信息光学 ppt课件
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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.
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.
对比
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
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1路彩电信号
美、日报道：超大容量传输系统 1012 bits / s （Tb / s）
计算速度
要求达 1015 次/秒
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
光子技术的 优越性
响应 速度快
对比
光传播速度 30万km /s ( 3*108 m/s )
光开关速度：飞秒 (fs) 10-15 s
• 20世纪的光学 传统光学
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
1、光学领域的扩展 • 波段： 向两端扩展
X射线 紫外
可见光 近红外 中红外 远红外
新学科 紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学
信息光学
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.
--
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
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世纪以前的光学 古典光学
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.
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.
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
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.
2.16m 反射望远镜
微光夜 视技术
国庆50周年 纪念钞全息 防伪
4、应用范围的扩展
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
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
激光核聚变 (惯性约束 聚变): 神光 II装置--上 海光机所
嫦娥一号
信息爆炸
信息时代 对 信息技术 提出 更高 要求
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.
电信号传输速度：105 m / s 电子开关速度：10-9 s
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
处理 速度快
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
瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
2、应用功能的扩展 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、材 一体化
光学
光
技术手段：自动化、 数字化、智能化
精密机械
机
材
材料
电
算
电子
计算机
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
核科学技术
存储 密度大
例1
例2
海量存储
200mm双面光盘，2.4mm厚 可存储 2 部电影的全部声、像信息
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
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.
采传处存 集输理储
超高速度
超大容量
实例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
识
跟
发
迎
的
别
踪
射
Leabharlann Baidu
击
计算速度
要求达 1015 次/秒
实例2
高智能机器人
功能：
学 习
联 想
推 理
识 别
记 忆
感知:
形象
声音
气味 感觉
目标： 快速计算、快速反应、达到人脑的水平
3) 1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.
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.
• 波长：单色性、相干性
研究方向
激光器
• 光强：单光子
激光光源
激光全息
星际光源
• 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 单原子尺度，介观尺度
研究方向
天文光学
纳米光学
• 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 如超快速现象
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.
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.
对比
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
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1路彩电信号
美、日报道：超大容量传输系统 1012 bits / s （Tb / s）
计算速度
要求达 1015 次/秒
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
光子技术的 优越性
响应 速度快
对比
光传播速度 30万km /s ( 3*108 m/s )
光开关速度：飞秒 (fs) 10-15 s
• 20世纪的光学 传统光学
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
1、光学领域的扩展 • 波段： 向两端扩展
X射线 紫外
可见光 近红外 中红外 远红外
新学科 紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学
信息光学
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.
--
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
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世纪以前的光学 古典光学
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.
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.
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
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.
2.16m 反射望远镜
微光夜 视技术
国庆50周年 纪念钞全息 防伪
4、应用范围的扩展
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
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
激光核聚变 (惯性约束 聚变): 神光 II装置--上 海光机所
嫦娥一号
信息爆炸
信息时代 对 信息技术 提出 更高 要求
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.
电信号传输速度：105 m / s 电子开关速度：10-9 s
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
处理 速度快
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
瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
2、应用功能的扩展 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、材 一体化
光学
光
技术手段：自动化、 数字化、智能化
精密机械
机
材
材料
电
算
电子
计算机
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
核科学技术
存储 密度大
例1
例2
海量存储
200mm双面光盘，2.4mm厚 可存储 2 部电影的全部声、像信息
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
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.
采传处存 集输理储
超高速度
超大容量
实例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
识
跟
发
迎
的
别
踪
射
Leabharlann Baidu
击
计算速度
要求达 1015 次/秒
实例2
高智能机器人
功能：
学 习
联 想
推 理
识 别
记 忆
感知:
形象
声音
气味 感觉
目标： 快速计算、快速反应、达到人脑的水平
3) 1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.
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.
• 波长：单色性、相干性
研究方向
激光器
• 光强：单光子
激光光源
激光全息
星际光源
• 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 单原子尺度，介观尺度
研究方向
天文光学
纳米光学
• 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 如超快速现象