信息光学的前沿

1、1信息光学前沿简介信息光学前沿简介信息光学前沿主要领域和方向是：1、集成光信息处理 （数字光计算、光学互连、衍射光学）2、新的成像系统 （光学计算机断层成像、三维共焦成像系统）3、光学三维传感 （主动三维传感、被动三维传感）4、新一代的全息术和光学信息处理5、信息光学的新材料和装置6、人机接口与显示7、信息光学的基础问题 （非线性光学、超快光学现象、散射、位 相共扼、信息理论 ）8、。2衍射光学衍射光学定义定义衍射光学（二元光学）是基于光波衍射理论发展起来的一个衍射光学（二元光学）是基于光波衍射理论发展起来的一个新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成新兴光学分支，是光学与微电子技

2、术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。的前沿学科。优点优点衍射光学元件具有微型化、易复制、易集成、造价低、可产衍射光学元件具有微型化、易复制、易集成、造价低、可产生任意波前、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、生任意波前、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等优点。色散性能独特等优点。应用应用在微透镜阵列、光通信、光互连、光计算机、激光束波面校在微透镜阵列、光通信、光互连、光计算机、激光束波面校正等方面有广阔应用前景，是集成光信息技术中重要元件。正等方面有广阔应用前景，是集成光信息技术中重要元件。局限局限由于光波的衍射与光波波长有关，且位相量化也会产生再现由于光波的衍射与光波波

3、长有关，且位相量化也会产生再现波前的误差，衍射光学元件并不能完全代替现有的折射光学波前的误差，衍射光学元件并不能完全代替现有的折射光学元件。元件。3衍射透镜衍射透镜具有多重离散相阶分束光栅具有多重离散相阶分束光栅4阵列分束器阵列分束器 5衍射透镜衍射透镜67几种典型的衍射光学元件几种典型的衍射光学元件(a)(a)二值型二值型，只包括两个位相等，只包括两个位相等级。级。(b)(b)多值型多值型，包括，包括N N个位相等级。个位相等级。随着随着N N的提高，衍射效率也随之的提高，衍射效率也随之增加，但对制作工艺的要求也增加，但对制作工艺的要求也随之提高，当随之提高，当N N趋于无穷时，成趋于无穷时

4、，成为连续型位相分布，衍射效率为连续型位相分布，衍射效率达到达到100100。( (c)c)折衍混合型折衍混合型，它结合了折射和衍射光学元件的优点。，它结合了折射和衍射光学元件的优点。(d)(d)连续面形型连续面形型8制作衍射光学元件的光学光刻法制作衍射光学元件的光学光刻法 光学光刻可实现二元衍射微光学元件和连续面形微光学元件。 主要有二元光学方法、掩模移动法、灰阶掩模法、热熔法和梯度折射率方法等。9二元光学方法 例：采用光刻方法加工8台阶二元衍射微光学元件 采用三块不同频率的掩模，通过三次甩胶、曝光、显影、刻蚀等工艺，可实现95%衍射效率的微光学元件。10二元光学方法第一步：第一步：计算元件

5、表面的相位分布计算元件表面的相位分布 已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布，已知成像系统中入射场和输出平面上光场分布，计算输入平面上相位调制元件的相位分布，使得它计算输入平面上相位调制元件的相位分布，使得它正确地调制入射波场，高精度地给出预期输出平面正确地调制入射波场，高精度地给出预期输出平面上光场分布。上光场分布。 对于连续型的相位分布而言，这种计算过程实对于连续型的相位分布而言，这种计算过程实质上是从衍射元件求解所需实际光场逆过程，在理质上是从衍射元件求解所需实际光场逆过程，在理论上和计算上并不困难。但是衍射光学元件的制作论上和计算上并不困难。但是衍射光学元件的制作工艺要求元件是台阶形

6、分布，即连续波面的量化表工艺要求元件是台阶形分布，即连续波面的量化表示，使这个问题变得较为复杂。示，使这个问题变得较为复杂。11二元光学方法第二步：设计制作二元振幅型掩膜第二步：设计制作二元振幅型掩膜 按照计算的位相分布，设计按照计算的位相分布，设计并制作刻蚀用的二元振幅型掩并制作刻蚀用的二元振幅型掩膜，通常膜，通常N N级位相台阶需要设计级位相台阶需要设计n n个掩膜，使个掩膜，使12二元光学方法第三步第三步: :在片基上刻蚀出台阶在片基上刻蚀出台阶用掩膜对涂了感光层的片基曝光与处用掩膜对涂了感光层的片基曝光与处理，然后用电子束或离子束刻蚀机在理，然后用电子束或离子束刻蚀机在片基上刻蚀出台阶

