文科物理ppt课件：3光学与光电信息技术.ppt

第三章光学与光电信息技术,3.1 几何光学3.2 波动光学3.3 光电信息技术,第三章 光学与光电信息技术,3.1 几何光学 几何光学是光学学科中，以光线为基础研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支。几何光学是当光波的波长 0 时的极限情况。能以其简便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。,光线传播的基本定律,1、光线的直线传播定律2、光的独立传播定律3、反射定律：确定光在反射过程中反射光线方向的定律。光在两种媒质的平滑界面上反射时，,反射定律示意图,光线传播的基本定律,4、折射定律 nsin i=n sin i 全反射：i=90，此时光线按反射定律全部反射。临界角：折射角正好为90时的入射角ic。在光导纤维中，光线就是靠一次次的全反射来传播的。,折射定律示意图,3.2 波动光学,光的波动学说 首先是惠更斯在1690年提出来的。他设想光的传播类似水波、声波。光振动所达到的每一点都可以看作次波的中心。次波的包络面为传播着的波阵面。波阵面上每一点又产生新的次波，依次继续传播。但这个原理只能说明光的折射和反射。到了1815年菲涅耳补充了惠更斯原理，即各次波到达某一点的作用，要考虑到次波间的位相关系。这补充能很好地说明光的衍射现象，称惠更斯菲涅耳原理。,3.2.1 光的干涉,一、干涉现象 光的干涉已经广泛地用于精密计量、天文观测、光弹性应力分析、光学精密加工中的自动控制等许多领域。,双孔干涉实验,x,杨氏双孔干涉,演示：杨氏双缝干涉,二、相干条件,相干条件要求：各成员波的频率（因而波长）相同；任两成员波的初位相之差在 t内保持不变；两波的振幅不得相差悬殊；在叠加点两波的偏振面须大体一致。相干光源或相干光波：满足相干条件的光源或光波。,三、产生相干光波的方法,相干光波产生的方法：分波面法和分振幅法1、分波面干涉 从同一源波面上分出若干个面域，使它们继续传播而发生干涉。例：杨氏干涉 菲涅耳双镜干涉,菲涅耳双镜干涉,2、分振幅干涉 采用一块光学媒质使入射波在其表面上发生反射和折射，然后令反射波和折射波在继续传播中相遇而发生干涉。例：牛顿环装置,牛顿环,牛顿环装置,陆末格尔克片的多光波干涉,薄膜干涉（演示）,四、应用,1、用迈克耳孙干涉仪测量长度（误差不超过/20）,迈克耳孙干涉仪,用迈克耳孙干涉仪观察到的烛焰附近的对流气体,实际的暗纹位置,试,件,标 准 件,利用干涉现象检验平面的平整度,演示：光干涉的应用,3.2.2 光的衍射,一、光的衍射现象,a 垂直单狭缝 b 更窄的单狭缝 c 矩孔d 三角孔 e 方孔 f 正多边形 g 正方网格光孔的远场衍射图样,演示：光的衍射,二、惠更斯菲涅耳原理,大约在1680年荷兰物理学家惠更斯提出：介质中波动传到的各点都可看作是一个新的波源子波源；在其后的任一时刻，由于波源发射的子波波阵面组成的包迹就决定新的波面。菲涅尔增加了“子波相干迭加”的原理，从而发展成为惠更斯菲涅耳原理。,惠更斯原理,三、衍射分类,夫琅和费衍射,菲涅耳衍射,四、衍射应用,光谱分析：如衍射光栅光谱仪。结构分析：衍射图样对精细结构有一种相当敏感的“放大”作用，故而利用图样分析结构，如X射线结构学。衍射成像：在相干光成像系统中，引进两次衍射成像概念，由此发展成为空间滤波技术和光学信息处理。衍射再现波阵面：这是全息术原理中的重要一步。,3.2.3 光的偏振,光的电矢量的振动方向不变，或电矢量末端在垂直于传播方向的平面上的轨迹呈椭圆或圆的现象。偏振光平面偏振光：线偏振光，部分偏振光。圆（椭圆）偏振光：偏振光的电矢量的末端在于传播方向的xy平面上的轨迹是圆或椭圆。,平面偏振光,圆偏振光的波场分布,线偏振光,部分偏振光,自然光,四、应用,1、偏振滤光片 最简单的应用为在照相机这一类仪器的物镜前，加一片双色性微晶制的偏振片。则可大大减弱反射光，能使湖面上的物体拍摄得更清楚。可消除在夜间行车时汽车头灯耀眼灯光对迎面汽车司机的影响2、偏光眼镜：观看立体电影片,演示：起偏与检偏,(a)用偏振干涉仪观察到的悬浮在水面上的昆虫(b)用偏振干涉显微镜观察到的碳化硅晶体(c)在正交偏振片间观察到的硫代硫酸钠晶体,(a),(b),(c),22,2023/3/10,3.3光电信息处理3.3.1 光学信息处理,1.阿贝成像原理2.傅立叶光学信息处理 图像相减、模糊图像的恢复、图像识别、彩色图像恢复、密度假彩色编码、实时假彩色编码，计算全息。3.