信息光学课件

信息光学信息光学1享受光

享受光学

光学科学与技术的成果已深深渗透到我们的生活中.--享受光

享受光学光学科学与技术的成果已深深渗透到我们221世纪将是光子的世纪，光在信息科学中将要发挥更大的作用.——王大珩(1915.2.26─2011.7.21)

王大珩两院院士中国光学界公认的学术奠基人、开拓者和组织领导者20世纪是微电子的世纪;21世纪将是光子的世纪，光在信息科学——王大珩(1320世纪以前的光学古典光学传统光学20世纪的光学传统光学现代光学21世纪的光学光子时代的到来21世纪

将是光子的世纪20世纪以前的光学古典光学传统光学20世纪的光学传统420世纪光学的主要特点

光学领域的扩展应用功能的扩展研究内容的扩展应用范围的扩展20世纪光学的主要特点光学领域的扩51、光学领域的扩展新学科紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学X射线紫外近红外

中红外

远红外可见光

波段：向两端扩展

波长：单色性、相干性

研究方向激光器激光全息

光强：单光子激光光源星际光源1、光学领域的扩展新学科紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外6

研究对象：宇宙、宏观、介观、微观研究方向宏大光学微小光学天文望远镜微透镜研究方向天文光学纳米光学

空间尺度：百亿光年单原子尺度，介观尺度

时间尺度：天文时间原子反应时间（10-15

秒）研究方向静态光学瞬态光学如超快速现象纳秒、皮秒、飞秒研究对象：宇宙、宏观、介观、微观研究方向宏大光学微小光学72、应用功能的扩展

光学工程——综合技术学科光机电算材光学精密机械电子材料计算机现代精密仪器：多功能、高效率光、机、电、算、材一体化技术手段：自动化、数字化、智能化2、应用功能的扩展

83、研究内容的扩展望远镜、显微镜、放大镜等

传统光学：

研究现代光学：

扩展到

光子已不仅是作为信息传递的手段，帮助人类认识世界光子也能改变物质的形态，帮助人类改造世界.

激光核科学技术光探测器

全息航空航天图象处理微光光纤与光纤通信图象融合光集成光信息处理灵巧结构光计算机器人视觉等等3、研究内容的扩展望远镜、显微镜、放大镜等传统光学：研92.16m

反射望远镜2.16m

反射望远镜10微光夜视技术微光夜视技术11国庆50周年纪念钞全息防伪国庆50周年纪念钞全息防伪124、应用范围的扩展4、应用范围的扩展13许多学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。光电子技术光电子成为信息产业的主角许多学科分支和方向光电子光电子成为信息产业的主角14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，地球能源光电子技术光电子成为现代产业的主角光电子15激光核聚变(惯性约束聚变):神光II装置--上海光机所激光核聚变(惯性约束聚变):神光II装置--上海光机所16嫦娥一号嫦娥一号17采集传输处理存储超高速度超大容量信息时代对信息技术提出更高要求信息爆炸采集传输处理存储超高速度超大容量信息时代对信息技术信18重返大气层多弹头导弹的拦截实例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/秒要求达寻的识别跟踪发射迎击计算速度重返大气层多弹头导弹的拦截实例1弹头数量大于1000枚的情况19实例2高智能机器人计算速度1015次/秒要求达学习联想推理识别记忆功能：形象声音气味感觉感知:快速计算、快速反应、达到人脑的水平目标：实例2高智能机器人计算速度1015次/秒要求达学习联想推202003年2月23日报道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、跟在人后面走关于现代机器人结论电子系统速度慢，现代机器人比不上人2003年2月23日报道日本研制的世界第一个机器人能行21光子技术的优越性响应速度快光传播速度30万km/s(3*108m/s)电信号传输速度：105m/s电子开关速度：10-9s光开关速度：飞秒(fs)10-15s对比光子技术的优越性响应光传播速度电信号传输速度：105m22抗干扰能力强

不受外界电磁场干扰相互间几乎不干扰可共用一个空间，不“串音”

电子受外界电磁场干扰

RC问题滞后效应对比抗干扰不受外界电磁场干扰电子受外界电磁场干扰对比23处理速度快

电子在电线里传输串行传输：“瓶颈”问题并行传输：由于线径影响出现RC问题对比光子可在自由空间传播可在波导内传播并行传输并行处理速度快二维图像处理，更快、更优处理电子对比光子并行传输速度快二维图像处理，更快、更优24传输容量大对比高密度大容量三维空间传输高带宽一根光纤可同时传送多少路电话？

