工程光学在信息采集与传递方面的应用历程

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，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，波前上的位相分布是不可能记录下来的。波前再现的理论依据是衍射原理，照明光波(再现光)经过全息图衍射后出现一个复杂的光波场。全息图的衍射波含有三种主要成分，即物光波(+1级衍射波)，物光波的共轭波(-1级衍射波)，照明光波的照直前进(零级衍射波)。在现代记录和重现的全息照相装置中，这三种衍射波在空间彼此分离，互不干扰，便于人们用眼睛或镜头去观测物光波的虚像或其共轭波的实像。1948年，丹尼斯·盖伯提出一种记录光波振幅和相位的方法，随后用实验证实这一想法，即全息术，并制成世界上第一张全息图。盖伯本来是为提高电子显微镜的分辨率而提出的设想，虽然未能用电子波证实其原理，但用可见光证实了。从第一张全息照片制成到20世纪50年代末期，全息图制作具有以下共同特点：全息图都是用汞灯作为光源；而且是所谓同轴全息图，即物光和参考光在一条光路上得到的全息图。这一时期的全息图被称为第一代全息图，标志着全息术的萌芽。第一代全息图存在两个严重问题，一个是再现的原始像和共轭像分不开，另一个是光源的相干性太差。因此在这十多年中，全息术进展缓慢。1960年激光的出现，提供了一种高相干度光源，为全息技术发展提供了可能。针对第一代全息技术出现的问题，利思和乌帕特尼克斯(1962)提出，将通信理论中的载频概念推广到空域中，用离轴的参考光与物光干涉形成全息图，再利用离轴的参考光照射全息图，使全息图产生三个在空间互相分离的衍射分量，其中一个复制出原始物光。该方法被称为离轴全息术，这是全息术发展的第二阶段。第二代全息术解决了光源的问题，并且在立体成像、干涉计量检测、信息存贮等应用领域中获得巨大进展，但是激光再现的全息图失去了色调信息。科学家们开始致力于研究第三代全息图到。这是用激光记录，而用白光再现的全息图，在一定的条件下赋予全息图以鲜艳的色彩。第三代全息术已经在很多领域的到了应用，例如：像全息、反射全息、彩虹全息、模压全息等。激光的高度相干性，要求全息拍摄过程中各个元件、光源和记录介质的相对位置严格保持不变，这也给全息技术的实际使用带来了种种不便。于是，科学家们又回过头来继续探讨白光记录的可能性。第四代全息图应该是白光记录白光再现的全息图，它将使全息术最终走出有防震工作台的黑暗实验室，进入更加广泛的实用领域。由上所述，人类不管是在观察宏观的还是微观的物质，都有了非常先进的手段。那么物质内部不可见的结构与组成是什么样的呢？1962年，沃森和克里克因为发现了DNA的双螺旋结构而获得了诺贝尔生理学或医学奖。他们是怎样发现基因的结构了呢？1912年，劳埃等人根据理论预见，并用实验证实了X射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了X射线具有电磁波的性质，成为X射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色X射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射X射线波长有X射线衍射分析相同数量级，故由不同原子散射的X射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是X射线衍射的基本原理。利用X射线穿过晶体后发生晶格衍射时，不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析得到的衍射图样，从而推理得出组成晶体的原子是如何排列的。弗兰克林这位具有非凡才能的物理化学家，成功地拍摄了不同温度下DNA晶体的X射线衍射照片。DNA的衍射图片越来越清晰，越来越全面。此时，沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的形究，他们看了那张照片后，很快就领悟到了DNA的结构──两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们联结在一起。DNA的结构就这样被发现了。现在X射线衍射技术日臻成熟，利用X射线照射物质产生特有的衍射图谱可以分析物质的组成、晶型、分子内成键方式、分子的构型构象等。为人类获取物质内部信息提供了一种极为重要的方法。上面所讨论的大都是信息在获取方面的进步。科技发展到今天，人类在信息的传递方面也取得了无比巨大的成就。最典型的就是光导纤维通信。1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。光导纤维正是根据这一原理制造的。光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，直径只有1~100μm左右。它是由内芯和外套两层组成，内芯的折射率大于外套的折射率，光由一端进入，在内芯和外套的界面上经多次全反射，从另一端射出。它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一成折射率比它小的材料。只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。利用光缆通讯，能同时传播大量信息。例如一条光缆通路同时可容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目，而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。光纤通信与以往的电气通信相比有很多优点：（1）通信容量大、传输距离远；一根光纤的潜在带宽可达20THz。采用这样的带宽，只需一秒钟左右，即可将人类古今中外全部文字资料传送完毕。目前400Gbit/s系统已经投入商业使用。光纤的损耗极低，在光波长为1.55μm附近，石英光纤损耗可低于0.2dB/km，这比目前任何传输媒质的损耗都低。因此，无中继传输距离可达几十、甚至上百公里。（2）信号串扰小、保密性能好；（3）抗电磁干扰、传输质量佳；电通信不能解决各种电磁干扰问题，唯有光纤通信不受各种电磁干扰。（4）光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输；（5）材料来源丰富,环境保护好，有利于节约有色金属铜。（6）无辐射，难于窃听；因为光纤传输的光波不能跑出光纤以外。（7）光缆适应性强,寿命长。因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，这就不难怪为什么人们称誉光导纤维为信息时代的神经了。虽然光纤光缆的研制仅短短的20多年，其应用却已相当普遍。迄今，我国已铺设光缆长度超过100万km，光缆已铺设到世界屋脊西藏。生产光缆的厂家有200多家，每年所用光纤的数量超过400万km。在实际网络中，无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是G.652光纤。在核心网中新建线路已开始采用G.655光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。我国光通信领域已掌握了光纤、器件、系统等各方面的关键技术，逐渐走进了国际光通信的先进行列。尤其在主要技术上，都有了自己的特色和创新。随着时代的进步和科学的发展，光纤通讯必将大为普及，也必将大大造福人类的生产与生活。参考文献[1]郁道银，谈恒英.工程光学.[M].北京：机械工业出版社,1993.[2]路甬祥.从仰望星空到走向太空——纪