信息光学chap8光学信息处理资料
光信息处理(信息光学)
光信息处理（信息光学）复习提纲第一章线性系统分析1．空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性？2．空间频率分量的定义及表达式？3．平面波的表达式和球面波的表达式？4．相干照明下物函数复振幅的表示式及物理意义？5．非相干照明下物光强分布的表示式及物理意义？6．线性系统的定义7．线性系统的脉冲响应的表示式及其作用8．何谓线性不变系统9．卷积的物理意义10．线性不变系统的传递函数及其意义11．线性不变系统的本征函数第二章标量衍射理论1．衍射的定义2．惠更斯-菲涅耳原理3．衍射的基尔霍夫公式及其线性表示4．菲涅耳衍射公式及其近似条件5．菲涅耳衍射与傅立叶变换的关系6．会聚球面波照明下的菲涅耳衍射7．夫琅和费衍射公式8．夫琅和费衍射的条件及范围9．夫琅和费衍射与傅立叶变换的关系10．矩形孔的夫琅和费衍射11．圆孔的夫琅和费衍射（贝塞尔函数的计算方面不做要求）12．透镜的位相变换函数13．透镜焦距的判别14．物体位于透镜各个部位的变换作用15．几种典型的傅立叶变换光路第三章光学成象系统的传递函数1．透镜的脉冲响应2．相干传递函数与光瞳函数的关系3．会求几种光瞳的截止频率4．强度脉冲响应的定义5．非相干照明系统的物象关系6．光学传递函数的公式及求解方法7．会求几种情况的光学传递函数及截止频率第五章光学全息1．试列出全息照相与普通照相的区别2．简述全息照相的基本原理3．试画出拍摄三维全息的光路图4．基元全息图的分类5．结合试验谈谈做全息实验应注意什么（没做过实验，只谈一些理论性的注意方面）6．全息照相为什么要防震，有那些防震措施，其依据是什么7．如何检测全息系统是否合格8．全息照相的基本公式9．全息中的物像公式及解题（重点）复 习第一章 线性系统分析1．空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性？时间量 空间量22v T πωπ==22K f ππλ== 时间角频率 空间角频率其中：v ----时间频率 其中：f ---空间频率T----时间周期 λ-----空间周期 物理意义：由图1.7.3知：（设光在z x ,平面内传播，0=y ）cos xd λα=， 又 ∵ 1x xf d =联立得：cos x f αλ=讨论：① 当090,,<γβα时0,,>z y x f f f ，表示k沿正方向传播；②标量性，当α↗时，αcos ↘→x f ↘→x d ↗当α↘时，αcos ↗→x f ↗→x d ↘ ③标量性与矢量性的联系条纹密x d ↘→x f ↗→α↘→θ↗x x f d 1=λαcos =x f 条纹疏x d ↗→x f ↘→α↗→θ↘2．空间频率分量的定义及表达式？{}γβαcos ,cos ,cos k k ={}z y x r ,,=)cos cos cos (γβαz y x k r k ++=⋅代入复振幅表达式：()()()[]γβαμcos cos cos ex p ,,,,0z y x jk z y x z y x U ++=()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=z y x j z y x λγλβλαπμcos cos cos 2exp ,,0 ()()[]z f y f x f j z y x z y ++=λπμ2ex p ,,0式中：λαcos =x f ，λβcos =yf ，λγcos =z f3．平面波的表达式和球面波的表达式？平面波()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=z y x j z y x U λγλβλαπμcos cos cos 2exp ,,0 ()()[]z f y f x f j z y x U z y x ++=πμ2ex p ,,0球面波()1,,jkr a U x y z e γ=()21212212121221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=++=z y x z z y x r近轴时()1,,U x y z ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=1221021exp z y x jkz r a()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅≈1221102exp exp z y x jkjkz z a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=12202exp z y x jkU若球面波中心不在坐标原点，上式改为：()1,,U x y z ()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-=1202002exp z y y x x jk U4．相干照明下物函数复振幅的表示式及物理意义？设()y x f ,为一物函数的复振幅，其傅氏变换对为 ()()(),exp 2x y x y F f f f x y j f x f y dxdyπ∞-∞⎡⎤=-+⎣⎦⎰⎰ ()()(),exp 2x yxyxyf x y F f f j f x f y df dfπ∞-∞⎡⎤=+⎣⎦⎰⎰可见：物函数()y x f ,可以看作由无数振幅不同()x y x y F f f df df 方向不同()cos ,cos xyf f αλβλ==的平面波相干迭加而成。
