信息光學(xué)的前沿

1、1信息光學(xué)前沿簡(jiǎn)介信息光學(xué)前沿簡(jiǎn)介信息光學(xué)前沿主要領(lǐng)域和方向是：1、集成光信息處理 （數(shù)字光計(jì)算、光學(xué)互連、衍射光學(xué)）2、新的成像系統(tǒng) （光學(xué)計(jì)算機(jī)斷層成像、三維共焦成像系統(tǒng)）3、光學(xué)三維傳感 （主動(dòng)三維傳感、被動(dòng)三維傳感）4、新一代的全息術(shù)和光學(xué)信息處理5、信息光學(xué)的新材料和裝置6、人機(jī)接口與顯示7、信息光學(xué)的基礎(chǔ)問(wèn)題 （非線(xiàn)性光學(xué)、超快光學(xué)現(xiàn)象、散射、位 相共扼、信息理論 ）8、。2衍射光學(xué)衍射光學(xué)定義定義衍射光學(xué)（二元光學(xué)）是基于光波衍射理論發(fā)展起來(lái)的一個(gè)衍射光學(xué)（二元光學(xué)）是基于光波衍射理論發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉而形成新興光學(xué)分支，是光學(xué)與微電子技

2、術(shù)相互滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科。的前沿學(xué)科。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)衍射光學(xué)元件具有微型化、易復(fù)制、易集成、造價(jià)低、可產(chǎn)衍射光學(xué)元件具有微型化、易復(fù)制、易集成、造價(jià)低、可產(chǎn)生任意波前、衍射效率高、設(shè)計(jì)自由度多、材料可選性寬、生任意波前、衍射效率高、設(shè)計(jì)自由度多、材料可選性寬、色散性能獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)。色散性能獨(dú)特等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用應(yīng)用在微透鏡陣列、光通信、光互連、光計(jì)算機(jī)、激光束波面校在微透鏡陣列、光通信、光互連、光計(jì)算機(jī)、激光束波面校正等方面有廣闊應(yīng)用前景，是集成光信息技術(shù)中重要元件。正等方面有廣闊應(yīng)用前景，是集成光信息技術(shù)中重要元件。局限局限由于光波的衍射與光波波長(zhǎng)有關(guān)，且位相量化也會(huì)產(chǎn)生再現(xiàn)由于光波的衍射與光波波

3、長(zhǎng)有關(guān)，且位相量化也會(huì)產(chǎn)生再現(xiàn)波前的誤差，衍射光學(xué)元件并不能完全代替現(xiàn)有的折射光學(xué)波前的誤差，衍射光學(xué)元件并不能完全代替現(xiàn)有的折射光學(xué)元件。元件。3衍射透鏡衍射透鏡具有多重離散相階分束光柵具有多重離散相階分束光柵4陣列分束器陣列分束器 5衍射透鏡衍射透鏡67幾種典型的衍射光學(xué)元件幾種典型的衍射光學(xué)元件(a)(a)二值型二值型，只包括兩個(gè)位相等，只包括兩個(gè)位相等級(jí)。級(jí)。(b)(b)多值型多值型，包括，包括N N個(gè)位相等級(jí)。個(gè)位相等級(jí)。隨著隨著N N的提高，衍射效率也隨之的提高，衍射效率也隨之增加，但對(duì)制作工藝的要求也增加，但對(duì)制作工藝的要求也隨之提高，當(dāng)隨之提高，當(dāng)N N趨于無(wú)窮時(shí)，成趨于無(wú)窮時(shí)

4、，成為連續(xù)型位相分布，衍射效率為連續(xù)型位相分布，衍射效率達(dá)到達(dá)到100100。( (c)c)折衍混合型折衍混合型，它結(jié)合了折射和衍射光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)。，它結(jié)合了折射和衍射光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)。(d)(d)連續(xù)面形型連續(xù)面形型8制作衍射光學(xué)元件的光學(xué)光刻法制作衍射光學(xué)元件的光學(xué)光刻法 光學(xué)光刻可實(shí)現(xiàn)二元衍射微光學(xué)元件和連續(xù)面形微光學(xué)元件。 主要有二元光學(xué)方法、掩模移動(dòng)法、灰階掩模法、熱熔法和梯度折射率方法等。9二元光學(xué)方法 例：采用光刻方法加工8臺(tái)階二元衍射微光學(xué)元件 采用三塊不同頻率的掩模，通過(guò)三次甩膠、曝光、顯影、刻蝕等工藝，可實(shí)現(xiàn)95%衍射效率的微光學(xué)元件。10二元光學(xué)方法第一步：第一步：計(jì)算元件

