23-光学信息处理2-相干光学信息处理、应用.

空间滤波和光信息处理实验

实验十一 空间滤波和光信息处理 空间滤波指在光学系统的傅里叶频谱面上放置适当的滤波器，以改变光波的频谱结构，使得像达到预期要求。在此基础上，发展了光学信息处理技术，利用光学手段，对输入信息（包括图像、光波频率和振幅）实施运算或变换，以便对相关信息进行提取、编码、存储、增强、识别和恢复。早在1873年，德国人阿贝（E. Abbe,1840~1905）在蔡司光学公司任职期间研究如何提高显微镜的分辨本领时，首次提出了二次衍射成像的理论。阿贝和波特（A.B. Porter ）分别于1893年和1906年以一系列实验证实了这一理论,说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。1935年，泽尼可（Zernike ）提出了相衬显微镜的原理，将物光的位相分布转化为光强分布，并用光学方法实现图像处理。这些早期的理论和实验其本质上都是一种空间滤波技术，是傅里叶光学的萌芽，为近代光学信息处理提供了深刻的启示。但由于它属于相干光学的范畴，在激光出现以前很难将它在实际中推广使用。随着激光器、光电技术和全息技术的发展，它才重新振兴起来，其相应的基础理论——“傅里叶光学”形成了一个新的光学分支。目前，光学信息处理在信息存储、遥感、医疗、产品质量检测等方面得到了广泛应用。 一、实验目的 1．了解傅里叶光学基本理论的物理意义，加深对光学空间频率、空间频谱和空间频率滤波等概念的理解。 2．掌握方向、低通、高通滤波技术，观察滤波效果，加深对光信息处理本质的认识。 3．理解θ调制法假彩色编码原理，掌握光栅衍射基本理论。 二、实验仪器 He-Ne 激光器、激光器架（或光源二维调节架）、导轨、扩束器、光栅、平面镜、透镜架、二维调节架、凸透镜焦距150、190、225 mm 各一个、旋臂架、毛玻璃屏、交叉光栅（二维光栅）、干版架、频谱滤波器、滤波器组（方向、低通、高通、零级、小孔）、网格字、白光源、θ调制板、纸板架、白纸板和大头针。 三、实验原理 1. 阿贝成像原理 设有一个空间二维函数),(y x g ，其二维傅里叶变换为 [](,)(,)exp 2()G g x y i x y dxdy ξηπξη∞∞=-+??-∞-∞ (1)

光电信息处理论文

题目：光子信息处理技 专业：电子信息科学与技术学生姓名：贾玉新 学号：20121601010212

光子信息处理技术 （一）光子信息处理技术的定义：光子学信息处理是一门研究以光子为载体对信息进行处理的科学分支，是光子学的一个主要研究领域。 60年代初，由于发射相干光的激光器的问世以及记录和再现三维波面的全息技术的发明，使得光子不仅作为零维信息的载体而且作为多维信息的相干载体变为现实，同时也为信息的光子直接处理开辟了实质意义上的新途径，并显示出光子比电子处理的无以比拟的优点，从而开拓和迅速地发展了以图像处理为主要内容的光信息处理学科。近十年来，由于通信和计算的需要，信息的处理从模拟量向数字量转化，信息的传递从空不变到空变交换转化；由于大批生产的微电子工艺的渗人，光学元件的制作从单个冷加工工艺向大批量复制工艺转化；由于半导体光子学器件的发展，光学分立式块结构器件向集成化微结构器件转化。这些变化促使子信息处理技术成为研究内容广泛、目标明确并涉及光学、通信学、计算机学、微电子学、材料学、生物学等的一门交叉性高科技学科。充分利用光子作为信息载体所具有的高速、高效率、高并行能力等，以完成信息处理的诸多功能，这是光子信息处理的主要研究内容，而数字化和微结构化是当代光子信息处理的主要技术特征。 1, 光子信息处理的发展 光子信息处理技术的主要研究内容及其发展情况可概括为以下四个领域：光信息处理，光互连技术，空间光调制器，光子系统的微型化和集成化． (1) 光信息处理: 以光子为载体对信息进行加工处理，目前大体上有三种方式，即模拟光学方式、数字光学方式和光电子学处理。模拟光学和数字光学处理都可分为对数值进行计算和对图像进行处理的两大应用领域。光电子处理可分为光电混合处理和光互连的电子处理两大类。 A 模拟光学处理模拟光学信息处理由于具有大信息容量，并行高速等特点已在光 信息处理领域获得广泛应用。具有代表性的系统有： a, 特征识别的光学相关器原理基于光学傅里叶变换，基本结构有两种，在频谱面上直接综合的全息匹配滤波和用特征图像变换综合的光学联合变换。光学相关器在原理、体系、光学实现等各方面进行了广泛而深人的研究，目前重点是实用化； b, 综合孔径雷达光学成像综合孔径雷达的接收信号可采用扫描的方法生成二维图像，经光学傅里叶滤波后可取得物体三维数据，地面上的光学处理系统已经实用，研制低能耗的机载或星载系统将对电子计算机处理有相当的竞争力； c, 光学神经网络神经网络是由广泛互连的简单处理器所构成的并行、分布处理的体系，不同于编程操作的数字计算机，它具有自学习、自组织和高容错

