光学信息技术原理及应用
光学信息技术原理及应用课后重点习题答案
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 πδ232+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧1+31+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<，Wb 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 Wf L f rect y x f y x,f y x y x yx *⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1==∴=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=,,F F ,,F ,,F F 1-（2）如果L a 1>， Wb 1>，还能得出以上结论吗？ 答：不能。
因为这时(){}(){}()y x yx bf af rect y x f Wf 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） （1）()x y x f π4=1cos ,答：()(){}(){}{}{}()(){}{}{}{}{}xcos x cos f rect x cos y 7x sin x cos y x h y x f y x g x πππδπ4=4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛74=74==1-1-1-11-1F F F F F F F ,F ,F F ,（2）()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754=2y rect x rect x cos y x f π, 答：()(){}(){}{}()()(){}{}()()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛77575⋅75*4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754==1-1-11-2y rect x rect x cos f rect f sinc 75f sinc x cos y 7x sin y rect x rect x cos y x h y x f y x g x y x ππδπF F F F F ,F ,F F ,（3）()()[]⎪⎭⎫⎝⎛758+1=3x rect x cos y x f π,答： ()()[]()(){}(){}()()()()()()()()()()()(){}⎪⎭⎫ ⎝⎛75=75≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛75*⎪⎭⎫ ⎝⎛4+81+4-81+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775*8+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛758+1=1-1-1-1-1-3x rect f 75f sinc f rect f 75f sinc f rect f δ75f sinc f f x f rect f δ75f sinc x cos y 7x sin x rect x cos y x g y x x y x x y x x x x y x δδδδδπδπF F F F F F F F ,（4）()()()()()y rect x rect x comb y x f 22*=4, 答：()()()()(){}()(){}{}()()()()()()()()()()()()(){}()()x π6cos x π2cos f f f f f f f f f f f rect f f δf f δf f δf f δf rect f sinc 2f sinc f f comb y 7x sin y rect x rect x comb y x g y x y x y x y x y x x yx y x y x y x x y x y x 1060-3180+250=3+0530-3-0530-1+1590+1-1590+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛-3-2120-1+6370+1-6370+41=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2⎪⎭⎫ ⎝⎛41=722*=1-1-1-1-2...,.,.,.,.,F ,.,.,.,F F F F F ,δδδδ0.25δδδ 1.4给定一个不变线性系统，输入函数为有限延伸的三角波 ()()x x rect x comb x g i Λ*⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫⎝⎛50⎪⎭⎫ ⎝⎛331=对下述传递函数利用图解方法确定系统的输出。