5、表面的相位分布計(jì)算元件表面的相位分布 已知成像系統(tǒng)中入射場(chǎng)和輸出平面上光場(chǎng)分布，已知成像系統(tǒng)中入射場(chǎng)和輸出平面上光場(chǎng)分布，計(jì)算輸入平面上相位調(diào)制元件的相位分布，使得它計(jì)算輸入平面上相位調(diào)制元件的相位分布，使得它正確地調(diào)制入射波場(chǎng)，高精度地給出預(yù)期輸出平面正確地調(diào)制入射波場(chǎng)，高精度地給出預(yù)期輸出平面上光場(chǎng)分布。上光場(chǎng)分布。 對(duì)于連續(xù)型的相位分布而言，這種計(jì)算過(guò)程實(shí)對(duì)于連續(xù)型的相位分布而言，這種計(jì)算過(guò)程實(shí)質(zhì)上是從衍射元件求解所需實(shí)際光場(chǎng)逆過(guò)程，在理質(zhì)上是從衍射元件求解所需實(shí)際光場(chǎng)逆過(guò)程，在理論上和計(jì)算上并不困難。但是衍射光學(xué)元件的制作論上和計(jì)算上并不困難。但是衍射光學(xué)元件的制作工藝要求元件是臺(tái)階形

6、分布，即連續(xù)波面的量化表工藝要求元件是臺(tái)階形分布，即連續(xù)波面的量化表示，使這個(gè)問(wèn)題變得較為復(fù)雜。示，使這個(gè)問(wèn)題變得較為復(fù)雜。11二元光學(xué)方法第二步：設(shè)計(jì)制作二元振幅型掩膜第二步：設(shè)計(jì)制作二元振幅型掩膜 按照計(jì)算的位相分布，設(shè)計(jì)按照計(jì)算的位相分布，設(shè)計(jì)并制作刻蝕用的二元振幅型掩并制作刻蝕用的二元振幅型掩膜，通常膜，通常N N級(jí)位相臺(tái)階需要設(shè)計(jì)級(jí)位相臺(tái)階需要設(shè)計(jì)n n個(gè)掩膜，使個(gè)掩膜，使12二元光學(xué)方法第三步第三步: :在片基上刻蝕出臺(tái)階在片基上刻蝕出臺(tái)階用掩膜對(duì)涂了感光層的片基曝光與處用掩膜對(duì)涂了感光層的片基曝光與處理，然后用電子束或離子束刻蝕機(jī)在理，然后用電子束或離子束刻蝕機(jī)在片基上刻蝕出臺(tái)階

7、。這一過(guò)程應(yīng)在計(jì)片基上刻蝕出臺(tái)階。這一過(guò)程應(yīng)在計(jì)算機(jī)控制下，并對(duì)算機(jī)控制下，并對(duì)n n套掩膜重復(fù)作套掩膜重復(fù)作n n次，才能產(chǎn)生次，才能產(chǎn)生N N個(gè)位相等級(jí)的臺(tái)階，個(gè)位相等級(jí)的臺(tái)階，即產(chǎn)生所需要的衍射光學(xué)元件。即產(chǎn)生所需要的衍射光學(xué)元件。在制作過(guò)程中，掩膜和片基的定位與在制作過(guò)程中，掩膜和片基的定位與對(duì)準(zhǔn)要求很高，例如片基表面刻蝕深對(duì)準(zhǔn)要求很高，例如片基表面刻蝕深度的精度要達(dá)到幾個(gè)度的精度要達(dá)到幾個(gè)nmnm量級(jí)，掩膜定量級(jí)，掩膜定位對(duì)準(zhǔn)精度要達(dá)到位對(duì)準(zhǔn)精度要達(dá)到0.1um0.1um量級(jí)。量級(jí)。13掩模移動(dòng)法、灰階掩模法和熱熔法掩模移動(dòng)法、灰階掩模法和熱熔法 采用掩模移動(dòng)法制作任意面形微光學(xué)陣列

