信息光學(xué)第二引言PPT課件

1、 20世紀(jì)以前的光學(xué)古典光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué) 20世紀(jì)的光學(xué)傳統(tǒng)光學(xué)現(xiàn)代光學(xué) 21世紀(jì)的光學(xué)光子時(shí)代的到來王大珩先生說：2121世紀(jì) 將是光子的世紀(jì) 第1頁/共36頁20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn) 光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展 應(yīng)用功能的擴(kuò)展 研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展 應(yīng)用范圍的擴(kuò)展第2頁/共36頁20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn)1、光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展新學(xué)科紫外光學(xué)、X射線光學(xué)、微光夜視、紅外光學(xué)X射線 紫外近紅外 中紅外 遠(yuǎn)紅外可見光 波段： 向兩端擴(kuò)展 波長(zhǎng)：?jiǎn)紊浴⑾喔尚?研究方向激光器激光全息 光強(qiáng)：?jiǎn)喂庾?激光光源 星際光源第3頁/共36頁20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn) 1、光學(xué)領(lǐng)域的擴(kuò)展 研究對(duì)象：宇宙、宏觀、介觀、微觀研究方向宏大光學(xué)

2、微小光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡微透鏡研究方向天文光學(xué)納米光學(xué) 空間尺度：百億光年 單原子尺度，介觀尺度 時(shí)間尺度： 天文時(shí)間 原子反應(yīng)時(shí)間 （10-15 秒）研究方向靜態(tài)光學(xué) 瞬態(tài)光學(xué)如超快速現(xiàn)象 納秒、 皮秒、飛秒第4頁/共36頁20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn) 2、應(yīng)用功能的擴(kuò)展光學(xué)工程 綜合技術(shù)學(xué)科光光機(jī)機(jī)電電材材光學(xué)精密機(jī)械電子材料現(xiàn)代精密儀器：多功能、高效率 光、機(jī)、電、算一體化技術(shù)手段：自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化第5頁/共36頁20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn) 3、研究?jī)?nèi)容的擴(kuò)展望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、放大鏡等 傳統(tǒng)光學(xué) ： 研究 現(xiàn)代光學(xué)： 擴(kuò)展到 光子已不僅是作為信息傳遞的手段，幫助人類認(rèn)識(shí)世界 光子也能改變物質(zhì)的形

3、態(tài)， 幫助人類改造世界 激光 核科學(xué)技術(shù) 光探測(cè)器 全息 航空航天 圖象處理 微光 光纖與光纖通信 圖象融合 光集成 光信息處理 靈巧結(jié)構(gòu) 光計(jì)算 機(jī)器人視覺 等等 第6頁/共36頁激光核聚激光核聚變變: : 神光神光II裝置裝置第7頁/共36頁載人航天飛行載人航天飛行: : 神舟神舟5 5號(hào)號(hào)第8頁/共36頁風(fēng)云風(fēng)云II號(hào)氣象衛(wèi)星號(hào)氣象衛(wèi)星第9頁/共36頁嫦娥一號(hào)第10頁/共36頁第11頁/共36頁繞地球軌道：16h軌道：近地點(diǎn) 200km，遠(yuǎn)地點(diǎn) 51000km，1.5圈。遠(yuǎn)地點(diǎn)加速：16h軌道：近地點(diǎn) 600km，遠(yuǎn)地點(diǎn) 51000km，1.5圈。近地點(diǎn)加速：24h：近地點(diǎn) 600km，

4、遠(yuǎn)地點(diǎn) 71000km，3圈 （停泊軌道）。近地點(diǎn)加速：48h：近地點(diǎn) 600km，遠(yuǎn)地點(diǎn) 128000km，1圈。近地點(diǎn)加速：116h軌道：近地點(diǎn)600km，遠(yuǎn)地點(diǎn) 400000km （地月轉(zhuǎn)移軌道）。三次軌道修正。繞月球軌道：第一次近月點(diǎn)制動(dòng)：12h軌道：近月點(diǎn)200km，遠(yuǎn)月點(diǎn)8600km。第二次近月點(diǎn)制動(dòng)：3.5h軌道：近月點(diǎn)200km，遠(yuǎn)月點(diǎn)1700km。第三次近月點(diǎn)制動(dòng)：127min軌道：近月點(diǎn)200km，遠(yuǎn)月點(diǎn)200km。第12頁/共36頁2.16m 反射望遠(yuǎn)鏡反射望遠(yuǎn)鏡第13頁/共36頁微光夜視技微光夜視技術(shù)術(shù)第14頁/共36頁全息防偽全息防偽技術(shù)技術(shù)第15頁/共36頁4、應(yīng)用

