信息光学的前沿

方法比较
• 二元衍射方法虽然能实现各种复杂面形而得到广 泛应用，但受到光刻线宽分辨率的限制，而不能 制作较大数值的微光学元件；存在量化误差。 • 掩模移动法和灰阶掩模法具有设计灵活、能制作 任意面形的微光学元件，但是掩模制作过程中数 据量较大，难于精确地控制面形。 • 热熔法由于面形不容易控制而应用领域受到限制。 • 总的说来，二元衍射方法适合于小数值孔径微光 学元件，而连续面形方法适合于制作大数值、小 口径微光学元件。
（非线性光学、超快光学现象、散射、位 相共扼、信息理论…… ）
8、。。。。。。
衍射光学
定义 衍射光学（二元光学）是基于光波衍射理论发展起来的一个 新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成 的前沿学科。 优点 衍射光学元件具有微型化、易复制、易集成、造价低、可产 生任意波前、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、 色散性能独特等优点。 应用 在微透镜阵列、光通信、光互连、光计算机、激光束波面校 正等方面有广阔应用前景，是集成光信息技术中重要元件。 局限 由于光波的衍射与光波波长有关，且位相量化也会产生再现 波前的误差，衍射光学元件并不能完全代替现有的折射光学 元件。
数字实时全息图
联合变换相关识别
平面上纪录介质的透过率函数[
联合功率谱]
液晶光阀
光电混合式实时联合变换相关器
二元光学方法
第二步：设计制作二元振幅型掩膜 按照计算的位相分布，设计 并制作刻蚀用的二元振幅型掩 膜，通常N级位相台阶需要设计 n个掩膜，使
二元光学方法
第三步:在片基上刻蚀出台阶 用掩膜对涂了感光层的片基曝光与处 理，然后用电子束或离子束刻蚀机在 片基上刻蚀出台阶。这一过程应在计 算机控制下，并对n套掩膜重复作n 次，才能产生N个位相等级的台阶， 即产生所需要的衍射光学元件。 在制作过程中，掩膜和片基的定位与 对准要求很高，例如片基表面刻蚀深 度的精度要达到几个nm量级，掩膜定 位对准精度要达到0.1um量级。
(d)连续面形型
制作衍射光学元件的光学光刻法 • 光学光刻可实现二元衍射微光学元件和连 续面形微光学元件。 • 主要有二元光学方法、掩模移动法、灰阶 掩模法、热熔法和梯度折射率方法等。
二元光学方法
• 例：采用光刻方法加工8台阶二元衍射微光学元件
采用三块不同频率的掩模，通过三次甩胶、曝光、 显影、刻蚀等工艺，可实现95%衍射效率的微光 学元件。
多层衍射光学元件及镜头
校正色散的原理
窄带带通滤波器
从前，只有在玻璃上镀30层以上光学薄膜的方法才能实现， 而若应用树脂的超微细衍射结构，可实现低价格量产，飞 跃性促进个人通信系统及高速局域网的普及。
有关衍射光学元件的论文
• • • • • • • • • • • • • • 衍射光学元件的设计及其在半导体激光器中的应用研究 衍射光学元件在成像光谱中应用 衍射光学元件在红外像传感器中的应用研究 一种提高光头存储密度的衍射光学元件 衍射光学元件在光通信中的应用 在国防安全照明系统中应用的衍射光学元件 用衍射光学元件生成无衍射光束 用衍射光学元件提高出射光束的焦深 衍射光学元件在光学系统中的应用 衍射光学元件用于光学图像加密 双波长共焦衍射光学元件分析与设计 衍射光学元件的反应离子束蚀刻研究 衍射光学元件在目镜设计中的应用 -------------
信息光学前沿简介
信息光学前沿主要领域和方向是： 1、集成光信息处理
（数字光计算、光学互连、衍射光学）
2、新的成像系统
（光学计算机断层成像、三维共焦成像系统）
3、光学三维传感
（主动三维传感、被动三维传感）wk.baidu.com
4、新一代的全息术和光学信息处理 5、信息光学的新材料和装置 6、人机接口与显示 7、信息光学的基础问题
掩模移动法、灰阶掩模法和热熔法
• 采用掩模移动法制作任意面形微光学阵列元件， 首先根据要求的面形设计掩模，然后在曝光过程 中通过移动掩模，实现各部分的不同曝光量，最 后通过显影、反应离子刻蚀，将光刻胶的面形传 递到光学表面材料上。 • 灰阶掩模法是根据微光学元件所需面型（任意面 形），对掩模进行灰阶编码，形成相应的光强透 过率分布函数，通过一次曝光、显影，即可得到 相应的光刻胶面形，最后通过刻蚀，得到光学材 料上的面形。 • 热熔法是通过曝光后光刻胶的表面张力作用的收 缩，形成面形。