7、。这一过程应在计片基上刻蚀出台阶。这一过程应在计算机控制下，并对算机控制下，并对n n套掩膜重复作套掩膜重复作n n次，才能产生次，才能产生N N个位相等级的台阶，个位相等级的台阶，即产生所需要的衍射光学元件。即产生所需要的衍射光学元件。在制作过程中，掩膜和片基的定位与在制作过程中，掩膜和片基的定位与对准要求很高，例如片基表面刻蚀深对准要求很高，例如片基表面刻蚀深度的精度要达到几个度的精度要达到几个nmnm量级，掩膜定量级，掩膜定位对准精度要达到位对准精度要达到0.1um0.1um量级。量级。13掩模移动法、灰阶掩模法和热熔法掩模移动法、灰阶掩模法和热熔法 采用掩模移动法制作任意面形微光学阵列

8、元件，首先根据要求的面形设计掩模，然后在曝光过程中通过移动掩模，实现各部分的不同曝光量，最后通过显影、反应离子刻蚀，将光刻胶的面形传递到光学表面材料上。 灰阶掩模法是根据微光学元件所需面型（任意面形），对掩模进行灰阶编码，形成相应的光强透过率分布函数，通过一次曝光、显影，即可得到相应的光刻胶面形，最后通过刻蚀，得到光学材料上的面形。 热熔法是通过曝光后光刻胶的表面张力作用的收缩，形成面形。14方法比较 二元衍射方法虽然能实现各种复杂面形而得到广泛应用，但受到光刻线宽分辨率的限制，而不能制作较大数值的微光学元件；存在量化误差。 掩模移动法和灰阶掩模法具有设计灵活、能制作任意面形的微光学元件，但是

9、掩模制作过程中数据量较大，难于精确地控制面形。 热熔法由于面形不容易控制而应用领域受到限制。 总的说来，二元衍射方法适合于小数值孔径微光学元件，而连续面形方法适合于制作大数值、小口径微光学元件。 15多层衍射光学元件及镜头多层衍射光学元件及镜头 16校正色散的原理校正色散的原理 17窄带带通滤波器窄带带通滤波器从前，只有在玻璃上镀从前，只有在玻璃上镀30层以上光学薄膜的方法才能实现，层以上光学薄膜的方法才能实现，而若应用树脂的超微细衍射结构，可实现低价格量产，飞而若应用树脂的超微细衍射结构，可实现低价格量产，飞跃性促进个人通信系统及高速局域网的普及。跃性促进个人通信系统及高速局域网的普及。18

10、有关衍射光学元件的论文有关衍射光学元件的论文 衍射光学元件的设计及其在衍射光学元件的设计及其在半导体激光器半导体激光器中的应用研究中的应用研究 衍射光学元件在成像光谱中应用 衍射光学元件在衍射光学元件在红外像传感器红外像传感器中的应用研究中的应用研究 一种提高光头存储密度的衍射光学元件 衍射光学元件在衍射光学元件在光通信光通信中的应用中的应用 在国防安全照明系统中应用的衍射光学元件 用衍射光学元件生成无衍射光束 用衍射光学元件提高出射光束的焦深 衍射光学元件在光学系统中的应用 衍射光学元件用于光学图像加密 双波长共焦衍射光学元件分析与设计 衍射光学元件的反应离子束蚀刻研究 衍射光学元件在目镜设

11、计中的应用 -19光光学学计计算算机机断断层层成成像像利用激光扫描、皮利用激光扫描、皮秒级时间超分辨技秒级时间超分辨技术和数据处理技术术和数据处理技术形成断层图像。形成断层图像。20激光扫描共聚焦显微镜（激光扫描共聚焦显微镜（LSCM） 21 一一. . 组成组成 倒置或直立显微镜、扫描装置倒置或直立显微镜、扫描装置(照明针孔、探测照明针孔、探测针孔和光电倍增管、扫描头控制电路）、计算机针孔和光电倍增管、扫描头控制电路）、计算机（控制、处理和输出）（控制、处理和输出）二二. . 原理原理 1、照明针孔、探测针孔与被探测点是共轭。、照明针孔、探测针孔与被探测点是共轭。 2、由光路中的扫描系统在焦