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。由于它的引进推动了光学信息处理的发展。 2 傅里叶光学的介绍 光信息科学与技术是研究光子的产生、传输、控制、探测、存储与处理的科学，是继

信息光学实验指导书

实验2 阿贝成像与空间滤波实验 实验目的 1、 验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解； 2、 初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用； 3、 了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。 实验原理 傅立叶变换在光学成像系统中的应用 在信息光学中、常用傅立叶变换来表达和处理光的成像过程。设一个xy 平面上的光场的振幅分布为g(x,y)，可以将这样一个空间分布展开为一系列基元函数[])(exp y f x f iz y x +π的线性叠加。即： []y x y x y x df df y)f x 2i π(f exp ),f G(f g(x,y)+= ??∞∞ - (2-1) y x f f ，为x,y 方向的空间频率，量纲为1L -;)(y x f f G 是相应于空间频率y x f f ，的基于原函数的权重，称为空间频谱函数，)(y x f f G 可由求得： [] dxdy y f x f i f f f f G y x y x y x )(2-exp ),(g )(+= ??∞ ∞ -π (2-2) ),(y x g 和)(y x f f G 实际上是对同一光场的的两种本质上的等效的描述。 当g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频谱就是不连续的。例如空间频率为0f 的一维光栅，其光振幅分布展开成级数：)2exp()(0 ∑∞ -∞ == n x nf i x g π 阿贝成像原理 傅立叶变换在光学成像中的重要性，首先在显微镜的研究中显示出来。1874年，德国人阿贝从波动光学的观点提出了一种成像理论。他把物体通过凸透镜成像的过程分为两步：（1）从物体发出的光发生夫琅和费衍射，在透镜的像方焦平面上形成其傅立叶频谱图；（2）像方焦平面上频谱图各发光点发出的球面次级波在像平面上相干叠加形成物体的像。阿贝成像原理是现代光学信息处理的理论基础，空间滤波实验是基于阿贝成像原理的光学信息处理方法。 成像的这两步骤本质上就是两次傅立叶变换，如果物的振幅分布是),(y x g ，可以证明在物镜后面焦面x'，y ' 上的光强分布正好是g(x,y)的傅立叶变换 )(y x f f G 。（只要令,,F y f F x f y x λλ' ='= 为F 为波长，λ物镜焦距）。所以第一步

信息光学

湖北省高等教育自学考试大纲 课程名称：信息光学课程代码：7076 第一部分课程性质与目标 一、课程性质与特点 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 信息科学的重要组成部分，也是现代光学的核心。 本课程主要从两个方面介绍信息光学的基本内容：一是信息光学的基础理论，包括线性系统理论、标量衍射理论、传递函数理论等；二是信息光学的主要应用，包括光学全息、计算全息、空间滤波、光学相干和非相干处理等。 二、课程目标与基本要求 通过本课程的教学，使学生了解和掌握光信息科学的基本理论及基本技术，了解光信息科学的实际应用，培养学生理论联系实际，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，提高学生解决实际问题的能力。 三、与本专业其他课程的关系 《信息光学》是光机电一体化工程专业的一门专业课，其先修课程主要包括普通物理、高等数学、傅立叶变换、光学等课程。 第二部分考核内容与考核目标 第一章线性系统分析 一、学习目的与要求 本章基本内容为：常用数学函数，卷积与相关，傅立叶变换性质及定理，线性系统分析，二维光波场分析。 本章是本课程的基础，要求学生在解决光学问题中能熟练运用其性质和定理，线性系统与光学系统的关联，加深对空间频率、空间频谱概念的理解。二、考核知识点与考核目标 （一）（重点） 识记：常用数学函数；卷积；互相关、自相关；傅立叶变换；线性系统；线性平移不变系统 理解：傅立叶变换性质；线性系统分析；空间频率、空间频谱； 应用：单色平面波空间频率的计算 （二）（次重点） 识记：卷积、相关的性质； 理解：傅立叶变换基本定理 第二章标量衍射理论 一、学习目的与要求 本章基本内容为：基尔霍夫积分定理；基尔霍夫衍射公式；菲涅耳衍射和夫朗和费衍射；透镜的傅立叶变换特性。 本章是教学的重点，是信息光学的基础，要求学生掌握标量波衍射理论，侧重利用菲涅耳衍射与卷积、夫朗和费衍射与傅立叶变换关系解决问题；掌握光波

