第六章 光学信息处理的数值模拟与仿真-1
光学小波变换及其数值模拟
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Ｏｌ ｃｎｅｎｇｅｒ ｈＳｎａＴｈｌ ．， ｉ ｅ ］ｏＦｉ ｒ ｅｄ￣ｏｙ￣ ￣ ｑｅ ￣ ＋
光学小波变 换及其数值模 拟
刘占伟 解 鹏 牛小宁 金 武 杨文革
（ 州大学物理学院 甘肃 兰州 ７ ０ ０ 兰 ３ ０ ０）
［ 摘 要］以二 维光学小波变 换为例 ，对小波变换 过程进行 数值模拟 ，分别选取 不 同的小 波基函数 ，模 拟结果显 示 了光学 小波 变换对 图像 边缘的增强效应 ，同时对实际的实验可 行性进行 了具 体的分析 。 ［ 关键词］ 小波变换 数值模拟 光学信息处理 中图分类 号：０ ３ ４８ 文献标识码 ：Ａ 文章编号：１ ０ — ｉ Ｘ（０ ８ １（） ０ ８ — ２ ０ ９ ９ ４ ２ ０ ）ｌ ｂ 一 １ ０ ０
求 ０ Ｉｘ）ａ＝，即ｈｘＹ不仅有振幅分布而且存在相 （＝ｌ ，ｄｙ ０ ） ｈ ｙｘ （ （，） 位分布。
相位分布 的存在 ，使得小波片的制作变得异常 的麻烦 。实 际中应用广 泛 的 ｈ（ ， ） ｘ Ｙ 大多是 实函数 ，那 么它总可以分解为 ｈ（ ， ） Ｉ（ ， ） Ｘ Ｙ： ｘ Ｙ一
引 言 长 期 以来 ，傅立 叶分 析一直被 认为是 最完 美的数 学理论 和最 实 用的方 法之一 。但 是用傅立 叶分析 只能获 得信 号的整 个频谱 ，而难 以获得信号的局部特性 ，特 别是对 于突变信号和非平稳信号难 以获得 希望的结果 。 为了克服经典傅立叶分析本身 的弱点 ，人们发展 了信号 的时频 分 析法，ｌ ４ ６年 ６ ｂ ｒ提 出的加 窗傅立 叶变换就是其 中的一种 ，但 是 ９ ａｏ 加窗傅立叶变换还没有从根本上解 决傅立叶分析 的固有 问题 。小波变 换的诞生，正是为 了克服经 典傅立 叶分 析本身的不足 。小波在信 号分 析中的应用十分广泛 。它可 以用於边 界的处理与滤波 、时频分析 、信 噪分离与提取弱信号 、求分形指数 、信 号的识别与诊断 以及 多尺度边 缘侦测等。 小波 分析是 当前 应用数学和 工程学科 中一个迅速发 展的新领域 。 小波变换是空间 （ 时间） 或 和频率 的局部变换 ，因而 能有 效地 从信号中 提取信息 。通过伸缩和平移 等运 算功能可对函数或信号进行 多尺度 的 细化分析 。小波变换 时空频 率窗随频率变化而变化 ，保证 了小波变 换 以同样 的精度去处理不 同中心频 率的信 号 。另外小波变换有很 高的信 噪 比。小波变换的这些优点 都使它 胜过传统的一些变换手段 ，广泛用 于科学研究与 实际应 用的各领域 。 本 文以二维光 学小波变换 为例，讨论并 给出 了具体 的实验条件 ， 通过数值模拟变换过程 ，显示光 学小波 变换的图象边缘增强效应 ，同 时对实际的实验过程 具有指导意义 。 二 、 二 维 小 波 变 换 二维小波变换 定义为 ：
《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
基于Matlab的光学实验仿真
基于Matlab的光学实验仿真一、本文概述随着科技的快速发展，计算机仿真技术已成为科学研究、教学实验以及工程应用等领域中不可或缺的一部分。
在光学实验中，仿真技术能够模拟出真实的光学现象，帮助研究者深入理解光学原理，优化实验设计，提高实验效率。
本文旨在探讨基于Matlab的光学实验仿真方法，分析Matlab在光学实验仿真中的优势和应用，并通过具体案例展示其在光学实验仿真中的实际应用效果。
通过本文的阐述，读者将能够了解Matlab在光学实验仿真中的重要作用，掌握基于Matlab的光学实验仿真方法，从而更好地应用仿真技术服务于光学研究和实验。
二、Matlab基础知识Matlab，全称为Matrix Laboratory，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等领域。
Matlab以其强大的矩阵计算能力和丰富的函数库，在光学实验仿真领域具有广泛的应用。
Matlab中的变量无需预先声明，可以直接使用。
变量的命名规则相对简单，以字母开头，后面可以跟字母、数字或下划线。
Matlab支持多种数据类型，包括数值型（整数和浮点数）、字符型、逻辑型、结构体、单元数组和元胞数组等。
Matlab的核心是矩阵运算，它支持多维数组和矩阵的创建和操作。
用户可以使用方括号 [] 来创建数组或矩阵，通过索引访问和修改数组元素。
Matlab还提供了大量用于矩阵运算的函数，如矩阵乘法、矩阵转置、矩阵求逆等。
