信息光学实验讲义一
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。
信息光学光学全息精讲
全息图片
全息图片
当照明光波与参考光波均为正入射的平面波时，入射到 全息上的相位可取为零。这时U3和U4中的系数均为实 数，无附加相位因子，全息图衍射场中的+1级和-1级光 波严格镜像对称。由共轭光波U4所产生的实像，对观察 者而言，该实像的凹凸与原物体正好相反，因而给人以 某种特殊的感觉，这种像称为赝像。
激光高度相干性，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，并且相干噪声也很 严重，这给全息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 图可能是白光记录和白光再现的全息图，它将使全息术最 终走出实验室，进入广泛的实用领域。
除了用光学干涉方法记录全息图，还可用计算机和绘图设 备画出全息图，这就是计算全息（Computer Generated Hologram，简称CGH)。计算全息是利用数字计算机来综合 的全息图，不需要物体的实际存在，只需要物光波的数学描 述，因此具有很大的灵活性。
例题：设一列单色平面波的传播方向平行于xz平面并与z轴成角，如图（a) 所示 （1）写出原始光波和共轭光波的表达式； （2）写出原始光波和共轭光波在z=0的平面上的表达式，再讨论它们的传 播方向。
xk
o
z
(a )
x
o
z
k
(b)
解（1）单色平面波和其共轭波的复数表达式为
xk
U ( x , y , z ; t ) A e j ( x t k p r ) o
总而言之，U1和U2基本上保留了照明光波的特性，这一项称为全息图衍 射场中的0级波。
( 3 ) U3(x,y)RCO
当照明光波是与参考光波完全相同的平面波或球面波时 （C=R），透射光波中的第三项为
信息光学专题知识讲座
(2)成像。
透镜一般由光密介质玻璃(n=1.5)做成。
1. 薄透镜旳位相调制作用 薄透镜：就是厚度和透镜表面曲率半径相比很小旳透镜。
对于薄透镜，能够近似
以为光线进入透镜旳位
O
I
置（x,y）与光线射出透
镜旳位置相同。
所以，一种薄透镜旳作用只是使入射波前受到延迟，延迟旳 多少正比于透镜各点旳厚度。
fy)
其中
fx
x0
f
,
fy
y0
f
与2-4-13式比较后不难发觉，这正是f(x,y)旳夫琅和费衍射 成果！正是因为这个原因，实践中夫琅和费衍射试验往往 都是经过一种正透镜来实现旳。
g( x0, y0 ) 还不是 f ( x, y) 旳傅立叶变换，它多了一种相位因子；
exp if ( fx2 f y2 )
3－1 透镜旳傅立叶变换性质
对于透镜，我们并不陌生，透镜是光学成像系统最主要旳 器件，我们这里讲透镜不是从几何光学旳角度去讨论它，而是 从波动光学旳角度去研究它，同学们会随即旳讨论中发觉讨论 旳成果和几何光学旳成果完全一致。当然，衍射旳效果是不能 用几何光学旳措施去讨论旳。 透镜有两个非常主要旳性质：
磨镜者公式：
1 f
(n
1)
1 R1
1 R2
假如用单位振幅旳平面波入射到透镜上，这时入射波复振幅，
U1(x, y) 1
出射光波复振幅，
U2(x, y)
U1( x, y)PL ( x, y)
exp i
k 2f
(x2
y2 )
2. 透镜旳傅立叶变换性质
会聚透镜最突出旳旳性质之一就是它固有旳进行二维傅立叶变换 旳本事。 假定光源是单色旳，也就是说我们所研究旳系统是相干系统。
《信息光学》课程实验讲义与教案(0708级)
六、注意事项
1) 在进行实验过程中，不要振动测量台。 2) 严禁用手触摸各光学元件。 3) 实验结束后注意将激光器电源关闭。
7
θ调制
θ调制技术是阿贝原理的应用。第一步入射光经物平面发生夫琅禾费衍射， 在透镜的后焦面上形成一系列衍射斑（即物的频谱）这一步称“分频” 。第二步 是各衍射斑发出的球面波在像平面上相干叠加，像就是像平面上的干涉场，这一 步称“合频” ，形成物的像。如果用白光光源照明光栅物片，这会在频谱上得到 色散彩色频谱。每个彩色铺板的原色分布都是从外相里按红、橙、黄、绿、蓝、 靛、紫的顺序排列。这是一位光栅的衍射角与入射光的波长有关。红光的波长最 大，衍射角最大，分布在最外面；紫光相反。如果在频谱面上放置一个空间滤波 器，让不同方向的谱斑通过不同的颜色，这在像面上得到彩色像。这是利用不同 方向的光栅对图像进行调制，因此称为θ调制法。又因为它将图像中的不同部位 “编”上不同的颜色，故又称空间假彩色编码。