8、元件，首先根據(jù)要求的面形設(shè)計(jì)掩模，然后在曝光過(guò)程中通過(guò)移動(dòng)掩模，實(shí)現(xiàn)各部分的不同曝光量，最后通過(guò)顯影、反應(yīng)離子刻蝕，將光刻膠的面形傳遞到光學(xué)表面材料上。 灰階掩模法是根據(jù)微光學(xué)元件所需面型（任意面形），對(duì)掩模進(jìn)行灰階編碼，形成相應(yīng)的光強(qiáng)透過(guò)率分布函數(shù)，通過(guò)一次曝光、顯影，即可得到相應(yīng)的光刻膠面形，最后通過(guò)刻蝕，得到光學(xué)材料上的面形。 熱熔法是通過(guò)曝光后光刻膠的表面張力作用的收縮，形成面形。14方法比較 二元衍射方法雖然能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜面形而得到廣泛應(yīng)用，但受到光刻線(xiàn)寬分辨率的限制，而不能制作較大數(shù)值的微光學(xué)元件；存在量化誤差。 掩模移動(dòng)法和灰階掩模法具有設(shè)計(jì)靈活、能制作任意面形的微光學(xué)元件，但是

9、掩模制作過(guò)程中數(shù)據(jù)量較大，難于精確地控制面形。 熱熔法由于面形不容易控制而應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。 總的說(shuō)來(lái)，二元衍射方法適合于小數(shù)值孔徑微光學(xué)元件，而連續(xù)面形方法適合于制作大數(shù)值、小口徑微光學(xué)元件。 15多層衍射光學(xué)元件及鏡頭多層衍射光學(xué)元件及鏡頭 16校正色散的原理校正色散的原理 17窄帶帶通濾波器窄帶帶通濾波器從前，只有在玻璃上鍍從前，只有在玻璃上鍍30層以上光學(xué)薄膜的方法才能實(shí)現(xiàn)，層以上光學(xué)薄膜的方法才能實(shí)現(xiàn)，而若應(yīng)用樹(shù)脂的超微細(xì)衍射結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低價(jià)格量產(chǎn)，飛而若應(yīng)用樹(shù)脂的超微細(xì)衍射結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)低價(jià)格量產(chǎn)，飛躍性促進(jìn)個(gè)人通信系統(tǒng)及高速局域網(wǎng)的普及。躍性促進(jìn)個(gè)人通信系統(tǒng)及高速局域網(wǎng)的普及。18

10、有關(guān)衍射光學(xué)元件的論文有關(guān)衍射光學(xué)元件的論文 衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)及其在衍射光學(xué)元件的設(shè)計(jì)及其在半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器中的應(yīng)用研究中的應(yīng)用研究 衍射光學(xué)元件在成像光譜中應(yīng)用 衍射光學(xué)元件在衍射光學(xué)元件在紅外像傳感器紅外像傳感器中的應(yīng)用研究中的應(yīng)用研究 一種提高光頭存儲(chǔ)密度的衍射光學(xué)元件 衍射光學(xué)元件在衍射光學(xué)元件在光通信光通信中的應(yīng)用中的應(yīng)用 在國(guó)防安全照明系統(tǒng)中應(yīng)用的衍射光學(xué)元件 用衍射光學(xué)元件生成無(wú)衍射光束 用衍射光學(xué)元件提高出射光束的焦深 衍射光學(xué)元件在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 衍射光學(xué)元件用于光學(xué)圖像加密 雙波長(zhǎng)共焦衍射光學(xué)元件分析與設(shè)計(jì) 衍射光學(xué)元件的反應(yīng)離子束蝕刻研究 衍射光學(xué)元件在目鏡設(shè)