光学信息技术原理及应用-菲涅尔和夫琅和费衍射
df xdf y
jz
exp
j
z
x
y
因而
U (x, y, z) exp( jkz)
jz
U (x ,y ,) exp{ j
z
[(x
x
)
(y
y
)
]}dx dy
该式与用惠更斯—菲涅尔—基尔霍夫标量理论导出的菲涅耳衍射公式 完全一样，更常用的菲涅耳衍射公式如下
U (x, y) exp( jkz) exp[ j k (x y )
)]
夫琅和费衍射与傅里叶变换
19 0 6
夫琅和费衍射: 在菲涅耳衍射公式中，对衍射孔采取更强的限制条
件，即取
z
1 2
k ( x02
y
2 0
)
则平方位相因子在整个孔径上近似为1，于是
U (x, y, z) exp( jkz) exp[ j k (x 2 y 2 )]
jz
2z
2
U (x0 , y0 ,0) exp[ j z (xx0 yy0 )]dx0dy0
上式的四重积分是类似基尔霍夫公式的一个精确的表达式，尽 管它不含三角函数，但是使用起来仍很不方便。下面还是要按 照菲涅耳的办法进行化简，首先对不同传播距离衍射的情况做 个直观的说明
按传播距离划分衍射区
19 0 6
用角谱衍射理论导菲涅耳公式（1）
19 0 6
假定孔径和观察平面之间的距离远远大于孔径的线度，并且只 对轴附近的一个小区域内进行观察，则有
这就是夫琅和费衍射公式。在夫琅和费近似条件下，观察面上的场 分布等于衍射孔径上场分布的傅里叶变换和一个二次位相因子的 乘积
对于仅响应光强不响应位相的一般光探测器，夫琅和费衍射和光场
光学信息技术原理及应用61816
s
in
2
a 2
f
x
习题
19 0 6
教科书P47习题2.4，2.5，2.6
tx0
,
y0
exp
j
k 2z
x02 y02
exp
j
2 z
x0 x
y0 ydx0dy0
菲涅耳衍射举例（续3）
19 0 6
进一步作代数的化简得
U x, y
A jz 2
exp
j
k 2z
x2 y2 b2
光学信息技术原理及应用
(八)
夫琅和费衍射1 衍9 射0举例6 及习题总结
夫琅和费衍射举例
19 0 6
例一、余弦型振幅光栅夫琅和费衍射的光强分布 余弦型振幅光栅处于一个宽度为 l 的方孔内，光栅空间
频率为 f0 ，透过率调制度为 m ，其透过率函数图示 为：
余弦型光栅振幅透过率函数
夫琅和费衍射举例（续）
a 4
fx
2
a 2 sinc2 a
2
2
f
x
c
os
a 2
f
x
j sin a 2
f
x
c
os
a 2
f
x
j sin a 2
2
f x
a 2 sinc2 a 2
f
x
A exp
z
jkzexp
jk 2z
x02 y0
b2
光学信息技术原理及应用(第二版)课后答案汇总
第一章 习题解答1.1 已知不变线性系统的输入为()()x x g c o m 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 πδ232+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧1+31+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<，Wb 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 Wf L f rect y x f y x,f y x y x yx *⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛1==∴=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=,,F F ,,F ,,F F 1-（2） 如果L a 1>， Wb 1>，还能得出以上结论吗？答：不能。