106——108路一路微波通道，传送103路电话或1路彩电信号美、日报道：超大容量传输系统1012bits/s（Tb/s）传输对比高密度大容量三维空间传输高带宽一根光纤可同时传送多少25存储密度大海量存储例1200mm双面光盘，2.4mm厚可存储2部电影的全部声、像信息例2全息存储数据存储密度的极限是几十TB/cm3计算机控制，快速存储存储海量存储例1200mm双面光盘，2.4mm厚例2全息存储26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量的90%以上要通过眼睛.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.经典光学主要分为两部分: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.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271)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.1)1948年，全息术的发明，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带的全部信息.2)1955年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价光学镜头的质量.3)1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.1)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28一门新的学科——信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出.由于激光器的应用，全息术获得了新的生命.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光强、振幅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、粗的轮廓等比较低的"空间频率"成分和急剧变化的细节等比较高的“空间频率”成分构成的，用频率的分布和变化来描述光学图像.一门新的学科——信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出.29

信息光学又称傅里叶光学，它是应用光学、计算机和信息科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，也是现代光学的核心.

信息光学的特点：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(通常称之为信息光学).信息光学又称傅里叶光学，它是应用光学、计算机和信息科学相30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领域有许多应用.信息光学中采用傅里叶分析和线性系统理论分析光波的传播、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理论进行阐述，因而信息光学是信息科学的一个重要部分.在光学工程、光学仪器检测、模式识别、图像处理、显示、传感器312)光学信息及其特点光学信息是指光波的强度、复振幅、相位、色彩、偏振态等内容.

光学信息处理，指的是光学图像的产生、传递、探测和处理，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.

光学信息处理具有高度并行、大容量的特点.近年来，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，在一些领域中逐渐进入实用阶段.2)光学信息及其特点光学信息是指光波的强度、复振幅、相323)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、处理系统是否线性等方面，光学信息处理通常分为相干处理和非相干处理、单色光处理和白光处理、线性处理和非线性处理等.这些处理方法是在空间域进行还是在频率域进行，又分为空间域处理和频域处理.3)光信息科学与光信息技术分类按照光波的相干性、334)光学信息和通信通信系统和成像系统都是用来收集或传递信息的.前者处理的信息一般是时间性的，而后者处理的信息则是空间性的，但从抽象观点来看，这一差别并非实质的.都可以用同样的数学方法——傅里叶分析和“系统”理论来描写各自有关的系统.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“信息”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性质.4)光学信息和通信通信系统和成像系统都是用来收集或传递信息34许多电子学网络和成像装置都具有线性和不变性.任何具有这两种性质的网络或装置(电子学的、光学的或其他)，在数学上都很容易用频谱分析方法来描述.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的范围，它仍然以波动光学原理为基础.许多电子学网络和成像装置都具有线性和不变性.任何具有这355)信息光学的研究方法

1.将信息科学中的线性系统理论引入光学;

2.把光学成像看成是一种二维的图像信号的传输和处理系统;3.由空间域扩展到空间频率域，对光学成像系统进行空间频谱分析;4.光学系统的单一成像功能扩展到二维信息处理.5)信息光学的研究方法1.将信息科学中的线性系统理论引36信息光学信息光学37享受光

享受光学

光学科学与技术的成果已深深渗透到我们的生活中.--享受光

享受光学光学科学与技术的成果已深深渗透到我们3821世纪将是光子的世纪，光在信息科学中将要发挥更大的作用.——王大珩(1915.2.26─2011.7.21)

王大珩两院院士中国光学界公认的学术奠基人、开拓者和组织领导者20世纪是微电子的世纪;21世纪将是光子的世纪，光在信息科学——王大珩(13920世纪以前的光学古典光学传统光学20世纪的光学传统光学现代光学21世纪的光学光子时代的到来21世纪

将是光子的世纪20世纪以前的光学古典光学传统光学20世纪的光学传统4020世纪光学的主要特点

光学领域的扩展应用功能的扩展研究内容的扩展应用范围的扩展20世纪光学的主要特点光学领域的扩411、光学领域的扩展新学科紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学X射线紫外近红外

中红外

远红外可见光

波段：向两端扩展

波长：单色性、相干性

研究方向激光器激光全息

光强：单光子激光光源星际光源1、光学领域的扩展新学科紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外42

研究对象：宇宙、宏观、介观、微观研究方向宏大光学微小光学天文望远镜微透镜研究方向天文光学纳米光学

空间尺度：百亿光年单原子尺度，介观尺度

时间尺度：天文时间原子反应时间（10-15

秒）研究方向静态光学瞬态光学如超快速现象纳秒、皮秒、飞秒研究对象：宇宙、宏观、介观、微观研究方向宏大光学微小光学432、应用功能的扩展

光学工程——综合技术学科光机电算材光学精密机械电子材料计算机现代精密仪器：多功能、高效率光、机、电、算、材一体化技术手段：自动化、数字化、智能化2、应用功能的扩展

443、研究内容的扩展望远镜、显微镜、放大镜等

传统光学：

研究现代光学：

扩展到

光子已不仅是作为信息传递的手段，帮助人类认识世界光子也能改变物质的形态，帮助人类改造世界.

