信息光学(第二版)01-引言

光电子
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
光信息科学
光 是最重要的信息载体，人类感官接收 客观世界总信息量的 90%以上通过眼睛 光纤通信： 以低损耗石英光纤和半导体激光器为基础， 成为当今通信的主体和方向 显示技术：液晶大屏幕显示成为下一代电视的主流;
存储 1万 幅二维图像，数据量达到10Gbit 计算机控制，快速存储
全息信息存储
探测器 参考光束 成像透镜 空间光 调制器 记录介质 变换透镜 数据页 信号 光束 激光器 待存储 的信息
中国的光学(光子学)已经对高科技、国民 经济与人民生活产生了影响。可以预期，光学 （光子学）在21世纪将会像20世纪的电子学 （微电子学）那样大发展。让我们一起为迎接 光学（光子学）方面的重大突破而欢呼吧！ --王大珩 你们这一代人 将成为最有希望的力量 是一支强大的生力军
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 1、光学领域的扩展
• 波段： 向两端扩展
可见光 X射线 新学科
紫外
近红外 中红外 远红外
紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学
• 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
20世纪光学的 主要特点 1、光学领域的扩展
信息光学 Information Optics
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
--王大珩
王大珩先生说：
• 20世纪以前的光学
古典光学
• 20世纪的光学
传统光学
传统光学 • 21世纪的光学
现代光学
光子时代的到来
21世纪 21世纪 将是光子的世纪
20世纪光学的
主要特点
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
激光核聚变: 神光II装置
载人航天飞行: 神舟5号
风云II号气象卫星
嫦娥一号
绕地球轨道： 绕地球轨道：16h轨道：近地点 200km，远地点 51000km，1.5圈。 远地点加速： 远地点加速：16h轨道：近地点 600km，远地点 51000km，1.5圈。 近地点加速： 近地点加速：24h：近地点 600km， 远地点 71000km，3圈 （停泊轨道）。 近地点加速：48h：近地点 600km， 近地点加速 远地点 128000km，1圈。 近地点加速： 近地点加速：116h轨道：近地点 600km，远地点 400000km （地月转 移轨道）。三次轨道修正。 绕月球轨道： 第一次近月点制动：12h轨道：近月 点200km，远月点8600km。 第二次近月点制动：3.5h轨道：近月 点200km，远月点1700km。 第三次近月点制动：127min轨道： 近月点200km，远月点200km。
图像显示和复制设备：激光照排、印刷、分色、打 印、复印、传真，—— 构成庞大印刷产业 成像和探测领域 CCD等数字图像设备：扫描仪、 传真机、摄象机、摄录机、数码相机……使光信息数 字化; 光电子成像器件和探测器可以涉及到不可见光 （微光和红外）
信息爆炸
采 集 传 输
信息时代 对 信息技术
提出 更高 要求
以光速传播 30万 km / s （3x108 m / s）
10-15 s
光开关速度：飞秒（FS）
对比
电信号传输速度：105 m / s 电子开关速度：10-9 s
光子技术的优越性
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” 对比 • 电子受外界电磁场干扰 • RC问题 • 滞后效应
认识光, 驾驭光 发展光学
信息光学-傅里叶光学
信号与系统的基本分析方法 通信理论、傅里叶分析与现代光学的结合 光学信息处理与全息学的基础
•数学基础 数学基础 •二维线性系统分析 二维线性系统分析 •标量衍射的角谱理论 标量衍射的角谱理论 •光学成像系统的频率特性 光学成像系统的频率特性 •光全息术 光全息术 •光学信息处理 光学信息处理
2.16m 反射望远镜
微光夜视技术
全息防伪 技术
20世纪光学的 主要特点 空间 能源 医疗 材料 核技术 遥感 遥测 印刷
精密 加工
微电子 化学 环境 保护
生物 工程
工程
4、应用范围的扩展 、
防灾
农业
生态 环境
资源 生命 科学 保护
通信
计量
军事
信息科学
光信息 科学
