信息光学中的光学计算机结构及工作原理
信息光学的发展及其应用
信息光学的发展及其应用《信息光学的发展及其应用》摘要：信息光学作为新兴的一种光学技术，具有多面向的应用优势，主要应用于广播电视通信、成像处理、计算机及其自动化等领域，为信息处理技术的发展提供了新的视野。
本文从信息光学的发展史、基础理论及其实际应用等角度，综述了信息光学的发展及其应用。
文章着重介绍了信息光学的基本概念及其技术原理，分析了信息光学的主要应用领域和应用系统，并介绍了信息光学及其在多个领域的应用情况，如广播电视通信、成像处理、计算机及其自动化等。
关键词：信息光学；基本概念；应用；广播电视通信；成像处理；计算机自动化1 引言信息光学是一种新兴的光学技术，它将光学技术与信息处理技术有机结合，将光学信号处理技术应用于信息处理领域中，以提高处理速度和处理精度，并为信息处理技术的发展提供新的视野。
信息光学主要应用于广播电视通信、成像处理、计算机及其自动化等领域，实现了信息处理的快速变化。
本文主要从信息光学的发展史、基础理论及其实际应用等方面，综述了信息光学的发展及其应用，并介绍了今后发展趋势。
2 信息光学的发展史信息光学的发展可以追溯到19世纪中叶，1836年，法国科学家埃蒙斯（A.D.Emmons）发明了“光笔”，并将其用于写字，1850年，埃蒙斯（A.D.Emmons）、库塔（G.V.Kutta）和曼斯特罗（R.M.Mestler）等科学家发明了第一台光学复制机，后来，有关信息光学的研究和发展得到进一步发展和推广。
20世纪50年代，信息光学受到进一步关注，随着微处理器技术的快速发展，信息光学技术被广泛应用于广播电视通信，电信系统以及成像处理等领域，信息光学技术得到了迅速的发展。
此后，信息光学技术又经历了高精度激光扫描显示设备、数字图像处理设备、投影显示装置以及多媒体技术的发展，信息光学技术的应用不断拓展。
3 信息光学基本概念信息光学是指将光学技术与信息处理技术有机结合，将光学信号处理技术应用于信息处理领域中，以提高处理速度和处理精度，满足信息素质要求的一种新兴的光学技术。
信息光学重点(部分)
1、 线性系统、平移不变系统的定义线性系统：若一个系统同时具有叠加性和均匀性，即：{(,)(,)}{(,)}{(,)}L a f x y a f x y a L f x y a L f x y +=+(,)a g x y a g=+则称此系统为线性系统.平移不变性：若{}1122(,)(,)L f x y g x y =，则}1122(,)(,)L f x x y y g x Mx y My --=--则称该系统具有平移不变性线性平移不变系统：既具有线性又具有平移不变性的系统称为线性平移不变系统. 2、惠更斯-菲涅耳原理光场中任一给定曲面上的诸面可以看做是子波源，如果这些子波源是相干的，则在波继续传播的空间上任一点处的光振动，都可以看做是这些子波源各自发出的子波在该点相干叠加的结果。
3、对衍射受限系统传递函数的表达式i 、相干传递函数：=),(y x c f f H (){}{}y d x d P i i ~,~λλF F ),(y i x i f d f d P λλ--=①这说明，相干传递函数),(y x c f f H 等于光瞳函数，仅在空域坐标xy 和频域坐标y x f f 之间存在着一定的坐标缩放关系。
如果在一个反射坐标中来定义P ，则可以去掉负号的累赘，把式①改写为 ),(),(y i x i y x c f d f d P f f H λλ= ，尤其是一般光瞳函数都是对光轴呈中心对称的，这样处理的结果不会产生任何实值性的影响。
对于直径为D 的圆形光瞳，其孔径函数()y x P ,可表为 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=2/),(22D y x circ y x P 其相干传递函数为 ⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛+==iy x y i x i y x c d D f f circ f d f d P f f H λλλ2/),(),(22由圆柱函数的定义可知，在()i d D λ2区域内1=),(y x c f f H ，在)i d D λ2之外0=),(y x c f f H 。
信息光学在物理光学中的应用探索