激光核科学技术光探测器

全息航空航天图象处理微光光纤与光纤通信图象融合光集成光信息处理灵巧结构光计算机器人视觉等等3、研究内容的扩展望远镜、显微镜、放大镜等传统光学：研452.16m

反射望远镜2.16m

反射望远镜46微光夜视技术微光夜视技术47国庆50周年纪念钞全息防伪国庆50周年纪念钞全息防伪484、应用范围的扩展4、应用范围的扩展49许多学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。光电子技术光电子成为信息产业的主角许多学科分支和方向光电子光电子成为信息产业的主角50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，地球能源光电子技术光电子成为现代产业的主角光电子51激光核聚变(惯性约束聚变):神光II装置--上海光机所激光核聚变(惯性约束聚变):神光II装置--上海光机所52嫦娥一号嫦娥一号53采集传输处理存储超高速度超大容量信息时代对信息技术提出更高要求信息爆炸采集传输处理存储超高速度超大容量信息时代对信息技术信54重返大气层多弹头导弹的拦截实例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/秒要求达寻的识别跟踪发射迎击计算速度重返大气层多弹头导弹的拦截实例1弹头数量大于1000枚的情况55实例2高智能机器人计算速度1015次/秒要求达学习联想推理识别记忆功能：形象声音气味感觉感知:快速计算、快速反应、达到人脑的水平目标：实例2高智能机器人计算速度1015次/秒要求达学习联想推562003年2月23日报道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、跟在人后面走关于现代机器人结论电子系统速度慢，现代机器人比不上人2003年2月23日报道日本研制的世界第一个机器人能行57光子技术的优越性响应速度快光传播速度30万km/s(3*108m/s)电信号传输速度：105m/s电子开关速度：10-9s光开关速度：飞秒(fs)10-15s对比光子技术的优越性响应光传播速度电信号传输速度：105m58抗干扰能力强

不受外界电磁场干扰相互间几乎不干扰可共用一个空间，不“串音”

电子受外界电磁场干扰

RC问题滞后效应对比抗干扰不受外界电磁场干扰电子受外界电磁场干扰对比59处理速度快

电子在电线里传输串行传输：“瓶颈”问题并行传输：由于线径影响出现RC问题对比光子可在自由空间传播可在波导内传播并行传输并行处理速度快二维图像处理，更快、更优处理电子对比光子并行传输速度快二维图像处理，更快、更优60传输容量大对比高密度大容量三维空间传输高带宽一根光纤可同时传送多少路电话？

106——108路一路微波通道，传送103路电话或1路彩电信号美、日报道：超大容量传输系统1012bits/s（Tb/s）传输对比高密度大容量三维空间传输高带宽一根光纤可同时传送多少61存储密度大海量存储例1200mm双面光盘，2.4mm厚可存储2部电影的全部声、像信息例2全息存储数据存储密度的极限是几十TB/cm3计算机控制，快速存储存储海量存储例1200mm双面光盘，2.4mm厚例2全息存储62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量的90%以上要通过眼睛.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.经典光学主要分为两部分: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.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631)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.1)1948年，全息术的发明，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带的全部信息.2)1955年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价光学镜头的质量.3)1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.1)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64一门新的学科——信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出.由于激光器的应用，全息术获得了新的生命.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光强、振幅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、粗的轮廓等比较低的"空间频率"成分和急剧变化的细节等比较高的“空间频率”成分构成的，用频率的分布和变化来描述光学图像.一门新的学科——信息光学从传统的经典波动光学中脱颖而出.65

信息光学又称傅里叶光学，它是应用光学、计算机和信息科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，也是现代光学的核心.

信息光学的特点：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(通常称之为信息光学).信息光学又称傅里叶光学，它是应用光学、计算机和信息科学相66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领域有许多应用.信息光学中采用傅里叶分析和线性系统理论分析光波的传播、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理论进行阐述，因而信息光学是信息科学的一个重要部分.在光学工程、光学仪器检测、模式识别、图像处理、显示、传感器67