Matlab具有强大的数据可视化功能，可以绘制各种二维和三维图形。
在光学实验仿真中，常用的图形包括曲线图、散点图、柱状图、表面图和体积图等。
用户可以使用plot、scatter、bar、surf和volume 等函数来创建这些图形。
Matlab支持多种控制流结构，如条件语句（if-else）、循环语句（for、while）和开关语句（switch）。
这些控制流结构可以帮助用户编写复杂的算法和程序。
《2024年基于Matlab的光学实验仿真》范文
《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学、光学工程和光学科学等领域中重要的研究手段。
然而，实际的光学实验通常涉及到复杂的光路设计和精密的仪器设备，实验成本高、周期长。
因此，通过基于Matlab的光学实验仿真来模拟光学实验，不仅能够为研究提供更方便的实验条件，而且还可以帮助科研人员更深入地理解和掌握光学原理。
本文将介绍基于Matlab的光学实验仿真的实现方法和应用实例。
二、Matlab在光学实验仿真中的应用Matlab作为一种强大的数学计算软件，在光学实验仿真中具有广泛的应用。
其强大的矩阵运算能力、图像处理能力和数值模拟能力为光学仿真提供了坚实的数学基础。
1. 矩阵运算与光线传播Matlab的矩阵运算功能可用于模拟光线传播过程。
例如，光线在空间中的传播可以通过矩阵的变换实现，包括偏振、折射、反射等过程。
通过构建相应的矩阵模型，可以实现对光线传播过程的精确模拟。
2. 图像处理与光场分布Matlab的图像处理功能可用于模拟光场分布和光束传播。
例如，通过傅里叶变换和波前重建等方法，可以模拟出光束在空间中的传播过程和光场分布情况，从而为光学设计提供参考。
3. 数值模拟与实验设计Matlab的数值模拟功能可用于设计光学实验方案和优化实验参数。
通过构建光学系统的数学模型，可以模拟出实验过程中的各种现象和结果，从而为实验设计提供依据。
此外，Matlab还可以用于分析实验数据和优化实验参数，提高实验的准确性和效率。
三、基于Matlab的光学实验仿真实现方法基于Matlab的光学实验仿真实现方法主要包括以下几个步骤：1. 建立光学系统的数学模型根据实际的光学系统，建立相应的数学模型。
这包括光路设计、光学元件的参数、光束的传播等。
2. 编写仿真程序根据建立的数学模型，编写Matlab仿真程序。
这包括矩阵运算、图像处理和数值模拟等步骤。
在编写程序时，需要注意程序的精度和效率，确保仿真的准确性。
3. 运行仿真程序并分析结果运行仿真程序后，可以得到光束传播的模拟结果和光场分布等信息。
信息光学习题答案及解析
信息光学习题答案第一章 线性系统分析1.1 简要说明以下系统是否有线性和平移不变性. （1）()();x f dxdx g =（2）()();⎰=dx x f x g （3）()();x f x g = （4）()()()[];2⎰∞∞--=αααd x h f x g（5）()()απξααd j f ⎰∞∞--2exp解：（1）线性、平移不变； （2）线性、平移不变； （3）非线性、平移不变； （4）线性、平移不变； （5）线性、非平移不变。
1.2 证明)()ex p()(2x comb x j x comb x comb +=⎪⎭⎫ ⎝⎛π证明：左边＝∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛n n n n x n x n x x comb )2(2)2(2122δδδ∑∑∑∑∑∑∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=∞-∞=--+-=-+-=-+-=+=n nn n n n n n x n x n x jn n x n x x j n x x j x comb x comb )()1()()()exp()()()exp()()exp()()(δδδπδδπδπ右边当n 为奇数时，右边＝0，当n 为偶数时，右边＝∑∞-∞=-n n x )2(2δ所以当n 为偶数时，左右两边相等。
1.3 证明)()(sin x comb x =ππδ 证明：根据复合函数形式的δ函数公式0)(,)()()]([1≠''-=∑=i ni i i x h x h x x x h δδ式中i x 是h(x)=0的根，)(i x h '表示)(x h 在i x x =处的导数。
于是)()()(sin x comb n x x n =-=∑∞-∞=πδπππδ1.4 计算图题1.1所示的两函数的一维卷积。
解：设卷积为g(x)。