《光学信息处理技术》课件
光学信息处理技术在理论和实践 中得到了广泛研究和应用。
光学信息处理技术的发展 趋势
光学信息处理技术将更加智能化、 高效化和便捷化，推动科技进步 和应用创新。
结语
通过本课程，我们总结了光学信息处理技术的基本原理和应用，并展望了未 来光学信息处理技术的发展可能性。
快速傅里叶变换是一种高效计算傅里叶变换的算法，可用于图像频谱分析和滤波。
数字图像处理技术
1 像素图像处理方法
像素图像处理方法以像素为基本处理单元，包括增强、滤波和分割等处理操作。
2 处理方法
数字图像处理方法包括变换、编码和压缩等技术，可用于图像编辑和图像信号分析。
3 区域处理方法
区域处理方法将图像分成不同区域，进行分割、特征提取和对象识别等操作。
光学信息处理技术广泛应用于图像处理、光学光学信息处理技术具有高速、高精度和免疫干扰等优点，但对环境光和噪声敏感。
基本光学信息处理技术
光学显微镜
光学显微镜是一种基于光学原理 的图像放大装置，可观察细小物 体及其结构。
光学干涉仪
光学衍射仪
光学干涉仪是一种利用干涉现象 测量物体形状和表面特性的仪器。
《光学信息处理技术》 PPT课件
本课程介绍了光学信息处理技术的基本原理和应用。通过本课程，你将了解 到光学信息处理技术的概述、基本方法、图像计算方法、数字图像处理技术、 光学识别技术以及其发展前景。
光学信息处理技术概述
定义
光学信息处理技术涉及使用光学原理和技术处理和传输信息的一系列方法和技术。
应用领域
光学衍射仪利用光的衍射现象处 理和分析光的信息，包括干涉、 衍射和散射。
光学信息处理的图像计算方法
1
赫尔曼-默里变换
光学信息处理
感谢观看
光学信息处理是在傅里叶光学基础上发展起来的。通常所谓的光学信息处理，或狭义的光学信息处理，指的 是光信息的频域处理，研究如何对各种光学信息进行光学运算（加、减、乘、除、相关、卷积、微分、矩阵相乘、 逻辑运算等）；光学信息的提取、编码、存储、增强、去模糊、光学图像和特征识别；各种光学变换（傅里叶变 换、对数变换、梅林变换、拉普拉斯变换）等。有时光学信息处理也称为光学数据处理，它的发展远景是“光计 算”。实际上相干光处理系统是一个光学模拟计算机，具有二维并行处理的能力、极高的运算速度（光速）及极 大的容量等，但由于某些器件如实时空间光调制器的发展远未完善，从而限制了运算速度。此外，光学模拟处理 的精度较低，灵活性较差，使它在应用上受到了进一步的限制。
光学信息处理
光学术语
01 概念解释
目录
02 处理性质
03
联合傅里叶变换特征 识别
05
白光信息处理和相位 调制编码
04
半色调预处理和图像 假彩化
06 展望
光学信息处理（optical information proces-sing）是运用透镜的傅里叶变换效应，在图像的空间频域 （傅里叶透镜的焦平面）对光学图像信号进行滤波，提取或加强所需的图像（信号），滤掉或抑制不需要的图像 （噪声），并进行透镜傅里叶逆变换输出处理后的图像的全部过程。光学信息处理是在傅里叶光学的基础上发展 起来的。傅里叶光学的核心，在于运用透镜或其他器件产生二维图像的空间频谱，从而在频域对光信号进行处理。
早期的光学信息处理中输入图像和滤波器用照相干板记录，经处理的输出图像也用照相干板记录，需经过显 影、定影，全过程是非实时的，称为传统的或经典的光学信息处理。已开发出的各种电寻址的空间光调制器 （SLM），如液晶显示器（LCD）、磁光空间光调制器（MOSLM）等，这些器件是由许多像素单元构成的二维滤波 器件，具有行、列电极，可对像素进行寻址操作（称矩阵寻址），使不同位置的像素具有不同的透过率（或不同 的相位延迟），从而将计算机内预先存储的图像转移到调制器上。以空间光调制器SLM1代替照相干板置于4f系统 的输入平面或滤波平面上，激光器通过准直扩束镜照射SLM1，其光强透过率或相位受到调制。计算机内的输入图 像函数（如由电荷耦合器件CCD2拍摄的目标图像）显示在SLM1上。光波通过SLM1时其光强分布（或相位分布）就 受到调制，该图像通过透镜L1进行傅里叶变换。再将计算机内预先存储的滤波器函数通过第二个空间光调制器 SLM2显示在4f系统的谱平面上，对输入图像的空间频谱进行滤波。经滤波处理的谱通过透镜L2进行傅里叶逆变换， 用另一个电荷耦合器件CCD1或数码相机记录输出图像，送入计算机进行分析。全部输入、滤波和输出过程由计算 机控制，过程非常快，可近似认为是实时的，称为光电混合处理。
《信息光学》第八章 光学信息处理
2、相干滤波的基本原理
2.1 阿贝—波特实验
阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服
力的实验，如下图所示(4f系统)：
