信息光学
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Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 3) 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.
•
时间尺度：天文时间
静态光学 如超快速现象
研究方向
Information Optics
Introduction 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 光学 技术手段：自动化、 数字化、智能化
光、机、电、算、材 一体化
精密机械
光 材 算
计算机
School of Physics & Material Science
Introduction
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
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 20世纪 21世纪 是微电子的世纪; 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
Introduction 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
Information Optics
激光光源
星际光源
School of Physics & Material Science
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）
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
嫦娥一号
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
信息爆炸
采 集
信息时代 对 信息技术
提出 更高 要求
传 输 处 理 存 储
超高速度
Information Optics
超大容量
School of Physics & Material Science
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
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction • 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 将是光子的世纪
Introduction 2) 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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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
Introduction 存储
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
例2
数据存储密度的极限是几十TB/cm3 计算机控制，快速存储
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 信息光学中采用傅里叶分析和线性系统理论分析
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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
Information Optics School of Physic应
光传播速度
速度快
30万km /s
( 3*108 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
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
实例2
功能： 感知:
高智能机器人
学 习
形象
联 想
声音
推 理
识 别
气味
记 忆
感觉
目标： 快速计算、快速反应、达到人脑的水平 计算速度
Information Optics
要求达 1015
次 /秒
School of Physics & Material Science
Introduction
关于现代机器人
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 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. 3) 1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.
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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
2.16m 反射望远镜
Information Optics
School of Physics & Material Science
可在自由空间传播
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
School of Physics & Material Science
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
Information Optics
Introduction 传输 容量大
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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.
抗干扰
• 不受外界电磁场干扰
• 相互间几乎不干扰
能力强
• 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
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction 处理 速度快
对比
电子
光子
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
激光核聚变 (惯性约束 聚变): 神光 II装置--上 海光机所
Information Optics School of Physics & Material Science
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.
机 电
材料
电子
Information Optics
Introduction 3、研究内容的扩展 • 传统光学 ： 研究 • 现代光学： 扩展到
激光 全息 微光 光集成 核科学技术 航空航天 光纤与光纤通信 光信息处理 光探测器 图象处理 图象融合 灵巧结构
望远镜、显微镜、放大镜等
光计算
机器人视觉
等等
Introduction 4、应用范围的扩展
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
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。
Introduction
•
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 单原子尺度，介观尺度 纳米光学 原子反应时间（10-15 秒） 瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
School of Physics & Material Science
•
空间尺度：百亿光年
研究方向 天文光学
Introduction
微光夜 视技术
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
国庆50周年 纪念钞全息 防伪
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
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 的 识 别 跟 踪 发 射 迎 击
计算速度 要求达 1015 次/秒
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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、通信、数据处理和成像系统等
领域有许多应用.
Information Optics School of Physics & Material Science
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
School of Physics & Material Science
Information Optics
Introduction
光子技术的 优越性
Introduction 3) 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.
•
时间尺度：天文时间
静态光学 如超快速现象
研究方向
Information Optics
Introduction 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 光学 技术手段：自动化、 数字化、智能化
光、机、电、算、材 一体化
精密机械
光 材 算
计算机
School of Physics & Material Science
Introduction
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
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 20世纪 21世纪 是微电子的世纪; 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
Introduction 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
Information Optics
激光光源
星际光源
School of Physics & Material Science
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）
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
嫦娥一号
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
信息爆炸
采 集
信息时代 对 信息技术
提出 更高 要求
传 输 处 理 存 储
超高速度
Information Optics
超大容量
School of Physics & Material Science
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
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction • 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 将是光子的世纪
Introduction 2) 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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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
Introduction 存储
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
例2
数据存储密度的极限是几十TB/cm3 计算机控制，快速存储
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 信息光学中采用傅里叶分析和线性系统理论分析
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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
Information Optics School of Physic应
光传播速度
速度快
30万km /s
( 3*108 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
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
实例2
功能： 感知:
高智能机器人
学 习
形象
联 想
声音
推 理
识 别
气味
记 忆
感觉
目标： 快速计算、快速反应、达到人脑的水平 计算速度
Information Optics
要求达 1015
次 /秒
School of Physics & Material Science
Introduction
关于现代机器人
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction 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. 3) 1960年，一种全新的强相干光源—激光器的诞生.
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.
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
2.16m 反射望远镜
Information Optics
School of Physics & Material Science
可在自由空间传播
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
School of Physics & Material Science
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
Information Optics
Introduction 传输 容量大
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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.
抗干扰
• 不受外界电磁场干扰
• 相互间几乎不干扰
能力强
• 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
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction 处理 速度快
对比
电子
光子
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
激光核聚变 (惯性约束 聚变): 神光 II装置--上 海光机所
Information Optics School of Physics & Material Science
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.
机 电
材料
电子
Information Optics
Introduction 3、研究内容的扩展 • 传统光学 ： 研究 • 现代光学： 扩展到
激光 全息 微光 光集成 核科学技术 航空航天 光纤与光纤通信 光信息处理 光探测器 图象处理 图象融合 灵巧结构
望远镜、显微镜、放大镜等
光计算
机器人视觉
等等
Introduction 4、应用范围的扩展
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
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。
Introduction
•
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 单原子尺度，介观尺度 纳米光学 原子反应时间（10-15 秒） 瞬态光学 纳秒、 皮秒、飞秒
School of Physics & Material Science
•
空间尺度：百亿光年
研究方向 天文光学
Introduction
微光夜 视技术
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
国庆50周年 纪念钞全息 防伪
Information Optics
School of Physics & Material Science
Introduction
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 的 识 别 跟 踪 发 射 迎 击
计算速度 要求达 1015 次/秒
Information Optics School of Physics & Material Science
Introduction
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、通信、数据处理和成像系统等
领域有许多应用.
Information Optics School of Physics & Material Science
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
School of Physics & Material Science
Information Optics
Introduction
光子技术的 优越性