因为这时(){}(){}()y x yx 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） （1）()x y x f π4=1cos ,答：()(){}(){}{}{}()(){}{}{}{}{}xcos x cos f rect x cos y 7x sin x cos y x h y x f y x g x πππδπ4=4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛74=74==1-1-1-11-1F F F F F F F ,F ,F F ,（2）()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫⎝⎛754=2y rect x rect x cos y x f π, 答：()(){}(){}{}()()(){}{}()()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛77575⋅75*4=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛75⎪⎭⎫ ⎝⎛754==1-1-11-2y rect x rect x cos f rect f sinc 75f sinc x cos y 7x sin y rect x rect x cos y x h y x f y x g x y x ππδπF F F F F ,F ,F F ,（3）()()[]⎪⎭⎫⎝⎛758+1=3x rect x cos y x f π, 答：()()[]()(){}(){}()()()()()()()()()()()(){}⎪⎭⎫ ⎝⎛75=75≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775≅⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛75*⎪⎭⎫ ⎝⎛4+81+4-81+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛775*8+1=⎭⎬⎫⎩⎨⎧7⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛758+1=1-1-1-1-1-3x rect f 75f sinc f rect f 75f sinc f rect f δ75f sinc f f x f rect f δ75f sinc x cos y 7x sin x rect x cos y x g y x x y x x y x x x x y x δδδδδπδπF F F F F F F F ,（4）()()()()()y rect x rect x comby x f 22*=4, 答：()()()()(){}()(){}{}()()()()()()()()()()()()(){}()()x π6cos x π2cos f f f f f f f f f f f rect f f δf f δf f δf f δf rect f sinc 2f sinc f f com b y 7x sin y rect x rect x com by x g y x y x y x y x y x x yx y x y x y x x y x y x 1060-3180+250=3+0530-3-0530-1+1590+1-1590+=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎭⎫ ⎝⎛-3-2120-1+6370+1-6370+41=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛7⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛2⎪⎭⎫ ⎝⎛41=722*=1-1-1-1-2...,.,.,.,.,F ,.,.,.,F F F F F ,δδδδ0.25δδδ1.4 给定一个不变线性系统，输入函数为有限延伸的三角波()()x x rect x comb x g i Λ*⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛50⎪⎭⎫ ⎝⎛331= 对下述传递函数利用图解方法确定系统的输出。
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。
光学信息技术原理及应用_26840
;
x f f ff a , y f 0
;
x f f ff a , y f 0
另一解法续六
1 9 0 6