信息光学在物理光学中的应用探索作者：胡星月来源：《卫星电视与宽带多媒体》2019年第19期【摘要】信息光学是物理光学中的领军学科，信息光学是在应用光学、信息科学和计算机科学整合起来共同发展的一门新型光学学科，信息光学也是当代信息科学中的一个主要组成，笔者在本文根据目前信息光学的物理特性，根据光信息科学与技术专业中信息光学教学的依据，由于《信息光学》的理论知识难以理解、实验操作标准要求过高，数学公式过于繁琐的特性，本文根据教师教师设定合理的教学内容，为学生创建实验平台，增强计算机仿真光学实验的辅助支持，整合校内校外以及互联网的资源让学生在信息光学在应用物理中进行探索与思考。
【关键词】信息光学;物理光学;应用;探索全球经济一体化的不停发展中，信息是当代社会中起着很重要的作用，信息将会替代能源和物质成为人类创新制造财富的重要途径。
信息科学和信息技术息息相关，不可分割。
近些年来，光电信息的快速发展，在当代科学研究与社会发展中的各个领域都占领了重要的位置。
光信息是信息时代不停发展的产物，光信息被人们广泛的应用在全息信息储存和光纤通信以及光信息的储存等涉及的范围很广，光信息带动了国民经济和科学发展的不断前进的步伐。
信息光学是光信息的主要组成部分，是光学中的领军学科，信息光学是在应用光学、计算机科学和信息科学重合起来共同发展的一门新型学科，又是当代信息科学中的一个主要组成。
信息光学提高了光纤通信和光电子学以及应用和图像科学的进步。
笔者通过本文对信息光学在物理中的应用做了以下几个方面的探索与思考。
1. 信息光学在应用物理教学内容的设置在开展《信息光学》这门课程以前，应用物理专业的学生就已经对与光学有关的物理内容例如光学中的光的衍射和光的干涉有关光学的物理知识，以及光学仪器的基本原理、光的散射和光的吸收等光学内容，在学习这门课程中，学生已经初步的了解了现代光学内容，针对信息光学中的传递函数、全息和信息处理以及标量衍射的认知程度很少，更加没有听过傅里叶变换、光学小波变换和阿达玛变换这些信息光学内容更了。
光信息处理概述
纯 净 网 格
• •• 污
•• ••
点
用纯净网格谱的正片滤波，可得到纯净网格。
用纯净网格谱的负片滤波，可得到污点。
光学去污主要用于工业制版(大规模集成电路）
—— 检查模版上的污点（噪声）或复制模版。 19
▲ 光学特征识别 光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物
的付氏谱进行比较，从而找出待测目标。 特征识别系统可以做到：
—完—
30
从卫星照片中检测军事目标 从文件中检测某个字 从细胞中检测癌细胞 进行航空测量 光学侦破（指纹识别）
20
例如指纹识别：
x
Σ x
Σx
x
反过来
平面波 指 纹
P1
带有指纹信 带有指纹信 指
息的衍射波 息的会聚波 纹
L1
频谱面
L2 P2
亮 •点
平面波 x Σx Σx
参照指纹
x* 待查指纹
平面波
出现亮点 即被识别 若 x* = x 或 x*与 x 相关
8
以上认识给了光学一个强有力的数学手段—
付氏分析，也给了数学上的付氏变换的运算提
供了一个新技术 — 光学计算术。 一个透镜就是一个光学模拟计算机。
光学模拟计算机的优点：
1）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化… 2）能直接处理二元函数 f (x , y)。 3）是并行输入，光束交叉可独立传播。 4）速度快，不受电路时间常数 RC 的限制。 5）装置简单，价格低。
28
普通显微镜（左）和相衬显微镜拍摄的硅藻照片
29
总之，信息处理的关键在于研究清楚信息的 频谱特征，然后针对它研制相应的空间滤波器， 从而按照需要改变频谱，以达到对图象信息进 行处理的目的。
光学信息处理技术
（1）脉冲函数的定义：
（2）矩形函数极限
（3）函数序列的极限
（4）广义函数定义下的δ函数
因此δ函数可以用不同的矩形函数的极限来定义，所以δ
是一个广义函数。为了判别不同的函数族所定义的是不是，
同一个广义函数，就需要用一个检验函数
(x)
检验函数 ( x) 需满足两个条件：
2.δ函数的性质 （1）筛选性
四．光信息处理的优势 1. 电子学的缺点
由于现代科学技术的发展提高计算机的运算速度和通信 容量。从这个意义来说，电子计算机正面临光计算机的挑 战，换句话说，光信息处理与光通信急速发展的原因是由 于光波本身物理本质的优越性。
电子计算机高速化有以下三个方面限制 1)量子力学限制 2)热力学限制 3)电子线路技术的限制 4)电子通信容量的限制
它以信息光学为基础，用付里叶分析的方法研究光学成 像和光学变换的理论和技术；实现图像的改善和增强，图 像识别，图像的几何畸变与光度的规整和纠正，光信息的 编码、存储和成图技术，三维图象显示和记录，仿生视觉 系统，以及电、声等非光信号的光信息处理等等。 C.光纤通信
用纤维光缆代替金属电缆，实现传输量大、防干扰性好、 保密性强，耗电少的新型通信线路，将是近年迅猛发展的 一个新领域。