11、計(jì)中的應(yīng)用 -19光光學(xué)學(xué)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)斷斷層層成成像像利用激光掃描、皮利用激光掃描、皮秒級(jí)時(shí)間超分辨技秒級(jí)時(shí)間超分辨技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)形成斷層圖像。形成斷層圖像。20激光掃描共聚焦顯微鏡（激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM） 21 一一. . 組成組成 倒置或直立顯微鏡、掃描裝置倒置或直立顯微鏡、掃描裝置(照明針孔、探測(cè)照明針孔、探測(cè)針孔和光電倍增管、掃描頭控制電路）、計(jì)算機(jī)針孔和光電倍增管、掃描頭控制電路）、計(jì)算機(jī)（控制、處理和輸出）（控制、處理和輸出）二二. . 原理原理 1、照明針孔、探測(cè)針孔與被探測(cè)點(diǎn)是共軛。、照明針孔、探測(cè)針孔與被探測(cè)點(diǎn)是共軛。 2、由光路中的掃描系統(tǒng)在焦

12、平面上掃描，從而產(chǎn)、由光路中的掃描系統(tǒng)在焦平面上掃描，從而產(chǎn)生一幅完整的共焦圖像。生一幅完整的共焦圖像。 3、隨著、隨著Z軸的不斷移動(dòng)，就可得到樣品不同層面軸的不斷移動(dòng)，就可得到樣品不同層面連續(xù)的層析圖像。連續(xù)的層析圖像。組成、原理組成、原理22被動(dòng)三維傳感被動(dòng)三維傳感定義定義被動(dòng)三維傳感采用非結(jié)構(gòu)照明被動(dòng)三維傳感采用非結(jié)構(gòu)照明方式，從一個(gè)或多個(gè)觀察系統(tǒng)方式，從一個(gè)或多個(gè)觀察系統(tǒng)獲取的二維圖像中確定第三維獲取的二維圖像中確定第三維( (距離維距離維) )信息信息局限局限需先驗(yàn)知識(shí)，或需通過(guò)相關(guān)或需先驗(yàn)知識(shí)，或需通過(guò)相關(guān)或匹配等運(yùn)算可以重建物體的三匹配等運(yùn)算可以重建物體的三維面形，但這種方法要求

13、大量維面形，但這種方法要求大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，而且，當(dāng)被測(cè)物的數(shù)據(jù)運(yùn)算，而且，當(dāng)被測(cè)物體上各點(diǎn)的反射率沒(méi)有明顯差體上各點(diǎn)的反射率沒(méi)有明顯差異時(shí)，這種計(jì)算變得更加困難。異時(shí)，這種計(jì)算變得更加困難。應(yīng)用應(yīng)用常常用于對(duì)三維目標(biāo)的識(shí)別、理解以及位置形狀分析。常常用于對(duì)三維目標(biāo)的識(shí)別、理解以及位置形狀分析。23主動(dòng)三維傳感主動(dòng)三維傳感定義和原理定義和原理主動(dòng)三維傳感采用結(jié)構(gòu)照明方式，由于三維面形對(duì)結(jié)構(gòu)照主動(dòng)三維傳感采用結(jié)構(gòu)照明方式，由于三維面形對(duì)結(jié)構(gòu)照明光場(chǎng)的空間或時(shí)間調(diào)制，可以從攜帶有三維面形信息的明光場(chǎng)的空間或時(shí)間調(diào)制，可以從攜帶有三維面形信息的觀察光場(chǎng)中解調(diào)得到三維面形數(shù)據(jù)。觀察光場(chǎng)中解調(diào)得到三維面形

14、數(shù)據(jù)。應(yīng)用應(yīng)用由于這種方法具有較高的測(cè)量精度，作為一種三維形貌計(jì)由于這種方法具有較高的測(cè)量精度，作為一種三維形貌計(jì)量手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。量手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。分類(lèi)分類(lèi)1、飛行時(shí)間法、飛行時(shí)間法、2、基于激光三角測(cè)量的三維傳感、基于激光三角測(cè)量的三維傳感、3、基、基于傅里葉變換的三維傳感于傅里葉變換的三維傳感4、基于位相測(cè)量的三維傳感。、基于位相測(cè)量的三維傳感。24飛行時(shí)間法飛行時(shí)間法檢測(cè)光脈沖從發(fā)出到接收之間的檢測(cè)光脈沖從發(fā)出到接收之間的時(shí)間延遲時(shí)間延遲，就可以計(jì)算出距離，就可以計(jì)算出距離z25飛行時(shí)間法飛行時(shí)間法為了滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求，可采用為了滿(mǎn)足測(cè)量精度的要求，可采用時(shí)間調(diào)制光束時(shí)間