近代光学信息处理前沿 光学小波变换，光学广义傅立叶变换，光折变介质信息处理，数字光计算，光学神经网络。,23,2023/3/10,1.阿贝成像原理,1.1 阿贝成像原理1.2 空间滤波,24,2023/3/10,1.阿贝成像原理,一百多年前，德国人阿贝(E.Abh，1874年)在研究如何提高显微镜的分辩本领时，提出了阿贝成像原理，为现代变换光学奠定了基础。1.1 阿贝成像原理,25,2023/3/10,1.1 阿贝成像原理着眼于频谱的转换 相干成像过程分两步完成:第一步是入射光经物平面 发生夫琅和费衍射，在透镜后焦面上形成一系列衍射斑；第二步是干涉，即各衍射斑发出的球面次波在像平面(x，y)上相干迭加，像就是干涉场。,26,2023/3/10,1.2 空间滤波,空间滤波概念阿贝成像原理是把成像过程分成两步：第一步衍射起“分频”作用，第二步干涉起“合成”作用。成像光学仪器要求：图像尽可能与原物相似。阿贝成像原理的观点要求：在分频与合成的过程中尽量不使频谱改变。有限口径的透镜是一个低通滤波器”，丢失了高频信息，图像的细节变得有所模糊。因此要提高系统成像的质量，就应该扩大透镜的口径。,27,2023/3/10,1.2 空间滤波,空间滤波概念 阿贝成像原理的真正价值在于它提供了一种新的频谱语言来描述信息，启发人们用改变频谱的手段来改造信息（改造图像）。现代变换光学中的空间滤波技术和光学信息处理，就概念来说，都起源于阿贝成像原理。,28,2023/3/10,1.2 空间滤波,空间滤波的具体作法：物信息的频谱展现在透镜的后焦面(傅氏面)上，可以在这平面上放置不同结构的光阑，以提取(或摒弃)某些频段的物信息，即可主动地改变频谱，以此来达到改造图像的目的。用频谱分析的眼光来看，傅氏面上的光阑起着“选频”的作用。广义地说，凡是能够直接改变光信息空间频谱的器件，通称空间滤波器，或光学滤波器。,29,2023/3/10,1.2 空间滤波,在焦平面上的一个水平狭缝消除了网格像的水平线条,30,2023/3/10,阿贝波特系列实验,阿贝于1873年、波特于1906年分别做了实验。部分实验内容及结果:,31,2023/3/10,部分实验内容及结果:,32,2023/3/10,1.2 空间滤波,(a)输入图像(b)用针孔滤掉高频的输出图像,33,2023/3/10,低通滤波器,低通滤波器主要用于消除图像中的高频噪声。例如，电视图像照片、新闻传真照片等往往含有密度较高的网点，由于周期短、频率高，它们的频谱分布展宽。,34,2023/3/10,高通滤波器,高通滤波器用于滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘，或实现衬度反转。其大体结构如左图所示，中央光屏的尺寸由物体低频分布的宽度而定。高通滤波器主要用于增强模糊图像的边缘，以提高对图像的识别能力。由于能量损失较大，所以输出结果一般较暗。,高通滤波器结构,35,2023/3/10,方向滤波器,例1：印刷电路中掩模疵点的检查 印刷电路掩模的构成是横向或纵向的线条见图(a)，它的频谱较多分布在x、y轴附近。而疵点的形状往往是不规则的，线度也较小，所以其频谱必定较宽，在离轴一定距离处都有分布。可用图(b)所示的十字形滤波器将轴线附近的信息阻挡，提取出疵点信息，输出面上仅显示出疵点的图像，如图(c)所示。,36,2023/3/10,例2：组合照片上接缝的去除,航空摄影得到的组合照片往往留有接缝，如图(a)所示。接缝的频谱分布在与之垂直的轴上，利用如图(b)所示的条形滤波器，将该频谱阻挡，可在像面上得到理想的照片，如图(c)所示。,37,2023/3/10,例3：地震记录中强信号的提取,由地震检测记录特点可知，弱信号起伏很小，总体分布是横向线条，如图(a)所示，因此其频谱主要分布在纵向上。采用图(b)所示的滤波器，可将强信号提取出来，见图(c)，以便分析震情。,38,2023/3/10,Schlieren 方法,早在1864年在阿贝理论以前，Toepler 就发明了相衬法，这一技术称为Schlieren方法，早先用来探测透镜的疵病。与相衬显微镜类似，在这一方法中，只是简单地把衍射图形挡去一半多一点，透镜中的疵病等相位物体就可以看见。,HS是光阑，P仍用相干光照明Schlieren方法使相位物体变为可见,39,2023/3/10,2.傅立叶光学信息处理,2.0 基本概念与处理系统2.1 图像相减2.2 模糊图像的恢复2.3 图像识别2.4 密度假彩色编码2.5 实时假彩色编码2.6 计算全息,40,2023/3/10,2.0 基本概念与处理系统,近代光学信息处理的基本概念 在透镜的后焦面即谱面上设置各种滤波器，就可以对信号频谱进行改造，滤掉不需要的信息或噪声，提取或增强我们感兴趣的信息。