光信息科学与技术公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

光信息处理与光学全息技术

--------绪论光信息处理与光学全息技术—绪论关于信息概述关于信息科学概述关于信息技术概述关于光信息科学与光信息技术概述关于光全息技术概述关于信息概述人类赖以生存三大要素(1)物质:物质是第一性,世界是有物质组成

,没有物质就没有世界(2)能量:能量是一切物质动力,没有能量,物质就是静止.(3)信息:信息是客观事物与主观认识相结合产物,没有信息,物质和能量就无从知晓.关于信息概述信息概念信息从世界开始存在之日起它就存在着,不过,直到20世纪前后,在科学技术尤其是在通信等信息技术发展推进下，人们才开始意识到它存在,探求其特征,建立它理论.关于信息概述信息概念关于信息定义,至今没有统一说法,依据统计,世界上公开关于信息概念和定义约有39种之多.

比较易于为人所接收信息定义:

信息是客观存在一切事物经过物质载体所发出消息、情报、指令、数据和信号中所包含一切可传递和交换内容.关于信息概述信息分类

(1)宇宙信息:指宇宙空间,恒星不停发出各种电磁波信息,而行星经过光波反射出信息,就形成直接传输信息和反射传输信息.

(2)地球自然信息:地球上客观存在各种信息以及生物运动各种信息.(3)人类社会信息:人类经过手势、语言、文字、图表、图形和图象等所表示关于客观世界间接信息.、关于信息概述信息基本特征

(1)可量度:普通来说,任何信息都能够采取基本二进制来量度,并以此进行编码。(2)可识别:对于自然信息能够采取直接识别,比较世界或间接识别方法.对于社会信息,普通采取综合识别方法.(3)可转换:任何信息都能够转换成为由电磁波为载体电报,电话,电视或者计算机代码.关于信息概述信息基本特征

(4)可存放:信息能够经过物质或能量状态某种改变来进行存放.大脑是一个天然存放器,它能够利用100亿到150亿个神经元,可存放100万亿至1000万亿比特信息.(5)可处理:人脑就是一个最正确信息处理器.计算机信息处理只不过是人脑信息处理功效一个外化而已.、关于信息概述信息基本特征

(6)可传递:信息传递是与物质和能量传递同时进行,离开了物质和能量载体,信息传递是不能够实现。

(7)可再生性:信息经过处理之后,能够其它形式再生.比如,输入计算机各种数据文字信息能够用显示、打印、绘图等方式再生成信息.关于信息概述信息基本特征

(8)可压缩:信息可按照一党规则或者方法进行压缩,以用最少信息量来描述一事物,压缩信息处理后可还原。

(9)可利用:任何信息都含有一定实效性.(10)可共享:与物质和能量不一样,信息含有不守恒性,即含有扩展性.、关于信息科学概述信息科学概论部分(1)信息科学是一门综合学科,它是20世纪70年代后期,伴随计算机技术高速发展和广泛应用而逐步形成.(2)信息科学是由信息论、控制论、系统论和计算机科学四位一体相结合崭新学科.关于信息科学概述信息论(A)信息论是信息科学理论基础,它是研究信息本质、度量、传递、交换和处理科学.(B)信息论着眼于对信息认识,而信息科学则着重于研究人类、生物和机器怎样获取、存放、处理、传递和控制信息普通规律.关于信息科学概述信息科学了解(1)信息科学研究对象是信息

(A)探讨信息性质、产生、起源,研究信息量度、编码交换和译码;(B)硕士物、人类和计算机怎样实现信息采集、处理、传递等实现方法.(C)寻求实现信息效用最正确路径.关于信息科学概述信息科学了解(2)信息科学拓展

(A)除了信息论、控制论、和系统论作为其理论基础外,还不停产生新理论,如含糊集合理论、随机过程论、自动机理论,以及包含对策论、博奕论、排队论、规划论、访生学、质量控制和经济模型理论等内在运筹学理论.(B)近年来,人工智能理论发展很快，起目标是开发人类信息功效,帮助人类突破自己束缚.关于信息科学概述信息科学了解(3)信息科学准确定义