(2)使像平面出现条纹时，物体透射光场的频谱中至少要有两项能 够通过透镜的出瞳，射到物面上成像。显然要求
x f f , y f 0
;
x f f ff a , y f 0
在非相干照明条件下，系统的截止频率2ρ c大于物的基频2/b，所 以零频和基频均能通过系统参与成像。于是在像面上仍有图像存在 非相干照明比相干照明好
第（2）小题比较结果
x
1 9 0 6
对于相干照明，理想像的复振幅分布为 cos2 i ，其频率为 b a 1/b 。按题设系统的截止频率为 c ，且1/b<ρ c 。因此这 d i 个呈余弦分布的复振幅能不受影响地通过此系统成像。
1 9 0 6
解答续四
在达到前面给出的最大值，即 时，几何像的傅氏变 换中的三项只剩下两项，这两个 函数与光瞳函数的乘积还是 函数，而且因为光瞳函数在光瞳范围内取值为一，两个 函数前 的系数也不变 进一步作反变换可以得到像面上的光场分布为
aK2 d i2 U i xi , yi F F U i xi , yi F 2
t1 ( x) cos2
1 9 0 6
（2）物体的复振幅透过率为 式中
d i d i a b b
t 2 ( x) cos 2
b
x b
第（1）小题比较结果
采用相干照明，对于半径为a的圆形出瞳，其截止频率为 a c d i 题设条件λ di/b<a<2λ di/b可得
1 9 0 6
解答
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。
光学信息技术原理及应用报告
生物神经网络系统是一部极理想的“计算机”，其存储信息的容 量之大、综合信息的速度之快、处理信息的精度之高、修正误差的能 力之强是电子计算机所无法相比的 二十世纪40年代，人们开始了对神经网络模型的研究，提出了神 经网络算法，直至70年代末相继提出了50多种神经网络模型，80年代 中期，随着光计算研究的兴起，光学神经网络也被提上了研究日程， 光学因其高速度和高度并行的特性而倍受人工神经网络研究领域的青 睐
神经元
1 9 0 6
生物学研究指出，人体拥有的神经细胞总数估计达 1010 ~ 1012 量级，每个神经元的表面有数千甚至上万个称为“突触”的小突 起，由它们完成神经细胞间传递信息的任务，形成“互连”关系， 亿万个这样的互连便构成了“神经网络” 神经细胞也称神经元，其本身的结构和功能并不复杂，但它表 面的突触可不受干扰而独立工作，因而实现了神经元之间高密度 并行的、三维空间形式的互连 每个神经元均具有兴奋和抑制两种状态，且它总是受到周围神 经元的作用，当这种作用的“强度总和”超过其本身的“激励阈 值”时，它处于兴奋态，低于该阈值时则处于抑制态 每个神经元总是在不断地施加影响于其它神经元，同时又不断 受其它神经元的作用而修正自身的状态
地形地貌卫片的分析，可以敏感地监测洪水灾害、森林火灾 的情况，或大陆架的变迁
多重像的产生
用相干光信息处理产生多重像由于相干噪声的干扰存在噪声而影 响了它的应用 用白光处理系统可以有效地消除这类噪声，获得比较“干净”的 多重像，处理手段成本低廉 采用白光照明的 4f 系统，在输入面上放置物透明片 f （ x ， y ）， 其上覆盖一维正弦光栅 g0（x，y），用于调制物函数。到达频谱 面时是两者频谱的卷积
黑白胶片具有长期保存的能力，将彩色的图像信息用黑白胶片保存，使 用时通过光学手段将彩色信息加以恢复，不仅有科学意义，还会带来可 观的经济和社会效益 早在20世纪70年代末，就提出了黑白胶片保存彩色胶片的 调制方法
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。
《光学信息技术原理及应用》(第2版)教学课件 光学信息处理第5讲
光波的数学描述（1）标量波动方程
• 作为空间和时间函数的电场或磁场分量 u ，在任一空间无源点上
满足标量波动方程 u u
•
式中
x
y
z
v t
• 是拉普拉斯算符，电磁场在介质中传播速度 v εμ
而 、 为介质的介电系数和磁导率（也可以是随空间、时间变
化的）。
• 满足该方程的基本解的线性组合都是方程的解。可以证明球面波 和平面波都是波动方程的基本解。任何复杂的波都可以用球面波 和平面波的线性组合表示，也都是满足波动方程的解。
谱和 z z 平面上的角谱之间的关系
20
复振幅分布及其角谱的传播
21
从亥姆霍兹方程讨论传播规律
• 将U (x, y, z) 表达式代入亥姆霍兹方程,改变积分与微分的顺序，
可以推导出，二阶线性微分方程
d
dz
A(cos , cos
, z) k
cos cos
A(cos , cos
, z)
• 该二阶常微分方程的一个基本解是