滤波后的频谱，还可以再经过一个透镜还原成为空域中经过修改的图像或信号。,41,2023/3/10,2.0 基本概念与处理系统,相干光学图像处理系统(4F系统),近代光学信息处理系统,LA，激光器；ST,光束升降器；M，反光镜；L1，准直镜；FTL1FTL2，傅里叶变换透镜；SF，空间（针孔）滤波器；SLM1SLM2，电寻址空间光调制器。,光学相关器（8”4”4”）,49,2023/3/10,2.1 图像相减,将两个图像透明片置于相干光学处理器中，并在空间频率平面放一正弦光栅T(p)=(1+sinap)/2,50,2023/3/10,2.1 图像相减,输出平面的光轴衍射出相减了的图像 f1(,)-f2(,),51,2023/3/10,2.1 图像相减,52,2023/3/10,2.2 模糊图像的恢复,将逆滤波器H(p)置于相干光学处理器的空间频率平面上，,53,2023/3/10,2.2 模糊图像的恢复,逆滤波器=振幅滤波器+位相滤波器,振幅滤波器,位相滤波器,54,2023/3/10,2.2 模糊图像的恢复,实验验证：,55,2023/3/10,H()逆滤波器 常数,逆滤波器=振幅滤波器+位相滤波器,当我们用这一复合的滤波器对 F(u,v)进行滤波后，在离焦的像面上将生成清晰图像 f(x,y)。,56,2023/3/10,模糊图像的恢复实例,(a)离焦像(b)经过校正复原后的像,57,2023/3/10,褪色图像的恢复,58,2023/3/10,褪色图像的恢复,实验验证：,原彩色像,恢复的彩色像,59,2023/3/10,2.3 图像识别,联合傅里叶变换(joint Fourier transform)是重要的相关处理器，大量应用于图象、特征识别，在指纹识别、字符识别、空中目标和地面遥感图识别等领域已逐步进入实用化阶段。原理 将一对待识别的图象通过马赫曾特干涉仪并排写入光寻址空间光调制器LCLV，将联合傅里叶变换的复振幅谱转化为功率谱，用激光读出，再次通过傅里叶变换由CCD探测后，经过数字图象处理系统进行后处理，判别图象相关性。,联合变换相关图象识别系统,LA，激光器；ST,光束升降器；SP，空间（针孔）滤波器；BS1BS3,分光镜;O1O2,待识别物体;L1 L2，准直镜；FTL1FTL2，傅里叶变换透镜；DP1DP2，可变光栏；P,偏振片；LCLV,液晶光阀；PBS,偏振分光镜;A,可变减光板,2.3 图像识别,62,2023/3/10,2.3 图像识别,装备在导弹头部的图像识别系统,63,2023/3/10,2.3 图像识别,反射型 MSF 实时指纹识别器,64,2023/3/10,2.4 密度假彩色编码,三个步骤：光栅抽样：经罗奇光栅抽样的负片；漂白处理：经漂白处理得编码相位光栅；白光信息处理系统中滤波解调：将编码相位光栅放在白光信息处理系统的输入平面上，得色度丰富的假彩色图像。,65,2023/3/10,2.4 密度假彩色编码,66,2023/3/10,2.5 实时假彩色编码,将黑白透明片与正交光栅一起置于白光信息处理系统的输入平面上，1、等空间频率假彩色编码,在空间频率平面上四个彩红色信号的一级衍射谱处安放如图所示的滤波器，输出平面合成彩色编码像，像的低频结构呈蓝色，高低频结构呈红色，相等的空间结构呈现同一颜色。,67,2023/3/10,2.5 实时假彩色编码,1、等空间频率假彩色编码,68,2023/3/10,2.5 实时假彩色编码,将黑白透明片与正交光栅一起置于白光信息处理系统的输入平面上，2、等密度假彩色编码,在空间频率平面上两个彩红色信号的一级衍射谱处安放如图所示的滤波器，输出平面合成彩色编码像。像的密度最小处呈红色，密度最大处呈绿色，中间部分分别呈粉红、黄、浅绿等颜色，密度相同处呈现同一颜色。,69,2023/3/10,2.5 实时假彩色编码,2、等密度假彩色编码,彩色胶片资料存贮,彩色胶片的资料存贮是胶片工业中长期没有得到解决的问题，其主要原因是彩色胶片所用的染料不稳定而造成逐渐褪色。虽然有一些技术可以用来保存彩色像，但都存在着不少问题。最常用的方法是用三个基色滤色片将彩色像保持在三个不同的黑白底片上，然后用三个基色幻灯机来合成彩色像。在这过程中三个像要非常精确地重合，此外这个方法还有两个主要缺点：一是每个彩色片需用的存贮体积是黑白片的三倍；二是彩色像合成系统，非常昂贵和复杂。