工程光学在信息采集与传递方面的应用历程

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1、工程光学在信息采集与传递方面的应用历程黄江波河南大学物理与电子学院摘要：回顾了人类历史的发展进程中，人类利用工程光学知识在信息的采集与传递方面不同时期发明的不同产物，并介绍了相关原理。也介绍了现阶段人类在信息的采集与传递上利用的先进技术与未来发展的前景。关键词：工程光学；信息；采集传递；摄像机；全息术；X射线衍射；光纤通信当历史的车轮驶入了二十一世纪，我们人类也逐渐从电气时代步入了信息时代。二十一世纪最大的竞争是科技的竞争，而信息科学与技术必将是科技竞争中的重中之重。因为信息的获取，传播与处理直接决定了科技发展的速度与水准。其中工程光学在信息的获取与传递方面起到了至关重要的作用。下面我们来回顾

2、一下工程光学在这方面的发展历史，并憧憬一下它无限美好的前景。在古代，我们的祖先就利用“烽火”来传递边疆警报。烽火就是利用光沿直线传播的原理。所谓“狼烟起，江山北望，龙起卷马长嘶剑气如霜”，描述的就是边疆战士看到烽火后迅速进入战备状态的情景。而在一些深山古庙的屋檐下，常常倾斜地挂着一面青铜大镜，且在庙门以内的地上放一盆水，对正镜子，那么在水中就会映出庙门外的羊肠小道及过往行人。这其实是一个最简单和原始的潜望镜。这是利用了光的反射原理，把庙门外的信息传递到了庙院内。十六世纪末，显微镜的问世为人们提供了一种观察微小事物的工具。到了十七世纪，列文虎克利用显微镜首次观察到了植物的木栓组织上的微小气孔。此

3、后显微镜在科学领域的应用推广开来，为人类打开微观世界的大门做出了巨大贡献。现在的光学显微镜可把物体放大1600倍，分辨的最小极限达0.1微米。极大地丰富了人类要了解的微观世界的信息。1608年，荷兰人汉斯·利伯希发明了第一部望远镜，望远镜是一种利用凹透镜和凸透镜观测遥远物体的光学仪器。利用通过透镜的光线折射或光线被凹镜反射使之进入小孔并会聚成像，再经过一个放大目镜而被看到。从此遥远地方的信息就可以通过望远镜迅速传递到眼前。时至今日，人类已经发明出了各种各样适用于不同地方的望远镜。小到孩子们玩耍的玩具望远镜，大到科学家用于观测宇宙的哈勃望远镜；简单的有用于观赏风景的民用望远镜，高精的有用于军事的

4、军用望远镜等等。但不管显微镜还是望远镜基本原理都是利用了透镜对光的折射原理。到了19世纪，照相机的出现极大地丰富了人类获取这个世界信息的手段与内容。人类获取和传递的信息能生动形象的印在照片上，实在令人兴奋不已。这是那个时代最伟大的发明物之一。接着问世的摄像机则更是开阔了人们的视野，人类采集和传递的信息竟可以鲜活的复现在你眼前，怎能让人不激动？从此，历史的记录方式跨入了一个新纪元。不过用不着惊疑，这么伟大的发明原理其实很简单，都是利用了光的折射把外界的画面信息传输到小小的胶片上，在经过曝光或放映就出来画面了。但是光学元件表面的反射，不仅影响光学元件的通光能量，而且这些反射光还会在仪器中形成杂散光

5、，影响光学仪器的成像质量。为了解决这些问题，通常在光学元件的表面镀上一定厚度的单层或多层膜，目的是减少光的反射。这样的膜叫光学增透膜（或减反膜）。增透膜的原理是利用了光的干涉。在膜的两个表面产生的反射光发生干涉从而相互抵消，你在镜头前将看不到一点反光。发展到现在，无论照相机还是摄像机都已经是高精度高清晰。然而我们看到的世界是三维的、立体的。那么有没有一种技术也能把世界的信息记录成三维的？有──全息术。利用全息术就能看到景物逼真的三维像，从它诞生到现在60年已取得了很大的进展，已被广泛地应用于近代科学研究和工业生产中。全息术的原理是利用了光的干涉与衍射相结合。它所记录的全息图有下列特点：(1)三

6、维性——可以看到逼真的三维图像；(2)不可撕毁性——它被分割后的任一碎片都能再现完整的被摄物形象，只是分辨率受到一些影响；(3)信息容量大——同一张全息感光板可多次重复曝光记录，并能互不干扰地再现各个不同的图像；(4)全息图的再现相可放大或缩小——用不同波长的激光照射全息图，再现相就会发生放大或缩小。全息术是一种“无透镜”的两步成像法，它能在感光胶片上同时记录物体的全部信息，即物体光的振幅和位相。全息照相过程分全息记录和再现两步：第一步称为波前记录(全息记录)；第二步物体的再现(重现)。　　波前记录依据的是干涉原理，物光波和参考光波相干叠加而产生干涉条纹。干涉条纹的反衬度记录了物光波前的振幅分

7、布，干涉条纹的几何特征(包括形状、间距、位置)记录了物光波前的位相分布。就是说，全息图上的强度分布记录了物光波的全部信息-振幅分布和位相分布，它们分别反映了物体的明暗和纵深位置等方面的特征。应当指出，任何感光底片都只能记录振幅(或者说强度)的分布，而不能直接记录位相分布，全息照相之所以能记录位相分布，是利用了参考光波把它转化成了干涉条纹的强度分布。假如没有参考光波，或者它与物光波不相干，波前上的位