信息光学第八九章绪论

1、信息光学与应用 授课教师：徐先锋Email: Tel. 8391204(Home), 绪 论一、信息二、信息科学与技术三、光信息科学与技术四、信息光学与应用一、信息(Information) 由来已久，无所不在，使用频率极高，其概念既抽象又广泛。信息的一般含义信息的科学含义信息的基本特征光学信息（光信息）信息的定义、本质，以及对其特征、规律及度量的深入探讨，由信息论来描述，目前还没有统一完整的认识。信息的含义往往因人、因事、因时、因地而异，对不同学科、不同使用对象、不同应用方向有不同的含义和解释。在日常生活中，信息常指：通知，报告，消息，情报，知识，数据，资料，指令等等。信息的一般含义信息的科

2、学含义在科学意义上，信息与一事物的不确定程度有关。 若我们以某种方式对某事物从无知（不可确定性）变为有知（某种程度的可确定性），就称为我们对该事物获得了一定信息。 因此，信息通常与研究对象的组织结构有关。获得信息的过程，则是人们从无序向有序认识该组织结构的过程。 事物本身所含的不确定性越大（自由度越多），获得的确定性越严格，则获得的信息量越多。 信息论首先涉及描写事件不确定的量。描述事件不确定性的量的特征：事件完全确定时，等于0；事件可能的状态越多，值越大。事件可能结果数一定，每种结果出现的概率又相等 时，取极大值。这种事件是最不确定的。 设W为可能出现的结果总数，则有 S=KlnW 1948

3、年，申农定义S=KlnP 为信息熵或广义熵。 Pi为各种状态出现的几率，若几率相等， S= KlnP 信息量还可表示为I=(S2S1）= 信息量与二进制序列的位数相对应.I=log2W单位为“比特”。 W越大，P越小，当事者在现实面前越感捉摸不定和无知。所以熵是无知和缺乏信息的量度。S可以量度事件的不确定性，信息可以减少或消除事件的不确定性。将k视为玻尔兹曼常数，上式与热力学中熵表达式具有相同形式 例：一幅数字化图像，行和列像素数均为N，灰（度）级是2m，存储该图像时所需要的位数（信息量）是NNm。要获得该图像的信息，就需要知道其像素数和灰级。这样一个二值化像素的灰度显示使得我们从两种可能中确

4、定了一种。我们把此过程中获取的信息量叫作一个单位，称为比特（bit）。 对于m=1，最简单的二值化图像，每个像素只有黑白两个状态，可分别用0和1来表示。在我们对某一像素完全无知的情况下，其亮度（灰度）取值有两种可能。若该像素一旦显示，则此值即完全确定下来。信息具有的一些基本特征和重要性信息具有如下基本特征可度量，可识别，可转换，可存储，可处理，可传递，可再生，可利用，可共享，等。信息可以归纳为：宇宙信息星体之间传播的电磁波地球自然信息各种生物运动的本能人类社会信息人类通过手势、眼神、语言文字、图表图形图像等形式的简单信息。信息是人类社会赖以生存发展的三大基础或三大要素之一。传统上，人们把物质、

5、能量看作是各种相互作用中的两个最基本量。现在，越来越多的人们形成共识，把信息作为第三个基本量。物质、能量和信息是人类社会赖以生存发展的三大要素。 各个波段：微波、热成像、红外、可见、紫外、x射线等；各种方式，如：眼睛、望远镜、显微镜、照相机、摄像机、内窥镜、扫描、遥测、遥感、及各种传感，等。还有其它方式，如：电光、磁光、声光、热光及弹光转换等。 获取方式: 最常见、最直接的是光学成像，包括：光学信息（光信息）能用光学方法生成、获取、传输、处理的信息（信号），或通过某种方法转换而来的光信号。光信号形式：最常见、最直接的是光学图像（2D或3D）。二、信息科学与技术作为一个学科或一项专门技术，它是六

6、大高新科技群体之一。六大高新科技： 信息科学与技术，新材料科学与技术，新能源科学与技术，生物与生命科学与技术，空间科学与技术，海洋科学与技术。 1、从学科专业角度来看主要包括：电子技术微电子技术，光学技术光子技术，现代光电子技术，分子电子技术，等。通过利用和控制固体内电子的微观运动来实现对信息的加工处理；信号处理是在固体的微区（小到几个晶格的数量级）内进行；信号的传递只在极微小的尺度内进行；可把多个电子功能部件，甚至一个子系统集成在一个很小的芯片上。微电子技术与传统电子技术相比，其突出特点有：在现代集成光学的基础上发展起来的、以光集成技术（或集成光路技术）为核心的、有关光学器件与光电器件设计和