,彩色胶片记录在黑白透明片上的技术,记录过程是将彩色胶片通过伦奇光栅依次用三次接触法记录在黑白底片上，每次记录时通过不同的基色滤色片(即红、蓝、绿三色)，而对应的伦奇光栅的方位角分别为0o位置(红色滤色片)、60o位置(蓝色滤色片)、120o位置(绿色滤色片)。,72,2023/3/10,为了从所得到的黑白编码透明片再现逼真的彩色像，我们采用白光处理技术。如图所示，将该透明片放置在白光处理器的输入平面P1处，于是在空间频谱面P2上对波长为 的光强分布为,在解码时，让三个一级衍射分别通过红、蓝、绿色滤色片，如图所示。由于是彩色滤波放能让彩色像的空间谱全部通过，所以不会有象分辨率损失。,通过空间频谱面P2后相应的光的复振幅分布为：这里 r，b 及 g 分别为红、蓝、绿色的波长。,彩色像的空间谱,彩色复原1,彩色复原2,75,2023/3/10,2.6 计算全息,1965 年在美国 IBM 公司工作的德国光学专家罗曼使用计算机和计算机控制的绘图仪做出了世界上第一个计算全息图(CGH)。计算全息图不仅可以全面地记录光波的振幅和相位，而且能综合复杂的，或者世间不存在物体的全息图，因而具有独特的优点和极大的灵活性。计算全息首次将计算机引入光学处理领域。很多光学现象都可以用计算机来进行仿真，计算全息图成为数字信息和光学信息之间有效的联系环节，为光学和计算机科学的全面结合拉开了序幕。,76,2023/3/10,2.6 计算全息,计算全息的主要应用范围是：二维和三维物体像的显示；在光学信息处理中用计算全息制作各 种空间滤波器；产生特定波面用于全息干涉计量；激光扫描器；数据存贮。,77,2023/3/10,2.6 计算全息,计算全息图制作的典型流程,78,2023/3/10,2.6 计算全息,全息图 再现图,79,2023/3/10,3.近代光学信息处理前沿,3.1 光学小波变换3.2 光学广义傅立叶变换3.3 光折变介质信息处理3.4 数字光计算,80,2023/3/10,3.1 光学小波变换,小波变换（wavelet transform,WT）是近年来发展起来的一个新的学科分支，与常规的傅里叶变换相比，具有同时处理空域（时域）和频域信号的能力，并具备对信号进行局部化处理的特征，成为信号分析领域重要的工具，常用在空域的局部信号及时域的暂态信号处理中。,81,2023/3/10,图:h(t)的实部和 h(t)的傅里叶谱,Morlet小波,82,2023/3/10,光学 Morlet 小波变换实例,实验采用下图所示的光学多通道小波变换相关器两个柱面透镜的焦距为 240 mm，球面透镜焦距为 210 mm相关器由He-Ne激光作光源 实现一维小波变换的二维光学相关器,光学多通道小波变换相关器中光学小波变换的实验结果,图(a)是对一个带有低频噪声的方波进行Haar小波变换的结果:在方波的两个边缘呈现一对峰，极值恰恰指示了边缘的位置,峰,峰,实线为带有噪声的方波信号；虚线为Haar小波变换,图(b)是对一个高频噪声的方波进行Haar小波变换的结果:在方波的两个边缘呈现一对峰，极值恰恰指示了边缘的位置,实线为带有噪声的方波信号；虚线为Haar小波变换,峰,峰,图(c)方波同时具有低频和高频噪声干扰.只要伸缩因子a 选择得当，小波变换仍然有很高的信噪比，峰很尖锐，正确的指示了边缘的所在，充分说明Haar小波变换的抗干扰能力,实线为带有噪声的方波信号；虚线为Haar小波变换,峰,峰,待处理坦克模型图像和小波函数平面图像及小波变换边缘增强后实验结果,待检测彩色图像,灰度图像后边缘检测,RGB 空间边缘检测,YUV 空间边缘检测,待检测彩色图像,灰度图像后边缘检测,L 空间边缘检测,选择域值二值化处理,小波变换在图象识别中的应用,简介：由于小波变换具备空域-频域综合分析的能力，因此在图象识别中具有优势，可以大大改善相关识别的效果。原理：CCD1、CCD2通过计算机-数字图象处理系统在第一个空间光调制器SLM1上生成待测图形及参考图形，输入光学图形识别系统，经傅里叶变换透镜FTL进行联合傅里叶变换，CCD3将联合变换振幅谱转换成功率谱,通过计算机-数字图象处理系统在电寻址空间光调制器SLM1上再次生成。小波变换滤波函数系列则预先存储在计算机中，并生成在第二个电寻址空间光调制器SLM2上。经SLM2调制的激光读出SLM1中的联合变换功率谱，SLM1的透射波为联合变换功率谱与小波变换滤波函数之积，再通过第二次傅里叶变换产生相关输出与小波函数的卷积，选择恰当的小波变换滤波函数，将有效地提高相关输出的信噪比。