3光學(xué)與光電信息技術(shù)

1、3.3光電信息處理3.3.1 光學(xué)信息處理1. 阿貝成像原理2. 傅立葉光學(xué)信息處理 圖像相減、模糊圖像的恢復(fù)、圖像識(shí)別、 彩色圖像恢復(fù)、密度假彩色編碼、實(shí)時(shí)假彩色編碼，計(jì)算全息。3.近代光學(xué)信息處理前沿 光學(xué)小波變換，光學(xué)廣義傅立葉變換，光折變介質(zhì)信息處理，數(shù)字光計(jì)算，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2022/10/311. 阿貝成像原理1.1 阿貝成像原理1.2 空間濾波2022/10/321. 阿貝成像原理 一百多年前，德國(guó)人阿貝(E. Abh，1874年)在研究如何提高顯微鏡的分辯本領(lǐng)時(shí)，提出了阿貝成像原理，為現(xiàn)代變換光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1.1 阿貝成像原理2022/10/331.1 阿貝成像原理著眼于頻譜

2、的轉(zhuǎn)換 相干成像過(guò)程分兩步完成:第一步是入射光經(jīng)物平面 發(fā)生夫瑯和費(fèi)衍射，在透鏡后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑發(fā)出的球面次波在像平面(x，y)上相干迭加，像就是干涉場(chǎng)。2022/10/341.2 空間濾波空間濾波概念阿貝成像原理是把成像過(guò)程分成兩步： 第一步衍射起“分頻”作用， 第二步干涉起“合成”作用。成像光學(xué)儀器要求：圖像盡可能與原物相似。阿貝成像原理的觀點(diǎn)要求： 在分頻與合成的過(guò)程中盡量不使頻譜改變。 有限口徑的透鏡是一個(gè)低通濾波器”，丟失了高頻信息，圖像的細(xì)節(jié)變得有所模糊。因此要提高系統(tǒng)成像的質(zhì)量，就應(yīng)該擴(kuò)大透鏡的口徑。2022/10/351.2 空間濾波空間濾波概

3、念 阿貝成像原理的真正價(jià)值在于它提供了一種新的頻譜語(yǔ)言來(lái)描述信息，啟發(fā)人們用改變頻譜的手段來(lái)改造信息（改造圖像）。 現(xiàn)代變換光學(xué)中的空間濾波技術(shù)和光學(xué)信息處理，就概念來(lái)說(shuō)，都起源于阿貝成像原理。2022/10/361.2 空間濾波空間濾波的具體作法： 物信息的頻譜展現(xiàn)在透鏡的后焦面(傅氏面)上，可以在這平面上放置不同結(jié)構(gòu)的光闌，以提取(或摒棄)某些頻段的物信息，即可主動(dòng)地改變頻譜，以此來(lái)達(dá)到改造圖像的目的。用頻譜分析的眼光來(lái)看，傅氏面上的光闌起著“選頻”的作用。 廣義地說(shuō)，凡是能夠直接改變光信息空間頻譜的器件，通稱(chēng)空間濾波器，或光學(xué)濾波器。2022/10/37 1.2 空間濾波在焦平面上的一個(gè)

4、水平狹縫消除了網(wǎng)格像的水平線條 2022/10/38阿貝波特系列實(shí)驗(yàn) 阿貝于1873年、波特于1906年分別做了實(shí)驗(yàn)。部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果: 2022/10/39部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果:2022/10/310 1.2 空間濾波(a)輸入圖像 (b)用針孔濾掉高頻的輸出圖像 2022/10/311低通濾波器 低通濾波器主要用于消除圖像中的高頻噪聲。例如，電視圖像照片、新聞傳真照片等往往含有密度較高的網(wǎng)點(diǎn)，由于周期短、頻率高，它們的頻譜分布展寬。2022/10/312高通濾波器 高通濾波器用于濾除頻譜中的低頻部分，以增強(qiáng)像的邊緣，或?qū)崿F(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)。其大體結(jié)構(gòu)如左圖所示，中央光屏的尺寸由物體低頻分布的寬度而

5、定。 高通濾波器主要用于增強(qiáng)模糊圖像的邊緣，以提高對(duì)圖像的識(shí)別能力。由于能量損失較大，所以輸出結(jié)果一般較暗。高通濾波器結(jié)構(gòu)2022/10/313方向?yàn)V波器例1：印刷電路中掩模疵點(diǎn)的檢查 印刷電路掩模的構(gòu)成是橫向或縱向的線條見(jiàn)圖(a)，它的頻譜較多分布在x、y軸附近。而疵點(diǎn)的形狀往往是不規(guī)則的，線度也較小，所以其頻譜必定較寬，在離軸一定距離處都有分布?？捎脠D(b)所示的十字形濾波器將軸線附近的信息阻擋，提取出疵點(diǎn)信息，輸出面上僅顯示出疵點(diǎn)的圖像，如圖(c)所示。2022/10/314 例2：組合照片上接縫的去除 航空攝影得到的組合照片往往留有接縫，如圖(a)所示。接縫的頻譜分布在與之垂直的軸上，

6、利用如圖(b)所示的條形濾波器，將該頻譜阻擋，可在像面上得到理想的照片，如圖(c)所示。2022/10/315 例3：地震記錄中強(qiáng)信號(hào)的提取 由地震檢測(cè)記錄特點(diǎn)可知，弱信號(hào)起伏很小，總體分布是橫向線條，如圖(a)所示，因此其頻譜主要分布在縱向上。采用圖(b)所示的濾波器，可將強(qiáng)信號(hào)提取出來(lái)，見(jiàn)圖(c)，以便分析震情。2022/10/316Schlieren 方法 早在1864年在阿貝理論以前，Toepler 就發(fā)明了相襯法，這一技術(shù)稱(chēng)為Schlieren方法，早先用來(lái)探測(cè)透鏡的疵病。與相襯顯微鏡類(lèi)似，在這一方法中，只是簡(jiǎn)單地把衍射圖形擋去一半多一點(diǎn)，透鏡中的疵病等相位物體就可以看見(jiàn)。HS是光闌

7、，P仍用相干光照明Schlieren方法使相位物體變?yōu)榭梢?jiàn)2022/10/3172. 傅立葉光學(xué)信息處理2.0 基本概念與處理系統(tǒng)2.1 圖像相減2.2 模糊圖像的恢復(fù)2.3 圖像識(shí)別2.4 密度假彩色編碼2.5 實(shí)時(shí)假彩色編碼2.6 計(jì)算全息2022/10/3182.0 基本概念與處理系統(tǒng)近代光學(xué)信息處理的基本概念 在透鏡的后焦面即譜面上設(shè)置各種濾波器，就可以對(duì)信號(hào)頻譜進(jìn)行改造，濾掉不需要的信息或噪聲，提取或增強(qiáng)我們感興趣的信息。濾波后的頻譜，還可以再經(jīng)過(guò)一個(gè)透鏡還原成為空域中經(jīng)過(guò)修改的圖像或信號(hào)。 2022/10/3192.0 基本概念與處理系統(tǒng)相干光學(xué)圖像處理系統(tǒng)(4F系統(tǒng)) 2022/

8、10/320近代光學(xué)信息處理系統(tǒng) FTL2FTL1SLM2SLM1LSTMCRTSFLA計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)ffffCCDLA，激光器；ST, 光束升降器；M，反光鏡；L1，準(zhǔn)直鏡；FTL1FTL2，傅里葉變換透鏡； SF，空間（針孔）濾波器；SLM1SLM2，電尋址空間光調(diào)制器。2022/10/3212.1 圖像相減 將兩個(gè)圖像透明片置于相干光學(xué)處理器中，并在空間頻率平面放一正弦光柵T(p)=( 1+ sinap) /2 2022/10/3222.1 圖像相減輸出平面的光軸衍射出相減了的圖像 f1(,) - f2(,)2022/10/3232.1 圖像相減2022/10/3242.2 模糊