目前认为，发挥光学与电子光学的优势，弥补两者的不 是从长远的意义来说，发展光-电子式混合式计算机是值得 研究的重要方向。
对光学信息处理的理解性定义：
从光衍射的惠更斯-菲涅耳原理可知，光学系统的成像过 程就是二次付里叶变换的过程，它是光电信息处理的基本 着眼点。用付里叶分折的观点，可以把任何二维图象看成 各种空间频率的正弦光栅迭加的结果。同时，又可把光学 系统成像特性归结为对不同空间频率正弦光栅的成像特性， 即光学系统的空间频率响应。
光学信息处理讲义
光学信息处理1. 引 言自六十年代激光出现以来，光学的重要发展之一是形成了一个新的光学分支——傅里叶光学。
傅里叶光学是指把数学中的傅里叶分析方法用于波动光学，把通讯理论中关于时间、时域、时间调制、频率、频谱等概念相应地改为空间、空域、空间调制、空间频率、空间频谱，并用傅里叶变换的观点来描述和处理波动光学中学波的传播、干涉、衍射等。
傅里叶变换已经成为光信息处理的极为重要的工具。
光学信息处理就是对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理。
自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。
由于光的衍射,图像的夫琅和费衍射分布,即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同,这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。
近代光学信息处理具有容量大，速度快，设备简单，可以处理二维图像信息等许多优点，是一门既古老又年青的迅速发展的学科。
光学信息存储、遥感、医疗、产品质量检验等方面有着重要的应用。
2. 实验目的1) 通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2) 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。
3) 加深对卷积定理的理解4) 了解用光栅滤波实现图像相加减及光学微分的原理和方法。
5) 了解黑白图像等密度的假彩色编码。
3. 实验原理1) 二维傅里叶变换和空间频谱在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程。
设在物屏X -Y 平面上光场的复振幅分布为g (x ，y ) ，根据傅里叶变换特性，可以将这样一个空间分布展开成一系列二维基元函数的线性叠加，即)](2exp[y f x f i y x +π∫∫+∞∞−+=y x y x y xdf df y f x f i f fG y x g )](2exp[),(),(π （1）式中f x 、f y 为x 、y 方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (f x ，f y )表示原函数g (x ，y )中相应于空间频率为f x 、f y 的基元函数的权重，亦即各种空间频率的成分占多大的比例，也称为光场（optical field ）g (x ，y )的空间频谱。
关于信息光学的课程设计
关于信息光学的课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解信息光学的基本概念，掌握光的传播、反射、折射和衍射等基本原理；2. 学会运用数学方法描述和分析光信息传输的过程；3. 掌握光学器件的设计原理及其在信息处理中的应用。
技能目标：1. 能够运用所学知识分析和解决实际光学问题，具备一定的光学设计能力；2. 能够运用光学软件进行模拟实验，观察和分析光学现象；3. 能够熟练操作光学实验设备，进行基本的光学实验。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对信息光学的兴趣，激发他们探索光学领域的热情；2. 培养学生的团队合作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养他们在光学领域勇于尝试、不断创新的品质。
本课程针对高年级学生，结合学科特点，注重理论与实践相结合，旨在提高学生解决实际光学问题的能力。
课程目标具体、可衡量，便于教学设计和评估。
在教学过程中，将根据学生特点和教学要求，分解目标为具体的学习成果，确保课程的有效性。
二、教学内容本章节教学内容围绕以下三个方面展开：1. 光学基本原理：包括光的传播、反射、折射和衍射等现象，以及相关数学描述方法。
教学内容涉及课本第1-3章，具体包括：- 光的波动性和电磁理论基础；- 光在不同介质中的传播规律；- 反射、折射和衍射现象的原理及数学表达。
