1、信息光學信息光學Information Optics享受光享受光學 光學科學與技術的成果已深深滲透到我們的生活中-王大珩NoImage王大珩（王大珩（hng）（）（1915.2.262011.7.21），原籍江蘇），原籍江蘇吳縣吳縣（今（今蘇州蘇州市），生于日本東京。市），生于日本東京。1936年清華大學物理系畢年清華大學物理系畢業，業，“兩彈一星功勛獎章兩彈一星功勛獎章”獲得者，獲得者，“中國光學之父中國光學之父”，應用光學家，中國光學事業奠基人之一，中國科協副主席，應用光學家，中國光學事業奠基人之一，中國科協副主席，中國科學院中國科學院、中國工程院中國工程院院士。院士。王大珩主持制成了中國

2、第一臺激光器，第一臺大型光測裝王大珩主持制成了中國第一臺激光器，第一臺大型光測裝備和許多國防光學儀器。七十年代主持制定了全國第一個備和許多國防光學儀器。七十年代主持制定了全國第一個遙感科學規劃，領導了綜合性的航空遙感試驗。遙感科學規劃，領導了綜合性的航空遙感試驗。1986年年3月和陳芳允、楊嘉墀、王淦昌等月和陳芳允、楊嘉墀、王淦昌等4名科學家向中央提出名科學家向中央提出“發展中國的戰略性高技術發展中國的戰略性高技術”的建議，得到鄧小平同志批的建議，得到鄧小平同志批準，由此國務院發出了準，由此國務院發出了“高技術發展計劃綱要高技術發展計劃綱要”的通知，的通知，這一這一“綱要綱要”被稱為被稱為“8

3、63計劃計劃”。1992年與其他五位學年與其他五位學部委員倡議并促成中國工程院的成立。部委員倡議并促成中國工程院的成立。1999年榮獲年榮獲“兩彈兩彈一星功勛獎章一星功勛獎章”。2011年年7月月21日在日在北京北京逝世，享年逝世，享年96歲。歲。 20世紀以前的光學世紀以前的光學古典光學古典光學傳統光學傳統光學 20世紀的光學世紀的光學傳統光學傳統光學現代光學現代光學 21世紀的光學世紀的光學光子時代的到來光子時代的到來王大珩先生說：王大珩先生說：2121世紀世紀 將是光子的世紀將是光子的世紀 20世紀光學的世紀光學的 主要特點 光學領域的擴展光學領域的擴展 應用功能的擴展應用功能的擴展 研

4、究內容的擴展研究內容的擴展 應用范圍的擴展應用范圍的擴展20世紀光學的 主要特點1、光學領域的擴展、光學領域的擴展新學科新學科紫外光學、紫外光學、X射線光學、微光夜視、紅外光學射線光學、微光夜視、紅外光學X射線射線 紫外紫外近紅外近紅外 中紅外中紅外 遠紅外遠紅外可見光可見光 波段：波段： 向兩端擴展向兩端擴展 波長：單色性、相干性波長：單色性、相干性 研究方向研究方向激光器激光器激光全息激光全息 光強：單光子光強：單光子 激光光源激光光源 星際光源星際光源20世紀光學的 主要特點 1、光學領域的擴展、光學領域的擴展 研究對象：宇宙、宏觀、介觀、微觀研究對象：宇宙、宏觀、介觀、微觀研究方向研究

5、方向宏大光學宏大光學微小光學微小光學天文望遠鏡天文望遠鏡微透鏡微透鏡研究方向研究方向天文光學天文光學納米光學納米光學 空間尺度：百億光年空間尺度：百億光年 單原子尺度，介觀尺度單原子尺度，介觀尺度 時間尺度時間尺度： 天文時間天文時間 原子反應時間原子反應時間 （10-15 秒）秒）研究方向研究方向靜態光學靜態光學 瞬態光學瞬態光學如超快速現象如超快速現象 納秒、納秒、 皮秒、飛秒皮秒、飛秒20世紀光學的 主要特點 2、應用功能的擴展、應用功能的擴展光學工程 綜合技術學科光光機機電電材材光學光學精密機械精密機械電子電子材料材料現代精密儀器：現代精密儀器：多功能、高效率多功能、高效率 光、機、電