光学信息处理

光学信息处理 【摘要】： 光学信息处理，是对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理的技术。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。实验中以傅里叶光学为基本原理，利用光学信息处理的方法，观察了空间滤波现象，利用空间滤波器进行方向滤波，利用两个正交光栅验证卷积定理，利用复合光栅观察光学微分现象，利用4f系统进行θ调制，从而对光学信息处理加深认识，了解其基本思想。 【关键词】： 傅里叶光学、空间频谱、方向滤波、卷积定理、光学微分 一、前言 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光波的传播、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。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。 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，式中fx、fy为x、y方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (fx，fy)表示原函数g (x，y)中相应于空间频率为fx、fy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。G (fx、fy)可由g (x，y)的傅里叶变换求得 ，g(x，y)与G (fx，fy)是一对傅里叶变换式，G (fx，fy)称为g(x，y)的傅里叶的变换，g(x，y)是G (fx，fy)的逆变换，它们分别描述了光场的空间分布及光场的频率分布，这两种描述是等效的。 在光学上，透镜是一个傅里叶变换器，它具有二维傅里叶变换的本领。理论证明，若在焦距为F的正透镜L的前焦面（X-Y面）上放一光场振幅透过率为g(x，y)的物屏，并以波长为λ的相干平行光照射，则在L的后焦面（X′-Y′面）上就得到g(x，y)的傅里叶变换，即g(x，y)的频谱，此即夫琅禾费衍射情况。当λ、F一定时，频谱面上远离坐标原点的点对应于物频谱中的高频部分，中心点x′=y′=0，fx=fy=0对应于零频。 按频谱分析理论，谱面上的每一点均具有以下四点明确的物理意义： （1）谱面上任一光点对应着物面上的一个空间频率成分。 （2）光点离谱面中心的距离，标志着物面上该频率成分的高低，离中心远的点代表物面上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物面的低频成分，反映物的粗轮廓。中心亮点是0级衍射即零频，反映在像面上呈现均匀背景。 （3）光点的方向，指出物平面上该频率成分的方向，例如横向的谱点表示物面有纵向栅缝。（4）光点的强弱则显示物面上该频率成分的幅度大小。 卷积本身的概念比较抽象，卷积运算比较复杂。但是在理论上可以证明：两个函数乘积的傅里叶变换，等于它们各自的傅里叶变换的卷积。反之，两个函数卷积的傅里叶变换，等于它们各自傅里叶变换的乘积。这个卷积定理指出：傅里叶变换可以化复杂的卷积运算为简

陈家璧版 光学信息技术原理及应用习题解答(3-4章)

第三章 习题 3.1 参看图3.5，在推导相干成像系统点扩散函数（3.35）式时，对于积分号前的相位因 子 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡+2220202002exp )(2exp M y x d k j y x d k j i i 试问 （1）物平面上半径多大时，相位因子 ⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡+)(2exp 20200y x d k j 相对于它在原点之值正好改变π弧度？ （2）设光瞳函数是一个半径为a 的圆，那么在物平面上相应h 的第一个零点的半径是多 少？ （3）由这些结果，设观察是在透镜光轴附近进行，那么a ，λ和d o 之间存在什么关系时可 以弃去相位因子 ⎥⎦ ⎤⎢⎣⎡+)(2exp 20200y x d k j 3.2 一个余弦型振幅光栅，复振幅透过率为 00002cos 2 1 21),(x f y x t π+= 放在图3.5所示的成像系统的物面上，用单色平面波倾斜照明，平面波的传播方向在x 0z 平面内，与z 轴夹角为θ。透镜焦距为f ，孔径为D 。 （1）求物体透射光场的频谱； （2）使像平面出现条纹的最大θ角等于多少？求此时像面强度分布； (3) 若θ采用上述极大值，使像面上出现条纹的最大光栅频率是多少？与θ=0时的截止频率比较，结论如何？ 3.3光学传递函数在f x = f y =0处都等于1，这是为什么？光学传递函数的值可能大于1吗？如果光学系统真的实现了点物成点像，这时的光学传递函数怎样？ 3.4当非相干成像系统的点扩散函数h I （x i ，y i ）成点对称时，则其光学传递函数是实函数。 3.5 非相干成像系统的出瞳是由大量随机分布的小圆孔组成。小圆孔的直径都为2a ，出瞳到像面的距离为d i ，光波长为λ，这种系统可用来实现非相干低通滤波。系统的截止频率近

