1、信息光學(xué)與應(yīng)用 授課教師：徐先鋒Email: Tel. 8391204(Home), 緒 論一、信息二、信息科學(xué)與技術(shù)三、光信息科學(xué)與技術(shù)四、信息光學(xué)與應(yīng)用一、信息(Information) 由來(lái)已久，無(wú)所不在，使用頻率極高，其概念既抽象又廣泛。信息的一般含義信息的科學(xué)含義信息的基本特征光學(xué)信息（光信息）信息的定義、本質(zhì)，以及對(duì)其特征、規(guī)律及度量的深入探討，由信息論來(lái)描述，目前還沒(méi)有統(tǒng)一完整的認(rèn)識(shí)。信息的含義往往因人、因事、因時(shí)、因地而異，對(duì)不同學(xué)科、不同使用對(duì)象、不同應(yīng)用方向有不同的含義和解釋。在日常生活中，信息常指：通知，報(bào)告，消息，情報(bào)，知識(shí)，數(shù)據(jù)，資料，指令等等。信息的一般含義信息的科

2、學(xué)含義在科學(xué)意義上，信息與一事物的不確定程度有關(guān)。 若我們以某種方式對(duì)某事物從無(wú)知（不可確定性）變?yōu)橛兄撤N程度的可確定性），就稱為我們對(duì)該事物獲得了一定信息。 因此，信息通常與研究對(duì)象的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。獲得信息的過(guò)程，則是人們從無(wú)序向有序認(rèn)識(shí)該組織結(jié)構(gòu)的過(guò)程。 事物本身所含的不確定性越大（自由度越多），獲得的確定性越嚴(yán)格，則獲得的信息量越多。 信息論首先涉及描寫(xiě)事件不確定的量。描述事件不確定性的量的特征：事件完全確定時(shí)，等于0；事件可能的狀態(tài)越多，值越大。事件可能結(jié)果數(shù)一定，每種結(jié)果出現(xiàn)的概率又相等 時(shí)，取極大值。這種事件是最不確定的。 設(shè)W為可能出現(xiàn)的結(jié)果總數(shù)，則有 S=KlnW 1948

3、年，申農(nóng)定義S=KlnP 為信息熵或廣義熵。 Pi為各種狀態(tài)出現(xiàn)的幾率，若幾率相等， S= KlnP 信息量還可表示為I=(S2S1）= 信息量與二進(jìn)制序列的位數(shù)相對(duì)應(yīng).I=log2W單位為“比特”。 W越大，P越小，當(dāng)事者在現(xiàn)實(shí)面前越感捉摸不定和無(wú)知。所以熵是無(wú)知和缺乏信息的量度。S可以量度事件的不確定性，信息可以減少或消除事件的不確定性。將k視為玻爾茲曼常數(shù)，上式與熱力學(xué)中熵表達(dá)式具有相同形式 例：一幅數(shù)字化圖像，行和列像素?cái)?shù)均為N，灰（度）級(jí)是2m，存儲(chǔ)該圖像時(shí)所需要的位數(shù)（信息量）是NNm。要獲得該圖像的信息，就需要知道其像素?cái)?shù)和灰級(jí)。這樣一個(gè)二值化像素的灰度顯示使得我們從兩種可能中確

4、定了一種。我們把此過(guò)程中獲取的信息量叫作一個(gè)單位，稱為比特（bit）。 對(duì)于m=1，最簡(jiǎn)單的二值化圖像，每個(gè)像素只有黑白兩個(gè)狀態(tài)，可分別用0和1來(lái)表示。在我們對(duì)某一像素完全無(wú)知的情況下，其亮度（灰度）取值有兩種可能。若該像素一旦顯示，則此值即完全確定下來(lái)。信息具有的一些基本特征和重要性信息具有如下基本特征可度量，可識(shí)別，可轉(zhuǎn)換，可存儲(chǔ)，可處理，可傳遞，可再生，可利用，可共享，等。信息可以歸納為：宇宙信息星體之間傳播的電磁波地球自然信息各種生物運(yùn)動(dòng)的本能人類社會(huì)信息人類通過(guò)手勢(shì)、眼神、語(yǔ)言文字、圖表圖形圖像等形式的簡(jiǎn)單信息。信息是人類社會(huì)賴以生存發(fā)展的三大基礎(chǔ)或三大要素之一。傳統(tǒng)上，人們把物質(zhì)、