当-1≤x ≤0时，如图题1.1(a)所示， ⎰+-+=-+-=xx x d x x g 103612131)1)(1()(ααα图题1.1当0 < x ≤1时，如图题1.1(b)所示， ⎰+-=-+-=13612131)1)(1()(xx x d x x g ααα 即 ⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤<+-≤≤--+=其它,010,61213101,612131)(33x x x x x x x g 1.5 计算下列一维卷积。
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。
高等光学仿真
目录分析
当我们打开《高等光学仿真》这本书，首先映入眼帘的就是目录。目录作为 一本书的导航图，对于读者理解书籍内容起着至关重要的作用。本书将对《高等 光学仿真》这本书的目录进行深入分析，以揭示其内在的结构和特点。
从宏观角度来看，《高等光学仿真》的目录结构清晰，逻辑严密。全书按照 主题和章节进行划分，使得读者可以快速找到自己感兴趣的内容。同时，每一章 节的标题都简洁明了，准确地反映了该章节的核心内容。这种目录结构不仅方便 了读者查阅，还有助于提高读者的阅读效率。
本书介绍了光学仿真的基本原理，包括光的传播、反射、折射等基本物理现象的数学描述。还详 细阐述了光学系统的基本理论，如几何光学、波动光学和量子光学的基本原理。这些理论为后续 的光学仿真提供了坚实的理论基础。
在介绍了基本原理之后，本书重点介绍了光学仿真的各种方法和技巧。其中包括物理光学仿真、 蒙特卡罗仿真、光线追踪仿真等。这些方法各有特点，适用于不同类型的光学系统仿真。读者可 以根据实际需求选择合适的方法进行仿真。
阅读感受
在科技飞速发展的时代，光学作为一门重要的学科，已经深入到各个领域中。 为了更好地理解和应用光学知识，我选择了阅读《高等光学仿真》这本书。通过 阅读，我对光学有了更深入的认识，同时也对仿真技术有了更多的了解。
这本书的作者是欧攀，由北京航空航天大学社于2011年。作为一本高等光学 教材，它不仅仅涵盖了基础的光学知识，更引入了仿真技术，使得读者可以通过 MATLAB软件来模拟和验证光学现象。这样的方式不仅使得理论知识更加生动、易 于理解，同时也提高了读者对实际应用的认知。
本书还通过丰富的实例，详细介绍了如何使用光学仿真软件进行实际的光学系统设计和优化。这 些实例涵盖了各种类型的光学系统，如透镜系统、反射系统、全息系统等。
光学信息处理技术
利用光学信息处理技术对物质成分、结构、含量等方面进行光谱分 析，提供快速、准确的分析结果。
光学仪器中的应用
光学显微镜
01
通过光学信息处理技术提高显微镜的成像质量和分辨率，应用
于生物学、医学、材料科学等领域。
光学望远镜
02
利用光学信息处理技术对天体进行观测和分析，推动天文学的
发展。
光学干涉仪
光学信息处理技术
汇报人： 202X-01-04
目录
• 光学信息处理技术概述 • 光学信息处理技术的基本原理 • 光学信息处理技术的主要方法 • 光学信息处理技术的实际应用 • 光学信息处理技术的未来展望 • 光学信息处理技术的挑战与解决方
案
01 光学信息处理技术概述
定义与特点
定义
光学信息处理技术是指利用光学 原理和光学器件对信息进行获取 、传输、处理、存储和显示的技 术。
特点
高速度、高精度、大容量、并行 处理、非接触、非破坏性等。
光学信息处理技术的发展历程
01
19世纪
光学显微镜和望远镜的发明，奠定了光学信息处理的基 础。
02
20世纪
全息摄影技术的出现，实现了三维信息的存储与再现。
03
21世纪
光子晶体、光子计算机等新型光学器件的出现，推动了 光学信息处理技术的发展。
光的干涉与衍射
光的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，光波的振幅会 因相位差而发生变化，产生明暗相间的干涉现象。干涉现象 在光学信息处理中可用于实现图像增强、图像恢复等功能。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物的边缘继续 传播的现象。衍射现象在光学信息处理中可用于实现光束控 制、光束合成等功能。
SciAO-自适应光学建模与仿真概要
第20卷第11期2008年6月系统仿真学报@Journal of System Simulation、,01.20No.1lJun..2008 SciAO:自适应光学建模与仿真陈京元,甘光勇,陶应学(北京应用物理与计算数学研究所。