《信息光学》教学大纲

《信息光学》课程教学大纲 一、课程基本信息 二、课程简介 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。本课程主要介绍信息光学的基础理论及相关的应用，内容涉及二维傅里叶分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论、光学全息照相、空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理、信息光学在计量学和光通信中的应用等。 三、课程目标 本课程是光电信息科学与工程专业的主要专业课程之一，设置本课程的目的是让学生掌握信息光学的基本概念、基础理论及光信息处理的基本方法，了解光信息处理的发展近况和运用前景。为今后从事光信息方面的生产，科研和教学工作打下基础。 四、教学内容及要求 第一章信息光学概述（2学时） 1.信息光学的基本内容和发展方向 2.光波的数学描述和基本概念 3.相干光和非相干光 4.从信息论看光波的衍射 要求： 1.了解信息光学的内容和发展方向

2.掌握相干光和非相干光的特点 3.掌握从信息论的观点看光波的衍射。 重点：空间频率，等相位面。从信息光学看衍射的基本观点。 难点：空间频率，光波的数学描述。 第二章二维傅里叶分析（8+2学时） 1．光学常用的几种非初等函数 2．卷积与相关 3．傅里叶变换的基本概念 4．线性系统分析 5．二维采样定理 要求： 1．了解光学中常用非初等函数的定义、性质，熟悉它们的图像及在光学中的作用2．了解卷积与相关的定义及基本性质 3．熟悉傅里叶变换的基本原理，性质和几何意义 4．熟悉系统的基本概念及线性系统分析的基本理论 5．了解二维采样定理及其应用 6．本章强调概念的物理意义理解，以定性和应用为主。避免与《信号与系统》课程重复。 重点：δ函数的意义和运算特性，傅里叶变换性质、定理，相关和卷积的意义及运算，线性空间不变系统的特性。 难点：卷积，傅里叶变换、系统分析。 第三章标量衍射理论（6+2学时） 1．基尔霍夫衍射理论 2．菲涅耳衍射和夫琅和费衍射 3．夫琅和费衍射计算实例 4．菲涅尔衍射计算实例 5．衍射的巴俾涅原理 要求： 1．了解基尔霍夫衍射理论 2．熟悉菲涅耳- 基尔霍夫衍射公式及其物理意义 3．熟悉菲涅耳衍射与夫琅和费衍射 4．掌握常见夫琅和费衍射光场的分析与计算 5．了解菲涅耳衍射光场的分析和计算 6．了解巴俾涅原理及其应用 重点：如何用二维傅里叶变换来分析和计算夫琅和费衍射。空间频谱、角谱及谱面上的

信息光学重点总结

1.什么是脉冲响应函数？其物理意义是什么? 脉冲响应函数(Impulse Response Function ）也叫点扩散函数(Point-Spread Function),其表达式为： )},({),;,(1 12 2ηξδηξ--=y x y x F h ，表示在光学系统输入平面式位于ηξ==y x 1 1,点的单位脉冲（点光 源），通过系统以后在输出平面上),(2 2y x 点得到的分布，它是输入输出平面上坐标的四元函数。脉冲响应函 数表征光学成像系统的成像质量好坏，对于一般的成像系统,由于其存在相差且通光孔径有限，输入平面上的一点（有δ函数表示）通过系统后，在输出平面上不是形成一个像点，而是扩散成一个弥散的斑，这也就是为什么把脉冲响应函数称为点扩散函数的原因。换句话说,如果没有相差且通光孔径无限大（没有信息散失，物空间的信息完全传递到像空间），则在像平面上即得到和物平面上完全一样的点。 2.什么是传递函数？其物理意义是什么？ 在线性空间不变系统中，我们把系统的脉冲响应函数的傅里叶变换叫做该系统的传递函数，即:)},({),( y x h F H f f y x =，它表示系统在频域中对信号的传递能力。传递函数和脉冲响应函数都是用来描 述线性空间不变系统对输入信号的变换作用，两种方法是等效的。只不过脉冲响应函数是在空域中描述，而传递函数是在频域中对系统传递信号能力的描述。 3.什么是线性系统？什么是线性空间不变系统?有哪些性质? 若系统对一线性组合信号的响应等于单个响应的同样的线性组合，则该系统就是线性系统。用数学表 达式表示如下： )} ,({),()} ,({),(1 11 2 21 1 1 2 2 y x f a y x g a y x f y x g i n i i i n i i i i F F ∑∑====,其中 ),(1 1 y x f i 代表对系统的激励，),(2 2 y x g i 代 表系统相应的响应，a i 是任意复常数. 线性空间不变系统是线性系统的一个子类,它表示若输入信号在空间发生了平移，则输出信号也发生相应的位置平移。对于成像系统来说，若物函数分布不变，仅在物平面上发生一位移,则对应的像函数形式不变，也只是在像平面上有一个相应的位移。 线性空间不变系统的性质: （1）等晕性。),()},({),;,( 2 2 1 1 2 2 ηξηξδηξ--=--=y x y x y x h F h ,当点光源在物场中移动时，其像斑只 改变位置，而不改变其函数形式. （2）脉冲响应函数h 即可完全描述线性空间不变系统的性质。 ),(),(),(2 22 22 2y x y x y x h f g *=,对于线性空间不变系统，输出函数可以表示为输入函数与系统脉冲响 应在输出平面上的一个二维卷积。 （3）傅里叶变换形式简单。对于线性空间不变系统，脉冲响应函数的傅里叶变换)},({),( y x h F H f f y x =可 以用来描述系统在频域内对输入信号的变换作用,我们称其为系统的传递函数，其对线性空间不变系统的理论和求解运算都有重要的意义。 4.透镜在傅里叶光学中的作用？ 透镜是光学成像系统和光学信息处理系统中最基本的元件。透镜的作用有： （1）透镜起到位相调制作用.透镜对入射光的位相变换作用是由透镜本身的性质决定的，而与入射光的复振幅无关。 （2）透镜起到傅里叶变换作用.这是透镜在傅里叶光学中最重要的作用，用透镜实现傅里叶变换,主要有两种