A(cos , cos , z) C cos , cos exp jkz cos cos
•
z
平面上的角谱为
A(cos , cos ,)
因而有
C
cos
,
cos
A( co s
,
cos
,)
• 最后得到两个平行平面之间角谱传播的规律为
exp j
k z
x x
y
y
• 位相相同的点的轨迹，即等位相线方程为同心圆族
x x y y C
10
平面波在 x y 面上的等位相线
11
光的奇迹光学的基础与应用解析
光的奇迹光学的基础与应用解析光学，作为一门研究光的传播、反射、折射等现象的学科，是现代科学的重要分支之一。
光学的基础原理源于光的本质和其传播规律，而应用则延伸至光学仪器、光学通信、光学成像等各个领域。
本文将从光学的基础知识入手，逐步介绍光学的原理及其应用。
一、光学的基础原理1. 光的本质光既是一种电磁波，也可以看作由光子组成的微粒子。
光的电磁性质决定了其具有波粒二象性，具备传播、折射等波动特性，同时也表现出光电效应等微粒性质。
2. 光的传播规律光的传播遵循直线传播原理，即光在均匀介质中沿直线传播，直到遇到界面时会发生反射或折射。
根据光的传播规律，我们可以解释光的折射、全反射等现象。
3. 光的反射与折射当光从一种介质射向另一种介质的表面时，会发生反射和折射。
反射是指光在表面上发生方向改变而返回原介质的现象，而折射则是光在不同介质中改变传播方向的现象。
这两种现象都可以通过斯涅尔定律进行描述。
4. 光的干涉与衍射光的干涉和衍射是由于光波的相互叠加产生的现象。
干涉是指两束或多束光波相互叠加时产生明暗相间的干涉条纹，衍射则是光通过缝隙或物体边缘时产生波的弯曲现象。
干涉和衍射是光的波动性质的体现，也是光学实验和仪器设计中常用的原理。
二、光学的应用领域1. 光学仪器光学仪器是光学学科的重要应用领域之一，包括望远镜、显微镜、光谱仪等。
望远镜利用光的反射或折射原理将远处的物体放大，使其能够被肉眼观察到；显微镜则利用光的放大效应使微小物体能够被观察。
2. 光学通信光学通信是一种以光为信息传输载体的通信方式，通过光纤传输数据。
由于光纤具备较大的带宽和低损耗的特点，光学通信在信息传输领域得到广泛应用。
光学通信的核心技术包括光源、光发射与接收器、光纤等。
3. 光学成像光学成像是利用光线的折射和反射原理对物体进行影像获取的过程。
其中最典型的应用就是相机和摄影技术。
相机通过镜头将物体成像在感光元件上，形成图像。
摄影技术在现代社会中得到广泛应用，包括航空摄影、卫星摄影、医学影像等。
光学信息技术原理及应用
假彩色编码应用举例
1 9 0 6ຫໍສະໝຸດ 假彩色编码技术在医学上可用于对人体器官病变的早期诊 断，例如用于早期肺癌诊断，用假彩色编码技术对肺部X光 透视片（黑白）进行处理，把医生用眼睛无法辨别的灰度 差别变换成明显的颜色差别显现出来
假彩色编码用于卫星遥感图像分析：
用于对广大牧区草场情况的监测，可敏感地发现牧区草场 退化的灾情和发生的位置
1 9 0 6
u2 = F（fx，fy）* G0（fx，fy）
由于白光的作用，谱面上除零级谱为白色外。其余均呈现为彩虹 色带 滤波器选取一组频率不同的一维正弦光栅gi（i = r、g、b）用于 对正一级频谱彩带中不同波长的频谱进行调制，产生三组衍射像 的零级像重合在坐标中央，形成白色像，而三组的正、负一级像 以不同的间隔分布在两侧
Tij =
(2Vi 1)(2V j 1)
m m m 1
M
(i j )
0 ( i = j ) 式中V m (m = 1,2,…，M)表示第m个存储的记忆（用矢量形式表 示），Ｍ 为存储记忆的总数。这表示记忆是以外积矩阵的方式被 存储的。网络中第i个神经元的状态由其它神经元作用总和确定：
神经网络原理
1 9 0 6
神经网络系统是以一种群体的力量发挥作用的，大脑的记忆存储 在整个网络中，与单个神经元无关，即使由于新陈代谢而每天有大量 的神经细胞死亡，也不会削弱已经存储的记忆，也不会由于某些神经 元的功能性故障而影响计算结果的正确性 在神经网络里每个神经元不断相互作用，直到整个网络达到稳定 为止
地形地貌卫片的分析，可以敏感地监测洪水灾害、森林火灾 的情况，或大陆架的变迁
多重像的产生
用相干光信息处理产生多重像由于相干噪声的干扰存在噪声而影 响了它的应用 用白光处理系统可以有效地消除这类噪声，获得比较“干净”的 多重像，处理手段成本低廉 采用白光照明的 4f 系统，在输入面上放置物透明片 f （ x ， y ）， 其上覆盖一维正弦光栅 g0（x，y），用于调制物函数。到达频谱 面时是两者频谱的卷积
《光学信息技术原理及应用》(第2版)教学课件 光学信息处理第1讲B
• 函数作为基元函数的情况。根据 函数的筛选性质（A.7,或