5、能量看作是各種相互作用中的兩個(gè)最基本量?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的人們形成共識(shí)，把信息作為第三個(gè)基本量。物質(zhì)、能量和信息是人類社會(huì)賴以生存發(fā)展的三大要素。 各個(gè)波段：微波、熱成像、紅外、可見(jiàn)、紫外、x射線等；各種方式，如：眼睛、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、攝像機(jī)、內(nèi)窺鏡、掃描、遙測(cè)、遙感、及各種傳感，等。還有其它方式，如：電光、磁光、聲光、熱光及彈光轉(zhuǎn)換等。 獲取方式: 最常見(jiàn)、最直接的是光學(xué)成像，包括：光學(xué)信息（光信息）能用光學(xué)方法生成、獲取、傳輸、處理的信息（信號(hào)），或通過(guò)某種方法轉(zhuǎn)換而來(lái)的光信號(hào)。光信號(hào)形式：最常見(jiàn)、最直接的是光學(xué)圖像（2D或3D）。二、信息科學(xué)與技術(shù)作為一個(gè)學(xué)科或一項(xiàng)專門技術(shù)，它是六

6、大高新科技群體之一。六大高新科技： 信息科學(xué)與技術(shù)，新材料科學(xué)與技術(shù)，新能源科學(xué)與技術(shù)，生物與生命科學(xué)與技術(shù)，空間科學(xué)與技術(shù)，海洋科學(xué)與技術(shù)。 1、從學(xué)科專業(yè)角度來(lái)看主要包括：電子技術(shù)微電子技術(shù)，光學(xué)技術(shù)光子技術(shù)，現(xiàn)代光電子技術(shù)，分子電子技術(shù)，等。通過(guò)利用和控制固體內(nèi)電子的微觀運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的加工處理；信號(hào)處理是在固體的微區(qū)（小到幾個(gè)晶格的數(shù)量級(jí)）內(nèi)進(jìn)行；信號(hào)的傳遞只在極微小的尺度內(nèi)進(jìn)行；可把多個(gè)電子功能部件，甚至一個(gè)子系統(tǒng)集成在一個(gè)很小的芯片上。微電子技術(shù)與傳統(tǒng)電子技術(shù)相比，其突出特點(diǎn)有：在現(xiàn)代集成光學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的、以光集成技術(shù)（或集成光路技術(shù)）為核心的、有關(guān)光學(xué)器件與光電器件設(shè)計(jì)和

7、制造的技術(shù)。 光子技術(shù)集成光路技術(shù)與集成電路技術(shù)類似，它是利用各種工藝將有源和無(wú)源光器件集成在一起，構(gòu)成能完成某種或幾種功能的光學(xué)器件或光學(xué)系統(tǒng)。 無(wú)源器件：如光波導(dǎo)、光耦合器、光分路器、光調(diào)制器、光檢測(cè)器、棱鏡、透鏡、反射鏡、光柵等功能：如光信息獲取、產(chǎn)生、放大、調(diào)制、耦合、變換運(yùn)算與處理、存儲(chǔ)、檢測(cè)等）有源器件：各種光源，如激光器等。光子技術(shù)一般包括如下三個(gè)方面：（a）光材料技術(shù)；（b）光器件技術(shù)；（c）光系統(tǒng)技術(shù)，（理論、結(jié)構(gòu)模型與分析，設(shè)計(jì)與模擬，實(shí)驗(yàn)，制作工藝與加工等）。光系統(tǒng)技術(shù)：光學(xué)信息生成、獲取與檢測(cè)技術(shù)；光學(xué)信息變換、運(yùn)算與處理技術(shù)（光計(jì)算等）；光信息傳輸技術(shù)（光纖通訊、光互