《信息光学》课程实验讲义与教案
编写者：翁嘉文 参考教材：自编《信息光学讲义》
华南农业大学 应用物理系 2009 年 5 月
目 录
实验一 阿贝成像原理与空间滤波………………………………………………… 2 实验二θ调制 ……………………………………………………………………… 8 实验三 三维形貌测量 …………………………………………………………… 13 实验四 数字全息 ………………………………………………………………… 19 实验 教案 ………………………………………………………………………… 23
一、实验目的
1. 了解信号与频谱的关系以及透镜的傅里叶变换功能。
2. 掌握现代成像原理和空间滤波的基本原理，理解成像过程中“分频”和
信息光学实验讲义(2011年版)
信息光学实验实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院信息光学实验目录实验一、透射型全息图的拍摄与再现....................................... II-3实验二、像全息图的拍摄与再现.............................................. II-9实验三、阿贝—波特成像及空间滤波..................................... II-12实验四、调制实验........................................................... I I-16全息照相又称全息术，是英国科学家Gabor 1947年为提高电子显微镜的分辨率提出并实现的物理思想。
由于需要相干性良好的光源，直至60年代初激光的出现和Leith、Upatnieks提出离轴全息术后，全息术的研究才进入了实用和昌盛的研究阶段，成为现代光学的一个重要分支。
Gabor因提出全息术的思想而获得1971年诺贝尔物理学奖。
全息术是利用光的干涉，将物体发出的光波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定条件下，用光的衍射原理使其再现。
由于用干涉方法记录下的是物体明暗、远近和颜色的全部信息，可以形成与原物体逼真的三维图像，因此称为全息术或全息照相。
经过科学家们近40年的努力，全息术在技术和记录材料方面都有了快速的发展。
在应用方面，全息术不仅作为一种显示技术得到了很大的发展，而且在信息存贮和处理、检测、计量、防伪、光学图像实时处理、光学海量存贮、光计算和制作有特殊功能的全息光学元件等方面都有广泛的应用。
实验一、透射型全息图的拍摄与再现一、实验目的1.学习和掌握透射型全息照相的基本原理；2.通过实验了解和掌握透射型全息照相基本技术；3.了解和掌握透射型全息图的激光再现方法；4.通过实验了解全息照相的特点；5.进一步加深对光波复振幅、波前及共轭光波的理解。
信息光学课件
电磁场与麦克斯韦方程
电磁场的基本概念
电磁场是由电场和磁场组成的， 它们之间存在相互作用。
麦克斯韦方程
描述了电磁场变化的四个基本方程 ，包括电场的散射方程、磁场的散 射方程、电场的波动方程和磁场的 波动方程。
电磁场的能量守恒
电磁场在空间中传播时，其能量不 会消失也不会凭空产生，即电磁场 的能量守恒。
将光学传感技术应用于物联网领域，实现智能化 、远程化和自动化的监测和控制。
3
光学传感器的集成与小型化
通过集成和优化光学器件，实现光学传感器的微 型化和便携化，满足不同应用场景的需求。
05 信息光学实验与实践教学 环节设计
实验内容与目标设定
实验内容
信息光学实验包括干涉、衍射、光学 信息处理等基本实验，以及一些综合 性和创新性实验。
信息光学课件
目录
CONTENTS
• 信息光学概述 • 信息光学基础理论 • 信息光学器件与系统 • 信息光学前沿技术与发展趋势 • 信息光学实验与实践教学环节设计 • 信息光学课程评价与总结反思环节设计
01 信息光学概述
信息光学定义与特点
信息光学定义
信息光学是一门研究光学信息的 获取、传输、处理、存储和显示 的科学。
傅里叶变换与信息光学
傅里叶变换