9、圖像的恢復(fù) 將逆濾波器H(p)置于相干光學(xué)處理器的空間頻率平面上，2022/10/3252.2 模糊圖像的恢復(fù) 逆濾波器 = 振幅濾波器 + 位相濾波器振幅濾波器位相濾波器2022/10/3262.2 模糊圖像的恢復(fù) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：2022/10/327H() 逆濾波器 常數(shù)逆濾波器 = 振幅濾波器 + 位相濾波器 當(dāng)我們用這一復(fù)合的濾波器對(duì) F(u,v) 進(jìn)行濾波后，在離焦的像面上將生成清晰圖像 f (x,y) 。2022/10/328模糊圖像的恢復(fù)實(shí)例(a)離焦像 (b)經(jīng)過(guò)校正復(fù)原后的像2022/10/329褪色圖像的恢復(fù)2022/10/330褪色圖像的恢復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：原彩色像 恢復(fù)的彩色像

10、2022/10/3312.3 圖像識(shí)別 聯(lián)合傅里葉變換(joint Fourier transform)是重要的相關(guān)處理器，大量應(yīng)用于圖象、特征識(shí)別，在指紋識(shí)別、字符識(shí)別、空中目標(biāo)和地面遙感圖識(shí)別等領(lǐng)域已逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。原理 將一對(duì)待識(shí)別的圖象通過(guò)馬赫曾特干涉儀并排寫(xiě)入光尋址空間光調(diào)制器LCLV，將聯(lián)合傅里葉變換的復(fù)振幅譜轉(zhuǎn)化為功率譜，用激光讀出，再次通過(guò)傅里葉變換由CCD探測(cè)后，經(jīng)過(guò)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)進(jìn)行后處理，判別圖象相關(guān)性。2022/10/332聯(lián)合變換相關(guān)圖象識(shí)別系統(tǒng) LA，激光器；ST, 光束升降器；SP，空間（針孔）濾波器；BS1BS3, 分光鏡; O1O2,待識(shí)別物體; L1

11、L2，準(zhǔn)直鏡；FTL1FTL2，傅里葉變換透鏡；DP1DP2，可變光欄； P,偏振片；LCLV,液晶光閥；PBS, 偏振分光鏡; A,可變減光板 M3L1BS1LCLVDP1BS2L2O1M2O2STPBSFTL2M1FTL1LACCDPSPBS3DP3DP2ACRT計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)2022/10/3332.3 圖像識(shí)別2022/10/3342.3 圖像識(shí)別裝備在導(dǎo)彈頭部的圖像識(shí)別系統(tǒng)2022/10/3352.3 圖像識(shí)別反射型 MSF 實(shí)時(shí)指紋識(shí)別器2022/10/3362.4 密度假彩色編碼三個(gè)步驟：光柵抽樣：經(jīng)羅奇光柵抽樣的負(fù)片；漂白處理：經(jīng)漂白處理得編碼相位光柵；白光信息處理系統(tǒng)

12、中濾波解調(diào)： 將編碼相位光柵放在白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，得色度豐富的假彩色圖像。2022/10/3372.4 密度假彩色編碼2022/10/3382.5 實(shí)時(shí)假彩色編碼 將黑白透明片與正交光柵一起置于白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，1、等空間頻率假彩色編碼 在空間頻率平面上四個(gè)彩紅色信號(hào)的一級(jí)衍射譜處安放如圖所示的濾波器，輸出平面合成彩色編碼像，像的低頻結(jié)構(gòu)呈藍(lán)色，高低頻結(jié)構(gòu)呈紅色，相等的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)同一顏色。2022/10/3392.5 實(shí)時(shí)假彩色編碼1、等空間頻率假彩色編碼2022/10/3402.5 實(shí)時(shí)假彩色編碼 將黑白透明片與正交光柵一起置于白光信息處理系統(tǒng)的輸入平面上，2、等密

13、度假彩色編碼 在空間頻率平面上兩個(gè)彩紅色信號(hào)的一級(jí)衍射譜處安放如圖所示的濾波器，輸出平面合成彩色編碼像。像的密度最小處呈紅色，密度最大處呈綠色，中間部分分別呈粉紅、黃、淺綠等顏色，密度相同處呈現(xiàn)同一顏色。2022/10/3412.5 實(shí)時(shí)假彩色編碼2、等密度假彩色編碼2022/10/342彩色膠片資料存貯 彩色膠片的資料存貯是膠片工業(yè)中長(zhǎng)期沒(méi)有得到解決的問(wèn)題，其主要原因是彩色膠片所用的染料不穩(wěn)定而造成逐漸褪色。雖然有一些技術(shù)可以用來(lái)保存彩色像，但都存在著不少問(wèn)題。最常用的方法是用三個(gè)基色濾色片將彩色像保持在三個(gè)不同的黑白底片上，然后用三個(gè)基色幻燈機(jī)來(lái)合成彩色像。在這過(guò)程中三個(gè)像要非常精確地重合

14、，此外這個(gè)方法還有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是每個(gè)彩色片需用的存貯體積是黑白片的三倍；二是彩色像合成系統(tǒng)，非常昂貴和復(fù)雜。2022/10/343彩色膠片記錄在黑白透明片上的技術(shù) 記錄過(guò)程是將彩色膠片通過(guò)倫奇光柵依次用三次接觸法記錄在黑白底片上，每次記錄時(shí)通過(guò)不同的基色濾色片(即紅、藍(lán)、綠三色)，而對(duì)應(yīng)的倫奇光柵的方位角分別為0o位置(紅色濾色片)、 60o位置(藍(lán)色濾色片)、120o位置(綠色濾色片)。2022/10/344 為了從所得到的黑白編碼透明片再現(xiàn)逼真的彩色像，我們采用白光處理技術(shù)。如圖所示，將該透明片放置在白光處理器的輸入平面P1處，于是在空間頻譜面P2上對(duì)波長(zhǎng)為 的光強(qiáng)分布為2022/10

15、/345 在解碼時(shí)，讓三個(gè)一級(jí)衍射分別通過(guò)紅、藍(lán)、綠色濾色片，如圖所示。由于是彩色濾波放能讓彩色像的空間譜全部通過(guò)，所以不會(huì)有象分辨率損失。通過(guò)空間頻譜面P2后相應(yīng)的光的復(fù)振幅分布為： 這里 r，b 及 g 分別為紅、藍(lán)、綠色的波長(zhǎng)。2022/10/346彩色像的空間譜彩色復(fù)原1彩色復(fù)原22022/10/3472.6 計(jì)算全息 1965 年在美國(guó) IBM 公司工作的德國(guó)光學(xué)專(zhuān)家羅曼使用計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)控制的繪圖儀做出了世界上第一個(gè)計(jì)算全息圖( CGH )。計(jì)算全息圖不僅可以全面地記錄光波的振幅和相位，而且能綜合復(fù)雜的，或者世間不存在物體的全息圖，因而具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和極大的靈活性。 計(jì)算全息首次將