,小波变换图象识别系统,LA，激光器；ST，光束升降器；SP，空间（针孔）滤波器；M，反光镜；L1，准直镜；L2 L3，成象透镜；FTL，傅里叶变换透镜；SLM1 SLM2，电寻址空间光调制器；S，可变光栏;；O1O2，待识别物体与参考物体,92,2023/3/10,93,2023/3/10,3.2 光学广义傅立叶变换,广义傅立叶变换：,傅立叶变换：,又称分数阶傅立叶变换。当=/2 时，就变成傅立叶变换。,94,2023/3/10,3.2 光学广义傅立叶变换,实现广义傅立叶变换的方法：,正透镜,负透镜,95,2023/3/10,3.2 光学广义傅立叶变换,实现广义傅立叶变换的方法：,96,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,相位共轭 光波经一器件后产生一反射波，而光波与反射波的波前完全重合，只是传播方向相反，那么反射波称为光波的相位共轭波。,反射镜,相位共轭镜,97,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,利用非线性介质中的四波混频效应产生相位共轭 光折变介质有显著的四波混频-相位共轭效应。例如：BaTiO3，KTa1-x NBxO3（KTN），Sr1-x Bax Nb2O6（SBN），LiNbO3 Bi12GeO20（BGO），Bi12SiO20（BSO）KNbO3，GaAs，InP，CdTe 等,98,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,光折变效应引起的相位共轭具有以下特点1、光折变效应的特征时间；2、很弱的泵浦光导致显著的四波混频-相位 共轭效应；3、光折变效应的积累效果。引起特殊效应：自泵浦相位共轭、互泵浦相位共轭、光放大、光振荡等。,99,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,利用光折变效应带来的优点 位相畸变的补偿，高衍射效率，高角度分辨率，高波长分辨率等。光学信息处理应用 光信息存储、图像相加、图像相减、像差图象复原、边缘突出、相关识别、光互连、光计算等,100,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,光学信息处理应用,101,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,光学信息处理应用,(a)受激光折变后向散射(SPB)示意图(b)没有像差片(c)带有像差片(d)用一块普通反光镜代替晶体，并在反光镜前插入像差片后的反射像。,102,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,光学信息处理应用,103,2023/3/10,3.3 光折变介质信息处理,光学信息处理应用,104,2023/3/10,3.4 数字光计算,光学逻辑运算：光双稳态器件光学互连：自由空间、光纤、光波导 优点：高速、无相互干扰、空间和时间带宽（数据传输速率大）光存储：光盘存储、光全息存储 优点：极高的存储容量、数据存取速度,105,2023/3/10,3.4 数字光计算,全光通用性计算机的体系尚不明确现实的光电混合计算机的发展途径 1、光电分列的混合处理系统(1)单一计算机使用光存储；(2)多计算机采用光存储、光互连、光处理。2、光电交叉混合处理系统(1)以光子为传输介质，光电子列阵中的电子运 算结果调制通过的光束，采用光互连。(2)以电子为传输介质，光检测列阵和发光器列阵作为输 入和输出的转换器件，其间是平行布置的电子线路。,106,2023/3/10,3.4 数字光计算,现实的光电混合计算机的发展途径 3、光电子混合处理系统 采用光电混合图像处理，空间光调制器是关键性输入输出和运算器件。主要体系和已实现的结构有：特征空间变换 如：傅立叶变换、矩特征空间变换、弦分布特 征空间变换、Hellin、Chord 变换）数学形态学，这是一种循环式近域操作处理。细胞逻辑列阵,107,2023/3/10,例(31向量及33矩阵)y1=11 x1+12 x2+13 x3(5)y2=21 x1+22 x2+23 x3(6)y3=31 x1+32 x2+33 x3(7),矩阵-1维向量乘法,用两个透镜阵实现矩阵-向量乘法运算,张量-矩阵乘法的光学实现,设要处理的是一个22矩阵结果的矩阵中的元素由下式给出：y11=1111x11+1112x12+1211x21+1212x22(8)y11=1121x11+1122x12+1221x21+1222x22(9)y11=2111x11+2112x12+2211x21+2212x22(10)y11=2121x11+2122x12+2221x21+2222x22(11),成像透镜和透镜列阵实现张量矩阵乘法,成像透镜和透镜列阵实现张量矩阵乘法,113,2023/3/10,Farhat和Psaltis的构想（面探测器）,点探测器代替面探测器,114,2023/3/10,3.3.2 光存储技术,1.