其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为f。P1、P2和P3分 别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系。
2、相干滤波的基本原理
其中，a为缝宽，d为光栅常数，L为光栅沿x1方向的尺寸。
aL n an T fx sin c sin c L f x d d n d
采用单位振幅平面波垂直照明，P2面上的光场分布正比于物体的频谱，即：
2、相干滤波的基本原理
3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过。 狭缝后的透射光场：
2 2a T f x H f x aL sin c sin c L f x d d d 2 2a sin c sin c L f x d d
其中，
fx
x2 f
fy
y2 f
3、简单振幅和位相滤波的例子
f x1 , y1 1 j x1 , y1 物光波包括两部分：直接透射光和由于位相起伏造成的弱衍射光。由于j 表示这两部分光之间位相差为/2，它们相干叠加时干涉项为零。这正是 在背景光上观察不到衍射光的根本原因。要使像的强度产生可观测的变 化，必须改变这两部分光之间的位相正交关系。
T fx H fx T f x
aL sin c Lf x d
P3面输出光场分布为
g x3 F -1 T f x H f x
t x3
第八章信息光学
第八章信息光学第八章Technique光学信息处理技术Optical Information Processing概述光学频谱分析系统和空间滤波相干光学信息处理非相干光学信息处理白光信息处理§1 1概述光学信息就是指光的强度（或振幅），相位，颜色，波长，和偏振态等。
光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调综合技术通过空域或频域调制，借助空间滤波对光学信息进行处理的过程，较多用于对二维图象的处理。
发展历史1、理论基础。
1873年，阿贝创建了二次成像理论，创建了年阿贝创建了二次成像理论创建了2、分布转化为强度分布；1935年，策尼克发明了相衬显微镜，将相位年策尼克发明了相衬显微镜将相位3、成功地用傅立叶方法分析成像过程。
1946年，杜费把光学系统看作线性滤波器，4、力的数学力的数学工具。
50年代，艾里亚斯为光学信息处理提供了有具3、概念概念，使光信息处理进入了一个新的阶段；1963年，范德拉格特提出了复数空间滤波的使光信息处理进入了个新的阶段4、的发展使光信息处理获得了更大发展1980年以后，计算机技术以及其他相关技术概述光学频谱分析系统和空间滤波相干光学信息处理非相干光学信息处理白光信息处理§2光学频谱分析系统和空间滤波1、阿贝成像理论阿贝成像论将物体看成是不同空间频率信息的结合，相干成像过程分两步完成。
第第一步是入射光场经过物平面发生夫琅禾步是入射光场经过物平面发生夫琅禾费衍射，在透镜的后焦面形成一系列衍射斑；第二步是衍射斑作为新的次波源发出球面次波次波，在像面上互相叠加，形成物体的像。
在像面上互相叠加形成物体的像阿贝二次成像理论示意图衍射干涉叠加2、阿贝阿贝－波特实验波特实验网格图傅立叶频谱图横向窄带滤波频谱面上的横向分布是物的纵向结构信息纵向窄带滤波频谱面上的纵向分布是物的横向结构信息保留零频分量零频分量是一个直流分量，它只代表像零频分量是个直流分量它只代表像的本底。
8 信息光学简介(7-8)
2、阿贝成像原理
1874年德国人阿贝从波动光学的观点提出了另一种成 像理论，依据适当条件下透镜的傅里叶变换效应，他把物 体或画片看作包含一系列空间频率的衍射屏，物体通过透 镜成像的过程分两步。
第一步是通过衍射屏的 光发生夫琅禾费衍射，在 透镜的后焦面上形成傅里 叶频谱图，这后焦面就叫 傅里叶面或变换面；第二步 是这频谱图上各发光点发出 的球面次波在像平面上相干 叠加而形成像。
也就是说，它的空间周期特征可由空间周期() 或空间频率(k)来表征。
二、阿贝成像理论
1、透镜成像原理
一个发光的物体或画片 通过透镜产生实像，其原理 如右图示。
透镜成像原理图
物上各点(如A,B)发出的光经凸透镜会聚，对应 地形成各点的像，这些点的集合就组成了整个物体 的像。这是几何光学的“点-点对应” 的成像观点。
二、全息再现 用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参 考方向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物 体的像。 底片上各处透射 人眼 照明光 率不同（相当于 a 位置 衍射屏），照明 1 光透射后发生衍 b d r 射，衍射光波将 O 再现物光波，因 而,在右侧获得原 物图像。
使全息照片所纪录的物光波的全部信息再显示出来 ——全息再现.
二、全息再现 用拍摄照片时所用的同一波长的照明光沿原参 考方向照射底片，在照片背面向照片看就可看到物 体的像。 底片上各处透射 人眼 照明光 率不同（相当于 a 位置 衍射屏），照明 1 光透射后发生衍 b d r 射，衍射光波将 O 再现物光波，因 而,在右侧获得原 物图像。
使全息照片所纪录的物光波的全部信息再显示出来 ——全息再现.