北京100088●摘要:SciAO(Scilab/Scicos Adaptive Optics是Scilab/Scicos环境下为满足波动光学,尤其是白适应光学的走模和仿真需要而建立的工具箱,它具有源代码完全公开、支持跨平台(Windows,G-nu/Linux等运行,使用简单方便等特点。
简要介绍了SciAO的基本设计目标和设计思想,基本结构及可用功能模块,并给出几个简单应用实例。
关键词:建模与仿真;自适应光学;Scilab/Scicos;开放源代码.中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号l1004.731X(200811-2864.04 SciAO:Modeling and Simulation ofAdaptive OpticsCHENJing-yuan,GAN Guang-yong,TAO Ying-xue(Institute ofApplied Physics and Computational MatIlematics,Beijing100088,ChihaAbstract:SciAO(Scilab/Scicos Adaptive Opticsis all open-sourced,cross-platform,and user-friendly toolbox based on the Scilab/Scicos environment for modeling and simulation of wave optics,especially for that of adaptive optics system.Thegoals,schemes,structure,and the functionality now available in SciAO WCTe described.Some application examples were given using SciAO to model and simulate optical systems.Key words:modeling and simulation;adaptive optics;Scilab/Scicos;open source引言经过近四十余年的发展,自适应光学(AO目前已经广泛应用于天文望远镜,高能激光系统等现任光学系统的设计中。
基于MATLAB的光学系统仿真及优化
基于MATLAB的光学系统仿真及优化近年来，光学系统在许多领域中的应用越来越广泛，如无线通信、医疗影像等。
为了满足各种需求，光学系统在设计时需要进行仿真和优化。
而基于MATLAB的光学系统仿真及优化技术已经成为了一种较为常用的方法。
一、光学系统仿真光学系统仿真是指通过计算机程序对光学系统进行模拟，预测光学信号的传输、成像效应及其它性能。
目前，常用的仿真软件主要有光追模拟软件、有限元分析软件等。
其中，较为常见的是光追模拟软件，它可以精确地模拟光的传播过程，并能够预测光学系统在不同参数下的成像效果。
基于MATLAB的光学系统仿真技术主要采用ray tracing（光線追跡）算法。
这种算法利用光线的物理模型来模拟光的传输过程，在每个接口处计算反射、折射等光路变化，并确定光程差、相位等光学参数。
通过光学系统建模，通过MATLAB程序获取系统的光学参数，采用离散光线跟踪方法检测系统中光线的运动轨迹，得到完整光路的详细信息，并分析系统的光学性能。
二、光学系统优化光学系统的优化通常包括镜头设计、成像质量优化和照明设计等方面。
镜头设计是指通过对光学组件的优化来改进成像质量。
常见的优化方法包括减少像散、减少色差、增加透镜组数等。
成像质量优化是指通过对成像质量的参数进行分析和改进，来提高成像质量。
典型的优化目标包括分辨率、像散、畸变等。
照明设计是指通过特定的照明方案来达到目标照明效果。
其中，镜头设计是光学系统优化的重要方面。
基于MATLAB的光学系统优化可以通过编写程序实现对系统镜头的设计、分析和改进。
在系统设计之前，MATLAB可以对镜头进行优化设计，包括镜头形状、材料、曲率半径以及切向位置等。
此外，通过采用不同方法生成随机点云，进行仿真。
结果显示，通过该技术，可以快速生成不同形状的随机点阵，从而得到不同品质的成像效果。
镜头成像质量优化则是在实际运用过程中对光学系统进行微调，进一步提高成像效果。
三、应用实例基于MATLAB的光学系统仿真及优化技术已被广泛应用于诸多领域，其中最常见的是成像系统仿真。
【大学课件】傅里叶光学和光学信息处理
现图像的衬度反转或边缘增强。 3． 带通滤波：它只允许特定区域的频谱通过，可以去除随
机噪音。 4．方向滤波：它阻挡或允许特定方向上的频谱分量通过，
可以突出图像的方图向3 特征。
.
