅速及時可靠的傳送是全社會的迫切要求，因而對光纖網(wǎng)絡(luò)的功能要求也相應(yīng)提高了。2022/11/25183§3.3.4光電顯示技術(shù)0.引言1.陰極射線致光顯示2.液晶顯示

3.等離子體顯示4.注入電致發(fā)光顯示5.高場電致發(fā)光顯示6.投影顯示7.顯示技術(shù)展望2022/11/251840.引言0.1光電顯示技術(shù)的分類分類方法：