(A)信息科学是一门信息科学,其研究是信息及其运动规律科学.(B)信息科学是以信息作为主要研究对象,以信息运动规律为主要研究内容,以信息科学方法论为主要研究方法、以扩展人信息功效作为主要研究目标一门科学.关于信息科学概述信息科学了解(4)信息科学方法论

(A)信息方法基本含义:在与高级复杂事物打交道时候,应该从信息(而不是能量或者物质)观点出发,经过分析该事物所包含信息过程来揭示它复杂工作机制奥秘,经过建立适当信息模型和合理技术伎俩来模拟或实现高级事物工作机制认识问题.综合处理高级复杂事物工作机制现实问题,进化则处理高级复杂系统优化和完善问题.

从认识到现实再到完善,信息贯通一直.关于信息科学概述信息科学了解(4)信息科学方法论

(B)信息方法三层含义:

信息分析信息综合信息进化关于信息科学概述信息科学总结

(1)当代信息科学研究范围已经远远超出了仙农(C.E.Shannon)信息论领域而深入到了控制论科学、系统科学、耗散结构理论、协同理论、人工智能理论、认知科学、思维科学等领域.

关于信息科学概述信息科学总结

(2)

信息科学破天荒把信息推向了科学舞台,与物质和能量顶足而立,并以崭新思想和方法大大丰富了科学宝库.信息科学崛起,使以物质和能量二者为中心传统自然科学观让位于以信息、能量和物质三者为中心当代科学观,是力量型科学发展为智慧与力量结合科学,使得以解放人类体力劳动为目标传统科学转换为以解放体力和智力劳动为目标当代科学。总之,信息科学兴起极大改变了整个科学结构、内容和方向，改变了科学发展前景和科学思维方式.关于信息技术概述信息技术概论(1)功效:信息技术是能够扩展人信息器官功效一类技术.

人信息器官包含:(A)感觉器官—视觉、嗅觉、味觉、触觉等

(B)传导神经网络—导入神经网络和导出神经网络

(C)思维器官---记忆、联想、分析、决议

(D)效应器官---操作、行走、语言等关于信息技术概述信息技术概论(2)信息技术分类

(A)感测技术---感觉器官延长:包含传感技术和测量技术,使人们能够更加好地从外部世界获取各种有用信息.(B)通信技术---传导神经网络延长:传递、交换和分配信息,消除或克服空间上限制,使人们能有效利用信息资源

(C)计算机和智能技术—思维器官功效延长:使人们能够更加好加工和再生信息.

(D)控制技术---效应器官延长:依据输入指令对外部事物运动状态实施干预关于信息技术概述信息技术概论(3)信息技术四基元关系(A)关键位置:通信技术、计算机与智能技术

(B)关键与外部接口:感测技术和控制技术没有通信、计算机与智能技术,信息技术就失去了基本意义.没有感测技术和控制技术,信息技术就失去了基本作用,首先没有了信息起源,另外首先失去了信息归宿.

综上所叙,信息技术’四基元’是一个完整体系.关于信息技术概述信息技术概论(4)信息技术两个详细定义

(A)信息技术是能够完成信息获取、传递、加工、再生和使用等功效一类技术。

(B)信息技术是指感测、通信、计算机和只能以及控制技术整体。关于信息技术概述信息技术三个层次信息技术是以电子技术为基础,尤其是微电子技术为基础,以计算机技术、通信技术三者综合体为关键技术群.详细来所包含三个层次

关于信息技术概述信息技术三个层次

(1)第一个层次:信息基础技术,即相关元、器件制造技术,它是整个信息技术基础;(2)第二个层次:信息系统技术,即相关信息获取、传输、处理、控制技术,主要有计算机技术、通信技术、控制技术三个方面,是信息技术关键;

(3)第三个层次:信息应用技术,即信息管理、决议、决议等技术,是信息技术开发根本目标.