15、調(diào)制光束（正弦強(qiáng)度調(diào)制的激光束），（正弦強(qiáng)度調(diào)制的激光束），比較發(fā)射光束與接收光束之間的比較發(fā)射光束與接收光束之間的位相位相，計(jì)算確定，計(jì)算確定距離距離。26基于激光三角測(cè)量的三維傳感基于激光三角測(cè)量的三維傳感 核心部件攝像機(jī)與投影照明系統(tǒng)27 投影照明方式按照投影照明圖案模式的不同，投影照明系統(tǒng)可分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線(xiàn)結(jié)構(gòu)光以及面結(jié)構(gòu)光等投影照明方式。 測(cè)量精度高點(diǎn)結(jié)構(gòu)光照明線(xiàn)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)光低 測(cè)量速度慢點(diǎn)結(jié)構(gòu)光照明線(xiàn)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)光快28基于激光三角測(cè)量的三維傳感（基于激光三角測(cè)量的三維傳感（點(diǎn)點(diǎn)結(jié)構(gòu)照明）結(jié)構(gòu)照明）29基于激光三角測(cè)量的三維傳感（基于激光三角測(cè)量的三維傳感（點(diǎn)點(diǎn)結(jié)構(gòu)照明）結(jié)構(gòu)照明）3

16、0重建重建31基于激光三角測(cè)量的三維傳感（基于激光三角測(cè)量的三維傳感（線(xiàn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)照明）結(jié)構(gòu)照明）32基于激光三角測(cè)量的三維傳感（基于激光三角測(cè)量的三維傳感（線(xiàn)線(xiàn)結(jié)構(gòu)照明）結(jié)構(gòu)照明）333435面面結(jié)構(gòu)光照明結(jié)構(gòu)光照明面結(jié)構(gòu)照明面結(jié)構(gòu)照明主動(dòng)三維視覺(jué)系統(tǒng)主動(dòng)三維視覺(jué)系統(tǒng)投影儀CCD攝像機(jī)場(chǎng)景36三維重建步驟三維重建步驟 1、標(biāo)定、標(biāo)定投影儀和攝像機(jī)投影儀和攝像機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣內(nèi)參數(shù)矩陣 2 2、確定投影儀參考坐標(biāo)系和攝像機(jī)參考坐標(biāo)系與、確定投影儀參考坐標(biāo)系和攝像機(jī)參考坐標(biāo)系與 世界坐標(biāo)系間的關(guān)系世界坐標(biāo)系間的關(guān)系 3、獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)、獲取特征點(diǎn)坐標(biāo) 4、實(shí)現(xiàn)三維重建、實(shí)現(xiàn)三維重建100000ppvpp

17、pupvausaA缺點(diǎn)：很難正確獲取復(fù)雜缺點(diǎn)：很難正確獲取復(fù)雜面形的特征點(diǎn)坐標(biāo)。面形的特征點(diǎn)坐標(biāo)。37彩色編碼面結(jié)構(gòu)光照明彩色編碼面結(jié)構(gòu)光照明3839404142基于傅里葉變換的三維傳感基于傅里葉變換的三維傳感 定義定義 以光柵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)投影到持測(cè)三維物體表面，由于三以光柵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)投影到持測(cè)三維物體表面，由于三維物體表面對(duì)結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的空間調(diào)制，觀察到的變形條紋圖維物體表面對(duì)結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的空間調(diào)制，觀察到的變形條紋圖形攜帶了三維面形信息。對(duì)變形條紋圖形進(jìn)行傅里葉分析、形攜帶了三維面形信息。對(duì)變形條紋圖形進(jìn)行傅里葉分析、濾波和處理，就可以得到物體的三維分布。濾波和處理，就可以得到物體的三維分布。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 該技術(shù)具有比傳統(tǒng)莫爾技術(shù)更高的靈敏度，并全自動(dòng)區(qū)分該技術(shù)具有比傳統(tǒng)莫爾技術(shù)更高的靈敏度，并全自動(dòng)區(qū)分物體表面的起伏變化，沒(méi)有由光柵圖形的高次諧波