7、制造的技术。 光子技术集成光路技术与集成电路技术类似，它是利用各种工艺将有源和无源光器件集成在一起，构成能完成某种或几种功能的光学器件或光学系统。 无源器件：如光波导、光耦合器、光分路器、光调制器、光检测器、棱镜、透镜、反射镜、光栅等功能：如光信息获取、产生、放大、调制、耦合、变换运算与处理、存储、检测等）有源器件：各种光源，如激光器等。光子技术一般包括如下三个方面：（a）光材料技术；（b）光器件技术；（c）光系统技术，（理论、结构模型与分析，设计与模拟，实验，制作工艺与加工等）。光系统技术：光学信息生成、获取与检测技术；光学信息变换、运算与处理技术（光计算等）；光信息传输技术（光纤通讯、光互

8、连、光网络等）；光信息存储技术（光盘技术等）。 光电、电光转换技术，器件及应用等，半导体光电器件技术（如发光、调制/解调、探测等，如摄像技术、变像技术、显像技术等）。将微电子技术和光子技术结合起来，发挥各自优势。 现代光电子技术 物理传感，基于物理效应，如光、电、磁、声、热、力等。化学传感，基于化学反应、化学吸附、选择性化学反应等。生物传感，基于酶、抗体、激素等分子识别功能。 传感（器）技术以所基于的原理划分：2、从功能作用角度来看信息获取技术，信息处理技术，信息传输技术，信息控制技术.可分四个方面：（1）信息获取技术：传感（器）技术，遥测技术，遥感技术 在分子水平上实现电子学的信息传输与存储

9、。充分利用生物分子的再生能力和自我组织能力。 生物电子技术 温度传感，压力传感，湿度传感，电磁传感等。以所感知对象（参量）划分：传统的、常见的有：望远镜，显微镜，照相机，电流表，电压表，示波器，温度计，压力计，CT，x光机等。 以所使用的敏感材料划分：半导体传感，光纤传感，陶瓷传感，等等。 对被测对象的某些参数进行远距离测量，是传感技术、数据传输技术及遥控技术的结合。遥测技术 遥感技术借助于专门的光学、电子学探测仪器，把遥远物体所辐射（或发射）的电磁信号记录下来，再经加工处理变成人眼可直接识别判读的图像。对获取信息进行转换、识别、加工、归类整理、存储等。目前常用的是电子（计算机、或数字）信息处

10、理。光学或光电混合信息处理，将逐渐走向应用。（2）信息处理技术在农、林、地质、地理、海洋、水文、环保、军事上有广泛应用。利用飞机、卫星等。无线电通信，微波通信，光纤通信，卫星通信，激光通信，网络，等。（3）信息传输技术对信息进行有效控制，并用信息进行过程控制。自动化技术，如：工业自动化，办公自动化，家庭自动化，等。（4）信息控制技术三、光信息技术原理及应用 是信息科学与技术的一个组成部分，其地位越来越重要，其作用越来越突出。 以信息光学（傅立叶光学）为基础，侧重于原理介绍和技术应用光信息的本质、特征及度量等；光信息的运动规律，即：光信息产生、获取、变换运算与处理、传播、存储等过程的一般规律；光

11、信息的收集、分析、加工和利用方法；光信息传递与交换的途径及方法。1、主要研究内容光互连，光网络，光通信，光学信息处理与光计算（光学处理器、光智能机与光计算机），光传感，光检测等。具体来讲，例如：2、光信息处理技术的特点（1）高并行性 容易实现多通道并行处理. 电子，电流，一维，串行。光子，光波，二维或三维，并行高并行性 + 光速 = 高速（2）高速度（3）高密度与大容量光波的频率高，波长短，这种特性带来两方面的巨大优势：首先，在光存储方面，由于系统分辨率(可分辨的最小距离)正比于所用光波长，光存储时的存储密度正比于1/ (对二维存储介质)和1/ (对三维存储介质). 32 在理论上比电通信容量

12、大数万倍以上，目前实际水平已达到几十倍. 如现在已大量使用的2.5Gbit/s的数字光纤通讯系统，在一根光纤上可同时传输三万路电话，而以前电通信中容量最大的同轴电缆仅能同时传输一千多路电话. 其次，在光通信方面，光波的极高频率使得它具有极大的信息容量还可利用光波的相位、振幅、偏振等，进一步提高信息容量以 = 500nm估算，相应面存储密度和体存储密度的量级分别达到4108 bit/cm2 和81012 bit/cm3. 若同时利用其他技术(如多波长寻址等)，该存储密度还可以再提高1-3个数量级. 这是当前任何其它数据存储技术无法匹敌的. 光波的频率远高于普通的电磁波频率，一般的光学器件(包括光