信息技术这三个层次或领域相互关联,组成一个统一整体.关于信息技术概述信息基础技术主要包含四个方面:(1)微电子技术----20世纪50年代兴起

(2)光电子技术----20世纪70年代兴起

(3)光子技术-------20世纪80年代兴起

(4)分子电子技术-------20世纪80年代兴起关于信息技术概述微电子技术光电子技术光子技术光电子技术分子电子技术微波通信电子计算机电子自动控制激光技术光纤通信光生物技术光孤子通信光子计算机光子集成技术生物电子计算机个人电脑互联网办公自动化智能家电网络工业自动化电子显微镜天体物理望远镜………光信息科学与技术本质:光信息科学和技术标准上说是属于信息科学和技术一个组成部分.研究对象为光信息

光信息科学与技术研究内容研究光信息本质、光信息特征和信息量度研究光信息运动规律,即光信息产生、获取、变换、传输、存放过程中普通规律研究光信息搜集、加工和利用方法研究光信息传递与交换路径及其方法研究怎样利用光信息进行识别或判定、综合、或重构原理和方法研究光信息商品、光信息产业特征、结构、功效及其发展机制等.光信息科学与技术光信息科学基础是傅立叶光学

(1)傅立叶光学(信息光学)含义:使用光学方法来实现二维函数傅立叶变换,并在频域中描述和处理光信息.

光信息科学与技术(2)傅立叶光学(信息光学)特点

(A)引用通信和信息理论中普遍概念和思想来阐述光学现象,使光学和通信信息理论相结合,光学和信息科学相互渗透.

(B)把光学系统看作搜集和传递信息系统,它作用和通信系统在本质上是一样.只不过通信系统中,信息是时间性,而在光学系统中,信息是空间性.傅立叶光学发展历史

(1)傅立叶分析方法诞生在19世纪初,20世纪初

(2)傅立叶分析方法在光学领域中已经有成功应用，20世纪30年代泽尼克相衬显微镜创造是信息光学早期卓越成就。

(3)20世纪60年代激光器出现使人们取得了相干性极好新光源,才使傅立叶光学得以快速发展.傅立叶光学分析方法在光学信息系统中利用傅立叶分析和线性系统理论分析光波传输、衍射、成像现象,将光学系统看成搜集和传输信息系统，把光学现象使用我们所熟悉通信和信息理论进行阐述.

因而傅立叶光学(信息光学)又是信息科学一个主要部分.光全息技术

全息技术含义

实现真实三维图像统计和再现技术。其图像称作全息图

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“全息”意思:摄影时除统计波长和强度以外，还统计物光相位、物光全部信息。所以，全息摄影能使物体产生极其逼真立体感觉，立体电影就是在全息摄影技术基础上发展而来。

光全息技术

全息技术产生全息技术是伦敦大学帝国理工学院DennisGabor博士创造。他也所以而取得了1971年诺贝尔物理学奖。最初，Gabor博士只是希望提升扫描电子显微镜解析度。上世纪60年代早期，因为激光器创造,密歇根大学研究员Leith和Upatnieks制作出世界上第一组三维全息图像。最近,前苏联YuriDennisyuk也开始尝试制作能够用普通白光观看全息图。现在，全息技术连续发展为我们提供了越来越准确三维图像

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光全息技术全息图象特点

(1)其它三维“图像”不一样是，全息图提供了“视差”。视差存在使得观察者能够经过前后、左右和上下移动来观察图像不一样形象——好像有个真实物体在那里一样。

(2)全息摄影和常规摄影不一样，在底片上统计不是三维物体平面图像，而是光场本身。常规摄影只统计了反应被报物体表面光强改变，即只统计光振幅，全息摄影则统计光波全部信息，除振幅外还统计了光波相位。即把三维物体光波场全部信息都贮存在统计介质中。光全息技术全息成像基本原理第一步:利用物光和参考光干涉在感光胶片上统计一幅干涉图样，呈错综复杂、透明度不一样花纹，称为全息（即全息照片），相当于把胶片制成一不规则光栅，然后利用全息图对适当照明光衍射，把原三维影像提取出来。第二步:重现,全息图是一个天然信息存放器，可把"冻结"了景物重新"复活"在人们眼前。

光全息技术全息成像发展

(1)因为全息成像独特征能全息图有极其广泛应用。如用于研究火箭飞行冲击波、飞机机翼蜂窝结构无损检验等。现在不但有激光全息，而且研究成功白光全息、彩虹全息，以及全景彩虹全息，使人们能看到景物各个侧面。全息三维立体显示正在向全息彩色立体电视和电影方向发展。