8、連、光網(wǎng)絡(luò)等）；光信息存儲(chǔ)技術(shù)（光盤(pán)技術(shù)等）。 光電、電光轉(zhuǎn)換技術(shù)，器件及應(yīng)用等，半導(dǎo)體光電器件技術(shù)（如發(fā)光、調(diào)制/解調(diào)、探測(cè)等，如攝像技術(shù)、變像技術(shù)、顯像技術(shù)等）。將微電子技術(shù)和光子技術(shù)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。 現(xiàn)代光電子技術(shù) 物理傳感，基于物理效應(yīng)，如光、電、磁、聲、熱、力等?；瘜W(xué)傳感，基于化學(xué)反應(yīng)、化學(xué)吸附、選擇性化學(xué)反應(yīng)等。生物傳感，基于酶、抗體、激素等分子識(shí)別功能。 傳感（器）技術(shù)以所基于的原理劃分：2、從功能作用角度來(lái)看信息獲取技術(shù)，信息處理技術(shù)，信息傳輸技術(shù)，信息控制技術(shù).可分四個(gè)方面：（1）信息獲取技術(shù)：傳感（器）技術(shù)，遙測(cè)技術(shù)，遙感技術(shù) 在分子水平上實(shí)現(xiàn)電子學(xué)的信息傳輸與存儲(chǔ)

9、。充分利用生物分子的再生能力和自我組織能力。 生物電子技術(shù) 溫度傳感，壓力傳感，濕度傳感，電磁傳感等。以所感知對(duì)象（參量）劃分：傳統(tǒng)的、常見(jiàn)的有：望遠(yuǎn)鏡，顯微鏡，照相機(jī)，電流表，電壓表，示波器，溫度計(jì)，壓力計(jì)，CT，x光機(jī)等。 以所使用的敏感材料劃分：半導(dǎo)體傳感，光纖傳感，陶瓷傳感，等等。 對(duì)被測(cè)對(duì)象的某些參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，是傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及遙控技術(shù)的結(jié)合。遙測(cè)技術(shù) 遙感技術(shù)借助于專門的光學(xué)、電子學(xué)探測(cè)儀器，把遙遠(yuǎn)物體所輻射（或發(fā)射）的電磁信號(hào)記錄下來(lái)，再經(jīng)加工處理變成人眼可直接識(shí)別判讀的圖像。對(duì)獲取信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、識(shí)別、加工、歸類整理、存儲(chǔ)等。目前常用的是電子（計(jì)算機(jī)、或數(shù)字）信息處

10、理。光學(xué)或光電混合信息處理，將逐漸走向應(yīng)用。（2）信息處理技術(shù)在農(nóng)、林、地質(zhì)、地理、海洋、水文、環(huán)保、軍事上有廣泛應(yīng)用。利用飛機(jī)、衛(wèi)星等。無(wú)線電通信，微波通信，光纖通信，衛(wèi)星通信，激光通信，網(wǎng)絡(luò)，等。（3）信息傳輸技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行有效控制，并用信息進(jìn)行過(guò)程控制。自動(dòng)化技術(shù)，如：工業(yè)自動(dòng)化，辦公自動(dòng)化，家庭自動(dòng)化，等。（4）信息控制技術(shù)三、光信息技術(shù)原理及應(yīng)用 是信息科學(xué)與技術(shù)的一個(gè)組成部分，其地位越來(lái)越重要，其作用越來(lái)越突出。 以信息光學(xué)（傅立葉光學(xué)）為基礎(chǔ)，側(cè)重于原理介紹和技術(shù)應(yīng)用光信息的本質(zhì)、特征及度量等；光信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即：光信息產(chǎn)生、獲取、變換運(yùn)算與處理、傳播、存儲(chǔ)等過(guò)程的一般規(guī)律；光