6、、算一體化光、機、電、算一體化技術手段：自動化、技術手段：自動化、數字化、智能化數字化、智能化20世紀光學的 主要特點 3、研究內容的擴展、研究內容的擴展望遠鏡、顯微鏡、放大鏡等望遠鏡、顯微鏡、放大鏡等 傳統光學傳統光學 ： 研究研究 現代光學：現代光學： 擴展到擴展到 光子已不僅是作為光子已不僅是作為信息傳遞信息傳遞的手段，幫助人類的手段，幫助人類認識世界認識世界 光子也能光子也能改變物質的形態，改變物質的形態， 幫助人類幫助人類改造世界改造世界 激光激光 核科學技術核科學技術 光探測器光探測器 全息全息 航空航天航空航天 圖像處理圖像處理 微光微光 光纖與光纖通信光纖與光纖通信 圖像融合圖

7、像融合 光集成光集成 光信息處理光信息處理 靈巧結構靈巧結構 光計算光計算 機器人視覺機器人視覺 等等等等 激光核聚變激光核聚變: : 神光神光II裝置裝置載人航天飛行載人航天飛行: : 神舟神舟5 5號號風云風云II號氣象衛星號氣象衛星2.16m 反射望遠鏡反射望遠鏡微光夜視技術微光夜視技術全息防偽技術全息防偽技術4、應用范圍的擴展、應用范圍的擴展空間空間20世紀光學的世紀光學的 主要特點主要特點能源能源材料材料微電子微電子生物生物工程工程醫療醫療環境環境保護保護遙感遙感計量計量通信通信印刷印刷核技術核技術生態生態環境環境防災防災農業農業精密精密加工加工資源資源保護保護軍事軍事信息科學信息科

8、學遙測遙測生命生命科學科學化學化學工程工程 許多學科分支和方向 已形成大規模的產業產業 全世界光學和光（電）子學技術產業規模 1995年 達 700億美元億美元 2000年 達 1030億美元億美元光信息光信息科學科學光電子光電子技術技術光電子成為信息產業的主角光電子成為信息產業的主角 機械領域機械領域： 激光加工：激光加工： 打孔、切割、焊接、表面處理打孔、切割、焊接、表面處理 激光光刻、激光微細加工、激光光刻、激光微細加工、X射線光刻射線光刻 能源領域能源領域： 太陽能電池、激光核聚變太陽能電池、激光核聚變 空間衛星的能源，地球能源空間衛星的能源，地球能源光電子光電子光電子成為現代產業的主

9、角光電子成為現代產業的主角光纖通信：光纖通信： 以低損耗石英光纖和半導體激光器為基礎，以低損耗石英光纖和半導體激光器為基礎， 成為當今通信的主體和方向成為當今通信的主體和方向 顯示技術：顯示技術：液晶大屏幕顯示成為下一代電視的主流液晶大屏幕顯示成為下一代電視的主流; 圖像顯示和復制設備：圖像顯示和復制設備：激光照排、印刷、分色、打激光照排、印刷、分色、打印、復印、傳真，印、復印、傳真， 構成龐大印刷產業構成龐大印刷產業成像和探測領域成像和探測領域 CCD等數字圖像設備：掃描儀、等數字圖像設備：掃描儀、傳真機、攝像機、攝錄機、數碼相機傳真機、攝像機、攝錄機、數碼相機使光信息使光信息數字化數字化;

10、 光電子成像器件和探測器可以涉及到不可見光電子成像器件和探測器可以涉及到不可見光（微光和紅外）光（微光和紅外）光信息科學光信息科學 光光 是最重要的信息載體，人類感官接收是最重要的信息載體，人類感官接收客觀世界總信息量的客觀世界總信息量的 90%以上通過以上通過眼睛眼睛采采集集傳傳輸輸處處理理存存儲儲超高速度超高速度超大容量超大容量信息時代信息時代 對對 信息技術信息技術提出提出 更高更高 要求要求重返大氣層多彈頭導彈的重返大氣層多彈頭導彈的攔截攔截例例1彈頭數量大于彈頭數量大于1000枚的情況枚的情況 要求：在數分鐘內完成五項功能要求：在數分鐘內完成五項功能1015 次次/秒秒要求達要求達尋

11、尋 的的在在 3 29 時間內分時間內分 4 階段攔截、確認結階段攔截、確認結果果識識 別別跟跟 蹤蹤發發 射射迎迎 擊擊計算速度計算速度目前目前 電子計算機電子計算機 的計算速度舉例的計算速度舉例中國科學院知識創新工程和上海市信息化建設的重大成果2005-1-14 報道報道計算速度計算速度10 13 次次/秒秒 3000億億 次次/秒秒高性能計算機高性能計算機 曙光曙光40004000A A10萬億次萬億次而在而在2003年年2月報道的是：月報道的是：例例2高智能機器人高智能機器人計算速度計算速度1015 次次/秒秒要求達要求達學學習習聯聯想想推推理理識識別別記記憶憶功能：功能：形象形象聲音