再现时得到多个相互交叠而略有差异的物体光波的像。
*8-7
光学信息处理（自学）
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。
光学信息处理
光学信息处理
嘿，你有没有想过，为什么我们用手机拍照能把远处的风景拍得那么清楚呢？这里面可藏着一个神奇的学问，那就是光学信息处理。
那啥是光学信息处理呢？简单来说，就是用光学的方法来处理信息。
有点懵？没关系，咱慢慢说。
你看啊，光就像一个神奇的快递员，它带着各种信息跑来跑去。
而光学信息处理呢，就是想办法让这个快递员送的信息更清楚、更有用。
比如说，我们拍照的时候，相机里面就有很多光学元件在进行光学信息处理呢。
镜头就像一个大漏斗，把光收集起来，让它照在相机里面的感光元件上。
这个感光元件就像是一块神奇的画布，把光带来的信息画下来。
但是如果没有光学信息处理，这画可能就不那么清楚啦。
再比如说，医生看病的时候用的一些仪器，也用到了光学信息处理。
那些仪器可以通过光来看看我们身体里面的情况。
如果没有光学信息处理，医生可能就看不清楚身体里面的小毛病了。
还有啊，我们看3D 电影的时候，也有光学信息处理的功劳。
它能让我们感觉电影里的东西好像真的在我们眼前一样。
所以啊，光学信息处理可重要啦。
它让我们看到的世界更清楚、更精彩。
现在你知道为什么我们的手机拍照那么清楚，为什么医生能看清我们身体里面的情况，为什么3D 电影那么逼真了吧？没错，都是因为有光学信息处理这个神奇的学问在发挥作用呢。
下次你再用手机拍照或者看电影的时候，就可以想想光学信息处理的神奇之处啦。
光学信息处理
一意义及现状1光学信息处理的描述光学信息处理(Optical Information Processing) 起源于1873年阿贝的衍射成象理论,他在理论中引进了频谱概念之后,于1906年波特根据阿贝理论对网格频谱进行了极为成功的滤波实验,从而开辟了光学信息处理的新纪元。
长期以来,这门学科虽然有了一些发展,但是由于性能良好的相干光源难以解决,进展仍然缓慢。
六十年代初出现了激光,为光学信息处理提供了极好的相干光源,因此,十多年来,光学信息处理发展很快,已成为近代光学领域一个崭新的分支。
光学信息处理就是利用光学方法处理二维图象信息,它主要处理由光学、电子学和声学所获得的图象和数据,从中提取我们所期望的信息。
它的内容主要包括两方面:1.在光学信息处理系统的频谱面上放置滤波器,降低或消除影响成象的各种因素,改善光学系统的传递函数,提高成象质量。
2.用匹配滤波和光学相关的方法,把淹没在各种噪声中的有用信息提取出来,用于图象识别,文字辨认和信号探测等。
因此光学信息处理在国民经济建设、国防建设以及文教、卫生各个方面都有广泛的应用。
信息处理的方法包括光学处理和电子学处理两种, 光学信息处理较之电子学处理,具有速度快、容量大、二维并行处理以及结构简单可靠等优点,近十年来引起各国极大重视,得到很快发展。
光学信息处理的理论基础是付里叶光学。
它用付里叶分析的方法研究光的传播现象,既包括古典光学的内容,比如光的衍射、干涉,也包括羌学传递函数、频谱分析、光学滤波、光学相关、全息照相等近代光学内容,构成了比较完整的近代光学体系。
光学信息处理是一门光学和无线电电子学紧密结合的边缘科学。
从本质上来说,光和电都是电磁波,具有共同的基本特性,如电子网络和光学成象系统都具有线性性和不变性,这两门科学都可以用同样的数学方法—付里叶分析来描述。
因此,从本世纪三十年代起,光学和无线电通讯这两门科学的联系越来越密切了。
付里叶光学中的许多概念,诸如频谱、滤波、载波、调制、相关、卷积等等,就是从无线电通讯中引进来的。
光学信息处理技术
光学信息处理技术光学信息处理技术是一种基于光学的信息处理方式，它利用光的干涉、衍射、偏振等特性，实现对信息的获取、转换、加工和存储等操作。
这种技术具有高速度、高精度、高可靠性等优点，因此在现代通信、传感、生物医学等领域得到了广泛应用。
一、光学信息处理技术的基本原理光学信息处理技术主要基于两个基本原理：干涉和衍射。
干涉是指两个或多个光波叠加时，光强分布发生改变的现象。
通过控制干涉的相干性，可以实现信息的叠加、增强或抵消等操作。
衍射是指光波遇到障碍物时产生的空间频率变化现象。
通过控制衍射的图案，可以实现信息的滤波、变换等操作。
二、光学信息处理技术的应用1、光学计算：光学计算利用光的干涉和衍射原理，可以实现高速数学运算和数据处理。
例如，利用光学干涉仪可以实现傅里叶变换等复杂计算。
2、光学传感：光学传感利用光的干涉和偏振原理，可以实现高灵敏度的传感和测量。
例如，利用光学传感技术可以实现生物分子和环境参数的检测。
3、光学通信：光学通信利用光的相干性和偏振原理，可以实现高速、大容量的数据传输。
例如，利用光学通信技术可以实现城域网和长途通信。
4、光学存储：光学存储利用光的干涉和衍射原理，可以实现高密度、高速度的信息存储。
例如，利用光学存储技术可以实现光盘、蓝光等存储介质。
三、光学信息处理技术的未来趋势随着科技的不断发展，光学信息处理技术也在不断创新和进步。
未来，光学信息处理技术将朝着以下几个方向发展：1、高速度、大容量：随着数据量的不断增加，对光学信息处理技术的速度和容量要求也越来越高。
未来的光学信息处理技术将更加注重提高处理速度和扩大存储容量。
2、微型化、集成化：随着微纳加工技术的不断发展，未来的光学信息处理技术将更加注重微型化和集成化。
例如，利用微纳加工技术可以实现光学器件的集成和封装，提高系统的可靠性和稳定性。
3、智能化、自动化：未来的光学信息处理技术将更加注重智能化和自动化。
例如，利用人工智能技术可以实现光学系统的自适应和优化，提高系统的智能化水平。