二元光学方法
第一步：计算元件表面的相位分布
已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布， 计算输入平面上相位调制元件的相位分布，使得它 正确地调制入射波场，高精度地给出预期输出平面 上光场分布。 对于连续型的相位分布而言，这种计算过程实 质上是从衍射元件求解所需实际光场逆过程，在理 论上和计算上并不困难。但是衍射光学元件的制作 工艺要求元件是台阶形分布，即连续波面的量化表 示，使这个问题变得较为复杂。
飞行时间法
检测光脉冲从发出到接收之间的时间延迟，就可以计算出距离z
飞行时间法
为了满足测量精度的要求，可采用时间调制光束（正弦强度调制的激光束）， 比较发射光束与接收光束之间的位相，计算确定距离。
基于激光三角测量的三维传感
• 核心部件 摄像机与投影照明系统
• 投影照明方式 按照投影照明图案模式的不同，投影照明系统可分 为点结构光、线结构光以及面结构光等投影照明方 式。 • 测量精度 高[点结构光照明——线结构——面结构光]低 • 测量速度 慢[点结构光照明——线结构——面结构光]快
主动三维传感
定义和原理 主动三维传感采用结构照明方式，由于三维面形对结构照 明光场的空间或时间调制，可以从携带有三维面形信息的 观察光场中解调得到三维面形数据。 应用 由于这种方法具有较高的测量精度，作为一种三维形貌计 量手段已经得到广泛应用。
分类
1、飞行时间法、2、基于激光三角测量的三维传感、3、基 于傅里叶变换的三维传感4、基于位相测量的三维传感。
被动三维传感
定义 被动三维传感采用非结构照明 方式，从一个或多个观察系统 获取的二维图像中确定第三维 (距离维)信息． 局限 需先验知识，或需通过相关或 匹配等运算可以重建物体的三 维面形，但这种方法要求大量 的数据运算，而且，当被测物 体上各点的反射率没有明显差 异时，这种计算变得更加困难。 应用 常常用于对三维目标的识别、理解以及位置形状分析。
光 学 计 算 机 断 层 成 像
利用激光扫描、皮
秒级时间超分辨技
术和数据处理技术
形成断层图像。
激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）
组成、原理
• 一. 组成 倒置或直立显微镜、扫描装置(照明针孔、探测 针孔和光电倍增管、扫描头控制电路）、计算机 （控制、处理和输出） 二. 原理 1、照明针孔、探测针孔与被探测点是共轭。 2、由光路中的扫描系统在焦平面上扫描，从而产 生一幅完整的共焦图像。 3、随着Z轴的不断移动，就可得到样品不同层面 连续的层析图像。
衍射透镜
具有多重离散相阶分束光栅
阵列分束器
衍射透镜
几种典型的衍射光学元件
(a)二值型，只包括两个位相等 级。 (b)多值型，包括N个位相等级。 随着N的提高，衍射效率也随之 增加，但对制作工艺的要求也 随之提高，当N趋于无穷时，成 为连续型位相分布，衍射效率 达到100％。
(c)折衍混合型，它结合了折射和衍射光学元件的优点。
基于激光三角测量的三维传感（点结构照明）
基于激光三角测量的三维传感（点结构照明）
重建
基于激光三角测量的三维传感（线结构照明）
基于激光三角测量的三维传感（线结构照明）
面结构光照明
场景
投影仪
CCD摄像机
面结构照明主动三维视觉系统
三维重建步骤
• 1、标定投影仪和摄像机内参数矩阵
a pu Ap 0 0 sp a pv 0 u p0 v p0 1
• 2、确定投影仪参考坐标系和摄像机参考坐标系与 世界坐标系间的关系 • 3、获取特征点坐标 • 4、实现三维重建
缺点：很难正确获取复杂 面形的特征点坐标。
彩色编码面结构光照明
基于傅里叶变换的三维传感
• 定义 以光栅产生的结构光场投影到持测三维物体表面，由于三 维物体表面对结构光场的空间调制，观察到的变形条纹图 形携带了三维面形信息。对变形条纹图形进行傅里叶分析、 滤波和处理，就可以得到物体的三维分布。 • 优点 该技术具有比传统莫尔技术更高的灵敏度，并全自动区分 物体表面的起伏变化，没有由光栅图形的高次谐波成分产 生的假的莫尔条纹所引起的误差。 不足 • 傅里叶变换轮廓法的不足之处在于当测量斜率大的物体需 要非常高的分辨率的图像设备和运算能力大的计算机。