光全息技术全息成像发展(2)除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重合，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图贮存资料，含有容量大、易提取、抗污损等优点。

光全息技术全息成像发展(3)全息摄影方法从光学领域推广到其它领域。如微波全息、声全息等得到很大发展，成功地应用在工业医疗等方面。地震波、电子波、X射线等方面全息也正在深入研究中。光全息技术全息技术应用

(1)全息摄影:一个不用普通光学成象系统录象方法，是六十年代发展起来一个立体摄影和波阵面再现新技术。因为全息摄影能够把物体表面发出全部信息(即光波振幅和相位)统计下来，并能完全再现被摄物体光波全部信息，所以，全息技术在生产实践和科学研究领域中有着广泛应用。比如：全息电影和全息电视，全息储存、全息显示及全息防伪商标等。

全息摄影全息摄影方法:全息摄影利用有四个镜头特殊摄影机，摄影机镜头能对准拍摄目标从不一样角度进行拍摄，得到景物立体照片。全息摄影

(2)全息摄影特征:全息摄影能取得景物每个细节辐射或反射光波全部信息，拍出照片任何一个局部都能够复现原照片全部信息。也就是说，即便把一张照片撕成碎片，只要有一个碎片，就能够复原原照片整个图像。所以，在那个时代，全息摄影术被称为“我们这个时代最伟大创造之一”。全息摄影

(2)全息摄影发展:含有实用价值全息摄影是在美国物理学家雷夫和于帕特倪克斯创造了激光后才得到实际应用。

高速全息摄影最快每秒钟能拍40000张照片，能统计气体爆炸、内燃机点火等高速动作。美国柯达企业和史宾物理企业合作研制出一个世界高速影像统计分析系统SP－－。它能够每秒拍成1张照片，不但可拍摄到发射中子弹行进过程，甚至对蜂鸟拍翼情景也能清楚统计下来。能够说，全息摄影是摄影技术和激光技术结合产物。全息摄影全息摄影拍摄要求

(1)光源必须是相干光源经过前面分析知道，全息摄影是依据光干涉原理，所以要求光源必须含有很好相干性。激光出现，为全息摄影提供了一个理想光源。这是因为激光含有很好空间相干性和时间相干性。全息摄影全息摄影拍摄要求(2)全息摄影系统要含有稳定性.因为全息底片上统计是干涉条纹，而且是又细又密干涉条纹，所以在摄影过程中极小干扰都会引发干涉条纹含糊，甚至使干涉条纹无法统计。比如，拍摄过程中若底片位移一个微米，则条纹就分辨不清，为此，要求全息试验台是防震。全息台上全部光学器件都用磁性材料牢靠地吸在工作台面钢板上。另外，气流经过光路，声波干扰以及温度改变都会引发周围空气密度改变。所以，在曝光时应该禁止声波干扰全息摄影全息摄影拍摄要求

(3)物光与参考光应满足物光和参考光光程差应尽可能小，两束光光程相等最好，最多不能超出2cm.(4)使用高分辨率全息底片因为全息摄影底片上统计是又细又密干涉条纹，所以需要高分辨率感光材料。普通摄影用感光底片因为银化物颗粒较粗，每毫米只能统计50～100个条纹，天津感光胶片厂生产I型全息干板，其分辨率可达每毫米30000条，能满足全息摄影要求。

全息摄影全息摄影拍摄要求(5)全息照片冲洗过程冲洗过程也是很关键。显影液、停影液、定影液和漂白液都要求用蒸馏水配制，但试验证实，冲洗过程要在暗室进行，药液千万不能见光，保持在室温20℃在右进行冲洗，配制一次药液保管得当可使用一个月左右。光全息技术全息技术应用

(2)光学全息外，还发展了红外、微波和超声全息技术，这些全息技术在军事侦察和监视上有主要意义:普通雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息摄影则能给出目标立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等有很大作用。所以，备受人们重视。不过,因为可见光在大气或水中传输时衰减很快，在不良气候下甚至于无法进行工作。为克服这个困难发展出红外、微涉及超声全息技术，即用相干红外光、微涉及超声波拍摄全息照片，然后用可见光再现物象，这种全息技术与普通全息技术原理相同。