11、信息的收集、分析、加工和利用方法；光信息傳遞與交換的途徑及方法。1、主要研究?jī)?nèi)容光互連，光網(wǎng)絡(luò)，光通信，光學(xué)信息處理與光計(jì)算（光學(xué)處理器、光智能機(jī)與光計(jì)算機(jī)），光傳感，光檢測(cè)等。具體來(lái)講，例如：2、光信息處理技術(shù)的特點(diǎn)（1）高并行性 容易實(shí)現(xiàn)多通道并行處理. 電子，電流，一維，串行。光子，光波，二維或三維，并行高并行性 + 光速 = 高速（2）高速度（3）高密度與大容量光波的頻率高，波長(zhǎng)短，這種特性帶來(lái)兩方面的巨大優(yōu)勢(shì)：首先，在光存儲(chǔ)方面，由于系統(tǒng)分辨率(可分辨的最小距離)正比于所用光波長(zhǎng)，光存儲(chǔ)時(shí)的存儲(chǔ)密度正比于1/ (對(duì)二維存儲(chǔ)介質(zhì))和1/ (對(duì)三維存儲(chǔ)介質(zhì)). 32 在理論上比電通信容量

12、大數(shù)萬(wàn)倍以上，目前實(shí)際水平已達(dá)到幾十倍. 如現(xiàn)在已大量使用的2.5Gbit/s的數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)，在一根光纖上可同時(shí)傳輸三萬(wàn)路電話，而以前電通信中容量最大的同軸電纜僅能同時(shí)傳輸一千多路電話. 其次，在光通信方面，光波的極高頻率使得它具有極大的信息容量還可利用光波的相位、振幅、偏振等，進(jìn)一步提高信息容量以 = 500nm估算，相應(yīng)面存儲(chǔ)密度和體存儲(chǔ)密度的量級(jí)分別達(dá)到4108 bit/cm2 和81012 bit/cm3. 若同時(shí)利用其他技術(shù)(如多波長(zhǎng)尋址等)，該存儲(chǔ)密度還可以再提高1-3個(gè)數(shù)量級(jí). 這是當(dāng)前任何其它數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)無(wú)法匹敵的. 光波的頻率遠(yuǎn)高于普通的電磁波頻率，一般的光學(xué)器件(包括光

13、纖)也為非金屬材料，所以光信息處理及傳輸過(guò)程具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力. 電信號(hào)的傳輸與互連一般要用導(dǎo)線，而光信號(hào)互連時(shí)可以利用特殊器件(例如光柵)使光束從空間中一點(diǎn)定向偏移到另一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間不需要任何導(dǎo)線. 這種自由互連方式在多點(diǎn)輸入及多點(diǎn)輸出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中顯示出巨大的優(yōu)點(diǎn)，它使光學(xué)器件及系統(tǒng)的小型化及高度集成化成為可能.（4）抗電磁干擾（5）自由空間互連 由于器件、材料、工藝等各方面的限制，目前光信息技術(shù)尚未在所有方面充分發(fā)揮其潛能. 但現(xiàn)有進(jìn)展已足以顯示出其上述各項(xiàng)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將使其發(fā)揮越來(lái)越大的作用. 與其它學(xué)科與技術(shù)密切相關(guān)，相互補(bǔ)充相互借鑒，如：物理科學(xué)，材料科學(xué)

14、與技術(shù)，電子科學(xué)與技術(shù)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)，等。3、相關(guān)學(xué)科與技術(shù)光信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即：光波的傳播、變換、運(yùn)算處理、存儲(chǔ)等過(guò)程的一般規(guī)律；光信息的收集、分析、加工和利用方法；1、主要內(nèi)容：光互連，光網(wǎng)絡(luò)，光學(xué)信息處理與光計(jì)算（光學(xué)處理器、光智能機(jī)與光計(jì)算機(jī)），光傳感，光檢測(cè)等。四、信息光學(xué)及應(yīng)用2、主要方法：把光學(xué)系統(tǒng)看成是收集和傳輸光信息的線性系統(tǒng)，利用信號(hào)與系統(tǒng)的某些概念和頻譜理論，闡述光信息傳輸、變換與處理等過(guò)程。在頻譜域中描述和處理光信息。如： FT，分?jǐn)?shù)FT，小波變換，線性系統(tǒng)理論等。如：成像，衍射，傳播?？煽醋魇墙?jīng)典的波動(dòng)光學(xué)的擴(kuò)展與深化. 在本質(zhì)上它與經(jīng)典衍射理論并