光学信息处理

光学信息处理 [填空题] 1计算下列一维卷积。 参考答案： [填空题]

2有两个线性平移不变系统，它们的原点脉冲响应分别为h 1 （x）=sinc（x）和 h 2=sinc（3x），试计算各自对输入函数f（x）=cos2πx的响应g 1 （x）和g 2 （x）。 参考答案： [填空题] 3证明：若λ 2=λ 2 ，及Z p =Z r ，则得到一个放大率为1的虚像；面若λ 2 =λ 2 ， Z p =-Z r 时，则得到一个放大率为1的实像。 参考答案：由全息再现公式的第二组可得Z i =Z ，M＝1，左方，虚像。由全息再 现公式的第一组可得Z i =-Z ，M=1，右方，实像。 [填空题] 4彩虹全息照相中使用狭缝的作用是什么？为什么彩虹全息图的色模糊主要发生在与狭缝垂直的方向上？ 参考答案：在彩虹全息照相中使用狭缝的目的是为了能在白光照明下再现准单色像.在普通全息照相中、若用白光照明全息图再现时，不同波长的光同时进入人眼，我们将同时观察到相互错位的不同颜色的再现儡，造成再现像的模糊，即色模糊.在彩虹全息照相中，由于狭绕起了分色作用，再现过程中不同波长的光对应不同的水平狭缝位置龙过某一狭经位置只能看到某一准单色的像，从而避免了色模糊。 在彩虹全息照相中，为了便于双眼观察，参考平面波的选择总是使全息图的光栅结构主要沿水平方向，因面色散沿竖直方向.狭缝沿水平方向放置，这样色散方向与狭缝垂直，即色模糊主要发生在与狭缝垂直的方向上。这样做的结果便于人眼上下移动选择不同颜色的准单色像。 [填空题] 5一种类似傅奇型计算全总图的方法，称为黄氏（肋贝d8）法，这种方法在偏置项中加入物函数本身，所构成的全息函数为:

光学信息处理实验

光学信息处理实验

阿贝成像与空间滤波实验 .............................. 2 θ调制 . (5) 光栅自成像实验 (8) 马赫—泽德干涉仪 (10) 阿贝成像与空间滤波实验 光学信息处理是在上世纪中叶发展起来的一门新兴学科， 1948年首次提出全息术，1955年建立光学传递函数的概念，1960年诞生了强相干光——激光，这是近代光学发展历史上的三件大事。而光学信息处理的起源，可以追溯到阿贝的二次成像理论的提出和空间滤波技术的兴起。空间滤波的目的是通过有意识地改变像的频谱，使像产生所希望地变换。光学信息处理则是一个更为广阔地领域，它主要是用光学方法实现对输入信息的各种变换或处理。阿贝于1893年，波特于1906年为验证这一理论所作的实验，说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系。 实验目的 频谱滤波实验是信息光学中最典型的实验，通过对频谱的观察和动手完成阿贝——波特实验（方向滤波），高通滤波、低通滤波实验，可加深对傅立叶信息光学中的空间频率、空间频谱、空间滤波和阿贝成像原理的理解和认识。首先，叙述一下实验原理。 实验原理 阿贝认为在相干的平行光照明下，透镜的成像可以分为两步，第一步是平行光透过物体后产生的衍射光，经透镜后在其后焦面上形成衍射图样。第二步是这些衍射图上的每一点可以看作是相干的次波源，这些次波源发出的光在像平面上相干叠加，形成物体的几何像。 成像的这两步，从频谱分析的观点来看，本质上就是两次傅立叶变换，如果物光的复振幅分布是g(x 0,y 0),可以证明在物镜后焦面),(ηξ上的复振幅分布是g(x 0,y 0)的傅立叶变换G ),(y x f f （只要令f f f f y x ληλξ==,；λ为波长，ƒ为透镜的焦距）。所以第一步就是将物光场分布变换为空间频率分布，衍射图所在的后焦面称频谱面（简称谱面或者傅氏面）。第二步是将谱面上的空间频率分布作逆傅氏变换还原成为物的像（空间分布）。按照频谱分析理论，谱面上的每一点均有以下四点明确的物理意义。 第一点：谱面上任一光点对应着物面上的一个空间频率分布。 第二点：光点离谱面中心的距离标志着物面上该频率成分的高低，离中心远的点代表物面上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物面的低频成分，反映物的粗轮廓，中心亮点是0级衍射即零频，她不包含任何物的信息，所以反映在像面上呈现均匀的光斑而不能成像。

光学信息处理及其应用

光学信息处理及其应用 摘要：光学信息处理是一个广泛的领域，是现代信息处理技术中一个重要的组成部分。所谓光学信息，是指光的强度（振幅）、相位、颜色（波长）和偏振态等。本文限定两个方面，一方面是基于空间频域分析，就用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。较多用于二维图像的处理。另一方面用光学方法对信息进行处理，如实现各种变换和运算。从所处理的系统是否满足线性条件，可分为线性处理技术和非线性处理技术。从实用的光源相干性可分为相干光处理技术、非相干光处理技术和白光处理技术。本文主要从这几个方面讨论光信息处理的原理及应用。 关键词：光学信息处理空间滤波相干光非相干光白光光计算 一.光学信息处理发展简介 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。 光学信息处理是基于光学频谱分析，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程，较多用于对二维图像的处理。 光学信息处理的发展有迹可循。多名科学家为它的形成付出了努力： 1873年，德国科学家阿贝（Abbe）创建了二次衍射成像理论，认为相干照明下显微镜成像过程可分作两步：首先，物平面上发出的光波在物镜后焦面上得到第一次衍射像；然后，该衍射像发出次波干涉而构成物体像，称为第二次衍射像。 显微镜的相对孔径越大，系统的通频带越宽，物体中所包含的高频信息在成像过程中的损失就越少，像的质量就越高。相对孔径越小，在传递过程中高频信息的损失就越大，像的失真或畸变就越严重，清晰度或分辨率越低。 1935年，物理学家泽尼克发明了相衬显微镜。1963年，范德拉格特（A. Vander Lugt）提出了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。90年代初，Mok等成功演示了在一个2cm×1.5cm×1cm的掺铁银酸铿晶体中存储5000个全息图的实验。全息存储是以全息图的形式进行光学存储。在片基上的疵病诸如划痕和灰尘都不会破坏信息，只是在信息再现时稍微增加了一点噪声，因而疵病并不意味着某一部分信息的损失。 20世纪80年代以后，随着关键器件——空间调制器的日益完善，光学信息处理以其速度快、抗干扰能力强、并行处理等特点逐渐显示其独特的优越性，成为当今最热门学科方向。 二．空间滤波 空间滤波（spatial filtering）是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它采用滤波处理来增强影像。这样做的目的是改善影像质量，包括去除高频噪声与干扰，及影像边缘增强、线性增强以及去模糊等。其理论基础是空间卷积。 在光学信息处理系统中，空间滤波需要借助空间滤波器来实现。空间滤波器是位于空间频率平面上的一种吸收膜片，它可以减弱或去掉某些空间频率成份，