光全息技术全息技术应用

(3)全息技术在光通信器件中应用逐步引发人们重视。伴随因特网、宽带综合业务数字网以及多媒体通信高速发展，对光通信系统传输速率和带宽要求越来越高，波分复用(WDM)、光码分多址(OCDMA)和全光交换等新技术和新概念应运而生，对光电子器件提出了越来越高要求。全息技术因为本身特点，正在为光通信器件研发提供新思绪和方法，已逐步引发人们重视。

近年来国内外体全息复用器、全息光纤光栅、全息光开关研究已经有较多报道.全息光存放全息光存放

(1)全息存放技术实质上还是一个光盘存放技术.60年代初，伴随激光器出现，VanHeerden提出了全息数据存放概念。在全息光存放中，数据信息是以全息图形式被统计在存放材料中。能够分为:

(A)模拟全息存放技术

(B)数字全息存放技术两类.

全息光数字存放方案(1)第一个方案由Inphase提供，采存放介质为两层光敏聚合物，介质厚度为1.5毫米，并被安置在了全息碟片两层塑料外壳中间。InPhase还研究了一个先进多点统计技术，经过重合数据“书”而不是重合数据页来创造更大数据密度。InPhase多点统计技术消除了数据卷，所以增加了数据密度。读取光头采取波长407nm蓝色激光。全息光数字存放方案(1)第二种方案日本企业Optware企业研发同线全息技术（Collinearholography），其读写速度比传统DVD要高出40倍。Optware计划于6月推出容量达200GB企业级可移动磁盘，早期目标用户是医疗保健机构。当前，Optware、FujiFilm和CMC、Magnetics等厂商组建了一个全息多功效磁盘联盟，目标就是要实现该技术标准化。全息光存放基本原理如图所表示，来自物方携带有调制信号（欲实现存放信息）光称为物光，另一束光称为参考光。物光和参考光是由同一激光器输出激光束经分光镜而得到，所以满足形成干涉所需相干条件。当物光和参考光相遇时就会产生干涉，从而在空间形成光干涉图样。令物光和参考光在全息光存放材料中相遇并发生干涉，干涉图样会使存放材料化学或物理特征发生改变，存放材料在折射率或者吸收率上对应改变就作为干涉图样复制品而存放下来。存放下来干涉图样就是全息图，它保留了物光全部信息（包含振幅和位相信息）。

全息光存放基本原理全息光存放基本原理普通全息存放中存放和再现是事物本身全息图像，这是一个模拟存放方式，并非数字式存放。全息光盘存放则是数字存放方式：需要存放数字信息经过编码后组成二维数据页，并被送到空间光调制器（SpatialLightModulator，缩写为SLM）中。组成M维数据页“0”和“1”分别对应SLM像素阵列上亮点和暗点，从而在SLM像素阵列上形成了一幅二维数据页图像。全息光存放基本原理全息光存放基本原理从激光器发出激光穿过SLM而被二维数据页图像所调制，并在存放材料中和参考光相遇，实现对数字信息存放。复用技术-----采取不一样角度参考光能够在同一存放材料同一位置存放另外一幅完全不一样全息图，这就是全息光存放一个主要技术特征。全息光存放基本原理全息光盘信息读出

在复用情况下，一个角度参考光对于一幅全息图。当读出数据页时，用和存放该数据页所用参考光相间光照射存放材料，光束与存放材料中干涉图样（全息图）发生衍射，衍射光成像于光电探测器阵列上并被转变为电信号，经过电通道传输到后续处理步骤。

每一数据页都能够使用与统计时所用参考光相同光准确地再现出来。全息光存放基本原理全息光盘信息读出要确保可靠地存放数据以及准确地读出数据，必须要有高质量成像系统引导复杂波前贯通存放材料，以备读出时恢复并成像到CCD上。CCD上数据页图像质量必须近乎理想，成像系统任何光学像、色差或CCD散焦都将使一个像素上能量扩散到邻近像素上。光学失真或放大倍率错误也将使像素成像偏离预定接收无件，从而造成读出数据发生错误。全息光存放基本原理全息光存放系统组成