21
相衬显微镜
：1935年由泽尼克（Zernike）提出，因为大 多数细菌为透明的位相物体，要观察细菌往 往要染色，这样细菌将被杀死。在显微镜物 镜的焦平面上加一个位相滤波器就可以将位 相的变化转化为强度变化，从而可以利用显 微镜直接看到活的细菌。这个发明使泽尼克 获得1935年的诺贝尔奖。
第1、2项分别为f和g的自相关，位于光轴中心 第3项为g f，中心位于x’=2a 第4项为 f g，中心位于x’=-2a
.
39
计算机模拟
.
40
计算机模拟
.
41
实验方法
.
42
旋转不变联合变换相关器
.
43
总结
傅里叶光学的基础：
1.两维傅里叶变换 2. 透镜的傅里叶变换性质 阿贝成像原理和空间滤波实验
在像平面上得到复振幅和光强分别为：
U 'F[Texip )i(]exip )i( IU 'U '* 12(s i) n
(2m1)2 m m 01 , , 23 , , 45 ,,.........II..
1 1
2 2
正相衬 负相衬
.
24
纹影仪实验
纹影仪：一种在空气动力学和燃烧学方 面很有用的装置，可以应用于火焰照相 和流场显示技术。它使用的光阑是一个 刀口或一个如前所示的高通滤波器，或 带通滤波器等等。对于弱位相的物体使 用高通滤波器或挡掉一半的频谱可以将 位相转变为强度的变化。
光学系统成像的仿真研究
总第 １ ２ ３期
光学 系统成像 的仿真研究
何 润 － 高海 芸 ｚ
（ １ 皖 西学 院机械 与 电子工程学 院 ， 安徽
（ ２ 皖西学 院材料 与化 工学 院 ， 安徽
六安
２ ３ ７ ０ １ ２ ）
六安
２ ３ ７ ０ １ ２ ）
摘 要 ： 利用 波 动光 学 的基 本理 论 ， 对 复杂 的光学 系 统 的成 像进 行 分析 ， 并结合 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ语 言的编 程和 图像 处理 功 能 。通 过数 值模 拟形 象地 把 光学 系统成 像 的结果 显 示 出来 。结 果表 明， 在 对单透 镜 系统成 像分 析 的基 础上 ， 可 以对各 种 复杂 的光 学系统 的成像 进 行分 析。 利用
设一 束振 幅 为 Ａ 的平行 光垂 直 照射物 体 ， 物体 的振 幅透射 比为 （ ， ） ， 透 镜 的焦距 为， ， 物距为 ｚ 。 ，
基 金项 目 ： 安徽省高等学校省级质量工程（ 项 目编 号 ： ２ ０ １ ２ ｊ ｙ ｘ ｍ ４ ４ １ ） ； 六 安 市 定 向委 托 皖 西 学 院 市 级 研 究 项 目（ 项 目编 号
２ ０ １ ３ Ｌ Ｗ０ １ ５ ） 作者 简 介 ： 何 润（ １ ９ ８ ４ 一 ） ， 男， 安徽 庐 江 人 。皖 西学 院助 教 。 研 究 方 向 ： 激 光材 料 加 Ｔ 技 术 。
ｔ ｉ （ ， Ｙ ） ＝ｅ ｘ ｐ （ ｊ ｋ ａ０ ） ｅ ｘ ｐ ［ ｊ ｋ （ ｎ － １ ） ａ（ ， ｙ ） ］
其中， △。 是透 镜 的最大 厚度 ， Ａ（ ， ｙ ） 是厚 度 函数 。 在 傍轴近 似 的条件 下 ， 并忽 略 常相位 因子 ， 则 可 以用下式 来 表示 （ ３ ） 式：
光学模拟实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解光学模拟实验的基本原理和方法；2. 掌握光学模拟软件的基本操作；3. 通过模拟实验，加深对光学原理的理解；4. 培养分析问题和解决问题的能力。
二、实验原理光学模拟实验是利用计算机模拟光学系统的成像过程，通过模拟实验，可以直观地了解光学系统的成像特性，分析影响成像质量的因素，从而优化光学系统设计。
光学模拟实验的基本原理是利用傅里叶变换对光学系统进行频谱分析，通过模拟光学系统的各个光学元件对光波的影响，计算出系统的成像质量。
三、实验仪器与软件1. 实验仪器：计算机、投影仪、实验平台、实验设备（如光学元件、光源等）；2. 实验软件：Zemax、LightTools、TracePro等光学模拟软件。
四、实验内容1. 光学系统设计：根据实验要求，设计光学系统，包括选择光学元件、确定光学元件的位置等；2. 模拟实验：利用光学模拟软件，模拟光学系统的成像过程，分析成像质量；3. 结果分析：对模拟结果进行分析，找出影响成像质量的因素，优化光学系统设计。
五、实验步骤1. 设计光学系统：根据实验要求，选择合适的镜头、光阑、滤光片等光学元件，确定光学元件的位置，绘制光学系统图；2. 模拟实验：打开光学模拟软件，导入光学系统图，设置光源、成像平面等参数，进行模拟实验；3. 结果分析：观察模拟结果，分析成像质量，找出影响成像质量的因素；4. 优化设计：根据分析结果，对光学系统进行优化设计，提高成像质量。
六、实验结果与分析1. 实验结果：通过模拟实验，可以得到光学系统的成像质量，包括成像清晰度、分辨率、畸变等参数；2. 结果分析：分析成像质量，找出影响成像质量的因素，如光学元件的成像质量、光学系统的设计等。