是一种将时域信号转换为频域信号的数学工具，常用于信号处理 和图像处理等领域。
信息光学的基本概念
信息光学是一门研究光波在空间和时间上传递、处理和存储信息的 科学。
信息光学的应用
信息光学在通信、生物医学成像、军事等领域有着广泛的应用，如 光纤通信、光学显微镜、光学雷达等。
03 信息光学器件与系统
光学器件分类与特点
主动光学器件
信息光学
例：
a x 0
rect
x rect rect a
x a
x x rect a a
x
a
2
d a x a 1 a a
2
x
0 x a
rect
2 x x x rect d a x a 1 a a a x a
现，光学系统的成像过程是二次傅里叶变换的过程。
一幅图像，可以看成是一个平面光场分布。用傅里叶分析(变换） 的观点，可以把任何二维平面(图像)上的任何复杂光场分布看成是各种 空间频率的正弦分布光场迭加的结果。 因此，可把光学系统成像过程归结为对不同空间频率正弦光场分布 的成像特性。图像（空域）和它的付里叶变换频谱（频域）有着对应的 关系，只要知道其中的一个信息，就等于知道了另一个。 进一步，根据需要，可以对任一个光场平面从空域和频域两个方 面来分析，以全面理解光的分布性质。
常用的傅里叶变换对
傅里叶变换应用举例：
卷积的定义： 函数f（x)和h(x),其卷积运算用符号f(x)* h(x)表示,定义为如 下积分：
卷积积分操作：将曲线h()绕纵轴翻转180°便得到h(-)曲线，然后对 于一个x值，只要将h(-)沿x轴平移x便得到h(x-)曲线，最后计算不同 的x被积函数f( )*h(x-)所对应的曲线与横坐标所围成的面积。
第一章 线性光学系统
本章主要介绍信息光学的数学基础。 1、常用函数及其性质 2、傅里叶变换 3、卷积和相关 4、线性系统性质
1、常用函数及其性质
2、傅里叶变换
“信息光学”来自于早期的“傅里叶变换光学”，主要是因为人们发
信息光学实验一 CAD 实验讲义2-26
实验一、光学CAD实验1、利用光学软件作CAD的初步训练一、实验目的通过对OSLO软件的了解和使用，了解OSLO软件的基本功能并初步掌握模拟、分析和设计光学系统的基本方法，为较专门、高级的光学CAD实验打下基础。
二、实验内容1、熟悉OSLO光学软件。
2、建立光学系统的数据。
3、计算光学系统的像差，分析光学系统的性能[3-5]。
4、研究单透镜的光学和结构参数与像差的关系[3-5]。
5、对简单透镜做优化设计。
三、实验方法与步骤1光学系统数据的输入图11 帮助 9 成像分析 17 点扩散函数分析2 表面数据表格 10 用缺省光线画平面透镜3 总的操作条件表格 11 画立体透镜4 高斯束表格 12 光线像差分析5 表面容差数据表格 13 波前像差分析6 表面数据 14 MTF分析7 傍轴常数 15 MTF通过焦点分析8 光线轨迹分析 16 点列图首先运行《OSLO LT》进入它的主窗口，打开“File”，选“New”，则出现一个子窗口，如图2所示。
选“Custom lens”，并填写表面数，然后“√”，便出现“重建透镜数据表格”。
当发现表面数目不够或多余时，可用鼠标点按表面序号，以便编辑插入新表面或删除多余表面。
字母串“OBJ”，“AST”，“IMS”分别表示物、光阑和像表面。
利用此方法可在物面和像面之间建立你要研究的光学系统所需要的表面数目。
但应注意，该软件所容许的系统最多不能超过10个表面。
比如，要研究一个单透镜，它具有两个表面，所以在物像表面之间至少应包含两个表面。
图2建起光学系统数据表格（如图3反示出物面和镜面）之后，即可按你所准备好的数据按位置填好。
其中包括曲率半径（Radius ）、厚度（Thickness ）、界面之间的介质参数（Glass ）、入射光束半孔径、视场和工作波长（以μ为单位）。
对于某些特殊表面（比如非球面、衍射光栅面、全息图表面等）还应在special 一列填写相应的参量数据。
信息光学第一章ppt
例: f(x)={
x, 0
0<x<1 其它
求 f (-2x+4)
解1： f(-2x+4)= f[-2(x-2)]，包含折叠、压缩、平移
先折叠
再压缩
f(x)
f(-x)
f(-2x)
0 1 x -1 0 x
-1/2 0 x
最后平移
f[-2(x-2)]
0 3/2 x
11
解2： 根据已知条件有
f
(2x
4)
x a/2
其它
应用：单缝透过率、门函数、时间脉冲波形.