16、計(jì)算機(jī)引入光學(xué)處理領(lǐng)域。很多光學(xué)現(xiàn)象都可以用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真，計(jì)算全息圖成為數(shù)字信息和光學(xué)信息之間有效的聯(lián)系環(huán)節(jié)，為光學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的全面結(jié)合拉開(kāi)了序幕。2022/10/3482.6 計(jì)算全息計(jì)算全息的主要應(yīng)用范圍是： 二維和三維物體像的顯示； 在光學(xué)信息處理中用計(jì)算全息制作各 種空間濾波器； 產(chǎn)生特定波面用于全息干涉計(jì)量； 激光掃描器； 數(shù)據(jù)存貯。2022/10/3492.6 計(jì)算全息計(jì)算全息圖制作的典型流程2022/10/3502.6 計(jì)算全息 全息圖 再現(xiàn)圖2022/10/351 3. 近代光學(xué)信息處理前沿3.1 光學(xué)小波變換3.2 光學(xué)廣義傅立葉變換3.3 光折變介質(zhì)信息處理3.4 數(shù)

17、字光計(jì)算2022/10/3523.1 光學(xué)小波變換 小波變換（wavelet transform, WT）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的學(xué)科分支，與常規(guī)的傅里葉變換相比，具有同時(shí)處理空域（時(shí)域）和頻域信號(hào)的能力，并具備對(duì)信號(hào)進(jìn)行局部化處理的特征，成為信號(hào)分析領(lǐng)域重要的工具，常用在空域的局部信號(hào)及時(shí)域的暫態(tài)信號(hào)處理中。2022/10/353圖: h(t)的實(shí)部和 h(t) 的傅里葉譜Morlet小波2022/10/354光學(xué) Morlet 小波變換實(shí)例 實(shí)驗(yàn)采用下圖所示的光學(xué)多通道小波變換相關(guān)器兩個(gè)柱面透鏡的焦距為 240 mm，球面透鏡焦距為 210 mm相關(guān)器由He-Ne激光作光源 實(shí)現(xiàn)一維小波

18、變換的二維光學(xué)相關(guān)器2022/10/355光學(xué)多通道小波變換相關(guān)器中光學(xué)小波變換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果2022/10/356 圖(a)是對(duì)一個(gè)帶有低頻噪聲的方波進(jìn)行Haar小波變換的結(jié)果: 在方波的兩個(gè)邊緣呈現(xiàn)一對(duì)峰，極值恰恰指示了邊緣的位置峰峰實(shí)線為帶有噪聲的方波信號(hào)；虛線為Haar小波變換2022/10/357 圖(b)是對(duì)一個(gè)高頻噪聲的方波進(jìn)行Haar小波變換的結(jié)果: 在方波的兩個(gè)邊緣呈現(xiàn)一對(duì)峰，極值恰恰指示了邊緣的位置實(shí)線為帶有噪聲的方波信號(hào)；虛線為Haar小波變換峰峰2022/10/358 圖(c)方波同時(shí)具有低頻和高頻噪聲干擾. 只要伸縮因子a 選擇得當(dāng)，小波變換仍然有很高的信噪比，峰很尖銳，

19、正確的指示了邊緣的所在，充分說(shuō)明Haar小波變換的抗干擾能力實(shí)線為帶有噪聲的方波信號(hào)；虛線為Haar小波變換峰峰2022/10/359待處理坦克模型圖像和小波函數(shù)平面圖像及小波變換邊緣增強(qiáng)后實(shí)驗(yàn)結(jié)果 2022/10/360 待檢測(cè)彩色圖像 灰度圖像后邊緣檢測(cè) RGB 空間邊緣檢測(cè) YUV 空間邊緣檢測(cè)2022/10/361 待檢測(cè)彩色圖像 灰度圖像后邊緣檢測(cè) L 空間邊緣檢測(cè) 選擇域值二值化處理 2022/10/362小波變換在圖象識(shí)別中的應(yīng)用簡(jiǎn)介：由于小波變換具備空域-頻域綜合分析的能力，因此在圖象識(shí)別中具有優(yōu)勢(shì)，可以大大改善相關(guān)識(shí)別的效果。原理：CCD1、CCD2通過(guò)計(jì)算機(jī)-數(shù)字圖象處理系

20、統(tǒng)在第一個(gè)空間光調(diào)制器SLM1上生成待測(cè)圖形及參考圖形，輸入光學(xué)圖形識(shí)別系統(tǒng)，經(jīng)傅里葉變換透鏡FTL進(jìn)行聯(lián)合傅里葉變換，CCD3將聯(lián)合變換振幅譜轉(zhuǎn)換成功率譜,通過(guò)計(jì)算機(jī)-數(shù)字圖象處理系統(tǒng)在電尋址空間光調(diào)制器SLM1上再次生成。小波變換濾波函數(shù)系列則預(yù)先存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，并生成在第二個(gè)電尋址空間光調(diào)制器SLM2上。經(jīng)SLM2調(diào)制的激光讀出SLM1中的聯(lián)合變換功率譜，SLM1的透射波為聯(lián)合變換功率譜與小波變換濾波函數(shù)之積，再通過(guò)第二次傅里葉變換產(chǎn)生相關(guān)輸出與小波函數(shù)的卷積，選擇恰當(dāng)?shù)男〔ㄗ儞Q濾波函數(shù)，將有效地提高相關(guān)輸出的信噪比。2022/10/363小波變換圖象識(shí)別系統(tǒng) LA，激光器；ST，光束升

21、降器；SP，空間（針孔）濾波器； M，反光鏡； L1，準(zhǔn)直鏡；L2 L3，成象透鏡；FTL，傅里葉變換透鏡；SLM1 SLM2，電尋址空間光調(diào)制器； S，可變光欄;；O1O2，待識(shí)別物體與參考物體FTLSLM2SLM1STLACCD1CRT計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)CCD3ffSML1SPCCD2O2O1L2L32022/10/3642022/10/3653.2 光學(xué)廣義傅立葉變換廣義傅立葉變換：傅立葉變換： 又稱(chēng)分?jǐn)?shù)階傅立葉變換。當(dāng) = / 2 時(shí)，就變成傅立葉變換。2022/10/3663.2 光學(xué)廣義傅立葉變換實(shí)現(xiàn)廣義傅立葉變換的方法：正透鏡負(fù)透鏡2022/10/3673.2 光學(xué)廣義傅立葉

22、變換實(shí)現(xiàn)廣義傅立葉變換的方法：2022/10/3683.3 光折變介質(zhì)信息處理相位共軛 光波經(jīng)一器件后產(chǎn)生一反射波，而光波與反射波的波前完全重合，只是傳播方向相反，那么反射波稱(chēng)為光波的相位共軛波。 反射鏡 相位共軛鏡 2022/10/3693.3 光折變介質(zhì)信息處理利用非線性介質(zhì)中的四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生相位共軛 光折變介質(zhì)有顯著的四波混頻-相位共軛效應(yīng)。例如： BaTiO3，KTa1-x NBxO3（KTN）， Sr1-x Bax Nb2O6（SBN），LiNbO3 Bi12GeO20（BGO），Bi12SiO20（BSO） KNbO3，GaAs，InP，CdTe 等2022/10/3703.3

23、光折變介質(zhì)信息處理光折變效應(yīng)引起的相位共軛具有以下特點(diǎn)1、光折變效應(yīng)的特征時(shí)間；2、很弱的泵浦光導(dǎo)致顯著的四波混頻-相位 共軛效應(yīng)；3、光折變效應(yīng)的積累效果。引起特殊效應(yīng)： 自泵浦相位共軛、互泵浦相位共軛、光放大、光振蕩等。2022/10/3713.3 光折變介質(zhì)信息處理利用光折變效應(yīng)帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn) 位相畸變的補(bǔ)償，高衍射效率， 高角度分辨率，高波長(zhǎng)分辨率等。光學(xué)信息處理應(yīng)用 光信息存儲(chǔ)、圖像相加、圖像相減、 像差圖象復(fù)原、邊緣突出、相關(guān)識(shí)別、 光互連、光計(jì)算等2022/10/3723.3 光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/10/3733.3 光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用(a)受激