七、实验结论1. 通过光学模拟实验，加深了对光学原理的理解，掌握了光学模拟软件的基本操作；2. 优化了光学系统设计，提高了成像质量；3. 培养了分析问题和解决问题的能力。
八、实验注意事项1. 在设计光学系统时，要考虑光学元件的成像质量，选择合适的元件；2. 在模拟实验中，要设置合适的参数，如光源、成像平面等；3. 分析结果时，要全面考虑影响成像质量的因素，优化设计。
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。
光学实验数值仿真的三种方法及MATLAB实现
［ ６ ］ 张志涌 ， 杨祖 樱． ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ教程 ［ Ｍ］ ． 北京： 北京 航 空航天出版社 ， ２ ０ ０ ６ ． ［ ７ ］ 徐斌 ， 李光 明． Ｐ ｏ ｌ ｙ Ｆ ｌ ｏ ｗ在 聚合物 熔体压 力流 动教
（ ３ ） 通过 多种 方 法 对 同－ 一 物 理 现 象 的数 值 仿
７ ８－ ７９．
（ １ ） 数值模拟结果表明三种方法都能对光学 实 验现 象进 行 正 确 地仿 真 ， 因 此 在课 堂教 学 中适
当应用 这种 仿 真 模 拟 ， 将 光 学 实 验 中复 杂 的数 学 表 达式 以一种 直 观 形 象 的方 式 展示 出来 ， 对 教 学 效 果 的提 高将有 很 大 的帮 助 。 （ ２ ） 三 种模 拟 方 法 在 教 学 实 践 中各 有 所 长 ． 利 用 光强 分 布解 析表 达式 直接 绘制 光 强 的方 法 最 简单 直接 ， 但 其对 光学 现象 的本质 没有 讨论 ， 对 学
［ ２ ］ 彭 芳麟 ． 计算 物 理基 础 ［ Ｍ］ ． 北京： 高 等教 育 出版
社， 禾费衍 射的计算 机模
拟［ Ｊ ］ ． 许 昌师专学报 ， ２ ０ ０ １ ， ２ １ （ ５ ） ： ６ － ７ ．
生理解实验原理帮助不大 ； 蒙特卡洛方法利用光 子的量子特性 ， 采用随机方法模拟随机事件 ， 把握 了光子的物理本质 ， 但 相对其它两种方法程序运 行 比较耗时； 基于惠更斯原理的数值模拟则 以光 的波动 性作 为 出发点 ， 程 序 实现 简单 ， 运行 速度 也
很快 。
［ ４ ］ 徐钟 济． 蒙 特 卡罗 方法 ［ Ｍ］ ． 上海 ： 上 海 科技 出版
社， １ ９ ８ ５ ．
［ ５ ］ 钞 曦旭 ， 杨万 民， 唐纯青 ． ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ及其 在大学 物理 课程 中的应 用 ［ Ｍ］ ． 西 安： 陕 西 师 范 大 学 出 版
光学实验数值仿真的三种方法及MATLAB实现
光学实验数值仿真的三种方法及MATLAB实现李玉波;徐志宏【摘要】Based on the visualization of scientific computing software MATLAB,the use of physical principles of light intensitydistribution,quantum and volatility of light,using three numerical methods in several important optical experiments by computer simulation,the calculation results has been consistent with the experimental image,the teaching practice shows that the addition MATLAB simulation images and animations in the experi-mental class,will play some inspired role for optical experiments teaching.%基于科学计算软件MATLAB的可视化功能,利用光强分布、光的量子性和波动性的物理原理,采用三种数值方法对几个重要的光学实验进行计算机仿真模拟,得到了与实验图像一致的计算结果. 教学实践表明在实验课中加入MATLAB仿真图像和动画,将对光学实验教学起到一定的启发促进作用.【期刊名称】《大学物理实验》【年(卷),期】2015(028)005【总页数】4页(P102-105)【关键词】MATLAB;光学实验;蒙特卡洛;数值仿真;可视化【作者】李玉波;徐志宏【作者单位】国防科学技术大学,湖南长沙 410072;国防科学技术大学,湖南长沙410072【正文语种】中文【中图分类】O4-39MATLAB(Matrix Laboratory——矩阵工作室)是美国MathWork公司出品的商业数学软件,其主要功能包括数值计算、符号计算、图形图像处理等。