第八章光学信息处理
既具有光学处理器大信息容量和二维并行处理、快速运算的能力， 又具有数字计算机运算精度高、灵活性好、便于控制和判断的能 力。
8.２ 相干滤波的基本原理
几何光学描述: 光线，透镜折射
P1 S
L
P1
F
P1
P3 L
P2
波动光学描述:
光波，波前变换
S
F
P1 S'
S'
信息光学描述？ 阿贝(1873年，德国) 在研究如何提高显微镜的 分辩本领时，提出了阿贝成像理论，为现代 成像光学、信息光学奠定了基础。
h(x,y)：脉冲响应
hx, y Hx, y
3. 相干滤波系统
4-f 系统（三透镜系统）
L1
y1
x1
L2
y2, u x2, v
L3
Light source
Collimator
f
Object plane
f
f
Spectrum plane
x3
y3
f
Image plane
Analysis
Synthesis
u
d
H(u) T(u)
…
u
T´(u)
u
…u
只有一个频率成分通过， 像面一片均匀，因此不能 成像。且强度下降。振幅
为a/d, a/d越小强度越弱。
tx3
FT
1T u
a d
rect
x3 L
t´(x3)
a/d
x3
L
2. 滤波器是一个适当宽度的狭缝，只允许0级和±1级通过
T
u
T
uH
光学信息处理技术研究
光学信息处理技术研究光学信息处理技术是指利用光学原理和技术，对信息进行加工和处理的一系列技术。
目前，在信息处理领域，光学信息处理技术已经取得了一些重要的成果，特别是在图像处理、光存储等方面具有广泛的应用。
一、光学信息处理技术的基本原理光学信息处理技术是基于光学干涉、光学计算、光学谱学、光学阵列等原理，将信息通过光信号转换成光学信号进行处理。
光学信息处理技术所采用的是光波的特有性质，如相位、幅度、偏振、频谱、衍射等，对信息进行处理。
光学信息处理技术的主要特点是处理速度快、容易实现并行处理、信息处理效率高、处理精度高、存储容量大、数据量大等。
二、光学信息处理技术的应用领域1、图像处理光学信息处理技术在图像处理领域中的应用非常广泛，如数字图像的重建、增强、压缩、加密解密等。
利用光学信号的并行处理性质，可以将图像处理速度提高数千倍，大大提高了图像处理的效率。
2、光存储光学存储与磁盘存储、半导体存储等相比，具有存储密度高、存储速度快、存储容量大、易于读取等优点。
光存储技术主要包括两种：一种是利用热致变色介质进行的存储，如光盘、光盘阵列等；另一种是利用互相关存储的技术，如反射式空间光调制、内共振干涉和光吸收等。
3、光学传感器光学传感器是一种基于光学原理的传感器，其主要功能是将待测物理量转换成光学信号，并通过光学信号的处理，实现对物理量的测量、控制和检测。
光学传感器通常具有快速响应、灵敏度高、精度高、环境适应性好等优点，在工业、环境、医疗等领域具有广泛的应用。
三、光学信息处理技术的发展趋势1、数字光学信息处理技术将逐渐取代模拟光学信息处理技术。
随着数字信息处理技术的发展和计算机技术的进步，数字光学信息处理技术将逐渐替代模拟光学信息处理技术，使系统的可靠性、精度和性价比得到大幅提高。
2、光子晶体、量子点、超材料等新型材料的出现，将进一步推动光学信息处理技术的发展。
这些新型材料在光学波导、光学调制、光学探测等方面，具有广泛的应用前景，将推动光学信息处理技术的发展。
信息光学傅里叶光学
3、空间频率滤波系统
空间频率滤波是相干光学处理中一种最简单的方式，它利用 了透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，利 用空间滤波的方式改变物的频谱结构，继而使像得到改善。
空间滤波所使用的光学系统实际上就是一个光学频谱分析系统
准直 (1)三透镜系统
变换 滤波器 成像
4f系统
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波
二透镜系统 (b)
物面放在L1后 在L2前紧贴透 紧贴透镜放置 镜放置频谱面
单色点光源照明
单色点光源与频谱面相 像面和物面对于 对于L1仍保持共轭关系 L2是一对共轭面
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波 4、空间滤波的傅里叶分析
空间滤波的傅里叶分析 利用透镜的傅里叶变换性质
讨论一维情况，并利用 4f系统进行滤波操作
3、空间频率滤波系统
令三透镜焦距均相等，设物的透过率为 t(x1 , y1)，滤波 器透过率为 F(fx , fy)
则频谱面后的光场复振幅为#39; = T ( fx , fy ) ·F (fx , fy )
T ( fx , fy ) = ? { t ( x1 , y1 ) } fy = y2 /lf2
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波 4、空间滤波的傅里叶分析
若栅状物总宽度为 B，上式还应多乘一个因子
T ( x1 ) = {(1/d) ·rect(x1/a) * comb(x1/d)} ·rect (x1/B)
将物置于 4f系统输入面上，可在频谱面上得到 它的傅里叶变换
[ T ( fx ) = ? t ( x1 ) ]
? 1963年 范德拉格特（ A. Vander Lugt ）提出复数空 间滤波的概念
使光学信息处理进入了一个广泛应用的新阶段
8光学信息处理
零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底
信息光学
INFORMATION OPTICS
8.2.2 空间滤波的傅里叶分析
(2) 滤波器是放宽单缝，仅使零级和正、负一级频谱通过
透射频谱为