24、光折變后向散射(SPB)示意圖(b)沒(méi)有像差片(c)帶有像差片(d)用一塊普通反光鏡代替晶體，并在反光鏡前插入像差片后的反射像。2022/10/3743.3 光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/10/3753.3 光折變介質(zhì)信息處理光學(xué)信息處理應(yīng)用2022/10/3763.4 數(shù)字光計(jì)算光學(xué)邏輯運(yùn)算：光雙穩(wěn)態(tài)器件光學(xué)互連：自由空間、光纖、光波導(dǎo) 優(yōu)點(diǎn)：高速、無(wú)相互干擾、空間和時(shí)間帶寬（數(shù)據(jù)傳輸速率大）光存儲(chǔ)：光盤(pán)存儲(chǔ)、光全息存儲(chǔ) 優(yōu)點(diǎn)：極高的存儲(chǔ)容量、數(shù)據(jù)存取速度2022/10/3773.4 數(shù)字光計(jì)算全光通用性計(jì)算機(jī)的體系尚不明確現(xiàn)實(shí)的光電混合計(jì)算機(jī)的發(fā)展途徑 1、光電分列的混合處理

25、系統(tǒng) (1)單一計(jì)算機(jī)使用光存儲(chǔ)； (2)多計(jì)算機(jī)采用光存儲(chǔ)、光互連、光處理。 2、光電交叉混合處理系統(tǒng) (1)以光子為傳輸介質(zhì)，光電子列陣中的電子運(yùn) 算結(jié)果調(diào)制通過(guò)的光束，采用光互連。 (2)以電子為傳輸介質(zhì)，光檢測(cè)列陣和發(fā)光器列陣作為輸 入和輸出的轉(zhuǎn)換器件，其間是平行布置的電子線路。2022/10/3783.4 數(shù)字光計(jì)算現(xiàn)實(shí)的光電混合計(jì)算機(jī)的發(fā)展途徑 3、光電子混合處理系統(tǒng) 采用光電混合圖像處理，空間光調(diào)制器是關(guān)鍵性輸入輸出和運(yùn)算器件。 主要體系和已實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)有： 特征空間變換 如：傅立葉變換、矩特征空間變換、弦分布特 征空間變換、Hellin 、Chord 變換） 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)，這是一種

26、循環(huán)式近域操作處理。 細(xì)胞邏輯列陣2022/10/379例 ( 31向量及33矩陣) y1 = 11 x1 + 12 x2 + 13 x3 (5) y2 = 21 x1 + 22 x2 + 23 x3 (6) y3 = 31 x1 + 32 x2 + 33 x3 (7)矩陣-1維向量乘法2022/10/380edcbaSLMabcde521125SL1CL1SL2CL2Fig. 3. Schematic diagram of optical matrix-vector multiplier2022/10/381用兩個(gè)透鏡陣實(shí)現(xiàn)矩陣-向量乘法運(yùn)算2022/10/382張量-矩陣乘法的光學(xué)實(shí)現(xiàn) 設(shè)

27、要處理的是一個(gè)22矩陣結(jié)果的矩陣中的元素由下式給出： y11 = 1111x11 + 1112x12 + 1211x21 + 1212x22 (8) y11 = 1121x11 + 1122x12 + 1221x21 + 1222x22 (9) y11 = 2111x11 + 2112x12 + 2211x21 + 2212x22 (10) y11 = 2121x11 + 2122x12 + 2221x21 + 2222x22 (11) 2022/10/383成像透鏡和透鏡列陣實(shí)現(xiàn)張量矩陣乘法1112x121122x122112x122122x121111x111121x112111x1121

28、21x111212x221222x222212x222222x221211x211221x212211x212121x222022/10/384成像透鏡和透鏡列陣實(shí)現(xiàn)張量矩陣乘法1112x121122x122112x122122x121111x111121x112111x112121x111212x221222x222212x222222x221211x211221x212211x212121x222022/10/385Farhat和Psaltis的構(gòu)想（面探測(cè)器）點(diǎn)探測(cè)器代替面探測(cè)器2022/10/3863.3.2 光存儲(chǔ)技術(shù)1. 光存儲(chǔ)原理、分類(lèi)、特點(diǎn)2. 光盤(pán)存儲(chǔ)3. 雙光子光學(xué)存儲(chǔ)4.

29、 持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲(chǔ)5. 近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)6. 光全息存儲(chǔ)2022/10/3871. 光存儲(chǔ)原理、分類(lèi)、特點(diǎn)(1)原理：只要材料的某種性質(zhì)對(duì)光敏感，在被信息調(diào)制過(guò)的光束照射下，能產(chǎn)生理化性質(zhì)的改變，并且這種改變能在隨后的讀出過(guò)程中使讀出光的性質(zhì)發(fā)生變化，都可以作為光學(xué)存儲(chǔ)的介質(zhì)。(2)分類(lèi)按介質(zhì)的厚度：面存儲(chǔ)、體存儲(chǔ)；按數(shù)據(jù)存?。褐鹞淮鎯?chǔ)、頁(yè)面并行式存儲(chǔ)；按鑒別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：位置選擇存儲(chǔ)、 頻率選擇存儲(chǔ)等。2022/10/3881. 光存儲(chǔ)原理、分類(lèi)、特點(diǎn)(3)光學(xué)信息存儲(chǔ)的一般特點(diǎn)存儲(chǔ)密度高 理論估計(jì)：面密度為1/2 ；體密度為1/3 ， 按=500 nm 計(jì)算，存儲(chǔ)密度為 1 TB/cm3。并行

30、程度高：提供并行輸入輸出和數(shù)據(jù)傳輸。抗電磁干擾存儲(chǔ)壽命長(zhǎng)：磁存儲(chǔ) 23年；光存儲(chǔ)10年以上。非接觸式讀寫(xiě)信息信息價(jià)格位低：價(jià)格可比磁記錄低幾十倍。2022/10/3892. 光盤(pán)存儲(chǔ) 自60年代末美國(guó)ECD及IBM公司共同研制出第一片光盤(pán)以來(lái)，光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展之迅速出人意料。 激光唱片( Compact Disk，CD ) 激光視盤(pán)( Laser VideoDisk，LVD )： LD，VCD，DVD，EVD 。 計(jì)算機(jī)外存設(shè)備：光盤(pán)2022/10/3902.1 光盤(pán)存儲(chǔ)的原理 激光經(jīng)聚焦后可在記錄介質(zhì)中形成極微小的光照微區(qū)(直徑為光波長(zhǎng)的線度，即1m 以下)，使光照部分發(fā)生物理和化學(xué)變化，從

31、而使光照微區(qū)的某種光學(xué)性質(zhì)(反射率、折射率、偏振特性等)與周?chē)橘|(zhì)有較大反襯度，可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)。 光盤(pán)是按位存儲(chǔ)的二維存儲(chǔ)介質(zhì)。記錄軌道的密度可高達(dá)1000道m(xù)m以上。 性能：信息載噪比(CNR) 均在 50 dB以上； 每一通道數(shù)據(jù)速率可達(dá) 50 Mbit/s 以上。2022/10/3912.2 光盤(pán)的類(lèi)型按其功能劃分主要有四種：(1)只讀存儲(chǔ)光盤(pán) ( ROM )(2)一次寫(xiě)入光盤(pán) ( WORM；或稱(chēng)DRAW ) 燒蝕型 起泡型 熔絨型 合金型 相變型(3)可擦重寫(xiě)光盤(pán)( EDAW )：先擦后寫(xiě)(4)直接重寫(xiě)光盤(pán)：寫(xiě)同時(shí)擦除原信息2022/10/3922.3 光盤(pán)存儲(chǔ)器根據(jù)光盤(pán)存儲(chǔ)介質(zhì)分