5、范圍的擴(kuò)展空間空間20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn)能源能源材料材料微電子微電子生物工生物工程程醫(yī)療醫(yī)療環(huán)境環(huán)境保護(hù)保護(hù)遙感遙感計(jì)量計(jì)量通信通信印刷印刷核技術(shù)核技術(shù)生態(tài)生態(tài)環(huán)境環(huán)境防災(zāi)防災(zāi)農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)精密精密加工加工資源資源保護(hù)保護(hù)軍事軍事信息科學(xué)信息科學(xué)遙測(cè)遙測(cè)生命生命科學(xué)科學(xué)化學(xué)化學(xué)工程工程第16頁/共36頁 許多學(xué)科分支和方向 已形成大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)全世界光學(xué)和光（電）子學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模 1995年 達(dá) 700億美元 2000年 達(dá) 1030億美元2010年，以光電子信息技術(shù)為主導(dǎo)的信息產(chǎn)業(yè)將形成5萬億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2010年至2015年，光電子產(chǎn)業(yè)可能會(huì)取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)。光電子技術(shù)將繼微電子技術(shù)之后再次

6、推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)的革命和進(jìn)步。 光信息光信息科學(xué)科學(xué)光電子光電子技術(shù)技術(shù)光電子成為信息產(chǎn)業(yè)的主角第17頁/共36頁 機(jī)械領(lǐng)域： 激光加工： 打孔、切割、焊接、表面處理 激光光刻、激光微細(xì)加工、X射線光刻 能源領(lǐng)域： 太陽能電池、激光核聚變 空間衛(wèi)星的能源，地球能源光電子光電子光電子成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的主角第18頁/共36頁光纖通信： 以低損耗石英光纖和半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)， 成為當(dāng)今通信的主體和方向 顯示技術(shù)：液晶大屏幕顯示成為下一代電視的主流; 圖像顯示和復(fù)制設(shè)備：激光照排、印刷、分色、打印、復(fù)印、傳真， 構(gòu)成龐大印刷產(chǎn)業(yè)成像和探測(cè)領(lǐng)域 CCD等數(shù)字圖像設(shè)備：掃描儀、傳真機(jī)、攝象機(jī)、攝錄機(jī)、數(shù)碼相機(jī)

7、使光信息數(shù)字化; 光電子成像器件和探測(cè)器可以涉及到不可見光（微光和紅外）光信息科學(xué)光信息科學(xué) 光 是最重要的信息載體，人類感官接收客觀世界總信息量的 90%以上通過眼睛第19頁/共36頁采集傳輸處理存儲(chǔ)超高速度超大容量信息時(shí)代 對(duì) 信息技術(shù)提出 更高 要求第20頁/共36頁重返大氣層多彈頭導(dǎo)彈的 攔截例1彈頭數(shù)量大于1000枚的情況 要求：在數(shù)分鐘內(nèi)完成五項(xiàng)功能1015 次/秒要求達(dá)尋 的在 3 29 時(shí)間內(nèi)分 4 階段攔截、確認(rèn)結(jié)果識(shí) 別跟 蹤發(fā) 射迎 擊計(jì)算速度第21頁/共36頁目前 電子計(jì)算機(jī) 的計(jì)算速度舉例2005：中科院知識(shí)創(chuàng)新工程和上海市信息化建設(shè)的重大成果， 曙光4000A，計(jì)算

8、速度10 的13 次方/秒。 2003年2月報(bào)道的是： 3000億 次/秒?，F(xiàn)在：美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM) 計(jì)劃名為“紅杉”，最高運(yùn)算速度可達(dá)每秒2萬萬億次?？蛇_(dá)現(xiàn)階段普通筆記本電腦的200萬倍。英國(guó)泰晤士報(bào)：如果以人類大腦運(yùn)算能力為參照，“紅杉”一天的運(yùn)算量需要1200億人花費(fèi)50年才能完成。輕易超越現(xiàn)有“最快”計(jì)算機(jī)、每秒可完成大約1000萬億次運(yùn)算的“走鵑”。任務(wù) 用以確定核武器安全，“紅杉”眼下處于技術(shù)研發(fā)階段，定于2011年交付使用?！鳖A(yù)計(jì)安裝在美國(guó)能源部位于加利福尼亞州的勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室?？茖W(xué)家借助“紅杉”完成復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，以確定某種核武器是否安全、能否達(dá)到