标准型：
1 x 1/ 2
rect(x)
0
else
15
y
0
x0
a
x
rect ( x x0 ) a
16
17
18
2 sinc函数 应用：单缝或矩形孔的夫琅和费衍射的振幅分布
强度分布为sinc函数平方
注意归一化和非归一 化的两种表达方法。
xa / 2
原函数f(x)在某点x的值卷积后用某一段(x-a/2, x+a/2) 的积分值来表示, 等价于这段区间的平均值。
50
卷积的运算性质
交换律：f (x) h(x) h(x) f (x) 分配律：[aw(x) bv(x)] h(x) aw(x) h(x) bv(x) h(x) 分配律体现了卷积的线性特性。 结合律：[v(x) w(x)] h(x) v(x) [w(x) h(x)] 可分离变量特性: 如果参与卷积的两个函数是可分离的, 其 二维卷积也是可分离的。（极坐标和直角坐标）
1 a
1 a
当a 0时， (ax)dx lim m (ax)dx lim am (ax)d ax
信息光学
参考光R ：
两者相干叠加，在波前上产生的光强分布为
~ ~ ~ ~ I ( x, y ) ( EO ER )( EO ER ) ~ ~ ~ ~ 2 2 AO AR ER EO ER EO
全息图以干涉图样形式记录波前光强的分布I (x, y)。
~ 透光率函数 t ( x, y)与光强分布I (x, y)成线性关系，即
2
⑷圆盘挡住中心亮点，像是亮暗颠倒的。
空间滤波给我们带来了十分诱人的奇特效果，光 学信息处理正是由此发展起来的。 近代光学信息处理系统 ——4f 系统的装置 。
物平面 L1 频谱面 L2 像平面
f
f
f
f
近代光学信息处理的应用：1. 对光学图像信息的处 理，如照片、底片、画面等。 2. 对非光学信息的 处理，如电信号、机械信号、语言信号、热信号等。
~ 第四项 正比于 E O，称为 1级波，此光是会聚
光，可形成实像。
8
S
原物存在时
任意一点P的光振动由波前上的 复振幅分布惟一确定，这在数学 上称为无源空间的边值定解。
S
6
原物不存在时
波前的全息记录是用干涉方法获得的。
物光O ：
~ E O ( x, y) AO ( x, y) e i O ( x , y ) ~ E R ( x, y) AR ( x, y) e i R ( x , y )
~ 2 ~ ~ ~ 2 ~ 2 ~ 2 ~ ]EC AO EC AR EO E R EO E t ( x, y) ~ t E C ( x, y) [t 0 AR
式中：第一项 代表照明光C，称为0级波。
2 A 第二项 受 O 调制的照明光，表现为噪声信息，
《信息光学》课件
信息光学的发展历程
19世纪末至20世纪初
光学显微镜和望远镜等光学仪器的发明和应用，为信息光学的发展 奠定了基础。
20世纪中叶
随着激光技术的出现和发展，信息光学开始进入快速发展阶段。
20世纪末至今
随着计算机技术和光电子技术的不断进步，信息光学在通信、数据 存储、生物医学等领域得到了广泛应用。
信息光学的基本原理
02
信息光学的基本技术
光学全息技术
光学全息技术是一种利用光的干涉和衍射原理来记录和再现 三维物体的技术。通过将物体发出的光波与参考光波干涉， 将干涉图样记录在全息介质上，然后使用合适的照明光波进 行再现，即可得到物体的三维图像。
全息技术可以用于制作全息图、全息显示、全息干涉计量和 全息光学元件等。在科学研究、工业检测、医疗诊断和军事 领域等方面有广泛应用。
光学信息处理技术
光学信息处理技术是指利用光的干涉、衍射和折射等光学现象来进行信息处理的 技术。这种技术具有高速、大容量、并行处理等优点，可以用于图像处理、信号 处理、模式识别和计算机科学等领域。
常见的光学信息处理技术包括傅里叶变换光学、光学图像处理、光学计算和光学 神经网络等。
光学计算技术
光学计算技术是指利用光学方法来实现计算的技术。这种 技术利用了光的并行性和快速性，可以实现高速、高精度 和大容量的计算。
运行，为人工智能领域的发展提供新的动力。
信息光学在未来的应用前景
下一代光通信网络
随着5G、6G等通信技术的发展，信息光学将在构建下一代光通信 网络中发挥关键作用，实现超高速、超大规模的数据传输。
智能感知与物联网
光学传感器和光通信技术将在智能感知和物联网领域发挥重要作用 ，实现更高效、更智能的物联网应用。
信息光学1
Λ(x/a) 1
二维三角形函数的定义为：
－a
o
a
x
x y x y x y 1 1 , a b a b a b 0
x y , 1 a b
其他
符号函数在光学中可 用来表示一个光瞳为 矩形的非相干成像系 统的光学传递函数。