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。

现代光电信息处理技术2

1.在空域中，如何利用δ函数进行物光场分解。 答：δ函数常用来描述脉冲状态这样一类物理现象。空间变量的δ函可以 描写诸如单位光通量的点光源的面发光度等。其定义： ,000,0{)(y y x x y y x x ==∞=--其他 δ ⎰⎰∞∞-=--1)(0,0dxdy y y x x δ 考察平行光束通过透镜后会聚于焦点时的照度分布，后焦面上的照度 分布可用δ（x,y)描述。任何输入函数都可以表达为 ()()()ηξηξδηξd d y x f y x f 1⎰⎰∞ ∞-111--=,,,该式表明，函数()1y x f 1, 可以分解 成为在1y x 1, 平面上不同位置处无穷多个δ函数的线性组合。 2.卷积与相关各表示什么意义？在运算上有什么差异？ 答：①卷积既是一个由含参变量的无穷积分定义的函数，又代表一种运算。 由于光学图像大多是二维平面图像，故定义函数()y x g ,和()y x h ,的二维卷积为 ()()()()ηξηξηξd d y x h g y x h x g ⎰⎰∞∞---=*,,,。假设线光源置于会聚透 镜L 1的前焦平面上，其方向与x 0轴方向一致，其强度分布为I 0(x 0), 求透镜L 2后焦平面上的强度分布： I i (x i )=εεεd x P I i )()(0-⎰∞∞- 其中，I i (x i )是像平面上某点x i 处的总光强I i (x i )，P(x i )是单位强度 的点光源对应的像强度分布。由上式可知，光学系统像平面上的光强 分布是物的光强分布与单位强度点光源对应的像强度分布的卷积。这 就是卷积在光学成像中的物理意义。 ②互相关的定义为： ),(),(),(),(*),(y x g y x f d d y x g f y x e fg ⎰⎰∞ ∞-ψ=++=ηεηεηε 式中，*表示函数的复共轭。互相关是两个信号间存在多少相似性或者 关联性的量度。两个完全不同的，毫无关联的信号，对所有位置，它 们互相关的值应为零。如果两个信号由于某种物理上的联系在一些部 位存在相似性，则在相应位置上就存在非零的互相关值。 ③比较卷积和相关的定义式可以看出，相关和卷积的区别仅在于相关 的运算中，函数f(x,y)应取复共轭，但图形不需要翻转，而位移，相 乘和积分三个过程是两者共通的。 3.空间傅里叶变换的物理意义，具有哪些基本性质？哪些函数的傅里叶换本身还是该类型函数？他们具有哪些特点？ 答：①空间傅里叶变换得物理意义是：在处理线性系统时，常用的方法是 把一个复杂的输入分解成许多较简单的基元的输入，计算该系统对每 一个这样的基元函数的响应，再把所有的单个响应叠加起来得到总响应。傅里叶分析提供了一个进行这种分解的基本手段。由傅里叶逆变

中科大研究生信息光学复习题

信息光学习题 问答题 1. 傅里叶变换透镜和普通成像透镜的区别。 答： 普通透镜 要求共轭面无像差，为此要消除各种像差。由几何关系可计算平行光入射在透镜后焦面得到的像高u f h cos /ηλ=，因为 λ = ηλη==⋅=u u f u u f tgu f h sin ,cos cos sin 。 傅里叶变换透镜 频谱面上能够获得有线性特征的位置与空间频率关系 ηλ=f h 。 普通透镜和傅里叶透镜对平行光输入在后焦面上光点的位置差 3 2 1sin 'fu u f ftgu y ≈ -=∆称频谱畸变。 普通透镜只有在u 很小时才符合傅里叶变换透镜的要求。要专门设计消除球差和慧差，适当保留畸变以抵消频谱畸变。 2. 相干光光学处理和非相干光光学处理的优缺点。 答：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。 相干光信息处理满足复振幅叠加原理。因为复振幅是复数，因此有可能完成加、减、乘、除、微分、积分等多种运算和傅里叶变换等。 在非相干光学系统中，光强只能取正值。信息处理手段要少。 相干光学信息处理的缺点： （1）相干噪声和散斑噪声。 相干噪声：来源于灰尘、气泡、擦痕、指印、霉斑的衍射。产生杂乱条纹，对图像叠加噪声。

散斑噪声：激光照射漫反射物体时（生物样品，或表面粗糙样品），物体表面各点反射光在空间相遇发生干涉，由于表面的无规则性，这种干涉也是无规则的，物体表面显出麻麻点点。 （2）输入输出问题 相干光信息处理要求信息以复振幅形式在系统内传输，要制作透明片和激光照明。而现代电光转换设备中CRT ，液晶显示，LED 输出均为非相干信号。 （3）激光为单色光，原则上只能处理单色光，不能处理彩色图像。 非相干光处理最大优越性是能够抑制噪声。 3. 菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的区别与联系。 按照近似程度的不同，衍射场的计算可分 （1）菲涅尔衍射―――――观察屏离衍射物不太远 （2）夫琅和费衍射―――――光源与观察屏距屏都相当于无穷远 当满足菲涅耳衍射的充分条件 [] 2max 20203)()(81 y y x x z -+->> λ 时 )](2exp[*),()exp(12z )()(jk exp )y ,x (z j jkz) exp )y x,(2200 02020000y x z k j y x U jkz z j dy dx y y x x U U +λ-+-λ=⎰⎰∞ ∞＝ 〕〔（－ 可近似为