9、能源部下屬國(guó)家核安全局關(guān)于核武器庫存管理的要求。“管理核武器庫的難題與(管理)家庭車庫中存放二三十年的汽車相似，”助理主管馬克說，“汽車?yán)吓f過程中如何小心保養(yǎng)，才能確保你能夠正常發(fā)動(dòng)它？” 第22頁/共36頁例2高智能機(jī)器人計(jì)算速度1015 次/秒要求達(dá)學(xué)習(xí)聯(lián)想推理識(shí)別記憶功能：形象聲音氣味感覺感知:快速計(jì)算、快速反應(yīng)、達(dá)到人腦的水平目標(biāo)：第23頁/共36頁 “現(xiàn)代”機(jī)器人能做到嗎 ？ 打打乒乒乓乓球球過馬路 第24頁/共36頁2003年2月23日?qǐng)?bào)道v 日本 研制的 世界第一個(gè)機(jī)器人能行走，能認(rèn)識(shí)10個(gè)人會(huì)握手、揮手、跟在人后面走關(guān)于現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)論電子系統(tǒng)速度慢，現(xiàn)代機(jī)器人比不上 人第25頁

10、/共36頁 航空、航天 中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào) 地震預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào) 超大量衛(wèi)片的圖像處理 例3其它領(lǐng)域?yàn)?zāi)難的避免快速反應(yīng)快速處理計(jì)算速度1015 次/秒要求達(dá)第26頁/共36頁光子技術(shù)的優(yōu)越性20世紀(jì)光學(xué)的 主要特點(diǎn)響應(yīng)速度快以光速傳播30萬 km / s （3x108 m / s）電信號(hào)傳輸速度：105 m / s電子開關(guān)速度：10-9 s光開關(guān)速度：飛秒（FS） 10-15 s對(duì)比第27頁/共36頁光子技術(shù)的優(yōu)越性抗干擾能力強(qiáng) 不受外界電磁場(chǎng)干擾 相互間幾乎不干擾 可共用一個(gè)空間，不“串音” 電子受外界電磁場(chǎng)干擾 RC問題 滯后效應(yīng)對(duì)比第28頁/共36頁光子技術(shù)的優(yōu)越性處理速度快 電子 在電線里傳輸串

11、行傳輸：“瓶頸”問題并行傳輸： 由于線徑影響 出現(xiàn)RC問題對(duì)比光子 可在自由空間傳播 可在波導(dǎo)內(nèi)傳播并行傳輸并行處理速度快二維圖像處理，更快、更優(yōu)第29頁/共36頁光子技術(shù)的優(yōu)越性傳輸容量大對(duì)比高密度大容量三維空間傳輸高帶寬一根光纖可同時(shí)傳送多少路電話？ 106 108路一路微波通道，傳送 103 路 電話 或 1 路 彩電信號(hào) 美、日?qǐng)?bào)道：超大容量傳輸系統(tǒng) 1012 bits / s （Tb / s） 21世紀(jì)投入使用第30頁/共36頁光子技術(shù)的優(yōu)越性序言 存儲(chǔ)密度大海量存儲(chǔ)例1200mm雙面光盤，2.4mm厚可存儲(chǔ) 2 部電影的全部聲、像信息例2全息存儲(chǔ) 1cm3 光折變晶體存儲(chǔ) 1萬 幅

12、二維圖像，數(shù)據(jù)量達(dá)到10Gbit計(jì)算機(jī)控制，快速存儲(chǔ)第31頁/共36頁全息信息存儲(chǔ)全息信息存儲(chǔ)第32頁/共36頁 中國(guó)的光學(xué)中國(guó)的光學(xué)( (光子學(xué)光子學(xué)) )已經(jīng)對(duì)高科技、國(guó)已經(jīng)對(duì)高科技、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與人民生活產(chǎn)生了影響。可以預(yù)期，民經(jīng)濟(jì)與人民生活產(chǎn)生了影響?？梢灶A(yù)期，光學(xué)（光子學(xué)）在光學(xué)（光子學(xué)）在2121世紀(jì)將會(huì)像世紀(jì)將會(huì)像2020世紀(jì)的電世紀(jì)的電子學(xué)（微電子學(xué)）那樣大發(fā)展。讓我們一起子學(xué)（微電子學(xué)）那樣大發(fā)展。讓我們一起為迎接光學(xué)（光子學(xué)）方面的重大突破而歡為迎接光學(xué)（光子學(xué)）方面的重大突破而歡呼吧！呼吧！ - -王大珩王大珩認(rèn)識(shí)光, 駕馭光發(fā)展光學(xué)你們這一代人 將成為最有希望的力量 是一支強(qiáng)大的生力軍第33頁/共36頁信息光學(xué)-傅里葉光學(xué)信號(hào)與系統(tǒng)的基本分析方法通信理論、傅里葉分析與現(xiàn)代光學(xué)的結(jié)合光學(xué)信息處理與全息學(xué)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)二維線性系統(tǒng)分析標(biāo)量衍射的角譜理論光學(xué)成像系統(tǒng)的頻率特性光全息術(shù)光學(xué)信息處理第34頁/共36頁參考書參考書陳