x 1 rect a 0
其中a为正数。
x a 2 其他
rect(x/a) 1
－a/2
o
a/2
x
矩形函数又称为门函数、窗口函数。
一维矩形函数在光学中常常表示一个无限长狭缝。 二维矩形函数定义为：
x y x y 1 rect , rect rect a b a b 0
δ(x) 1
( x, y ) 0
x 0, y 0
( x, y )dxdy 1
o
x
这表明，除原点以外， δ函数的值恒为0，而在原点附件无 限小的范围内，函数积分为1。 δ函数又称为脉冲函数。
2. δ函数的物理意义 在工程技术中经常用δ函数表示质点、点电荷、点光源， 或其他一些在时间或空间上比较集中的物理量。 当屏移动到焦平面上时，屏上 照度分布为：
0 0 0 0
2）可分离变量
( x x0 , y y0 ) ( x x0 ) ( y y0 )
3）乘法性质
f ( x, y) ( x x0 , y y0 ) f ( x0 , y0 ) ( x x0 , y y0 )
4）坐标缩放
1 (ax, by) ( x, y ) ab
《信息光学》课件
第二章：光学矩阵理论
光学矩阵是描述光学元件的传输特性的数学工具。学习光学矩阵的定义、表示方法、性质和计算方法，以及如 何通过光学矩阵推导光学元件的传输特性。
第三章：信息光学器件
光波导器件
光波导器件是利用光波导的特性来传输和处理信息的器件，包括光纤和光波导芯片。
光栅器件
光栅器件利用光栅结构的衍射特性来处理信息，例如光栅衍射和光栅激光器。
结束语
感谢大家的聆听与支持！在未来，信息光学将在通信、计算、存储等领域有 更广泛的应用，让我们Байду номын сангаас起探索信息光学的无限可能。
闪烁光记录器
闪烁光记录器是一种使用光固体材料记录和存储信息的高密度光存储设备。
第四章：信息光学应用
光学通信
光学通信是利用光信 号传输信息的通信方 式，具有高速、大容 量和低损耗的优势。
光存储
光存储技术利用光的 特性进行信息的高密 度存储，如光盘和固 态存储器。
光量子计算
光量子计算利用光的 量子特性进行高速并 行计算，被认为是未 来计算科学的重要方 向。
《信息光学》PPT课件
欢迎大家来到《信息光学》PPT课件！本课程将带领您探索信息光学的世界， 学习信息光学的概念、原理和应用，为您展示信息光学的魅力。
第一章：信息光学概述
信息光学是研究光与信息传输、处理和存储的学科，涉及广泛的应用领域。了解信息光学的定义、研究内容以 及与其他学科的关系，将打开信息光学的大门。
光晶体管
光晶体管是一种利用 光调控电流和电压的 器件，具有高速、低 功耗和可重构性。
第五章：信息光学前沿研究
1
研究热点
了解当前信息光学领域的研究热点，如全息影像、量子信息和高速光通信等。
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。
【信息光学课件】第一章 基础-aa PDF版
2 T /2 1 a0 = ∫ f ( x ) dx − T / 2 T 1 2π nx 2 T /2 ) dx an = ∫ f ( x)cos( − T T /2 T 1 2π nx 2 T /2 ) dx bn = ∫ f ( x)sin( − T / 2 T T
δ( x )
δ( x − x0 ) + δ ( x + x0 )
− x0
x0
表示高度集中的物理量，如质点、点电荷、点光源、瞬时电脉冲
（2）普通函数序列极限形式的定义
lim g n ( x) δ ( x) = n →∞ lim = g n ( x) 0 n →∞ ∞ g ( x)dx 1 = k ∫ −∞
δ
由此我们可以认为，今后涉及到的函数 都存在着相应的傅立叶变换，只有狭义 和广义之分罢了。
2. 极坐标系中的二维傅里叶变换
（1）定义式：
设 ( x, y ) 平面的极坐标为 (r ,θ ) ，频率平面 ( µ ,ν ) 的极坐标为 ( ρ , ϕ ) ， , dxdy rdrdθ x r= = cosθ , y rsinθ = 则有： , dµ dν ρ dρ dϕ = µ ρ = = cosϕ , ν ρ sinϕ 代入直角坐标系中的傅里叶变换定义式，并令
x ≤1 x >1
-1 1
tri(x)
或者
x 0 1
−1 ≤ x ≤ 0 0 ≤ x ≤1 其他
曲线下面积为1，表示光瞳为矩形的非相干成像系统的光学传递函数
（4）符号函数
记为：
sgn ( x )
光学实验讲义
光学实验讲义实验⼀薄透镜参数的测定引⾔：透镜是光学仪器中最基本的元件，反映透镜特性的⼀个主要参量是焦距，它决定了透镜成像的位置和性质(⼤⼩、虚实、倒⽴) 以便了解透镜成像的规律，掌握光路调节技术，⽐较各种测量⽅法的优缺点，为今后正确使⽤光学仪器打下良好的基础。