2. 光学器件与应用：介绍各种光学器件的设计原理及其在信息处理、通信等领域的应用。
教学内容涉及课本第4-6章，具体包括：- 透镜、反射镜等基本光学元件的设计原理；- 光学滤波器、光栅等器件的工作原理；- 光学器件在光纤通信、激光技术等领域的应用案例。
3. 光学实验与模拟：通过实验和软件模拟，使学生更好地理解和掌握光学知识。
教学内容涉及课本第7章，具体包括：- 基本光学实验操作技巧；- 光学软件（如Zemax、OptiSystem等）的使用方法；- 实验和模拟在光学设计中的应用实例。
教学内容安排和进度根据课程目标和学生的实际情况进行制定，确保科学性和系统性。
信息光学
信息光学
大纲号：1135501学分：3 学时：64 执笔人：沈中华审订人：李振华
课程性质：学科选修课
一、课程的地位与作用
信息光学是近40年来发展起来的，以全息术、光学传递函数和激光为基础的，从传统的、经典的波动光学中脱颖而出的一门新兴学科。
信息光学是应用光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心。
该课程的设置为应用物理专业学生掌握现代光学的这一重要分支－信息光学的基础理论知识，进一步学习光学信息处理技术打下基础。
二、课程的教学目标与基本要求
1. 教学目标
通过本课程的课堂教学，辅导答疑，批改作业等教学环节的实施，使学生理解信息光学中的基本概念、原理，重点理解和掌握标量衍射理论、光学成像系统的传递函数、全息基础理论和空间滤波，并了解信息光学各主要前沿领域的发展。
2. 基本要求
本课程大纲内容要求在48学时内实施完成，应在第5学期开始实施。
要求学生认真听课并独立完成一定的作业，参加期终考试。
通过本课程的学习，应掌握信息光学的基础理论知识，了解信息光学各主要前沿领域的发展。
信息光学在物理光学中的应用研究
2021年5 期 总第 610 期新一代New Generation信息光学在物理光学中的应用研究赵凤鸣（青岛科技大学 山东 青岛 266100）摘要：信息光学进行物理光学探讨的重要领域之一。
信息光学是根据集成应用光学领域、信息技术领域以及计算机科技进一部进行研究发现的另外一种全新光学领域研究。
现代信息科学进步也需要信息光学的作用。
针对信息光学当下的物理性质以及光学信息知识内容作为基本教育方针进行分析，进一步深化研究实际应用物理学的信息光学技术。
关键词：信息光学；物理光学；应用；探索当下，社会科技发展不断更新、改革，经济也在飞速的发展，信息在实际生活和学习中起到非常重要的作用。
信息具备能源替代的作用，人们可以通过多元化的信息开创全新的社会局面，开创新的时代，信息光学和现代化信息时代的关系密不可分，具备割舍不下的联系。
近代社会，光学信息的持续创新发展对于我国的科学领域等多个领域的实际运用非常广泛。
光学信息对于我国社会经济和科学进步都起到重要的影响。
信息光学是光学信息中的一部分, 是进行光学系统操作的主要来源。
信息光学技术改善了光纤网络、光电子学、科技技术的应用价值。
一、当下信息光学技术仿真实践的具体研究情况光信息实践处理和计算机技术的配合是进行光学系统构建的重要依据。
光信息处理的重心主要包含：分析光转换知识以及实践技术操作、采取光子发送数据，采用光电子机器和计算机设施，对光和计算机软件系统进行的重叠的实践原理，帮助光信息进行基本的转换以及处理工作。
光学信息处理的主要优势表现为：飞速的进行并行以及互连方。
其一：光子在真空中的传送速度国际中速度最强的。
其二：光学系统中进行图片信息处理是二维平行操作模式。
由于电对光子没有任何作用，所以在日常中可以广泛运用，所以，可进行多区域范围内的交替传播，彼此之间不受任何影响。
这达到了互连且相互不受影响的的最佳需求。
跟随现代工业化科学技术的进步和发展，计算机操作需要具备并行处理功能、大数据图像的处理功能、能后迅速的计算、传送以及实施监控处理的要求。
光信息处理(07_1)
n
( x, y ) lim n nx ny
2
n
( x, y ) lim n sinc nx sinc ny
2 n
n
这些表现形式在进行理论推导时意义重大！
§ 3. 脉冲激励函数-δ函数
3、广义函数定义的形式：
对于任意一个检验函数 Ф ( x, y)，只要在 x=y=0处连续，如果存在函数f(x,y)总有：
光器 红宝石固体激光器
各种固体、气体、半导体激光器的涌现使全息术 出现新的生机
§ 2. 信息光学的发展历史
d.数学中的傅氏变换与通信理论中的线性 系统分析引入光学——提供方法论
把光学与通信两个不同的领域在信息 学范畴内统一起来，解决了通信中的 瓶颈问题
