光电信息工程概论 PPT课件第1章 光与信息.pptx
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第1章光与信息1,第1章光与信息,第1章光与信息2,目录/Contents,光电信息的发展史,光电信息与技术的特点,1.11.21.3,光电信息技术涉及的产业与发展趋势,3,第1章光与信息,1.1.1古代的光与信息技术,圭表是人类最早的光学仪器,由圭和表两部分组成,它是利用圭的太阳光影子的长短以及方位来度量时间。
我国西周丞相周公旦(公元前?
-1105)在河南登封县设置了世界上最早的计时器圭表,西周圭表,我国齐山文化出土殷商时期的铜镜(公元前2000年)也是人类早期应用光学原理的仪器例证,殷商时期的铜镜,4,第1章光与信息,1.1.1古代的光与信息技术,人们最早用自然界中的天然晶体来制作光学透镜。
现代出土的越王勾践剑上就有两块我国现存最早的玻璃,越王勾践剑的剑柄上的玻璃,11世纪阿拉伯人伊本海赛木(AbuAliHasanIbnal-Haitham)发明透镜;他研究了球面与抛物面的反射镜的反射原理,奠定了光学成像的基础,Hazen光学书中利用阳光观测获取信息,5,第1章光与信息,1.1.2工业革命时期的光与信息技术,公元1590年到17世纪初,荷兰汉森.李普希(HansLippershey)发明显微镜。
列文虎克(Leeuwenhoek)实现第一个可用的显微镜。
1608年荷兰科学家汉森(HansLippershey)用会聚物镜与发散目镜建立了望远镜,1609年意大利物理学家伽利略建立他自己的李普希型望远镜,并开始天文观测。
6,第1章光与信息,1.1.3近现代的光与信息技术,1958年美国科学家肖洛(ArthurL.Schawlow)和汤斯(CharlesH.Townes)报道了微波受激辐射振荡的原理与实验研究,这个辐射放大振荡理论也可以适用于其它的波谱。
1969年CCD出现,改变了人类影像只能靠化学反应记录、不能实时数据化图像的状况,使影像技术与数字信息技术直接相连,极大促进了人类信息社会的信息获取模式上的变化。
7,第1章光与信息,1.1.3近现代的光与信息技术,1948年,盖博(DennisGabor)提出了现代全息照相术的前身波阵面再现原理,他获得了1971年诺贝尔物理学奖。
2000年以后,光缆的全球铺设为现代网络社会奠定了坚实的技术与物质基础。
8,第1章光与信息,1.1.4当代的光与信息技术,以液晶与有机发光二极管(OLED)为代表的平板显示,成为当前国际显示领域的发展趋势,三维显示成为重要的发展方向。
量子光子学的发展是光电信息科学领域发展的一个十分活跃的新方向。
我们国家在国际上率先发射了量子保密通讯卫星,9,第1章光与信息,光学工程与产业的发展脉络,光学技术不仅在人类拓展其信息获取能力方面发挥巨大作用,光学的发展推进了信息社会的到来,在获取信息之外,光还成为信息的基本载体,是信息时代不可或缺的信息主渠道。
20世纪60年代初期激光的出现,激光的出现,促进了信息技术的发展,激光的出现促成光学工程的主旋律在20世纪末开始转成光电信息技术,促使光电信息技术在当今信息社会发挥着越来越重要的作用,成为社会的支柱产业,推进着人类社会的快速发展。
光电信息技术产业,公元前1100年开始的古代光学与工程技术,17世纪几何光学建立,显微镜望远镜的发明,19世纪经典光学理论建立,几何光学,波动光仪器全面发展,20世纪60年代激光诞生,光电子时代诞生,21世纪现代光电信息时期,第1章光与信息10,目录/Contents,光电信息的发展史,光电信息与技术的特点,1.11.21.3,光电信息技术涉及的产业与发展趋势,第1章光与信息11,目录/Contents,1.2,光电信息与技术的特点,信息的基本特点与属性光的基本特点与信息属性光电信息与技术的基本特点,12,第1章光与信息,1.2.1信息的基本特点与属性,信息的基本概念按照信息论之父香农(C.E.Shannon)的信息论观点:
信息实际上就是一种变化信息量的单位是比特(bit)。
一个比特的信息量,就是指含有两个独立、等概率事件所具有的不确定性,能被全部消除不确定性所需要的信息一个bit的信息量定义为:
1(bit)=Log22若消息xi出现的概率为p(xi)则xi所含的信息量为:
I(xi)=log2(1/p(xi)(比特bit)信息可称之为负熵,信息量越大,负熵越大,熵值越小。
反映了该系统的无序程度越小,有序化程度越高。
系统的信息量的增加,表明不确定性的减少、有有序化程度的增加系统的信道通量与系统的信道带宽以及系统的信噪比之间存在的关系可用香农公式表达:
香农公式:
其中S/N是系统的输出信噪比,B为信道带宽(Hz),C为信道容量(bit/s)对于一个给定的有扰信道,若信息源的信息发出速率R(bit/s)信道容量C,则理论上存在一种方法可使信息以任意小的差错概率通过该信道传输。
反之若RC,则该信道将无法正确传递该信息,13,第1章光与信息,1.2.1信息的基本特点与属性,2.信息技术的主要研究内容,.,信息的载体:
广义的信息载体,多种多样,只要是能够变化的,或反映信号变化的物质均可以作为信息的载体。
当前信息社会中主要的信息载体,也就是俗称狭义的信息载体是光子与电子。
光子在上个世纪九十年代开始成为信息的而基本载体。
因为:
光子的能量是人们可以非常方便精确调控的(频率);光子具有前的波动性与粒子性;光子是没有体积,大小的能量子;高精度,波长短,能量精度高,.,信息获取技术:
成像,探测,仿真验证,监控等.信息传输:
协议、编码、调制、发送、路由、接收、解调、解码、交换、通信的带宽、误码率、可靠性、安全性和质量等.信息处理:
放大、去噪、去伪、滤波、分类、检索、转换、识别、分析、存储、显示.信息应用技术:
控制、决策、预测、估计、优化、监控、可视化、仿真、仿生、心理等,14,第1章光与信息,1.2.1信息的基本特点与属性,3.信息技术面临的问题,.信息处理能力的增长远远赶不上信息量的增长.信息结构越来越复杂,处理越来越困难.格式繁多,无法通用兼容.信息利用率越来越低,人们被埋没在数据和信息的海洋之中.,信息的真伪性与快速传播以及难于控制性,对社会主流意识的影响信息的安全问题:
国家安全、银行/金融系统的安全、个人通信的安全.信息的获取技术需求越来越高,如何看到更小,看到思维,看到意识.未知信息的探索技术(如太空开发,深海探测等),15,第1章光与信息,1.2.1信息的基本特点与属性,信息技术的发展影响信息领域的三定律:
摩尔定律即电子定律:
每18个月,计算机等IT产品的性能会翻一翻,相同性能产品的价格会降一半吉尔德定律:
在未来25年,主干网的带宽每6个月增长一倍麦特卡夫定律:
网络价值同网络用户数量的平方成正比,即N个联结能创造N的2次方效益。
这三个定律预示着信息技术所展现出来前所未有的发展速度,这三个定律也表明为什么信息技术的发展如此深刻地变革着人们的生活,信息社会是如此的与众不同,造就了许多不同的社会形态,社会发展的速度十分迅猛,信息量的扑面而来,知识技术的更新日新月异。
信息科学技术的发展速度极快,技术与知识更新周期短,造就了学习型社会(终身学习),16,第1章光与信息,1.2.1信息的基本特点与属性,5.信息技术革命的历程第一次信息技术革命是语言的使用。
发生在距今约35000年50000年前。
语言的使用从猿进化到人的重要标志第二次信息技术革命是文字的使用。
大约在公元前3500年出现了文字。
文字的创造这是信息第一次打破时间、空间的限制。
陶器上的符号标志着人类进行了第二次信息技术革命。
这时期几种人类重要的文字如:
古埃及的象形文字,中国商朝的甲骨文等第三次信息技术革命是印刷的发明。
大约在公元1040年,我国北宋时期人们开始使用活字印刷技术(而欧洲人1451年才开始使用印刷技术)第四次信息技术革命是电报、电话、广播和电视的发明和普及应用。
19世纪中叶以后,随着电报、电话的发明,电磁波的发现,人类的信息通信技术发生了根本性的变革第五次信息技术革命始于20世纪60年代,其标志是电子计算机的普及应用及计算机与现代通信技术的有机结合,17,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,光是一种电磁波光是一种电磁波,它既有波动特性又表现出它的粒子特性,光的粒子特性一般用光子来描述。