[实验⽬的]1.学会测量透镜焦距的⼏种⽅法。
2.掌握简单光路的分析和光学元件同轴等⾼的调节⽅法。
3.熟悉光学实验的操作规则实验原理：薄透镜是指透镜中⼼厚度d ⽐透镜焦距f ⼩很多的透镜。
透镜分为两⼤类：⼀类是凸透镜（也称为正透镜或会聚透镜），对光线起会聚作⽤，焦距越短，会聚本领越⼤；另⼀类是凹透镜（也称负透镜或发散透镜），对光线起发散作⽤，焦距越短，发散本领越⼤。
透镜的焦距测量⽤到的成像公式是⾼斯公式：fp p 111=-'⼀、凸透镜焦距的测定：透镜的焦距测量主要⽤到⾼斯公式计算焦距1.粗略估测法：以太阳光或较远的灯光为光源，⽤凸透镜将其发出的光线聚成⼀光点(或像)，此时，p →∞，s’≈f’，即该点(或像)可认为是焦点，⽽光点到透镜中⼼(光⼼)的距离，即为凸透镜的焦距，此法的测量误差约在10％左右。
由于这种⽅法误差较⼤，⼤都⽤在实验前作粗略估计，如挑选透镜等。
2.利⽤物像公式求焦距：根据(1)式，则薄透镜焦距为'''ss s s f f -=-= (2)如图1所⽰，若在实验中分别测出物距s 和像距s′，即可⽤式(2)求出该透镜的焦距f 。
但应注意:测得量须添加符号，求得量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。
3.⾃准法：如图2所⽰，在待测透镜L 的⼀侧放置被光源照明的“1”字形物屏AB ，在另⼀侧放⼀与主光轴垂直的平⾯反射镜M ，移动透镜(或物屏)，当物屏AB 正好位于凸透镜之前的焦平⾯时，物屏AB 上任⼀点发出的光线经透镜折射后，将变为平⾏光线，然后被平⾯反射镜反射回来。
再经透镜折射后，仍会聚在它的焦平⾯上，即原物屏平⾯上，形成⼀个与原物⼤⼩相等⽅向相反的倒⽴实像A′B′。
信息光学1PPT课件
研究方向
2021/3/12
静态光学 如超快速现象
原子反应时间 （10-15 秒） 瞬态光学
纳秒、 皮秒、飞秒 12
20世纪光学的 主要特点
2、应用功能的扩展
光学工程 —— 综合技术学科
现代精密仪器： 多功能、高效率
光学
技术手段：自动化、 数字化、智能化
光、机、电、算一体化
光
精密机械
机
材
材料
电
算
电子 2021/3/12
▪成像和探测领域 CCD等数字图像设备：扫描仪、
传真机、摄象机、摄录机、数码相机……使光信息数
字化; 光电子成像器件和探测器可以涉及到不可见光
（微光和红外）
2021/3/12
23
信息爆炸
信息时代 对 信息技术 提出 更高 要求
采传处存 集输理储
超高速度
超大容量
2021/3/12
24
响应 速度快
对比
信息光学
讲义：《信息光学》作者 苏显渝 ，李继陶 科学出版社
主讲：王克逸 kywang@ TP: 13033050910
要求背景知识：
（1） 普物光学 （2） 数理方法
2021/3/12
1
History of optics
(恩贝多克利: fire, air, water, and earth;believed that light travelled with a finite velocity ) 欧几里得 light travelled in straight lines 笛卡儿
加工
生物 工程
化学 工程
医疗 4、应用范围的扩展ຫໍສະໝຸດ 农业材料环境 保护
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信息光学实验讲义（一）指导教师：刘厚通安徽工业大学数理学院实验三 阿贝成像原理和空间滤波(天津拓扑)一、实验目的了解付里叶光学基本原理的物理意义，加深对光学中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。
二、实验原理1、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[()]x y iz f x f y π+的 线性叠加。
即(,)()exp[2()]xy x y x yg x y G ff f x f y df df π∞-∞=+⎰⎰(1)x f ，y f 为x,y 方向的空间频率，量纲为1L -；()x y G f f 是相应于空间频率为x f ，y f 的基元函数的权重，也称为光场的空间频率，()x y G f f 可由下式求得：(,)(,)exp[2()]xyG x y g x y i f x fy dxdy π∞-∞=-+⎰⎰(2)g(x,y)和()x y G f f 实际上是对同一光场的两种本质上等效的描述。