32、類(lèi)(1)單光束光學(xué)系統(tǒng)2022/10/3932.3 光盤(pán)存儲(chǔ)器(2)雙光束光學(xué)系統(tǒng)：用于可擦重寫(xiě)光盤(pán)寫(xiě)讀光路擦除光路寫(xiě)、讀激光器波長(zhǎng)0.83 m擦除激光器波長(zhǎng)0.78 m2022/10/3942.3 光盤(pán)存儲(chǔ)器 國(guó)內(nèi)情況：成都電子科技大學(xué)和北京航空航天大學(xué)分別研制成功的可擦重寫(xiě)磁光盤(pán)、直接重寫(xiě)相變光盤(pán)等；中國(guó)科學(xué)院上海冶金研究所國(guó)家光存儲(chǔ)研究中心已建成各類(lèi)光盤(pán)的母盤(pán)生產(chǎn)線；清華大學(xué)國(guó)家光盤(pán)工程研究中心致力于改進(jìn)光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器及其關(guān)鍵部件，提高其性能和存儲(chǔ)容量，減少搜尋時(shí)間，改進(jìn)數(shù)據(jù)速率和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)進(jìn)行新一代多功能光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)發(fā)，研制適合于各種無(wú)機(jī)和有機(jī)的一次寫(xiě)入和可擦除介質(zhì)的雙觸長(zhǎng)束

33、多功能光學(xué)頭。2022/10/3952.4 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展1、光盤(pán)與磁盤(pán)比較存儲(chǔ)密度： 磁盤(pán)的道距(約10m)， 光盤(pán)的道距(約 l m) 據(jù)Data Storage l998年2月報(bào)道。IBM已有突破磁盤(pán)存儲(chǔ)密度10 Gbit / in2 大關(guān)的實(shí)驗(yàn)室樣機(jī).數(shù)據(jù)傳輸速率：光盤(pán)的性能不及磁盤(pán)。2022/10/3962.4 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展2、提高只讀光盤(pán)的存儲(chǔ)容量的主要方法采用短波長(zhǎng)激光讀寫(xiě)： 激光波長(zhǎng)由 0.8m 縮短到 0.4m，記錄的面密度可提高 4 倍。提高道密度和線密度：使用光道密度加倍法； 使用區(qū)域比特記錄法。開(kāi)發(fā)多數(shù)據(jù)層的光盤(pán)：采取多光道并行存取技術(shù) 例如：一種雙光學(xué)頭的設(shè)

34、計(jì)，采用 16 個(gè)激光二極管陣列并行存取，可使數(shù)據(jù)速率達(dá)到 100 Mbit/s。2022/10/3972.4 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展正在開(kāi)發(fā)超高容量雙面多數(shù)據(jù)層ROM 例如，日本日立公司等研制的雙面雙數(shù)據(jù)層ROM，采用 0.44m 的最小光斑尺寸和每層 0.74m 寬的道距，實(shí)現(xiàn)總數(shù)據(jù)容量為 17 GB。研究表明，利用雙面三數(shù)據(jù)層結(jié)構(gòu) ( 總共包括 6 個(gè)數(shù)據(jù)層 )，有可能實(shí)現(xiàn) 25.5 GB 的超高容量。2022/10/3982.4 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展3、進(jìn)展：(1)相變光盤(pán)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到成熟的產(chǎn)品級(jí)水平。(2)直接重寫(xiě)光盤(pán)實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。容量：面密度0.4 Gbit/cm2 ，光

35、盤(pán)容量3.5 GB。數(shù)據(jù)傳輸率：估計(jì)能達(dá)10 Mbit/s (紅激光)； 超過(guò)100 Mbit/s (藍(lán)激光)。存儲(chǔ)面密度極限：光盤(pán)存儲(chǔ) l.0 Gbitcm2 磁盤(pán)存儲(chǔ) 6.2 Gbitcm22022/10/3992.4 光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的進(jìn)展3、進(jìn)展：(3) 體積光學(xué)存儲(chǔ)容量：達(dá)到TBcm3；存取時(shí)間：毫秒或亞毫秒； 數(shù)據(jù)傳輸速率：Gbits - Tbits。 2022/10/31003. 雙光子光學(xué)存儲(chǔ)3.1 存儲(chǔ)原理雙光子過(guò)程： 介質(zhì)中的分子同時(shí)吸收兩個(gè)不同光束中的兩個(gè)光于而被激發(fā)到高的電子能態(tài)。當(dāng)兩光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一區(qū)域，確定了一個(gè)微小的重疊區(qū)域。在此區(qū)域中發(fā)生雙光子過(guò)

36、程后，分子發(fā)生了改變，使材料的理化特性改變，從而記錄了一個(gè)信息位。3.2 材料光致變色材料：螺旋苯并毗喃( SP )聚甲基丙 烯酸甲酯系統(tǒng)( SPPMMA )2022/10/31013.3雙光子三維存儲(chǔ)器件 系統(tǒng)描述2022/10/31023.3 雙光子三維存儲(chǔ)器件1991年Strickler和Webb首次報(bào)道：存儲(chǔ)密度：( 0.3 - 1.3 )1012 bitcm3材 料：液態(tài)丙烯酸鹽與酯類(lèi)的混合物2022/10/3103實(shí)驗(yàn)的框圖3.3雙光子三維存儲(chǔ)器件2022/10/3104 3.4 前沿進(jìn)展l研究具有寬的讀出吸收線形和高的熒光效率新材料，可采用廉價(jià)的低功率讀出光源(如發(fā)光二極管LED

37、和經(jīng)過(guò)濾光的燈)。l研究了光學(xué)擦除的方法 1997年 Wang等人報(bào)道：在 lcmlcmlcm 的雙光子材料中以頁(yè)面方式記錄了100個(gè)數(shù)據(jù)層，數(shù)據(jù)層間隔80 ，每層包含100100的隨機(jī)位圖，每位數(shù)據(jù)占據(jù)的 3030。記錄采用倍頻Nd：YAG激光器的1064 nm 和 532 nm 兩個(gè)波長(zhǎng)，讀出采用氦氖激光器的綠色譜線來(lái)誘導(dǎo)熒光。用13161035像元的制冷CCD攝像頭探測(cè)讀出信號(hào)，直接測(cè)得誤碼率為5.1310-4。2022/10/3105 3.4 前沿進(jìn)展l研究盤(pán)式雙光子存儲(chǔ) 1997 年Cokgor 等人在單片盤(pán)式材料中利用雙光子吸收記錄了三層數(shù)據(jù)，并行地記錄和恢復(fù)了二維數(shù)據(jù)陣列，從轉(zhuǎn)速

38、為1500rmin的盤(pán)中已經(jīng)探測(cè)到熒光。l研究在室溫下具有更長(zhǎng)壽命的光致變色材料聚合物介質(zhì)系統(tǒng)，為可擦除的存儲(chǔ)(RWE)和只讀存儲(chǔ)(ROM)探尋適合的材料。2022/10/31064. 持續(xù)光譜燒孔光學(xué)存儲(chǔ)光學(xué)存儲(chǔ)限制：一個(gè)信息位最小的聚焦體積在13的數(shù)量級(jí)，或10-12/cm3 左右。相應(yīng)地，l bit所占據(jù)的空間中含有106一107個(gè)分子。 如果能用一個(gè)分子存儲(chǔ)一位信息，存儲(chǔ)密度便能提高106一107倍。關(guān)鍵問(wèn)題：要有適當(dāng)?shù)倪x擇或識(shí)別分子的方法。持續(xù)光譜燒孔(PSHB)技術(shù)：正是利用分子對(duì)不同頻率的光吸收率不同來(lái)識(shí)別不同分子的。采用PSHB光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)，有可能使光存儲(chǔ)的記錄密度提高34個(gè)數(shù)