光存储原理、分类、特点2.光盘存储3.双光子光学存储4.持续光谱烧孔光学存储5.近场光学存储6.光全息存储,115,2023/3/10,1.光存储原理、分类、特点,(1)原理：只要材料的某种性质对光敏感，在被信息调制过的光束照射下，能产生理化性质的改变，并且这种改变能在随后的读出过程中使读出光的性质发生变化，都可以作为光学存储的介质。(2)分类按介质的厚度：面存储、体存储；按数据存取：逐位存储、页面并行式存储；按鉴别存储数据：位置选择存储、频率选择存储等。,116,2023/3/10,1.光存储原理、分类、特点,(3)光学信息存储的一般特点存储密度高 理论估计：面密度为1/2；体密度为1/3，按=500 nm 计算，存储密度为 1 TB/cm3。并行程度高：提供并行输入输出和数据传输。抗电磁干扰存储寿命长：磁存储 23年；光存储10年以上。非接触式读写信息信息价格位低：价格可比磁记录低几十倍。,117,2023/3/10,2.光盘存储,自60年代末美国ECD及IBM公司共同研制出第一片光盘以来，光盘存储技术发展之迅速出人意料。激光唱片(Compact Disk，CD)激光视盘(Laser VideoDisk，LVD)：LD，VCD，DVD，EVD。计算机外存设备：光盘,118,2023/3/10,2.1 光盘存储的原理,激光经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区(直径为光波长的线度，即1m 以下)，使光照部分发生物理和化学变化，从而使光照微区的某种光学性质(反射率、折射率、偏振特性等)与周围介质有较大反衬度，可以实现信息的存储。光盘是按位存储的二维存储介质。记录轨道的密度可高达1000道mm以上。性能：信息载噪比(CNR)均在 50 dB以上；每一通道数据速率可达 50 Mbit/s 以上。,119,2023/3/10,2.2 光盘的类型,按其功能划分主要有四种：(1)只读存储光盘(ROM)(2)一次写入光盘(WORM；或称DRAW)烧蚀型 起泡型 熔绒型 合金型 相变型(3)可擦重写光盘(EDAW)：先擦后写(4)直接重写光盘：写同时擦除原信息,120,2023/3/10,2.3 光盘存储器,根据光盘存储介质分类,(1)单光束光学系统,121,2023/3/10,2.3 光盘存储器,(2)双光束光学系统：用于可擦重写光盘,写读光路,擦除光路,写、读激光器波长0.83 m擦除激光器波长0.78 m,122,2023/3/10,2.3 光盘存储器,国内情况：成都电子科技大学和北京航空航天大学分别研制成功的可擦重写磁光盘、直接重写相变光盘等；中国科学院上海冶金研究所国家光存储研究中心已建成各类光盘的母盘生产线；清华大学国家光盘工程研究中心致力于改进光盘驱动器及其关键部件，提高其性能和存储容量，减少搜寻时间，改进数据速率和存储数据的可靠性，同时进行新一代多功能光盘驱动器的开发，研制适合于各种无机和有机的一次写入和可擦除介质的双触长束多功能光学头。,123,2023/3/10,2.4 光盘存储技术的进展,1、光盘与磁盘比较存储密度：磁盘的道距(约10m)，光盘的道距(约 l m)据Data Storage l998年2月报道。IBM已有突破磁盘存储密度10 Gbit/in2 大关的实验室样机.数据传输速率：光盘的性能不及磁盘。,124,2023/3/10,2.4 光盘存储技术的进展,2、提高只读光盘的存储容量的主要方法采用短波长激光读写：激光波长由 0.8m 缩短到 0.4m，记录的面密度可提高 4 倍。提高道密度和线密度：使用光道密度加倍法；使用区域比特记录法。开发多数据层的光盘：采取多光道并行存取技术 例如：一种双光学头的设计，采用 16 个激光二极管阵列并行存取，可使数据速率达到 100 Mbit/s。,125,2023/3/10,2.4 光盘存储技术的进展,正在开发超高容量双面多数据层ROM 例如，日本日立公司等研制的双面双数据层ROM，采用 0.44m 的最小光斑尺寸和每层 0.74m 宽的道距，实现总数据容量为 17 GB。研究表明，利用双面三数据层结构(总共包括 6 个数据层)，有可能实现 25.5 GB 的超高容量。