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仿真工具
MATLAB 语言规则与科技人员的书写习惯相近，易读易写， 易于在科技人员之间交流； MATLAB 是以解释方式工作的，即它 对每条语句解释后立即执行。若有错误也立即做出反应，便于 编程者马上改正。这些都大大减轻了编程和调试的工作量。
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(c) 强度曲线
双缝干涉图样成因
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1.0 0.8
I (A )
2
0.6 0.4 0.2 0 -400 -200 0 200 400
(a)双缝
(b) 干涉条纹
N(pixel)
(c)合成强曲线
双缝(间隔d=16)干涉图样
光学实验仿真的主要工作
10 2014-8-31
光的干涉
光的衍射 波像差
4f系统
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仿真方法
11 2014-8-31
光场叠加：根据波的叠加原理，计算满足条件
的各种波前，让它们在观察平面进行线性叠加 。
衍射光波传播：给出特定的干涉屏，在平行光
1 1 n 1
2 2 2
N N N
f1 N f2N f NN
Northwestern Polytechnical University 形成离散化图像矩阵
8 2014-8-31
(a)二维包裹位相
(b)连续位相
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两发散球面波的干涉图样
两会聚球面波的干涉图样
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15 2014-8-31
(a)强度分布
(b)相位分布
会聚球面波与发散球面波的干涉图样
光学实验仿真的可行性
3
2014-8-31
1. 国内外研究状况 2. 理论依据与仿真工具 3. 意 义
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国内外研究现状
科学计算
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美国最具代表性的是劳伦斯利弗莫尔实验室光传输模拟计算软
件Prop92[1,2]及大型总体优化设计软件CHAINOP和PROPSUITE[3]。 法国开发完成其具有自身特点的光传输软件 Miro[4] 。俄罗斯普 通物理实验室Fresnel4.0版是一套成熟的商业化光传输软件。
22 2014-8-31
光场的时间相干性，源于光源的有限光
谱宽度。具有有限光谱宽度的光源，它所 发出的光可看作许多不同波长的单色光成 分的组合，每个单色成分产生各自的干涉 图样。当光程差从零开始增大时，因波长 不同，各单色条纹图样之间的相对位移不 断增大，它们按强度叠加的结果，使合成 的干涉条纹的对比度下降。
照射下，根据衍射光波的传播理论，在与光轴 方向垂直的平面观察干涉图样。
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光场叠加
12 2014-8-31
两个点光源发出的光波场叠加干涉：点光源与
观察平面的相对位置不同，叠加产生的干涉条 文的分布也不相同。
多光束干涉：光束数目和强度会影响干涉条纹
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杨氏双孔干涉实验
29 2014-8-31
1.0 0.8 0.6
I
0.4 0.2 0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 u
(a) 干涉条纹
(d) 强度曲线
杨氏双孔干涉图样
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多光束干涉的实质是多个光波波前的叠
加，计算时需要用到循环，这就涉及到如 何存储每次循环计算所得的波前矩阵。仿 真时采用Matlab提供的多维数组来存储波 前计算结果。若是相干光叠加，将计算得 到的波前矩阵相加，根据得到的合成复振 幅计算强度；若是非相干光叠加，则分别 计算各个波前的强度，然后将结果相加得 到合强度。
1 2014-8-31
数字光学信息处理
第六章 光学信息处理的数值模拟与仿真
教师： 彭涛
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光学实验仿真的可行性
光学实验仿真的主要工作
光学实验仿真系统
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理论依据与仿真工具