39、量級(jí)。 2022/10/31075. 近場(chǎng)光學(xué)存儲(chǔ)原理 用近場(chǎng)光學(xué)方法在記錄介質(zhì)上獲取超分辨的存儲(chǔ)光斑，以實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，例如1000 GB/in2技術(shù)探針型近場(chǎng)存儲(chǔ)60nm100nm光斑超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)（Super-RENS） 80nm光斑固體浸沒(méi)透鏡（SIL） 125nm光斑2022/10/3108Super-RENS 超分辨近場(chǎng)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)SiN/Sb/SiN多層膜系Sb開(kāi)關(guān)層形成的納米級(jí)孔徑在記錄介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)超分辨記錄650nm激光物鏡（NA=0.85）Super-RENS保護(hù)層（SiN170nm）孔徑開(kāi)關(guān)層（Sb15nm）保護(hù)層（SiN20nm）2022/10/31096. 光全息存儲(chǔ)光

40、全息存儲(chǔ)構(gòu)成原理示意圖2022/10/31106. 光全息存儲(chǔ)光全息存儲(chǔ)構(gòu)成原理示意圖6.1 原理2022/10/3111角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲(chǔ)簡(jiǎn)介：光學(xué)信息存儲(chǔ)具有超大容量、并行、高速等特點(diǎn)。角度復(fù)用全息存儲(chǔ)應(yīng)用體光柵的角度選擇性，通過(guò)記錄角度的多次微小改變來(lái)存儲(chǔ)多幅全息圖，是目前國(guó)內(nèi)外光學(xué)信息存儲(chǔ)的研究前沿，具有重要的應(yīng)用前景。原理：由激光分束形成物光和參考光，其中物光由計(jì)算機(jī)通過(guò)空間光調(diào)制器產(chǎn)生，不同角度的參考光則由計(jì)算機(jī)控制的轉(zhuǎn)鏡構(gòu)成。射入LiNbO3晶體后，形成傅里葉變換體全息圖，將物光所荷載的信息記錄在晶體中。改變參考光或物光的角度，可以在晶體中存入多幅傅里葉變換體全息圖。將參考光

41、單獨(dú)照射記錄介質(zhì)，就可以讀出對(duì)應(yīng)角度下存入的信息，還原記錄的圖形。 2022/10/3112角度復(fù)用的光學(xué)全息存儲(chǔ)系統(tǒng) LA，激光器；ST, 光束升降器；VBS，可調(diào)偏振分光鏡；Q，半波片；SW1SW2，電子快門(mén)；M，反光鏡；L1，準(zhǔn)直鏡；L2L3，成象透鏡；FTL1FTL2，傅里葉變換透鏡；SLM，空間光調(diào)制器；SP，空間（針孔）濾波器；RM，轉(zhuǎn)鏡; C, Fe:LiNbO3 VBSRMQSW2SW1STL2L3FTL1FTL1CSLML1MCRTSP計(jì)算機(jī)數(shù)字圖象處理系統(tǒng)ffffCCDLA2022/10/31136.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)1、高冗余度：以全息圖的形式存儲(chǔ)的信息是分布式的，每一信

42、息單元都存儲(chǔ)在全息圖的整個(gè)表面上(或整個(gè)體積中)，故記錄介質(zhì)局部的缺陷和損傷不會(huì)引起信息的丟失。2、高存儲(chǔ)容量：光學(xué)極限為6.41013 bit /cm3采用面向頁(yè)面的存儲(chǔ)，容量可達(dá)到106 bit/ 頁(yè)面，采用空間復(fù)用和共同體積復(fù)用相結(jié)合的技術(shù)存儲(chǔ)500000個(gè)全息頁(yè)面，可以得到總的存儲(chǔ)容量為500 Gbit 或約 63 GB，這可以和RAID磁盤(pán)系統(tǒng)相比。2022/10/31146.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)2、高存儲(chǔ)容量1994年 Burr等人報(bào)道： 10000個(gè)數(shù)據(jù)全息圖/ 體積單元。復(fù)用50個(gè)體積單元 = RAID磁盤(pán)存儲(chǔ)容量利用頻率選擇技術(shù)(PSHB)將存儲(chǔ)維數(shù)擴(kuò)展到四維，體全息存儲(chǔ)器的容

43、量還可能進(jìn)一步提高。2022/10/31156.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)3、高數(shù)據(jù)傳輸速率和快存取時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸速率： 10 Gbits或約1.25 GBs，使尋址一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面的時(shí)間小于100s. 磁盤(pán)系統(tǒng)的機(jī)械尋址需要10 ms記錄時(shí)間： 1 Mbit/s2022/10/3116各種存儲(chǔ)技術(shù)的存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)傳輸速率的比較全息存儲(chǔ)同時(shí)具有容量大、數(shù)據(jù)傳輸率高、數(shù)據(jù)搜索時(shí)間短三方面的優(yōu)良性能. 2022/10/31176.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址全息存儲(chǔ)器可以直接輸出數(shù)據(jù)頁(yè)或圖像的光學(xué)再現(xiàn)；在再現(xiàn)出的光學(xué)像被探測(cè)到并被轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)圖樣之前，就可以對(duì)它們用光學(xué)方法進(jìn)行并行處理，以提高存儲(chǔ)

44、系統(tǒng)進(jìn)行高級(jí)處理的功能。2022/10/31186.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址例如：(1)任何全息存儲(chǔ)器通過(guò)工作在傅里葉變換域都能夠執(zhí)行相關(guān)操作;(2)采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，有可能一次讀出存儲(chǔ)在整個(gè)全息存儲(chǔ)器中的全部信息，或在讀出過(guò)程中同時(shí)與給定的輸入圖像進(jìn)行相關(guān)，完全并行地進(jìn)行面向圖像(頁(yè)面)的檢索和識(shí)別操作;2022/10/31196.2 全息存儲(chǔ)的特點(diǎn)4、可進(jìn)行并行內(nèi)容尋址例如：(3)可以實(shí)現(xiàn)用內(nèi)容尋址的存儲(chǔ)器(CAM)，成為全光計(jì)算或光電混合計(jì)算的關(guān)鍵器件之一，在光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)互連，以及在模式識(shí)別和自動(dòng)控制等應(yīng)用領(lǐng)域(可以統(tǒng)稱(chēng)為光計(jì)算)中有廣闊的應(yīng)用前景。2022/10

45、/31206.3 回顧l60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應(yīng)以后，在光折變晶體中全息存儲(chǔ)一度成為熱點(diǎn)，并曾提出過(guò)許多設(shè)計(jì)精巧的存儲(chǔ)方案。l1975年美國(guó)RCA公司還首次報(bào)道了在1cm摻鐵鈕酸鏗晶體中記錄了500個(gè)全息圖。這些早期的工作雖然很出色，但沒(méi)有產(chǎn)生出實(shí)用的系統(tǒng)。l80年代，光學(xué)計(jì)算研究的熱潮重新激起人們對(duì)全息存儲(chǔ)的興趣，國(guó)際上爭(zhēng)相在存儲(chǔ)方法和存儲(chǔ)材料等方面加緊進(jìn)行研究。2022/10/31216.3 回顧l1991年美國(guó)Northrop公司在1 cm3 摻鐵鑰酸鏗晶體中存儲(chǔ)并高保真地再現(xiàn)了500 幅高分辨率軍用車(chē)輛全息圖；l1992年在同樣的妮酸鏗晶體中存儲(chǔ)1000頁(yè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并無(wú)任何錯(cuò)誤地復(fù)制回?cái)?shù)