12、聲音氣味氣味感覺感覺感知感知:快速計算、快速反應、達到快速計算、快速反應、達到人腦人腦的水平的水平目標：目標： “現代現代”機器人能做到嗎機器人能做到嗎 ？ 打乒打乒乓球乓球過馬路過馬路 2003年年2月月23日報道日報道v 日本日本 研制的研制的 世界第一個機器人世界第一個機器人能行走，能認識能行走，能認識10個人個人會握手、揮手、跟在人后面走會握手、揮手、跟在人后面走關于關于現代機器人現代機器人結論結論電子系統電子系統速度慢，速度慢，現代機器人現代機器人比不上比不上 人人 航空、航天 中長期天氣預報 地震預測、預報 超大量衛片的圖像處理 例例3其它領域其它領域災難的避免災難的避免快速反應快

13、速反應快速處理快速處理計算速度計算速度1015 次次/秒秒要求達要求達光子技術的優越性20世紀光學的 主要特點響應響應速度快速度快以光速傳播以光速傳播30萬萬 km / s （3x x108 m / s）電信號傳輸速度：電信號傳輸速度：105 m / s電子開關速度：電子開關速度：10-9 s光開關速度：飛秒（光開關速度：飛秒（FS） 10-15 s對比對比光子技術的優越性光子技術的優越性抗干擾抗干擾能力強能力強 不受外界電磁場干擾不受外界電磁場干擾 相互間幾乎不干擾相互間幾乎不干擾 可共用一個空間，不可共用一個空間，不“串音串音” 電子受外界電磁場干擾電子受外界電磁場干擾 RC問題問題 滯后

14、效應滯后效應對比對比光子技術的優越性光子技術的優越性處理處理速度快速度快 電子電子 在電線里傳輸在電線里傳輸串行傳輸：串行傳輸：“瓶頸瓶頸”問題問題并行傳輸：并行傳輸： 由于線徑影響由于線徑影響 出現出現RC問題問題對比對比光子光子 可在自由空間傳播可在自由空間傳播 可在波導內傳播可在波導內傳播并行傳輸并行傳輸并行處理并行處理速度快速度快二維圖像處理，更快、更優二維圖像處理，更快、更優光子技術的優越性光子技術的優越性傳輸傳輸容量大容量大對比對比一根光纖可同時傳送多少路電話？一根光纖可同時傳送多少路電話？ 106 108路路一路微波通道，傳送一路微波通道，傳送 103 路路 電話電話 或或 1

15、路路 彩電信號彩電信號 美、日報道：超大容量傳輸系統美、日報道：超大容量傳輸系統 1012 bits / s （Tb / s） 21世紀投入使用世紀投入使用光子技術的優越性光子技術的優越性序言序言 存儲存儲密度大密度大海量存儲海量存儲200mm雙面光盤，雙面光盤，2.4mm厚厚可存儲可存儲 2 部電影的全部聲、像信息部電影的全部聲、像信息全息存儲全息存儲 1cm3 光折變晶體光折變晶體存儲存儲 1萬萬 幅二維圖像，數據量達到幅二維圖像，數據量達到10Gbit計算機控制，快速存儲計算機控制，快速存儲全息信息存儲全息信息存儲 中國的光學中國的光學( (光子學光子學) )已經對高科技、國民經濟與已經

16、對高科技、國民經濟與人民生活產生了影響。可以預期，光學（光子學）在人民生活產生了影響。可以預期，光學（光子學）在2121世紀將會像世紀將會像2020世紀的電子學（微電子學）那樣大發世紀的電子學（微電子學）那樣大發展。讓我們一起為迎接光學（光子學）方面的重大突展。讓我們一起為迎接光學（光子學）方面的重大突破而歡呼吧！破而歡呼吧！ - -王大珩王大珩認識光認識光, 駕馭光駕馭光發展光學發展光學你們這一代人你們這一代人 將成為最有希望的力量將成為最有希望的力量 是一支強大的生力軍是一支強大的生力軍信息光學-傅里葉光學信號與系統的基本分析方法信號與系統的基本分析方法通信理論、傅里葉分析與現代光學的結合