实现了从空域到频域，从频域到空域 的有机统一
§ 2. 信息光学的发展历史
x x0 Sin c a
1
•二维sinc 函数可表示 为两个一维 sinc函数的 乘积。即
x x0 y y0 sin c sin c a b
其中 a 0
0 x0 3a
x0 2a
x0 a
x0
x0 a
x0 2a x0 3a
变换引入光学，为建立光学传递函数提供了理 论依据。
1946年前后提出光学传递函数的概念
§ 2. 信息光学的发展历史
b.光学传递函数的建立（1955年）
试验工作历时十多年
在英、美、法、德、日等国展开协作， 验证用光学传递函数评价光学系统像 质的可行性、正确性
1955年新的评价光学系统像质方法-光
学传递函数正式被世界各国采纳
组成部分 。 它是攻克当今信息学科中信息容量、信息传输、 信息处理速度等难关的关键。也是现代光学的 核心。
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信息光学中的光学计算机结构及工作原理
在信息科技发展的今天，光学计算机作为一种新型的计算机技术，
引起了人们的广泛关注。
光学计算机是利用光学与物质相互作用的原理，将信息处理和计算过程中的数据转换为光信号进行传输和处理的
一种计算机系统。
本文将介绍信息光学中的光学计算机结构及其工作
原理。
一、光学计算机的结构
光学计算机的结构包括输入单元、处理器、存储器和输出单元四个
主要组成部分。
1. 输入单元：光学计算机的输入单元主要负责将外部信息转换为光
信号，并将其送入处理器进行处理。
输入单元通常由光源和输入光学
器件组成。
光源可以是激光器或发光二极管等，光学器件则是实现输
入信号的光学转换的关键器件。
2. 处理器：光学计算机的处理器是其核心部件，主要负责光信号的
处理和计算。
光学处理器通常包括光逻辑门、光器件和光电转换器等。
光逻辑门是实现光信号逻辑运算的关键器件，能够实现与、或、非等
运算。
光器件则是实现光信号控制和调节的器件，如光偏振器、光衰
减器等。
光电转换器用于将光信号转换为电信号，便于后续的数字信
号处理。
3. 存储器：光学计算机的存储器主要用于存储中间计算结果和数据。
光学存储器通常包括光介质和相关读写控制器等。
光介质是一种具备
光学存储特性的介质，能够实现光信号的存储和读取。
相关读写控制
器则是实现光介质的读写操作的关键控制器。
4. 输出单元：光学计算机的输出单元主要用于将光信号转换为可观
察的输出信息。
输出单元通常由光电转换器和光学器件组成。
光电转
换器用于将光信号转换为电信号，然后由光学器件将电信号转换为可
视化的输出。
二、光学计算机的工作原理
光学计算机的工作原理基于光学与物质相互作用的基本原理，主要
包括光信号的输入与处理、数据存储和光信号的输出三个过程。
具体
工作原理如下：
1. 光信号的输入与处理：外部信息经由输入单元中的光源转化为光
信号，然后通过输入光学器件进行调制和处理，得到经过光逻辑门运
算后的光信号。
光逻辑门根据输入信号的逻辑关系，实现与、或、非
等光信号逻辑运算。
2. 数据存储：经过光逻辑门运算后的光信号通过光电转换器转换为
电信号，然后存储在光学计算机的存储器中。
光介质和相关读写控制
器共同实现了光信号的存储和读取操作，确保数据的可靠性和稳定性。
3. 光信号的输出：根据计算结果，光学计算机将存储在存储器中的
光信号转换为可观察的输出信息。
光电转换器将光信号转换为电信号，然后通过光学器件将电信号转换为可视化的输出，供用户观察和使用。
三、光学计算机的优势和应用前景
光学计算机相较于传统的电子计算机具有一些明显的优势，如高计算速度、低能耗、抗干扰性强等。
这些优势使得光学计算机在一些特定领域具有广阔的应用前景。
1. 光学通信：光学计算机能够基于光学信号进行处理和计算，与光学通信相结合，可以实现更高速率、更远距离的光纤通信。
2. 大规模数据处理：光学计算机的高计算速度和低能耗特性，使其在大规模数据处理和分析上具备巨大优势。
例如在人工智能和云计算领域，光学计算机可应用于快速的数据训练和模型优化等方面。
3. 光学图像处理：光学计算机能够进行并行计算和高速处理，因此在图像处理和模式识别等领域有很大的应用潜力，如医学图像分析和智能驾驶等。
总结：
光学计算机作为一种新型的计算机技术，采用光学与物质相互作用的基本原理，通过光信号的输入与处理、数据存储和光信号的输出等过程，实现信息的处理和计算。
光学计算机具有高速、低能耗、抗干扰性强等优势，在光学通信、大规模数据处理和光学图像处理等领域具有广泛的应用前景。
随着光学技术的不断发展和突破，相信光学计算机将在未来发挥更大的作用，推动信息科技的进一步发展。