aB 1 1 a a T ( fx ) H fx sinc Bf x sinc sinc B f x sinc sinc B f x d d d d d
像的振幅分布具有周期性， 其周期与物周期相同，但 强度是均匀的
信息光学
INFORMATION OPTICS
8.2.2 空间滤波的傅里叶分析
(4) 滤波器为一光屏，只阻挡零级，允许其它频谱通过
(ii)当a>d/2时
强度分布出现衬度 反转，原来的亮区 变为暗区，原来的 暗区变为亮区
像的振幅 分布向下 错位
信息光学
INFORMATION OPTICS
8.2 相干滤波的基本原理
8.2.2 空间滤波的傅里叶分析
讨论一维情况，并利用4f系统进行滤波操作
物:一维栅状物—Ronchi光栅 其透过率函数为矩形函数阵列：
t ( x1 )
m
rect[(
x 1 md ) / a ]
缝宽 缝间距
(1)三透镜系统
空间频率滤波系统
准直
变换 滤波器 成像
4f系统
频谱分析:观察和记录物的空间频率特性 空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布
信息光学
INFORMATION OPTICS
8.2 相干滤波的基本原理
阿贝-波特实验
(1) 如果不在频谱平面作任何操作，则在输出 平面得到原物的像 —— 二次成像（不考虑光 学系统的有限孔径）
信息光学CHAP8 (2)-PPT文档资料48页
阿贝－波特实验 物是细丝网；
使用水平狭缝（b）时通过 的频谱；对应图像（c)。
使用垂直狭缝（d）时通过 的频谱；对应图像（e)。
档住零级，则网格图 像的对比度反转。
8.1.2空间滤波的傅里叶分析
讨论相干滤波系统，以 4 f 系统为例， L1准直透镜 L2、L3傅里叶变换透镜，焦距 f P1为物面、P2为物面频谱面、P3为像面，P3用反演坐标。
8.1空间滤波的基本原理 8.1.1阿贝成像理论
阿贝提出了二次衍射成像理论。阿贝将透镜成像过程看成是 经过两个步骤完成的，第一步入射光场由物平面P1经透镜L，在透 镜后焦面P2上形成一系列衍射斑；第二步是各衍射斑作为新的次 波源发出球面次波，在像面上相互叠加，形成物体的像。
由原理图上可以看出，可以在频谱面上安放各种滤波器 来改造频谱，进而改造图像。
T (, )1co2 s a ()
证明 在像面中心可得到两图像的相加。
解：平面上的复振幅分布
u ( x 1 , y 1 ) u 1 ( x 1 a , y 1 ) u 2 ( x 1 a , y 1 )
物的频谱 U(,) ，滤波函数 T(,)H (,)
，可看成系统的传递函数，像的复振幅
dm
d
d
T ( ) H ( ) asL c ( i2 a n ){ c [ L s ( i2 n ) ] sc i [ L ( n 2 )] }
dd
d
d
输出平面上场分布
g(x3)F1{T()H()}
2asinc(2a)rect(x3)cos(4x3)
f(x3,y3)是f(x1,y1)的几何像，
h是H的逆傅里叶变换，称滤波器 的脉冲响应。从频域来看是系统 改变了输入信息的空间频谱结构， 即经过了空间滤波处理。从空域 来看，系统实现了输入信息与滤 波器脉冲响应的卷积。
光学信息处理
实验简介光学信息处理是用光学的方法实现对输入信息的各种变换或处理。
光学信息处理是近年来发展起来的一门新兴学科,它以全息术、光学传递函数和激光技术为基础。
透镜的傅里叶变换效应是光学信息处理的理论核心。
与其他形式的信息处理技术相比，光学信息处理具有高度并行性和大容量的特点。
这一学科发展很快，现在已经成为信息科学的一个重要分支，在许多领域进入了实用阶段。
光学信息处理的内容十分丰富。
本实验介绍两个基本的光学信息处理实验：图像相减和图像识别。
实验原理⏹原理图●原理图如下：上图为典型的光学信息处理系统示意图，S为对激光进行扩束的短焦距透镜，L0为使扩束后的激光束变为平行光的准直透镜。
（x1，y1）为物平面，L1为第一个傅里叶变换透镜，它从物面发出的衍射光并在后焦面（x，h）上形成物体的频谱。
（x，h）上可以放上各种空间滤波器以完成光学信息处理的任务。
L2为第二个傅里叶变换透镜，它的作用是对经处理后的物的频谱在进行一次傅里叶变换（相当于一次逆傅里叶变换只是坐标反转了）。
这样就可以得到经特殊处理的图像。
实验重点⏹相干光信息处理系统的主要特点。
⏹实验的技巧：光路调整和制作全息滤波器等。
实验难点⏹光信息处理实验对于光学元件、光路调整和环境要求很高，实验中必须非常细心。
在非实时的光学信息处理实验中，用全息法制作滤波器要用原位显影的方法。
自测题⏹相干光信息处理系统与非相干光信息处理系统的主要区别是什么？答案：照明光源不同。
相干光信息处理系统使用激光等单色性很好的光源，非相干光信息处理系统使用白光光源。
相干光信息处理系统处理的是光信号的复振幅，相干光信息处理系统处理的是光信号的强度。
⏹散斑图像相减实验中滤波用的狭缝的宽度如何计算？答案：狭缝的宽度杨氏条纹的暗纹宽度。
而暗纹的宽度，，为两次曝光时图像移动量。
⏹衍射光栅法是不是实时的光学信息处理系统？如果光学系统可以通过的图像的最大尺寸为Ｄ，则它可以对多大的图像进行相减？对这样的两个图进行相减时，要制作的正弦光栅的周期的大小？答案：是，Ｄ／２，设两个图案的中心距离为ｂ＜Ｄ／２，则正弦光栅的周期。
信息光学(傅里叶光学)chap8
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波 4、空间滤波的傅里叶分析
若栅状物总宽度为B，上式还应多乘一个因子
T ( x1 ) = {(1/d) · rect(x1/a) * comb(x1/d)} · (x1/B) rect