17、通信理論、傅里葉分析與現代光學的結合光學信息處理與全息學的基礎光學信息處理與全息學的基礎數學基礎數學基礎二維線性系統分析二維線性系統分析標量衍射的角譜理論標量衍射的角譜理論光學成像系統的頻率特性光學成像系統的頻率特性光全息術光全息術光學信息處理光學信息處理 1. 信息光學的范疇信息光學的范疇a.信息光學是信息光學是最近最近50年來年來發展起來的一門發展起來的一門 新興學科。新興學科。它是在它是在全息術全息術、光學傳遞函數光學傳遞函數和和激光激光的基礎上，從的基礎上，從傳統的、經典的波動光學脫穎而出的。傳統的、經典的波動光學脫穎而出的。 1948 1948年全息術的發明，年全息術的發明， 195

18、51955年光學傳遞函數概念的建立，年光學傳遞函數概念的建立， 19601960年新型的強相干光源年新型的強相干光源激光的誕生激光的誕生是近代光學發展史三件大事，也是光學信息處理的基礎是近代光學發展史三件大事，也是光學信息處理的基礎 1. 信息光學的范疇信息光學的范疇b.信息光學是信息光學是信息學科信息學科的一個重要方面的一個重要方面 組成部分。組成部分。它是攻克當今信息學科中它是攻克當今信息學科中信息容量信息容量、信息傳輸信息傳輸、信息處理速度信息處理速度等難關的關鍵。也是等難關的關鍵。也是現代光學現代光學的的核心。核心。c.信息光學是信息光學是應用光學應用光學、物理光學物理光學 、計算機技

19、計算機技術術和和信息學科信息學科相結合而發展起來的一門新的光相結合而發展起來的一門新的光學學科。學學科。 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史a.全息術的提出（全息術的提出（1948年）年）全息照相術是由英籍匈牙利科學家全息照相術是由英籍匈牙利科學家丹尼斯丹尼斯蓋蓋伯（伯（Dennis Gabor）首先發明的。首先發明的。他他1947年在從事電子顯微鏡研究中，在解決如年在從事電子顯微鏡研究中，在解決如何提高電子顯微鏡分辨率這一難題而萌芽的。何提高電子顯微鏡分辨率這一難題而萌芽的。電子顯微鏡分辨率的理論極限為電子顯微鏡分辨率的理論極限為0.4nm0.4nm當時電子顯微鏡分辨率的實際能力為當

20、時電子顯微鏡分辨率的實際能力為1.2nm1.2nm（丟失了光波的相位！）（丟失了光波的相位！）當時晶格分析所要求的分辨率為當時晶格分析所要求的分辨率為0.2nm0.2nm 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史a.全息術的提出（全息術的提出（1948年）年）原因：電子透鏡的像差比光學透鏡的像差大得多！原因：電子透鏡的像差比光學透鏡的像差大得多！1 1、記錄一張不經任何電子透鏡的由物體衍射的電子波曝光照片，、記錄一張不經任何電子透鏡的由物體衍射的電子波曝光照片， 使其能保持物體的振幅和位相信息使其能保持物體的振幅和位相信息電子全息圖電子全息圖2 2、用單色光照明該曝光照片，再現出了很大的放大

21、物體像，從、用單色光照明該曝光照片，再現出了很大的放大物體像，從 而解決了當時電子顯微鏡分辨率難題而解決了當時電子顯微鏡分辨率難題3 3、理論依據：光波波長比電子波長高、理論依據：光波波長比電子波長高5 5個數量級，再現的物體放個數量級，再現的物體放 大倍率為大倍率為設想：設想：510電子光M 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史a.全息術的提出（全息術的提出（1948年）年）解決了兩個難題：解決了兩個難題：1、由于像差影響分辨率提高的難題、由于像差影響分辨率提高的難題2、直接提高放大倍率來提高分辨率、直接提高放大倍率來提高分辨率1 1、記錄一張用單色光照明的由物體衍射的曝光照片，、記錄

22、一張用單色光照明的由物體衍射的曝光照片， 使其能保持物體的振幅和位相信息使其能保持物體的振幅和位相信息光學全息圖光學全息圖2 2、用單色光照明該曝光照片，再現出了物體的像、用單色光照明該曝光照片，再現出了物體的像新的設想：新的設想： 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史a.全息術的提出（全息術的提出（1948年）年）1948年用大量實驗驗證了新的設想并正式提出年用大量實驗驗證了新的設想并正式提出1971年因此獲得諾貝爾物理學獎年因此獲得諾貝爾物理學獎給我們帶來的啟示？給我們帶來的啟示？ 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史b.光學傳遞函數的建立（光學傳遞函數的建立（1955年）年）