46、字計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器。l全息存儲(chǔ)器可望存儲(chǔ)幾千億字節(jié)數(shù)據(jù)，以等于或大于108 bit/s的速度傳送數(shù)據(jù)，并在100s或更短的時(shí)間內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)面。其它任何一種同時(shí)具有這三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的存儲(chǔ)技術(shù)都沒(méi)有體全息存儲(chǔ)這樣接近實(shí)用化階段，這一事實(shí)在世界范圍內(nèi)再次引起體全息存儲(chǔ)研究熱潮。2022/10/31226.4 進(jìn)展1、存儲(chǔ)容量迅速提高l1994年美國(guó)加州理工學(xué)院在1cm3的摻鐵鑰酸鏗晶體中記錄了10000個(gè)全息圖。l1994年斯坦福大學(xué)的研究小組把數(shù)字化的壓縮圖像和視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)全息存儲(chǔ)器中，并再現(xiàn)了這些數(shù)據(jù)而圖像質(zhì)量無(wú)顯著下降。l最近，美國(guó)、日本和一些歐洲國(guó)家的許多大公司和科研機(jī)構(gòu)仍在不斷提高體

47、全息存儲(chǔ)的記錄密度和發(fā)展新型全息復(fù)用結(jié)構(gòu)。2022/10/31236.4 進(jìn)展 2、全息存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)用化系統(tǒng)l1995年由美國(guó)政府高級(jí)研究項(xiàng)目局(ARPA)、IBM公司的A1maden研究中心、斯坦福大學(xué)、GTE公司、Optitek公司、SRI 國(guó)際組織、休斯公司和Rockwell科學(xué)中心等聯(lián)合成立了協(xié)作組織，在美國(guó)國(guó)家存儲(chǔ)工業(yè)聯(lián)合會(huì)(NSIC)主持下，投資約7000元，實(shí)施了光折變信息存儲(chǔ)材料(PRISM)項(xiàng)目和全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(HDSS)項(xiàng)目，預(yù)期在 5 年內(nèi)開(kāi)發(fā)出具有容量為 1 萬(wàn)億位數(shù)據(jù)、存取速率為1000 MB/s 的一次寫(xiě)入或可重復(fù)寫(xiě)入的全息存取系統(tǒng)；2022/10/31246.4

48、 進(jìn)展2、全息存儲(chǔ)技術(shù)的實(shí)用化系統(tǒng)l1996年IBM公司研制出一臺(tái)高分辨率自動(dòng)全息存儲(chǔ)系統(tǒng)試驗(yàn)床，可以對(duì)各種體全息存儲(chǔ)材料的參數(shù)按照產(chǎn)品級(jí)性能標(biāo)準(zhǔn)作出定量測(cè)量；lColorado大學(xué)將體全息存儲(chǔ)應(yīng)用于光學(xué)合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像和目標(biāo)識(shí)別；lRockwell科學(xué)中心還正在為航空航天應(yīng)用研制一個(gè)裝載在航空飛行器上的大容體全息存儲(chǔ)系統(tǒng)；l美國(guó)成立了稱(chēng)為HoloFlex公司的科研生產(chǎn)實(shí)體，既承擔(dān)HDSS項(xiàng)目，他們1995年8月宣布了第一個(gè)全息存儲(chǔ)器的商業(yè)化產(chǎn)品。2022/10/31256.4 進(jìn)展： 綜上所述，大容量體全息存儲(chǔ)的研究正在持續(xù)高漲。這一研究高潮的到來(lái)，歸因于：過(guò)去30年來(lái)全息領(lǐng)域的基

49、礎(chǔ)性研究的積累；體全息存儲(chǔ)材料，特別是光折變晶體材料領(lǐng)域中的成果；歸因于近年來(lái)光電子技術(shù)的重大進(jìn)展，使得實(shí)用化全息存儲(chǔ)器所必需的小型固體激光器、高分辨率空間光調(diào)制器組頁(yè)器件(SLM)和高分辨率高速光電探測(cè)器陣列(CCD)等周邊技術(shù)日趨成熟。2022/10/31263.3.3 光纖通信技術(shù)1. 光通信的概念及系統(tǒng)的基本組成2. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi)3. 光纖通信的特點(diǎn)4. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望5. 新型光纖通信系統(tǒng)簡(jiǎn)介2022/10/31271. 光通信的概念及系統(tǒng)的組成光通信 利用光波來(lái)進(jìn)行通信。光波：可見(jiàn)光，包括紅外線，它們的波長(zhǎng) 比微波更短，頻率比微波更高。光通信系統(tǒng)的基本組成 2022/

50、10/31281. 光通信的概念及系統(tǒng)的組成光信號(hào)的處理和傳遞過(guò)程 光通信和電通信主要差別：在于光終端和傳精介質(zhì)，即在光終端中使用的光源，光電探測(cè)器和其它一些光學(xué)元件以及光纖等 。 2022/10/31292. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi)(1)按傳輸介質(zhì)分類(lèi) 大氣光通信系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)。大氣光通信系統(tǒng)：屬于無(wú)線通信系統(tǒng)，它的傳輸 介質(zhì)是大氣或真空。 地球表面大氣層對(duì)光衰減限制了大氣光通信的發(fā)展。但是，衛(wèi)星之間的光通信，即空間或深空光通信系統(tǒng)，因在宇宙空間中，傳輸介質(zhì)幾乎是真空，沒(méi)有大氣干擾和衰減的問(wèn)題，非常有前途。光纖通信系統(tǒng)：屬于有線通信系統(tǒng)，它的傳輸介 質(zhì)是光纖。2022/10/31302. 光通

51、信系統(tǒng)的分類(lèi)(2)按調(diào)制方式分類(lèi) 模擬光通信系統(tǒng)、數(shù)字光通信系統(tǒng)。模擬信號(hào)：在幅度上和時(shí)間上都是連續(xù)變化的信號(hào)數(shù)字信號(hào)：在幅度上和時(shí)間上都是不連續(xù)變化的、 離散的信號(hào)。注意：脈沖信號(hào)雖然它在時(shí)間上是間斷的、不連續(xù)的，但它在幅度或?qū)挾壬先允沁B續(xù)變化的，一般也認(rèn)為它們是模擬信號(hào)而不是數(shù)字信號(hào)。模擬光通信系統(tǒng)：傳送的是模擬信號(hào)數(shù)字光通信系統(tǒng)：傳送的是數(shù)字信號(hào)。2022/10/31312. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi)模擬調(diào)制方式：強(qiáng)度調(diào)制( IMIntensity Modulation)， 幅度調(diào)制( AMAmp1itude Modulation)， 頻率調(diào)制( FMFrequence Modulation)，

52、 相位調(diào)制( PMPhase Modulation)， 脈位調(diào)制( PPMPulse Position Modulation)， 脈寬調(diào)制( Pulse Width Modulation 或 Pulse Duration Modulation)，脈幅調(diào)制 ( PAMPulse Amp1itude Modulation)，脈沖頻率調(diào)制( PFMPulse Frequence Modulation )，脈沖數(shù)調(diào)制 ( PNMPulse Number Modulation) 等等。2022/10/31322. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi)數(shù)字調(diào)制方式主要有：脈沖編碼調(diào)制( PCMPulse Code Modul