将物置于4f系统输入面上，可在频谱面上得到 它的傅里叶变换
T ( f x ) = ℱ [ t ( x1 ) ] = ( aB / d ) { sinc ( B fx ) 零级谱 + sinc(a/d) · sinc[B( fx–1/d )] + sinc(a/d) · sinc[B( fx+1/d)] + …} 正、负一级谱 高级频谱
1873年阿贝 1906年波特
物平面采用正交光 频谱面：放 栅（即细丝网格状 置滤波器 改变物的 物） 频谱结构
像面：可观察到各 种与物不同的像
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波 2、阿贝—波特（Abbe—Porter）实验
由实验结果归纳出几点结论如下： (1)实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结 构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便 能够改变像的结构 (2)实验充分证明了傅里叶分析的正确性
§8-2光学频谱分析系统和空间滤波 4、空间滤波的傅里叶分析
滤波器采用狭缝或开孔式二进制(0 , 1)光阑，置于频谱面上
(1) 滤波器是一个通光孔，只允许零级通过
1 F fx 0 fx 1 B f x 为其他值
T ( f x ) = ℱ [ t ( x1 ) ] = ( aB / d ) { sinc ( B fx ) + sinc(a/d) · sinc[B( fx–1/d )] + sinc(a/d) · sinc[B( fx+1/d)] + …} 在滤波器后，仅有T ( fx )中的第一项通过，其余项均被挡住， 因而频谱面后的光振幅为 T ( fx ) · ( fx ) = ( aB / d ) sinc ( B fx ) F
光学信息处理实验报告
光学信息处理实验报告光学信息处理实验报告引言光学信息处理是一门研究如何利用光学原理和技术来处理和传输信息的学科。
它在通信、计算机科学、图像处理等领域有着广泛的应用。
本实验旨在通过实际操作和观察，探索光学信息处理的原理和技术，并对其应用进行分析和评估。
实验一：光的干涉与衍射在实验一中，我们使用干涉与衍射现象来实现光的信息处理。
首先，我们将一束激光通过一个狭缝，产生一条狭缝衍射的光斑。
然后，我们将光斑通过透镜进行聚焦，并观察光斑的衍射现象。
通过调整透镜的位置和焦距，我们可以改变光斑的大小和形状，从而实现对光的信息进行处理。
实验二：光的全息术实验二中，我们使用全息术来实现光的信息存储和再现。
首先，我们使用激光将被记录的物体进行照射，并将光波与参考光波进行干涉。
然后，我们使用光敏材料记录干涉图样，形成全息图。
最后，我们使用激光将全息图进行照射，通过光的衍射和干涉效应，将记录的物体再现出来。
通过调整照射光的角度和波长，我们可以改变再现物体的位置和形状，实现对光的信息进行存储和再现。
实验三：光的调制与解调实验三中，我们使用光的调制与解调技术来实现光的信息传输。
首先，我们将待传输的信息通过光电调制器将其转化为光信号。
然后，我们使用光纤将光信号传输到接收端。
在接收端，我们使用光电解调器将光信号转化为电信号，并通过解调器将其还原为原始的信息。
通过调整调制器和解调器的参数，我们可以实现对光信号的调制和解调，从而实现对光的信息进行传输。
实验四：光的图像处理实验四中，我们使用光的图像处理技术来实现对图像的处理和分析。
首先，我们将待处理的图像通过光学透镜进行聚焦，并通过光敏材料记录图像。
然后，我们使用图像处理软件对记录的图像进行数字化处理，包括滤波、增强、分割等操作。
最后，我们使用激光将处理后的图像进行再现。
通过调整图像处理软件的参数，我们可以实现对图像的不同处理效果，从而实现对光的信息进行处理和分析。
结论通过本次实验，我们深入了解了光学信息处理的原理和技术，并通过实际操作和观察，对其应用进行了分析和评估。
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8.1 引言
• 光波可以是大量信息的携带者，不仅光波的位相，颜色、偏 振态等都是光信息，而且在光波照明下，二维图像具有大量 信息。
• 以底片为例，设黑白底片最小分辨率单元为0.5m（完全可以 达到），每个单元按黑度分为8个等级（人眼分辨率，计算机 可更多），则1cm2面积的底片包含的信息量为b=MNk 3bit。
将物置于4f系统输入面上，可在频谱面上得到它的傅里叶变 换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
T
(
fx)Biblioteka F{t(x1)}F
rect
x1 a
*
1 d
comb
x1 d
*
F
rect
x1 B
a sin c(afx )comb(dfx ) * B sin c(Bfx )
而
comb(df x
)
m
= t ( x3 , y3 ) * ℱ –1 {F ( fx , fy ) }
脉冲响应
四、空间滤波的傅里叶分析
利用透镜的傅里叶变换性质分析阿贝-波特实验 讨论一维情况，并利用4f 系统进行滤波操作
物:一维栅状物—Ronchi光栅 其透过率函数为矩形函数阵列：
t(x1) rect[(x1 md ) / a] m
结论：
1．实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接 依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便能够改变像 的结构；像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成 分能被系统传递到像面。