13、纤)也为非金属材料，所以光信息处理及传输过程具有极强的抗电磁干扰能力. 电信号的传输与互连一般要用导线，而光信号互连时可以利用特殊器件(例如光栅)使光束从空间中一点定向偏移到另一点，两点之间不需要任何导线. 这种自由互连方式在多点输入及多点输出的网络结构中显示出巨大的优点，它使光学器件及系统的小型化及高度集成化成为可能.（4）抗电磁干扰（5）自由空间互连 由于器件、材料、工艺等各方面的限制，目前光信息技术尚未在所有方面充分发挥其潜能. 但现有进展已足以显示出其上述各项独特的优点，而科学技术的进一步发展将使其发挥越来越大的作用. 与其它学科与技术密切相关，相互补充相互借鉴，如：物理科学，材料科学

14、与技术，电子科学与技术，计算机科学与技术，生物医学，化学，等。3、相关学科与技术光信息的运动规律，即：光波的传播、变换、运算处理、存储等过程的一般规律；光信息的收集、分析、加工和利用方法；1、主要内容：光互连，光网络，光学信息处理与光计算（光学处理器、光智能机与光计算机），光传感，光检测等。四、信息光学及应用2、主要方法：把光学系统看成是收集和传输光信息的线性系统，利用信号与系统的某些概念和频谱理论，阐述光信息传输、变换与处理等过程。在频谱域中描述和处理光信息。如： FT，分数FT，小波变换，线性系统理论等。如：成像，衍射，传播。可看作是经典的波动光学的扩展与深化. 在本质上它与经典衍射理论并

15、无根本区别，但在观察角度与处理方法上有全新的创造与发展，故得到了许多新的极有价值的结论. 光波衍射变换与传输，光学成像分析与评价，二维、三维光学图像的变换与处理。 3、发展历史简介：一般认为近代光信息技术起源于19世纪末（1873年），到20世纪中叶，才达到一个快速发展的时期，逐渐成型.在20世纪中叶，光学研究无论在思想、方法、技术(包括设备、材料、工艺)等方面都产生了一系列重大的突破，新的分支学科如雨后春笋般诞生.20世纪30、40年代：光学与通讯理论结合促成了傅立叶光学的出现和全息概念的提出。它利用系统概念和频谱分析语言来描述光学成像变换过程。 泽尼克相衬显微成像（30年代）； 全息术的提

16、出（伽伯，D. Gabor，1948）。20世纪60、70年代：60年激光器出现（高强度、高相干性，单色，方向），使信息光学的发展进入了一个全新的阶段。光学全息术的蓬勃发展及各种应用；光学空间滤波、图像识别（JTC,VLC）、图像变换处理等技术的发展。典型代表：合成孔径雷达光学信号处理。19世纪末20世纪初：傅立叶分析方法开始用于光学成像分析，频谱概念提出。（傅里叶光学）20世纪80、90年代： 光互连，光计算，光神经网络，光计算机，激光全息仿伪；20世纪90年代及本世纪初： 二元光学，衍射光学，微光学，近场光学，光学信息安全（加密，隐藏，解密，防伪，认证判别等），光子晶体，等。 目前，在科学

17、研究方面，信息光学正与导波光学、非线性光学、集成光学、通信理论、微电子学、微机械等相互渗透。 这些学科与技术的结合有可能导致新一代信息处理技术、信息传输技术及光计算机的出现。 讲课概况（Course Outline） 基础理论部分：1-5章， 1，2，3，5为考核部分，4章选读内容课程概况、要求及相关信息实际应用部分选读内容（视具体情况选讲）6-11章，部分内容不要求。6章为光电器件；7，8，9，10为信息处理技术；11章为计量技术。基本概念，基本原理，基本思路和物理思想。建立清晰的物理图像。从整体上掌握。 课程要求(Course Goal)成像过程和成像系统分析与评价，光学或光电混合图像处理

18、：滤波，特征提取，变换等光学模式/特征识别与分类，等 光学全息，计算全息，数字全息，及其应用：显示，检测与计量，信息安全，等光互连，光神经网络，光计算与本课程关系最为密切的某些研究和应用领域参考资料参考书Introduction to Fourier Optics, J. W. Goodman, (傅里叶光学导论）光学信息技术原理及应用，陈家璧等，高等教育出版社，2002。信息光学理论及应用，王仕璠，科学出版社，2004。光信息科学与技术应用，郑光昭，电子工业出版社，2002。傅里叶光学，吕乃光，机械工业出版社，2006。信息光学基础，朱利伟等，中央民族大学出版社，1997。光学全息及应用，于美文