当g(x,y)是一个空间的周期性函数时，其空间频率就是不连续的。
例如空间频率为0f 的一维光栅，其光振幅分布展开成级数：0()exp[2]nn g x Gi n f x π∞=-∞=∑相应的空间频率为f=0，0f ，0f 。
2、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。
E.阿贝在1873年提出了显微镜的成像原理，并进行了相应的实验研究。
阿贝认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤，第一个步骤是通过物的 衍射光在物镜后焦面上形成一个初级衍射（频谱图）图。
第二个步骤则为物镜后焦面上的初级衍射图向前发出球面波，干涉叠加为位于目镜焦面上的像，这个像可以通过目镜观察到。
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g(x,y)，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()x y G f f 。
（只要令'x x f F λ=，'y y f Fλ=，λ为波长，F 为物镜焦距）。
所以第一步骤起的作用就是把一个光场的空间分布变成为：空间频率分布；而第二步骤则是又一次傅氏变换将()x y G f f 又还原到空间分布。
附图27显示了成像的这两个步骤，为了方便起见，我们假设物是一个一维光栅，平行光照在光栅上，经衍射分解成为向不同方向的很多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率）。
经过物镜分别聚集在后焦面上形成点阵，然后代表不同空间频率的光束又从新在像平面上复合而成像。
附图1但一般说来，像和物不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入到物镜而被丢弃了，所以像的信息总是比物的信息要少一些，高频信息主要是反映物的细节的，如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上分辨出这些细节，这是显微镜分辨率受到限制的根本原因，特别当物的结构是非常精细（例如很密的光栅），或物镜孔径非常小时，有可能只有0级衍射（空间频率为0）能通过，则在像平面上就完全不能形成图像。
3、光学空间滤波上面我们看到在显微镜中物镜的孔径实际上起了一个高频滤波的作用，这就启示我们，如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变像平面上的频谱，这就叫做空间滤波。
最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更明晰的概念。
三、实验仪器1、He-Ne激光器（632.8nm）2、扩束镜L1：f1=4.5mm3、二维调整架：SZ-074、准直镜L2：f2=190mm5、二维调整架：SZ-076、一维光栅（25L/mm）7、干板架：SZ-128、傅立叶透镜L3 f3=150mm9、二维调整架：SZ-0710、白屏P：SZ-1311、通用底座：SZ-0412、二维底座：SZ-0213、一维底座：SZ-0314、二维底座：SZ-0215、一维底座：SZ-0316、一维底座：SZ-0317、通用底座：SZ-0418、频谱滤波器：SZ-32图 2五、实验步骤及数据处理1、用L1、L2组成扩束系统，使其出射的平行激光光束垂直的照射在其狭缝沿铅直方向放置的一维光栅上。
前后移动变换透镜L3，使光栅（物）清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。
此时光栅位置接近于透镜的前焦面，故透镜的后焦面就为其傅氏面，该面上光强的分布即为物的空间频谱。
用白屏H在透镜的后焦面附近慢慢移动，在透镜后焦面上可以观察到水平排列的一些清晰光点。
这些光点相应于光栅的012，，......级衍射极大值，用米尺大约测出各光点与中±±央最亮点的距离'x，从'x以及透镜的焦距F，光波波长λ，试求出这些光点相应2、在L3后焦面（付氏面）处放入频谱滤波器，档去0级以外的各点，观察像面上有无光栅条纹。
3、调节光栏，使通过0级和±1级最大值，观察像面上的光栅条纹像，再把光栏拿去，让更高级次的衍射都能通过，再观察像面上的光栅条纹像，试看这两种情况的光栅条纹像的宽度有无变化。
选做：4、把一维光栅换成二维正交光栅，再前后移动变换透镜L3，使光栅（物）清晰的成像于离物两米以外的墙壁上。