2．实验充分证明了傅里叶分析和综合的正确性： （1）频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）； 频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）； （2）零频分量是直流分量，它只代表像的本底（图D）； （3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转 （图E）； （4）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许 高频分量通过时，像的边缘效应增强； （5）采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。
(df x
m)
m
d
fx
m d
1 d
m
fx
m d
则
T
(
f
x
)
a
sin
c(af
x
)
1 d
( fx
m
m d ) * B sin c(Bfx )
aB d
m
sin
c
am d
fx
m d
*
sin
c(Bfx )
aB d
sin
m
c
am d
sin
c
B
fx
m d
aB d
sin
c(Bfx )
衍射，得到第一次衍射像；
该衍射像作为新的相干波源，由它发出的次波在像平面上干涉而构 成物体的像，称为第二次衍射像。 频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低 频信息；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量。
二、阿贝—波特实验（1906）
相干单色平行光照明
实验装置
物平面 细丝网格状物 （正交光栅）
• 优点：灵活，可编程，精度高 • 缺点：基本属于慢速处理，不易实现实时处理
• 混合处理：二者结合，取长补短，是当前的发展方向。
• 本章主要介绍光学或光/电混合信息处理的基本光学技术的 原理和系统。
8.2 相干滤波的基本原理 一、阿贝成像理论
“二次衍射成像理论”:相干照明下，成像过程可分作两步 物平面上发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费
三、空间频率滤波系统
(1)三透镜系统
准直
变换 滤波器 成像
4f系统
频谱分析:观察和记录物的空间频率特性 空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布
令三透镜焦距均相等，设物的透过率为t(x1 , y1)，滤波器透 过率为F(fx , fy), 则频谱面后的光场复振幅为：
u2’ = T ( fx , fy ) ·F (fx ,fy )
• 光学系统作为线性系统，能快速、并行地对图像信息进行处 理。
• 光学处理（相干光处理、非相干光处理、白光处理等） • 优点：快速，并行性，信息处理容量大，结构简单，操作
方便，特别适合于二维的F.T.、卷积、相关等运算 • 缺点：专用系统不够灵活，难编程，模拟系统精度不高
• 数字图像处理：计算机对图像扫描、抽样量化成数字信息, 串行逐点处理
单色光源波长
ℱ { t ( x1 , y1 ) } x2 /lf2 y2 /lf2
变换透镜L2的焦距
输出平面（u反3'射=坐ℱ标–1系{ ）u2得' }到u2’的傅里叶逆变换：改幅变透滤过波率器函的数振，
= ℱ –1 {T ( fx , fy ) ·F ( fx , fy ) } 可改变像的结构.
物的几何像 = ℱ–1 {T ( fx , fy ) } * ℱ –1 { F ( fx , fy ) } 滤波器
sin
c
a d
sin
c
B
fx
1 d
sin
c
a d
sin
c
B
fx
1 d
将物置于4f系统输入面上，可在频谱面上得到它的傅里叶变 换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
T ( fx ) = ℱ [ t ( x1 ) ]
aB d
s
incBfx
sinc
a d
sincB
fx
1 d
sinc
a d
sincB
fx
1 d
......
零级谱
正、负一级谱
高级频谱
强度呈现为一系列亮点，每个
亮点是一个sinc2函数 幅值受单缝衍射限制，包络
是单缝夫琅和费衍射图样
中心分别位于fx = m/d （m = 0 , +1 , +2 …）
强度
在未进行空间滤波前，输出面上得到的是ℱ -1[T(fx)] （取反射 坐标） ，它应是原物的像 t(x3)。 滤波器采用狭缝或开孔式二进制(0 , 1)光阑，置于频谱面上
频谱面 放置滤波器
改变物的 频谱结构
像面 观察到各种 不同的像
(1) 如果不在频谱平面作任何操作，则在输出 平面得到原物的像 —— 二次成像（不考虑光 学系统的有限孔径）
滤波器: 放置在频 谱让面0级中通谱心过通的的过孔频,谱仅
综合出的像: 仅有边框, 不 出现条纹结构
原原零原原物原物物频物物分量是一个直流分量通通通过，过过的它的的频频只频谱谱代谱表综像综合综综的综合出合合合本出的出出出底的图的的的图像图图图像像像像
缝宽 缝间距
可看成矩形函数rect (x1/a )和梳状函数comb (x1/d)的卷积： t (x1) = (1/d) ·rect (x1/a) * comb (x1/d)
若栅状物总宽度为B， t (x1)还应多乘一个因子:
t ( x1 ) = {(1/d) ·rect(x1/a) * comb(x1/d)} ·rect (x1/B)