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 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 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20世纪光学的 主要特点 1、光学领域的扩展新学科紫外光学、X射线光学、微光夜视、红外光学X射线 紫外近红外 中红外 远红外可见光 波段： 向两端扩展 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 研究对象：宇宙、宏观、介观、微观研究方向宏大光学微小光学天文望远镜微透镜研究方向天文光学纳米光学 空间尺度：百亿光年 单原子尺度，介观尺度 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 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 2、应用功能的扩展 光学工程 综合技术学科光机电算算材光学精密机械电子材料计算机计算机现代精密仪器：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20世纪光学的 主要特点 3、研究内容的扩展望远镜、显微镜、放大镜等 传统光学 ： 研究 现代光学： 扩展到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 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：16h轨道：近地点 200km，远地点 51000km，1.5圈。 远地点加速：16h轨道：近地点 600km，远地点 51000km，1.5圈。 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 ，远地点 128000km，1圈。 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。2.16m 反射望远镜微光夜视技术全息防伪 技术4、应用范围的扩展空间20世纪光学的 主要特点能源材料微电子生物 工程医疗环境保护遥感计量通信印刷核技术生态 环境防灾农业精密加工资源保护军事信息科学遥测生命科学化学工程 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 将形成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。 光信息科学光电子技术光电子成为信息产业的主角 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，地球能源光电子 光电子成为现代产业的主角光纤通信：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）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%以上通过眼睛采 集传 输处 理存 储超高速度超大容量信息时代 对 信息技术提出 更高 要求信息爆炸信息爆炸重返大气层多弹头导弹的 拦截例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1015 次/秒要求达寻 的在 3 29 时间内分 4 阶段拦截、确认结果识 别跟 踪发 射迎 击计算速度目前 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： 3000亿 次/秒。 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 ？” 例2高智能机器人计算速度1015 次/秒要求达学 习联 想推 理识 别记 忆功能：形象声音气味感觉感知:快速计算、快速反应、达到人脑的水平目标：“现代”机器人能做到吗 ？ 打 乒 乓 球！过马路 ？ ？2003年2月23日报道v 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、跟在人后面走关于现代机器人结论电子系统速度慢，现代机器人比不上 人 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 例3其它领域灾难的避免 快速反应 快速处理计算速度1015 次/秒要求达光子技术的优越性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 ）电信号传输速度：105 m / s电子开关速度：10-9 s光开关速度：飞秒（FS） 10-15 s对比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” 电子受外界电磁场干扰 RC问题 滞后效应对比光子技术的优越性处理速度快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问题对比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、更优光子技术的优越性传输容量大对比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世纪投入使用光子技术的优越性序言 存储密度大海量存储例1200mm双面光盘，2.4mm厚可存储 2 部电影的全部声、像信息例2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，快速存储全息信息存储空间光空间光 调制器调制器探测器探测器成像透镜成像透镜变换透镜变换透镜参考光束参考光束 信号信号 光束光束激光器激光器待存储待存储 的信息的信息数据页数据页记录介质记录介质中国的光学(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！-王大珩认识光, 驾驭光 发展光学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