,126,2023/3/10,2.4 光盘存储技术的进展,3、进展：(1)相变光盘技术已经达到成熟的产品级水平。(2)直接重写光盘实现高数据率是当前研究的热点。容量：面密度0.4 Gbit/cm2，光盘容量3.5 GB。数据传输率：估计能达10 Mbit/s(红激光)；超过100 Mbit/s(蓝激光)。存储面密度极限：光盘存储 l.0 Gbitcm2 磁盘存储 6.2 Gbitcm2,127,2023/3/10,2.4 光盘存储技术的进展,3、进展：(3)体积光学存储容量：达到TBcm3；存取时间：毫秒或亚毫秒；数据传输速率：Gbits-Tbits。,128,2023/3/10,3.双光子光学存储,3.1 存储原理双光子过程：介质中的分子同时吸收两个不同光束中的两个光于而被激发到高的电子能态。当两光束沿不同方向照射并聚焦到材料的同一区域，确定了一个微小的重叠区域。在此区域中发生双光子过程后，分子发生了改变，使材料的理化特性改变，从而记录了一个信息位。3.2 材料光致变色材料：螺旋苯并毗喃(SP)聚甲基丙 烯酸甲酯系统(SPPMMA),3.3双光子三维存储器件,系统描述,130,2023/3/10,3.3 双光子三维存储器件,1991年Strickler和Webb首次报道：存储密度：(0.3-1.3)1012 bitcm3材 料：液态丙烯酸盐与酯类的混合物,实验的框图,3.3双光子三维存储器件,132,2023/3/10,3.4 前沿进展,l研究具有宽的读出吸收线形和高的荧光效率新材料，可采用廉价的低功率读出光源(如发光二极管LED和经过滤光的灯)。l研究了光学擦除的方法 1997年 Wang等人报道：在 lcmlcmlcm 的双光子材料中以页面方式记录了100个数据层，数据层间隔80，每层包含100100的随机位图，每位数据占据的 3030。记录采用倍频Nd：YAG激光器的1064 nm 和 532 nm 两个波长，读出采用氦氖激光器的绿色谱线来诱导荧光。用13161035像元的制冷CCD摄像头探测读出信号，直接测得误码率为5.1310-4。,133,2023/3/10,3.4 前沿进展,l研究盘式双光子存储 1997 年Cokgor 等人在单片盘式材料中利用双光子吸收记录了三层数据，并行地记录和恢复了二维数据阵列，从转速为1500rmin的盘中已经探测到荧光。l研究在室温下具有更长寿命的光致变色材料聚合物介质系统，为可擦除的存储(RWE)和只读存储(ROM)探寻适合的材料。,134,2023/3/10,4.持续光谱烧孔光学存储,光学存储限制：一个信息位最小的聚焦体积在13的数量级，或10-12/cm3 左右。相应地，l bit所占据的空间中含有106一107个分子。如果能用一个分子存储一位信息，存储密度便能提高106一107倍。关键问题：要有适当的选择或识别分子的方法。持续光谱烧孔(PSHB)技术：正是利用分子对不同频率的光吸收率不同来识别不同分子的。采用PSHB光学存储技术，有可能使光存储的记录密度提高34个数量级。,135,2023/3/10,5.近场光学存储,原理 用近场光学方法在记录介质上获取超分辨的存储光斑，以实现高密度存储，例如1000 GB/in2技术探针型近场存储60nm100nm光斑超分辨近场结构存储（Super-RENS）80nm光斑固体浸没透镜（SIL）125nm光斑,136,2023/3/10,Super-RENS 超分辨近场结构存储,SiN/Sb/SiN多层膜系Sb开关层形成的纳米级孔径在记录介质上实现超分辨记录,650nm激光,物镜（NA=0.85）,Super-RENS,保护层（SiN170nm）,孔径开关层（Sb15nm）,保护层（SiN20nm）,137,2023/3/10,6.光全息存储,光全息存储构成原理示意图,138,2023/3/10,6.光全息存储,光全息存储构成原理示意图,6.1 原理,角度复用的光学全息存储,简介：光学信息存储具有超大容量、并行、高速等特点。角度复用全息存储应用体光栅的角度选择性，通过记录角度的多次微小改变来存储多幅全息图，是目前国内外光学信息存储的研究前沿，具有重要的应用前景。原理：由激光分束形成物光和参考光，其中物光由计算机通过空间光调制器产生，不同角度的参考光则由计算机控制的转镜构成。射入LiNbO3晶体后，形成傅里叶变换体全息图，将物光所荷载的信息记录在晶体中。改变参考光或物光的角度，可以在晶体中存入多幅傅里叶变换体全息图。将参考光单独照射记录介质，就可以读出对应角度下存入的信息，还原记录的图形。