23、40年代初達菲依克斯年代初達菲依克斯(Duffieux)首次將傅里葉首次將傅里葉變換引入光學，為建立光學傳遞函數提供了變換引入光學，為建立光學傳遞函數提供了理理論依據論依據。1946年前后提出光學傳遞函數的概念年前后提出光學傳遞函數的概念傳統的光學系統像質評價方法傳統的光學系統像質評價方法1 1、星點法、星點法2 2、分辨率法、分辨率法 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史b.光學傳遞函數的建立（光學傳遞函數的建立（1955年）年）1955年新的年新的評價光學系統像質方法評價光學系統像質方法-光學傳遞函數光學傳遞函數正式被世界各國采納正式被世界各國采納試驗工作歷時試驗工作歷時十多年十多年

24、在在英英、美美、法法、德德、日日等國展開協作，驗證用光學等國展開協作，驗證用光學傳遞函數評價光學系統像質的可行性、正確性傳遞函數評價光學系統像質的可行性、正確性 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史c.激光的誕生（激光的誕生（1960年）年）1952年開始許多科學家在研究年開始許多科學家在研究“是否能用光是否能用光注入的方法提高發光強度注入的方法提高發光強度”問題。問題。愛因斯坦光電效應理論愛因斯坦光電效應理論光電發射效應光電發射效應主要集中在固體物質上主要集中在固體物質上 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史c.激光的誕生（激光的誕生（1960年）年）1958年美國物理學家肖洛（

25、年美國物理學家肖洛（A .L.Schawlow）和湯斯（和湯斯（C.H.Townes）在）在Phys.Rew發表題發表題為為“紅外與光學激光器紅外與光學激光器”的論文。的論文。提出激光器名詞概念提出激光器名詞概念提出了研制激光器的可行性條件提出了研制激光器的可行性條件 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史c.激光的誕生（激光的誕生（1960年）年）1958年年1960年世界各國物理學家根據肖年世界各國物理學家根據肖洛和湯斯洛和湯斯提出的研制激光器的可行性條件，提出的研制激光器的可行性條件，紛紛加緊開發研制紛紛加緊開發研制激光器激光器 1960年年5月月25日美國休斯敦實驗室梅曼日美國休斯

26、敦實驗室梅曼（T.H.Maiman）發明了世界上第一臺激光器）發明了世界上第一臺激光器紅寶石固體激光器紅寶石固體激光器各種各種固體固體、氣體氣體、半導體半導體激光器的涌現使激光器的涌現使全息術全息術出現新的出現新的生機生機激激 光光Light Amplification by Stimulated Emission of RadiationLaser 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史d.數學中的數學中的傅氏變換傅氏變換與通信理論中的與通信理論中的線性系統分線性系統分析析引入光學引入光學提供方法論提供方法論實現了從實現了從空域到頻域空域到頻域，從，從頻域到空域頻域到空域的有機的有機統一

27、統一把光學與通信兩個不同的領域在信息學范疇把光學與通信兩個不同的領域在信息學范疇內統一起來，解決了通信中的內統一起來，解決了通信中的瓶頸瓶頸問題問題在信息光學中，從在信息光學中，從“空域空域”，“空間坐標系空間坐標系”觀念對圖觀念對圖像的描述過渡到用像的描述過渡到用“頻域頻域”或或“頻率坐標系頻率坐標系”描述。開描述。開辟了新天地，由傳統的波動光學，在引入傅里葉變換后，辟了新天地，由傳統的波動光學，在引入傅里葉變換后，形成了新的學科信息光學（或傅里葉光學）形成了新的學科信息光學（或傅里葉光學）信息光學信息光學光學光學通信通信信息理論信息理論光學系統與通信系統的共性光學系統與通信系統的共性通信系

28、統通信系統光學系統光學系統作用作用調制電信號調制電信號成像成像信號信號特點特點一維一維隨時間變化隨時間變化二維二維隨空間變化隨空間變化共性共性信號的變換和傳遞信號的變換和傳遞此外此外，還具有相同的基本性質，比如一定條件，還具有相同的基本性質，比如一定條件下，兩者均具有下，兩者均具有線性性和不變性線性性和不變性。通信系統：時間脈沖響應和時間頻率響應通信系統：時間脈沖響應和時間頻率響應光學系統：空間脈沖響應和空間頻率響應光學系統：空間脈沖響應和空間頻率響應 2. 信息光學的發展歷史信息光學的發展歷史e.計算機技術的發展，推動了信息光學的發展計算機技術的發展，推動了信息光學的發展計算全息計算全息的出現對信息光學發展具有深刻的理的出現對信息光學發展具有深刻的理論指導作用論指導作用提高了提高了速度速度提供了提供了計算計算、分析分析、觀測觀測工具工具提高了提高了記憶性記憶性 3. 信息光學的特點信息光學的特點a.信息光學具有信息光學具有