全息光存放系统主要组成部分包含光源、空间光调制器（SL）、探测器阵列，以及变换透镜和对应光学元件等。系统性能与这些组成部分性能亲密相关。下列图所表示只是全息光存放系统部分组件，另外还有复杂光学系统，访问其它存放体机械部件，控制系统电子设备和实现编解码处理存放通道等。全息光存放基本原理全息光存放基本原理（1）光源：用于全息光存放系统光源必须含有高度空间和时间相干性，方便在要求空间形成干涉图样，并在曝光时间内保持干涉图样稳定，所以普通都采取激光作为光源。早期普通都使用体积庞大Ar气体激光器，其波长为514.5nm，输出功率高达5W。伴随存放材料所需统计功率下降，以及全息技术商品化需要，人们逐步使用微型LD，双频泵浦全固体ND：YAG（钇铝石榴石）绿光激光器，其波长为532nm，输出功率在100mw左右。据报道，在Optware和Inphase最新展示系统中，则采取了新型氮化镓（GaN）蓝光半导体激光器，其波长为405nm，输出功率可达30mw.全息光存放基本原理（2）空间光调制器（SLM）：用于全息光存放系统空间光调制器必须是二维，但并不一定需要是彩色。另外，对空间光调制器还要求其含有高对比度和快速转换能力。普通对比度能到达5：1就能够接收，越高当然越好。而帧转换速度则要求能够到达1000帧/s，这么才能够到达100MB／s数据传输率。

全息光存放基本原理（3）探测器阵列：它是全息光存放系统一个主要组成部件，用于接收读出图像并形成对应电信号进入取阈、纠错和解调电路。当前，全部全息光存放系统中采取都是CCD光电转换元件。CCD有线阵和面阵两种结构，在全息光存放系统中一段使用面阵结构CCD器件，其主要性能指标有：电荷转移效率、工作频率、噪声、暗电流、光灵敏度、量子效率、分辨率和动态范围。另外，还需要考虑CCD器件和SLM之间像素匹配程度，即假如SLM含有1024*1024个像素，像素尺寸是12.8μm，那么理想情况下希望CCD器件也含有1024*1024个像素，且像素尺寸为12μm。全息光存放基本原理（4）控制电路：系统图中没有表示出驱动光学部件复杂电路，以及编解码、纠错等电通道处理步骤，不过这些部分在整个全息光存放系统中起着不可替换主要作用。在信源方面，需要存放数字信息必须经过调制编码才能形成二维数据页。而在系统另一端，CCD器件探测到图像信号只是伪数字信号，必须取阈值变为二值数据，再经过解调和纠错方能为人们所用。另外，在统计和读出时还要求计算、控制激光功率、复用情况。曝光时间、对图像处理以及纠正图像失真等。这些都需要由控制电路加以快速、准确地控制，从而实现对数字信息存放和准确读出。全息存放中复用技术复用作用存放中复用技术是全息光存放所特有技术特征，采取合理复用技术能够有效地增加系统存放容量，提升存放系统性能。复用类型

(1)空间复用(2)体积复用(3)混合复用全息存放中复用技术(1)空间复用空间复用技术是将统计介质二维平面划分成不一样区域，在每一个区域中单独存放一幅全息图。空间复用技术是发展得最早复用技术，主要适合于平面型统计材料，存放材料中存放格式类似于硬盘和光盘。

全息存放中复用技术空间复用特点

(A)优点：因为相邻全息图在空间并不重合，所以再现出页面之间能够完全防止串扰噪声，每个全息图衍射效率也都能够到达单个全息图所能到达最大衍射效率。另外，因为存放全部全息图都能够采取相同参考光角度，所以系统光路设计和构架相对简单。

(B)缺点：单纯空间复用技术主要缺点是不能充分利用存放材料厚度来增加系统存放容量，所以没有充分利用全息存放技术潜力实现最大存放容量

全息存放中复用技术(2)体积复用为了填补空间复用技术缺点，人们提出了体积复用技术。体积复用技术分为三种：

(A)角度复用

(B)位相复用

(C)波长复用全息存放中复