,角度复用的光学全息存储系统,LA，激光器；ST,光束升降器；VBS，可调偏振分光镜；Q，半波片；SW1SW2，电子快门；M，反光镜；L1，准直镜；L2L3，成象透镜；FTL1FTL2，傅里叶变换透镜；SLM，空间光调制器；SP，空间（针孔）滤波器；RM，转镜;C,Fe:LiNbO3,141,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,1、高冗余度：以全息图的形式存储的信息是分布式的，每一信息单元都存储在全息图的整个表面上(或整个体积中)，故记录介质局部的缺陷和损伤不会引起信息的丢失。2、高存储容量：光学极限为6.41013 bit/cm3采用面向页面的存储，容量可达到106 bit/页面，采用空间复用和共同体积复用相结合的技术存储500000个全息页面，可以得到总的存储容量为500 Gbit 或约 63 GB，这可以和RAID磁盘系统相比。,142,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,2、高存储容量1994年 Burr等人报道：10000个数据全息图/体积单元。复用50个体积单元=RAID磁盘存储容量利用频率选择技术(PSHB)将存储维数扩展到四维，体全息存储器的容量还可能进一步提高。,143,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,3、高数据传输速率和快存取时间数据传输速率：10 Gbits或约1.25 GBs，使寻址一个数据页面的时间小于100s.磁盘系统的机械寻址需要10 ms记录时间：1 Mbit/s,各种存储技术的存储容量和数据传输速率的比较,全息存储同时具有容量大、数据传输率高、数据搜索时间短三方面的优良性能.,145,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,4、可进行并行内容寻址全息存储器可以直接输出数据页或图像的光学再现；在再现出的光学像被探测到并被转换成电子数据图样之前，就可以对它们用光学方法进行并行处理，以提高存储系统进行高级处理的功能。,146,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,4、可进行并行内容寻址例如：(1)任何全息存储器通过工作在傅里叶变换域都能够执行相关操作;(2)采用适当的光学系统，有可能一次读出存储在整个全息存储器中的全部信息，或在读出过程中同时与给定的输入图像进行相关，完全并行地进行面向图像(页面)的检索和识别操作;,147,2023/3/10,6.2 全息存储的特点,4、可进行并行内容寻址例如：(3)可以实现用内容寻址的存储器(CAM)，成为全光计算或光电混合计算的关键器件之一，在光学神经网络、光学互连，以及在模式识别和自动控制等应用领域(可以统称为光计算)中有广阔的应用前景。,148,2023/3/10,6.3 回顾,l60年代末发现光折变效应以后，在光折变晶体中全息存储一度成为热点，并曾提出过许多设计精巧的存储方案。l1975年美国RCA公司还首次报道了在1cm掺铁钮酸铿晶体中记录了500个全息图。这些早期的工作虽然很出色，但没有产生出实用的系统。l80年代，光学计算研究的热潮重新激起人们对全息存储的兴趣，国际上争相在存储方法和存储材料等方面加紧进行研究。,149,2023/3/10,6.3 回顾,l1991年美国Northrop公司在1 cm3 掺铁钥酸铿晶体中存储并高保真地再现了500 幅高分辨率军用车辆全息图；l1992年在同样的妮酸铿晶体中存储1000页数字数据并无任何错误地复制回数字计算机的存储器。l全息存储器可望存储几千亿字节数据，以等于或大于108 bit/s的速度传送数据，并在100s或更短的时间内随机选择一个数据页面。其它任何一种同时具有这三项优点的存储技术都没有体全息存储这样接近实用化阶段，这一事实在世界范围内再次引起体全息存储研究热潮。,150,2023/3/10,6.4 进展,1、存储容量迅速提高l1994年美国加州理工学院在1cm3的掺铁钥酸铿晶体中记录了10000个全息图。l1994年斯坦福大学的研究小组把数字化的压缩图像和视频数据存储在一个全息存储器中，并再现了这些数据而图像质量无显著下降。l最近，美国、日本和一些欧洲国家的许多大公司和科研机构仍在不断提高体全息存储的记录密度和发展新型全息复用结构。,151,2023/3/10,6.4 进展,2、全息存储技术的实用化系统l1995年由美国政府高级研究项目局(ARPA)、IBM公司的A1mad