光(电磁波)在真空中的传播速度值为C=299792458米/秒。
一般近似为3x108米/秒,这是最基本的物理常数之一。
光子是波动性与粒子性的统一体,具有离散的量子化能量,频率为v的光子,其能量为:
E=hv(h为普朗克常数)光在同种均匀介质中沿直线传播是粒子性的一个很好表现。
小孔成像、日食、月食、影子的形成光的波动性主要表现在光波具有干涉与衍射特性。
光波的衍射在光束孔径受限时都会发生,受限越厉害,衍射越严重。
18,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,光是一种电磁波光波可以有不同的频率,或者波长,在电磁波谱中,如图1-14所示,按照波长的长短,我们可以将光波按照波长从短到长分成下列一些谱段:
X射线深紫外紫外可见光近红外中红外远红外太赫兹波,19,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,几何光学定义:
以光在均匀媒介中的直线传播为基础,研究光在介质中的传播及物体成像规律的学科。
光的传播三个基本规律:
光的直线传播。
光的独立传播规律。
两束光在传播中相遇时互不干扰,仍按各自途径继续传播,当两束光会聚同一点时,在该点上的光能量是简单相加。
光的反射和折射定律。
对于一个单透镜系统,如果透镜的焦距为f,对于距离透镜距离为l的物体将在距离为l之处成像,三者之间的关系为:
20,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,2.几何光学成像光学系统的孔径限制了光学系统的成像分辨能力.一百多年前德国科学家阿贝提出了光学显微系统存在成像的分辨率极限阿贝公式中,N是折射率,x就是光学系统的极限分辨率,是物镜对样品的张角。
21,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,2.波动光学以光的电磁波理论为基础,描述光的波动特征,研究光的传播及光与物质相互作用的光学分支。
17世纪,R.胡克和C.惠更斯创立了光的波动说。
解释了光的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。
波动光学主要涉及:
光的电磁波理论,光波的反射与折射定律,光波的干涉与光波的衍射,傅里叶光学与晶体光学等重要部分。
波动光学是人们可以用光的波长、光的速度以及光的频率来精密传感并感知自然界,极大增强了人类探索自然的能力。
目前依然是人类最高精度的探测技术与手段。
22,第1章光与信息,1.2.2光的基本特点与信息属性,3.量子光学量子光学(quantumoptics)是物理学在1990年后成熟的新兴分支,是原子分子与光物理的一部分,也和冷原子物理紧密相连。
量子光学以半经典物理学及量子力学来研究“光的现象”以及“光和物质在亚微观尺度下的相互作用”。
量子光学的主要任务:
研究光场的各种经典和非经典现象的物理本质光场的各种线性和非线性效应的物理机制光场与物质(原子、分子或离子)相互作用的动力学特性及其与物质结构之间的关系光子自身相互作用的基本特征、机理、规律以及光子的深层次结构等。
量子光学最初是从量子电动力学理论中发展、演变而来的,它还是一门新兴的应用基础性学科光子学的理论基础,奠定了光辐射、光电探测器与激光理论的基础促进光电信息产业的形成,23,第1章光与信息24,目录/Contents,光电信息的发展史,光电信息与技术的特点,1.11.21.3,光电信息技术涉及的产业与发展趋势,第1章光与信息25,目录/Contents,1.3,光电信息技术涉及的产业与发展趋势,光电信息产业形成背景主要涉及的产业领域与规模,26,第1章光与信息,1.3.1光电信息产业形成背景,光电信息工程发展的核心是三个标志性的事件,也就是三个诺贝尔奖:
第一是1959年激光的提出与发明;第二是60年代中光纤通讯的诞生;第三是CCD图像传感器的发明与出现经典光学工程产业与光电
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