12、平面上扫描，从而产、由光路中的扫描系统在焦平面上扫描，从而产生一幅完整的共焦图像。生一幅完整的共焦图像。 3、随着、随着Z轴的不断移动，就可得到样品不同层面轴的不断移动，就可得到样品不同层面连续的层析图像。连续的层析图像。组成、原理组成、原理22被动三维传感被动三维传感定义定义被动三维传感采用非结构照明被动三维传感采用非结构照明方式，从一个或多个观察系统方式，从一个或多个观察系统获取的二维图像中确定第三维获取的二维图像中确定第三维( (距离维距离维) )信息信息局限局限需先验知识，或需通过相关或需先验知识，或需通过相关或匹配等运算可以重建物体的三匹配等运算可以重建物体的三维面形，但这种方法要求

13、大量维面形，但这种方法要求大量的数据运算，而且，当被测物的数据运算，而且，当被测物体上各点的反射率没有明显差体上各点的反射率没有明显差异时，这种计算变得更加困难。异时，这种计算变得更加困难。应用应用常常用于对三维目标的识别、理解以及位置形状分析。常常用于对三维目标的识别、理解以及位置形状分析。23主动三维传感主动三维传感定义和原理定义和原理主动三维传感采用结构照明方式，由于三维面形对结构照主动三维传感采用结构照明方式，由于三维面形对结构照明光场的空间或时间调制，可以从携带有三维面形信息的明光场的空间或时间调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维面形数据。观察光场中解调得到三维面形

14、数据。应用应用由于这种方法具有较高的测量精度，作为一种三维形貌计由于这种方法具有较高的测量精度，作为一种三维形貌计量手段已经得到广泛应用。量手段已经得到广泛应用。分类分类1、飞行时间法、飞行时间法、2、基于激光三角测量的三维传感、基于激光三角测量的三维传感、3、基、基于傅里叶变换的三维传感于傅里叶变换的三维传感4、基于位相测量的三维传感。、基于位相测量的三维传感。24飞行时间法飞行时间法检测光脉冲从发出到接收之间的检测光脉冲从发出到接收之间的时间延迟时间延迟，就可以计算出距离，就可以计算出距离z25飞行时间法飞行时间法为了满足测量精度的要求，可采用为了满足测量精度的要求，可采用时间调制光束时间

15、调制光束（正弦强度调制的激光束），（正弦强度调制的激光束），比较发射光束与接收光束之间的比较发射光束与接收光束之间的位相位相，计算确定，计算确定距离距离。26基于激光三角测量的三维传感基于激光三角测量的三维传感 核心部件摄像机与投影照明系统27 投影照明方式按照投影照明图案模式的不同，投影照明系统可分为点结构光、线结构光以及面结构光等投影照明方式。 测量精度高点结构光照明线结构面结构光低 测量速度慢点结构光照明线结构面结构光快28基于激光三角测量的三维传感（基于激光三角测量的三维传感（点点结构照明）结构照明）29基于激光三角测量的三维传感（基于激光三角测量的三维传感（点点结构照明）结构照明）3

16、0重建重建31基于激光三角测量的三维传感（基于激光三角测量的三维传感（线线结构照明）结构照明）32基于激光三角测量的三维传感（基于激光三角测量的三维传感（线线结构照明）结构照明）333435面面结构光照明结构光照明面结构照明面结构照明主动三维视觉系统主动三维视觉系统投影仪CCD摄像机场景36三维重建步骤三维重建步骤 1、标定、标定投影仪和摄像机投影仪和摄像机内参数矩阵内参数矩阵 2 2、确定投影仪参考坐标系和摄像机参考坐标系与、确定投影仪参考坐标系和摄像机参考坐标系与 世界坐标系间的关系世界坐标系间的关系 3、获取特征点坐标、获取特征点坐标 4、实现三维重建、实现三维重建100000ppvpp

17、pupvausaA缺点：很难正确获取复杂缺点：很难正确获取复杂面形的特征点坐标。面形的特征点坐标。37彩色编码面结构光照明彩色编码面结构光照明3839404142基于傅里叶变换的三维传感基于傅里叶变换的三维传感 定义定义 以光栅产生的结构光场投影到持测三维物体表面，由于三以光栅产生的结构光场投影到持测三维物体表面，由于三维物体表面对结构光场的空间调制，观察到的变形条纹图维物体表面对结构光场的空间调制，观察到的变形条纹图形携带了三维面形信息。对变形条纹图形进行傅里叶分析、形携带了三维面形信息。对变形条纹图形进行傅里叶分析、滤波和处理，就可以得到物体的三维分布。滤波和处理，就可以得到物体的三维分布。 优点优点 该技术具有比传统莫尔技术更高的灵敏度，并全自动区分该技术具有比传统莫尔技术更高的灵敏度，并全自动区分物体表面的起伏变化，没有由光栅图形的高次谐波