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）

第八章陈家璧版_光学信息技术原理及应用习题解答

第八章 习 题解答 8．1利用4f 系统做阿贝—波特实验，设物函数t （x 1，y 1）为一无限大正交光栅 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡*⨯⎥⎦⎤⎢ ⎣⎡*=)comb(rect()comb()rect(),(2121211111 1111b y a y b b x a x b y x t 其中a 1、a 2分别为x 、y 方向上缝的宽度，b 1、b 2则是相应的缝间隔。频谱面上得 到如图8-53（a ）所示的频谱。分别用图8-53（b ）（c ）（d ）所示的三种滤波器进行滤波，求输出面上的光强分布（图中阴影区表示不透明屏）。 （a ） （b ） （c ） （d ） 图8.53（题8.1 图） 答：根据傅里叶变换原理和性质，频谱函数为 T ( f x , f y ) = ℱ [ t ( x 1 , y 1 )] = { 11b ℱ [)re ct(11a x ]·ℱ [)comb(11b x ] } *{2 1 b ℱ [)rect(21a y ·ℱ [)comb(21b y ]} 将函数展开得 T ( f x , f y ) = {}•••++++)δ()sinc()δ()sinc()sinc( 1 11111111b 1 b 1-x x x f b a f b a f a b a * { }•••++++)δ()sinc()δ(sinc()sinc(2 22222222b 1b 1-y y y f b a f b a f a b a （1） 用滤波器（b ）时，其透过率函数可写为

11 11/0(,)0 1/x y x y x y f b f F f f f b f =±=⎧=⎨ ≠=⎩任何值 滤波后的光振幅函数为 T ·F = [])δ()δ()sinc(1 11111b 1b 1-++x x f f b a b a 输出平面光振幅函数为 t ’（x 3，y 3）= ℱ -1[ T ·F ] = )]}(exp[)](){exp[sinc(13131111b 2-b 2x j x j b a b a ππ+ = )(cos )sinc(1 31111b 22x b a b a π• 输出强度分布为 I （x 3，y 3）= )(cos )(sinc 13 21122 12 1b 24x b a b a π• = )cos()(sinc 1311 22 1 2 1b 42x b a b a π• - C 其中C 是一个常数，输出平面上得到的是频率增加一倍的余弦光栅。 （2）用滤波器（c ）时，其透过率函数可写为 1 ,0 (,)0 x y x y x y f f F f f f f ≠⎧=⎨==⎩ 滤波后的光振幅函数为 T ·F = {}•••+++)()sinc()()sinc(11111111b 1 b 1-x x f b a f b a b a δδ * { }•••+++)()sinc()()sinc(2 222222 2b 1 b 1-y y f b a f b a b a δδ 输出平面光振幅函数为 t ’（x 3，y 3）= ℱ -1[ T ·F ] = { [)(rect 1311 a x b *])comb(13b x - )rect(1 311b x b a }

光学信息技术原理及应用课后答案

第一章 习题解答 1.1 已知不变线性系统的输入为 ()()x x g com b = 系统的传递函数⎪ ⎭ ⎫ ⎝⎛b f Λ。若b 取（1） 50=.b （2）51=.b ，求系统的输出()x g '。并画出输出函数及其频谱的图形。 答：（1）()(){}1==x x g δF 图形从略， （2）()()()()()x s co f f δf δx g x x x πδ23 2+1=⎭ ⎬⎫⎩ ⎨⎧ 1+3 1+1-31+=F 图形从略。 1.2若限带函数()y x,f 的傅里叶变换在长度L 为宽度W 的矩形之外恒为零， （1）如果L a 1< ，W b 1<，试证明 ()()y x f y x f b x a x ab ,,sinc sinc =*⎪⎭ ⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1 证明： (){}(){}(){}()()(){}(){}()y x,f b x sinc a x sinc ab bf af rect y x f y x,f bf af rect y x f W f L f rect y x f y x,f y x y x y x *⎪⎭ ⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1==∴=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=,,F F ,,F ,,F F 1- （2）如果L a 1> ， W b 1 >，还能得出以上结论吗？ 答：不能。因为这时(){}(){}()y x y x bf af rect y x f W f L f rect y x f ,,F ,,F ≠⎪⎪⎭ ⎫ ⎝⎛。 1.3 对一个空间不变线性系统，脉冲响应为 ()()()y x y x h δ77=sinc , 试用频域方法对下面每一个输入()y x f i ,，求其输出()y x g i ,。（必要时，可取合理近似）