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 已形成大规模的产业 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 亿美元 2000年 达 1030亿美元 亿美元 2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业 年 将形成5万亿美元的产业规模 万亿美元的产业规模， 将形成 万亿美元的产业规模， 2010年至 年至2015年，光电子产业可能会取代传统 年至 年 电子产业。 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。 再次推动人类科学技术的革命和进步。
例2 功能： 感知: 目标： 学 习
形象
高智能机器人
联 想
声音
推 理
识 别
气味
记 忆
感觉
快速计算、快速反应、达到人脑的水平
计算速度
要求达
1015
次/秒 秒
现代” “现代”机器人能做到吗 ？？？
过马路 ？？？
打 乒 乓 球
！ ！ ！
关于现代机器人
2003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 结论 电子系统速度慢，现代机器人比不上 人
例3 • • • •
其它领域
航空、航天 中长期天气预报 地震预测、预报 超大量卫片的图像处理 计算速度 要求达
灾难的避免 快速反应 快速处理
1015
次/秒 秒
20世纪光学的 主要特点
光子技术的优越性
理 速度快 对比 电子 可在自由空间传播 可在波导内传播 并行传输 并行处理 在电线里传输 串行传输：“瓶颈” 问题 并行传输： 由于线径影响
二维图像处理，更快、更优
光子
速度快
出现RC问题
光子技术的优越性
传输 容量大
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
对比 一路微波通道，传送 103 路 电话 或
21世纪投入使用
1 路 彩电信号
美、日报道：超大容量传输系统 1012 bits / s （Tb / s）
序言 存储
》
光子技术的优越性 海量存储
密度大
200mm双面光盘，2.4mm厚
例1
可存储 2 部电影的全部声、像信息
全息存储
1cm3 光折变晶体
例2
处 理 存 储
超高速度
超大容量
例1
重返大气层多弹头导弹的
拦截
弹头数量大于1000枚的情况 要求：在数分钟内完成五项功能
寻 的 识 别 跟 踪 发 射 迎 击
计算速度
在 3’ —— 29’ 时间内分 4 阶段拦截、确认结 果
要求达
1015
次/秒 秒
目前 电子计算机 的计算速度举例
2005：中科院知识创新工程和上海市信息化建设的重大成果， 曙光4000A，计算速度10 的13 次方 秒。 2003年2月报道的是： 次方/秒 曙光 ， 3000亿 次/秒。 秒 现在： 现在：美国国际商用机器公司(IBM) 计划名为“红杉”，最高运 算速度可达每秒2万万亿次。可达现阶段普通笔记本电脑的200万 倍。 英国《泰晤士报》：如果以人类大脑运算能力为参照， “红杉”一天的运算量需要1200亿人花费50年才能完成。轻易超 1200 50 越现有“最快”计算机、每秒可完成大约1000万亿次运算的“走 鹃”。 任务 用以确定核武器安全，“红杉”眼下处于技术研发阶段， 定于2011年交付使用。”预计安装在美国能源部位于加利福尼亚 州的劳伦斯-利弗莫尔国家实验室。科学家借助“红杉”完成复杂 的计算机模拟实验，以确定某种核武器是否安全、能否达到能源 部下属国家核安全局关于核武器库存管理的要求。“管理核武器 —— 库的难题与(管理)家庭车库中存放二三十年的汽车相似，”助理 主管马克说，“汽车老旧过程中如何小心保养，才能确保你能够 正常发动它？”
光学工程 —— 综合技术学科
现代精密仪器： 多功能、高效率 光、机、电、算一体化 精密机械 光学 技术手段：自动化、 数字化、智能化
光 材 算
计算机 材料
机 电
电子
20世纪光学的 主要特点 3、研究内容的扩展 、 • 传统光学 ： 研究 望远镜、显微镜、放大镜等
• 现代光学： 扩展到
激光 全息 微光 光集成 光计算 核科学技术 航空航天 光纤与光纤通信 光信息处理 机器人视觉 光探测器 图象处理 图象融合 灵巧结构 等等
• 研究对象：宇宙、宏观、介观、微观
研究方向
宏大光学 天文望远镜
微小光学 微透镜
• 空间尺度：百亿光年
研究方向
单原子尺度，介观尺度
纳米光学
原子反应时间 （10-15 秒）
天文光学
• 时间尺度： 天文时间
研究方向
静态光学 如超快速现象
瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
20世纪光学的 主要特点
2、应用功能的扩展 、
参考书
陈家璧、苏显渝主编：光学信息技术原理及应用 （面向21世纪课程教材） 高等教育出版社，2002 参考书 1.吕乃光编,《傅里叶光学》. 机械工业出版社, 1987 2. J.W.Goodman, Introduction to Fourier Optics 中译本: [美]顾德曼著, 傅里叶光学导论, 科学出版社, 1968 3.吕乃光等编,《傅里叶光学-基本概念和题解》