53、ation)，差分脈沖編碼調(diào)制( DPCMDifferentia1 Pulse Code Modulation)，增量調(diào)制(M)。 由于數(shù)字通信系統(tǒng)所占的帶寬較寬，而帶寬非常寬又是光纖的主要優(yōu)點(diǎn)，因此，光纖通信系統(tǒng)特別適合于采用數(shù)字調(diào)制方式的數(shù)字通信系統(tǒng)。 雖然光纖通信和數(shù)字通信兩者是密切相關(guān)的，但光纖通信和數(shù)字通信是兩個(gè)不同的概念，兩個(gè)不同的范疇，不能將兩者等同起來(lái)，混為一談。2022/10/31332. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi)(3)按信號(hào)的復(fù)用方式頻分復(fù)用系統(tǒng) ( FDMFrequence Division Multiplexing )，時(shí)分復(fù)用系統(tǒng) ( TDMTime Division Mul

54、tiplexing)，波分復(fù)用系統(tǒng) (WDMWavelength Division Multiplexing)，空分復(fù)用系統(tǒng) ( SDMSpace Division Multiplexing)。 所謂頻分、時(shí)分、波分和空分復(fù)用，是指按頻率、時(shí)間、波長(zhǎng)和空間來(lái)進(jìn)行分割的光通信系統(tǒng)。2022/10/31342. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi) (4)按光電探測(cè)方式直接探測(cè)光通信系統(tǒng)： 直接探測(cè)是將光作為光(粒)子來(lái)處理的。相干探測(cè)光通信系統(tǒng)： 相干探測(cè)則是將光作為光波來(lái)處理的。2022/10/31352. 光通信系統(tǒng)的分類(lèi) (5) 按傳輸距離的長(zhǎng)短長(zhǎng)距離干線光纖通信系統(tǒng): 長(zhǎng)距離干線光纖通信系統(tǒng)一般是幾百公里、

55、上千公里、甚至幾千公里陸地或跨洋海底光纖通信系統(tǒng)。中短距離局間光纖通信系統(tǒng): 中短距離局間光纖通信系統(tǒng)一般只有幾公里或幾十公里。短距離用戶(hù)光纖通信系統(tǒng): 只有幾十米到幾百米，光纜直接到用戶(hù)。2022/10/31363. 光纖通信的特點(diǎn)(1) 使用光載波的信息容量特別大；(2) 光纖的帶寬寬，傳輸數(shù)據(jù)速率高；(3) 光纖損耗低，中繼距離長(zhǎng)；(4) 光纖通信的保密性好，不易被竊聽(tīng) ；(5) 光纖通信的抗電磁干擾能力強(qiáng)；(6) 光纖通信系統(tǒng)的絕緣性能好；(7) 在光纖通信系統(tǒng)中，不存在接地和共地的問(wèn)題 (8) 節(jié)約金屬材料，有利于資源合理使用 ；(9) 光纖通信系統(tǒng)的化學(xué)穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)；(10)光

56、纖的尺寸小，重量輕 2022/10/31374. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史在古代：烤火臺(tái)就是一種最簡(jiǎn)單的光通信系統(tǒng)： 光源是烽火； 調(diào)制方式是點(diǎn)燃烽火與息滅烽火； 傳輸介質(zhì)是大氣； 光探測(cè)器是人的眼睛。 古代的烽火臺(tái)光通信系統(tǒng)已經(jīng)包括了現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中最基本的部分：發(fā)射、調(diào)制、接收(眼睛)、解調(diào)(人的大腦)。2022/10/31384. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史烤火臺(tái)就是一種最簡(jiǎn)單的光通信系統(tǒng)： 缺點(diǎn)：(1) 傳送的信息量太少； (2) 傳送距離太近； (3) 抗干擾能力差，雨霧天不能傳送； (4) 保密性很差； (5) 不能進(jìn)行識(shí)別和糾錯(cuò)； (6) 響

57、應(yīng)速度； (7) 不能雙工工作，雙向傳遞信息，信號(hào)進(jìn) 行交換，等等。2022/10/31394. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史用燈、手、眼所組成的光通信系統(tǒng) 在這種光通信系統(tǒng)中，燈是光源，手是調(diào)制器，眼是光探測(cè)器，解碼由大腦來(lái)完成。這種光通信系統(tǒng)至今在某些場(chǎng)合都還在使用，如夜間船舶艦艇之間通信等。2022/10/31404. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史第一位用光來(lái)進(jìn)行“通話”實(shí)驗(yàn) 美國(guó)著名科學(xué)家和發(fā)明家貝爾(Alexander Groham Bell)。貝爾是電話的發(fā)明人，1876年他發(fā)明電話后，1880年他第一次用可見(jiàn)光波來(lái)進(jìn)行通話，傳送了幾百米遠(yuǎn)，他稱(chēng)這種

58、電話為“光電話”(Phtophone)。 但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，包括光源，探測(cè)器，調(diào)制器，解調(diào)器，電子元器件，傳輸介質(zhì)等多種因素的限制，只能做一做原理性實(shí)驗(yàn)，沒(méi)有什么實(shí)用價(jià)值，因此很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到發(fā)展和推廣。 2022/10/31414. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史大氣光通信：直到1960年麥曼(Maiman)制作的世界上第一臺(tái)激光器問(wèn)世，光通信才又活躍起來(lái)。因?yàn)榧す饩哂袕?qiáng)度高，方向性好，相干性好等優(yōu)點(diǎn)。科學(xué)家們立即意識(shí)到，由于光波頻率比微波高，若作為載波，它的信息容量將比微波大很多。另外，由于光波的波長(zhǎng)很短，和微波相比，它的衍射效應(yīng)也要小很多。因此，用這種相干性很好的激

59、光光波來(lái)代替微波進(jìn)行大氣通信，將是非常理想的。大氣光通信前景暗淡：大氣層對(duì)激光的強(qiáng)烈衰減2022/10/31424. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史采用“有線光通信”的方式：有人提出采用“透鏡波導(dǎo)”將光束縛在波導(dǎo)中進(jìn)行傳輸來(lái)避免大氣的影響。所謂“透鏡波導(dǎo)”，是在管道中隔一定距離安裝上一片會(huì)聚透鏡，使傳播過(guò)程中發(fā)散了的光束不斷地隔一定距離又重新再會(huì)聚一次，這樣將光波約束在管道內(nèi)進(jìn)行傳播。至于光束的轉(zhuǎn)彎，則可用棱鏡或者反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)。 但畢竟體積大，不便于安裝和使用，因而未能得到實(shí)際推廣應(yīng)用。2022/10/31434. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史光纖通信：1970年

60、以前，光纖損耗非常大，一般是每公里上千分貝甚至更高，根本無(wú)法在光通信中使用。 1970年，美國(guó)Corning公司第一次宣布它所研制的高純硅酸鹽玻璃單模光纖的損耗已小于20dBkm。幾年之后，光纖損耗不斷迅速下降，達(dá)到 1 dBkm 甚至更低。 到70年代末半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了室溫連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，工作壽命在百萬(wàn)小時(shí)以上，光纖通信才完全走上實(shí)用化、商業(yè)化的軌道。 2022/10/31444. 光纖通信的發(fā)展歷史和展望(1)光通信發(fā)展歷史 光纖通信工作波段：0.851.32附近，光纖的損耗和色散都更低，特別是在1.3附近，是光纖的零色散點(diǎn)；而在1.55附近，是光纖的最低損耗點(diǎn)。綜述：60 年代的準(zhǔn)備階段，