这时在透镜后焦面上观察到二维的分立光点阵（即正交光栅的频谱）。
在付氏面处加一频谱滤波器，使通过光轴的一系列光点通过，观察像平面上一维条纹像的方向。
5、把频谱滤波器90度角，让包含0级的水平的一排光点通过，观察像平面上一维条纹像的方向。
6、再把频谱滤波器45度角，再观察像面上条纹像的方向。
7、用网格字替换二维光栅，观察网格字的像的构成。
再将一个可变圆孔光栏放在付氏面上，逐步缩小光栏，直到只让光轴上一个光点通过为止，再观察网格字的像的构成，试与没滤波之前的字相比较。
实验四θ调制和颜色合成（天津拓扑）一、实验目的进一步了解空间滤波的概念和了解颜色合成的一种方法二、实验原理θ调制也属于空间滤波的一种形式，它只是用不同取向的光栅对物平面的各个部分调制（编码），通过特殊滤波器控制像平面相应部位的灰度（用单色光照明）或色彩（用白光照明）的一种方法。
本实验是用白光照明透明物体，在输出平面上得到彩色图像的有趣实验，透明物体就是本实验中使用的调制光栅。
在这个光栅上，房子、草地、天空分别由三个不同取向的光栅组成。
拼图时利用光栅的不同取向把准备“着上”不同颜色的部位区分开来。
三、实验仪器1、带有毛玻璃的白炽灯光源S2、准直镜L1：f1=225mm3、二维调整架：SZ-074、θ调制板（或三维光栅）5、干板架：SZ-126、傅立叶透镜L2: f2=150mm7、二维调整架：SZ-078、θ调制频谱滤波器: SZ-409、傅立叶透镜L3: f3=150mm10、二维调整架：SZ-0711、白屏H：SZ-1312、通用底座：SZ-0413、一维底座：SZ-0314、二维底座：SZ-0215、一维底座：SZ-0316、二维底座：SZ-0217、一维底座：SZ-0318、通用底座：SZ-04四、仪器实物图及原理图（见图二十五）五、实验步骤1、把全部器件按二十五的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴2、将光源S放于准直镜L1的物方焦距F1处，并使从L1出来的平行光垂直的照射在θ调制板上。
3、将屏置于离θ调制板1米处，前后移动L2，使θ调制板的图像清晰的成在屏上。
4、在付氏面上加入θ调制频谱滤波器，在θ调制频谱滤波器上看到光栅的衍射图样。
三行不同取向的衍射极大值是相对于不同取向的光栅，也就是分别对应于图像的天空、房子和草地，这些衍极大值除了0级波没有色散以外，一级、二级……都有色散，由于波长短的光具有较小的衍射角，一级衍射中蓝光最靠近0级极大，其次为绿光，而红光衍射角最大。
5、调节θ调制频谱滤波器上滑块的过光的宽度和过光的位置，使相应于草地的一级衍射图上的绿光能透过，用同样的方法，使相应于房子一级衍射的红光和相应于天空部分的一级衍射的蓝光能透过，这时候在屏幕上的像就会出现蓝色的天空，红色的房子和绿色的草地。
选做：6、用三维光栅替换θ调制板，可在像平面上得到七种不同的颜色。
中间部分是三基色的合成色（白色），外面有三个区域分别是两种基色的合成色，另外图6实验三 阿贝成像原理与空间滤波（北京方式）引言1873年阿贝（E.Abbe ）首先提出显微镜成像原理以及随后的阿贝—波特空间滤波实验，在傅里叶光学早期发展史上做出重要的贡献。
这些实验简单、形象，令人信服，对相干光成像的机理及频谱分析和综合原理做出深刻的解释，同时这种用简单的模板作滤波的方法一直延续至今，在图像处理技术中仍然有广泛的应用价值。
实验目的1、了解透镜的傅里叶变换性质，加深对空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解；2、熟悉阿贝成像原理，从信息量的角度理解透镜孔径对分辨率的影响；3、完成一维空间滤波、二维空间滤波及高通空间滤波。
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)](2exp[y f x f i y x +π的线性叠加，即⎰⎰+∞∞-+=y x y x y x df df y f x f i f f G y x g )](2exp[),(),(π （1）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⎰⎰+∞∞-+-=dxdy y f x f i y x g f f G y x y x )](2exp[),(),(π (2)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。
当g(x ，y)是空间周期函数时，空间频率是不连续的。
例如空间周期为x0的一维函数g(x)，即g(x)=g (x+x0)。