15、無(wú)根本區(qū)別，但在觀察角度與處理方法上有全新的創(chuàng)造與發(fā)展，故得到了許多新的極有價(jià)值的結(jié)論. 光波衍射變換與傳輸，光學(xué)成像分析與評(píng)價(jià)，二維、三維光學(xué)圖像的變換與處理。 3、發(fā)展歷史簡(jiǎn)介：一般認(rèn)為近代光信息技術(shù)起源于19世紀(jì)末（1873年），到20世紀(jì)中葉，才達(dá)到一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，逐漸成型.在20世紀(jì)中葉，光學(xué)研究無(wú)論在思想、方法、技術(shù)(包括設(shè)備、材料、工藝)等方面都產(chǎn)生了一系列重大的突破，新的分支學(xué)科如雨后春筍般誕生.20世紀(jì)30、40年代：光學(xué)與通訊理論結(jié)合促成了傅立葉光學(xué)的出現(xiàn)和全息概念的提出。它利用系統(tǒng)概念和頻譜分析語(yǔ)言來(lái)描述光學(xué)成像變換過(guò)程。 澤尼克相襯顯微成像（30年代）； 全息術(shù)的提

16、出（伽伯，D. Gabor，1948）。20世紀(jì)60、70年代：60年激光器出現(xiàn)（高強(qiáng)度、高相干性，單色，方向），使信息光學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。光學(xué)全息術(shù)的蓬勃發(fā)展及各種應(yīng)用；光學(xué)空間濾波、圖像識(shí)別（JTC,VLC）、圖像變換處理等技術(shù)的發(fā)展。典型代表：合成孔徑雷達(dá)光學(xué)信號(hào)處理。19世紀(jì)末20世紀(jì)初：傅立葉分析方法開(kāi)始用于光學(xué)成像分析，頻譜概念提出。（傅里葉光學(xué)）20世紀(jì)80、90年代： 光互連，光計(jì)算，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，光計(jì)算機(jī)，激光全息仿偽；20世紀(jì)90年代及本世紀(jì)初： 二元光學(xué)，衍射光學(xué)，微光學(xué)，近場(chǎng)光學(xué)，光學(xué)信息安全（加密，隱藏，解密，防偽，認(rèn)證判別等），光子晶體，等。 目前，在科學(xué)

17、研究方面，信息光學(xué)正與導(dǎo)波光學(xué)、非線性光學(xué)、集成光學(xué)、通信理論、微電子學(xué)、微機(jī)械等相互滲透。 這些學(xué)科與技術(shù)的結(jié)合有可能導(dǎo)致新一代信息處理技術(shù)、信息傳輸技術(shù)及光計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)。 講課概況（Course Outline） 基礎(chǔ)理論部分：1-5章， 1，2，3，5為考核部分，4章選讀內(nèi)容課程概況、要求及相關(guān)信息實(shí)際應(yīng)用部分選讀內(nèi)容（視具體情況選講）6-11章，部分內(nèi)容不要求。6章為光電器件；7，8，9，10為信息處理技術(shù)；11章為計(jì)量技術(shù)?；靖拍?，基本原理，基本思路和物理思想。建立清晰的物理圖像。從整體上掌握。 課程要求(Course Goal)成像過(guò)程和成像系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)，光學(xué)或光電混合圖像處理

18、：濾波，特征提取，變換等光學(xué)模式/特征識(shí)別與分類，等 光學(xué)全息，計(jì)算全息，數(shù)字全息，及其應(yīng)用：顯示，檢測(cè)與計(jì)量，信息安全，等光互連，光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，光計(jì)算與本課程關(guān)系最為密切的某些研究和應(yīng)用領(lǐng)域參考資料參考書(shū)Introduction to Fourier Optics, J. W. Goodman, (傅里葉光學(xué)導(dǎo)論）光學(xué)信息技術(shù)原理及應(yīng)用，陳家璧等，高等教育出版社，2002。信息光學(xué)理論及應(yīng)用，王仕璠，科學(xué)出版社，2004。光信息科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用，鄭光昭，電子工業(yè)出版社，2002。傅里葉光學(xué)，呂乃光，機(jī)械工業(yè)出版社，2006。信息光學(xué)基礎(chǔ)，朱利偉等，中央民族大學(xué)出版社，1997。光學(xué)全息及應(yīng)用，于美文