理论依据
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在傅里叶光学中，通常是以线性系统理论为基础去分析各 种光学问题。在一定的限制条件下，光波的传播、衍射、成像 等现象都可以看作是线性的、空间不变的。所以可以用线性系 统分析的典型方法,特别是傅里叶分析法（频谱分析法），来简 化问题的讨论，更清晰地揭示出这些现象的物理实质。
仿真光学实验也可应用于基础光学教学。光学内容比较抽象，
如不借助实验，学生很难理解。为了克服光学实验对实验条件 要求比较苛刻的缺点，可采用计算机仿真光学实验，特别是光 学演示实验，配合理论课的进行，把光学课程涉及的大多数现 象展示在学生面前，以加深对光学内容的理解。
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光的衍射实验仿真
x0 P0 r x P
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y0
∑
d
y
z
瑞利-索末菲衍射
2 2 ( x x0 ) ( y y 0 ) 2 2 2 r d ( x x0 ) ( y y0 ) d 1 2 2 d
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(a)干涉图样强 度分布
(b) 平面光波与发散球面
光波干涉的位相差分布
(c) 平面光波与发散球面 光波干涉的位相差分布
平面光波与球面光波的干涉
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的分布于明锐程度。
光场时间相干性：源于光源的有限谱宽。
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a S1 c S2 b
点光源与干涉图位置示意图
观察平面与两点光源在同一平面:c平面
观察平面与两点光源连线所在平面平行:a平面 观察平面与两点光源连线所在平面垂直:b平面
24 2014-8-31
杨氏干涉实验的仿真(双缝和双孔）
x S1 S S2 扩展光源 R 屏 D 观察屏 P
d
杨氏干涉实验原理
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仿真算法
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输入二维灰度的双缝或双孔屏函数i(x, y)，对其进行
离散二维傅里叶变换得到频谱函数i(fx, fy)；
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1.0
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5
I
I
I
0
-6
-4
-2
0 u
2
4
6
0
-6
-4
-2
0 u
4
6
0
-6
-4
-2
0 u
2
4
6
(a) 与光源S对应 的干涉图样及强 度曲线
(b) 与光源S’对应 的干涉图样及强度 曲线
(c) (a)与(b)非相干叠 加产生的干涉图样及 强度曲线
两个间隔b=0.19cm的点光源产生的干涉条纹非相干叠加
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25 20
N=5 N=4 N=3 N=2 -1 0 () 1
I (A )
2
15 10 5 0
(a) N=2
(b) N=3
等强度多光束干涉图 样的强度分布
(c) N=4
(d) N=5
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1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -4 -2 0
l
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
2
4
0
-4
-2
0
l
2
4
(a) ∆l0.6nm
(b) ∆l1nm
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1 Δf x MΔ x
1 Δf y NΔy
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杨氏双缝干涉实验
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1.0 0.8
I (A )
2
0.6 0.4 0.2 0 -400 -200 0 200 400
N(piexl)
(a) 单缝衍射
(b) 双光束干涉
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30