信息光学 Information Optics

1. 信息光学Information Optics 陶世荃 北京工业大学 应用数理学院 shqtao@bjpu.edu.cn

2. 致谢 • 北京邮电大学徐大雄院士提供了部分视频资料 • 中央民族大学朱伟利教授提供了部分ppt动画资料 特此致谢！

3. 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

4. 20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 王大珩先生说： 21世纪将是光子的世纪

5. 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

6. 光强：单光子 激光光源 星际光源 可见光 X射线 紫外 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 • 波长：单色性、相干性 研究方向 激光器 激光全息 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

7. 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 • 研究对象：宇宙、宏观、介观、微观 • 时间尺度： 天文时间 原子反应时间 （10-15 秒） 研究方向 宏大光学 微小光学 研究方向 天文望远镜 微透镜 静态光学 瞬态光学 如超快速现象纳秒、 皮秒、飞秒 20世纪光学的 主要特点1、光学领域的扩展

8. 光学 光 精密机械 机 材料 材 电 算 电子 计算机 20世纪光学的 主要特点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、算一体化 技术手段：自动化、数字化、智能化

9. 传统光学 ：研究 望远镜、显微镜、放大镜等 20世纪光学的 主要特点3、研究内容的扩展 • 现代光学：扩展到 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 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

10. 激光核聚变: 神光II装置

11. 载人航天飞行: 神舟5号

12. 风云II号气象卫星

13. 2.16m 反射望远镜

14. 微光夜视技术

15. 全息防伪技术

16. 20世纪光学的 主要特点 精密 加工 空间 微电子 环境 保护 化学 工程 能源 生物工程 印刷 生态环境 医疗 4、应用范围的扩展 农业 材料 资源 保护 防灾 核技术 生命 科学 遥测 遥感 军事 信息科学 通信 计量

17. 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 • 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

18. 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

19. 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; • 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）

20. 信息时代 对 信息技术 提出 更高 要求 信息爆炸 超高速度 超大容量 采集 传输 处理 存储

21. 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 识 别 跟 踪 发 射 迎 击 在 3’ —— 29’ 时间内分 4 阶段拦截、确认结果 寻 的 计算速度 要求达 1015 次/秒 重返大气层多弹头导弹的 拦截

22. 高性能计算机 曙光4000A 目前 电子计算机 的计算速度举例 2005-1-14 报道 中国科学院知识创新工程和上海市信息化建设的重大成果 计算速度 10 13 次/秒 10万亿次 而在2003年2月报道的是： —— 3000亿 次/秒

23. 例2 学习 联想 推理 识别 记忆 功能： 感知: 声音 气味 感觉 形象 目标： 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 高智能机器人

24. 过马路 ？？？ 打乒乓球 ！ ！ ！ “现代”机器人能做到吗？？？

25. 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

26. 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 灾难的避免 快速反应 快速处理 计算速度 1015 次/秒 要求达

27. 20世纪光学的 主要特点 响应 速度快 以光速传播 30万 km / s （3x108 m / s） 光子技术的优越性 光开关速度：飞秒（FS） 10-15 s 对比 电信号传输速度：105 m / s 电子开关速度：10-9 s

28. 光子技术的优越性 • 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” 抗干扰 能力强 对比 • 电子受外界电磁场干扰 • RC问题 • 滞后效应

29. 光子技术的优越性 处理 速度快 对比 光子 可在自由空间传播 可在波导内传播 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 并行传输 并行处理 速度快 二维图像处理，更快、更优

30. 光子技术的优越性 高密度 大容量 传输 容量大 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） 21世纪投入使用

31. 序言 》 光子技术的优越性 存储 密度大 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 例1 全息存储 1cm3 光折变晶体 存储 1万 幅二维图像，数据量达到10Gbit 计算机控制，快速存储 例2

32. 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 全息信息存储

33. 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 认识光, 驾驭光发展光学

34. 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 • 二维线性系统分析 • 标量衍射的角谱理论 • 光学成像系统的频率特性 • 光全息术 • 光学信息处理

35. 教材和参考书 教材 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》

36. 答疑时间及地点 时间：星期 二下午 3:00 -- 5:00 地点 :综合楼B座108室 电话: 67391734 数学基础：chap0-1.ppt