《积分变换》P16中1.12式），任何输入函数都可以表达为
fx1,yf,x,ydd
• 积分就是“相加”,筛选性质表明任意函数都可以表示为无穷多的
函数的和,每个 函数的“大小”被输入函数“调制”。
• 函数通过系统后的输出用算符可以表示为
gx2,y L f, x ,y d d
• 对于线性系统的一个重要子类——不变线性系统，分析才变得简单
• 大多数情况下，光学系统都可以看做不变线性系统
19
练习
1、已知函数 U x A ex j2 p f0 x 求下列函数，并作出函 数图形。（1）U x 2（2） UxU*x （3）UxU*x2
2、已知函数
fx re x c 2 r te x 2 c t 求下列函数，
2
近代光学对信息时代发展的重要作用
• 20世纪40年代末提出的全息术
• 50年代产生的光学传递函数
• 60年代发明的激光器
• 70年代发展起来的光纤通信
• 80年代成为微机标准外设的光驱
• 航天航空事业中应用的空间光学，神州五号搭载的相 机拍到美国军用机场照片分辨率一米
3
信息光学的研究方法和用途
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1.1.2 脉冲响应和叠加积分(2)
• 根据线性系统的叠加性质，算符与加(乘)法的顺序可以交换,算符 与对基元函数积分的顺序也就可以交换
g x2, y f, L x , y d d
• 定义为系统的脉冲响应函数
h x 2 , y ; , L x , y
• 得到系统输出为 “叠加积分”
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第一章 二维线性系统分析
• 把光学系统看成二维线性系统---信息传输系统，而不 是看成一个物理的成象系统或干涉、衍射系统
信息光学理论与应用
信息光学理论与应用信息光学是光学与信息技术相结合的学科，通过研究光的特性和光的信息传递方式，实现对信息的存储、传输、处理和显示等功能。
信息光学既可以研究光在信息领域的应用，也可以研究信息技术在光学中的应用。
本文将从信息光学的基本原理、应用领域以及前景展望等方面进行探讨。
一、信息光学的基本原理信息光学的基本原理可以概括为光的信息编码、传输和解码。
在信息光学中，光是作为一种信息的载体，用来传递各种信息，比如图像、声音等。
其核心原理是利用光的干涉、衍射、吸收等特性进行信息处理。
信息光学采用的关键技术包括光学透镜、光纤通信、光学存储器等。
光学透镜是信息光学中的重要组成部分，它可以对光进行聚焦和解聚焦。
利用透镜的特性，可以将物体的信息转换为光信号，再通过光纤等方式进行传输。
同时，光纤通信技术也是信息光学中的关键技术之一，它通过光纤将光信号传输到目标地点，实现远程通信。
光学存储器是信息光学中的另一个重要技术，它能够将信息以光的形式进行存储和读取。
光学存储器的原理是利用高密度的激光束进行信息的写入和读取，相比传统的存储介质，如硬盘和光盘，光学存储器具有存储密度高、读写速度快的优势。
二、信息光学的应用领域信息光学在许多领域都有广泛的应用，下面我们将介绍其中几个主要的应用领域。
1. 光通信光通信是信息光学中最重要的应用之一。
借助光的高速传输和大带宽特性，光通信可以实现高速、长距离的信息传输。
光纤通信作为光通信的核心技术，已经成为现代通信领域必不可少的一部分。
2. 光计算光计算是一种利用光的性质进行信息处理的方法。
相比传统的电子计算机，光计算具有处理速度快、能耗低等优势。
光计算的发展前景广阔，将在人工智能、大数据处理等领域发挥巨大的作用。
3. 光储存光储存是信息光学中的另一个重要应用领域，其核心是利用激光和光学存储介质进行信息的存储和读取。
光储存技术具有存储密度高、耐久性好等优势，在数字媒体、数据中心等领域得到广泛应用。
光学信息处理技术的研究与应用
光学信息处理技术的研究与应用光学信息处理技术是指用光学方法对信息进行处理和传输的技术。
它具有速度快、处理能力强、无电磁干扰等优势，被广泛应用于通讯、计算、图像处理、全息存储等领域。
一、光学信息处理技术的基础和发展光学信息处理技术的基本原理是将信息转换为光信号进行处理和传输。
光学信息处理技术的起源可以追溯到19世纪初，当时人们发现将图像照射到感光材料上可制成“摄影”，由此开启了光学图像的处理之路。
到了20世纪，人们不断地探索、研究和改进，使光学信息处理技术得到了快速的发展和应用。
二、光学信息处理技术的研究1.光学图像处理技术光学图像处理技术是指将数字图像转换为光学信号，然后进行光学图像处理的技术。
目前，光学图像处理技术已广泛应用于医学诊断、无损检测、军事侦察、环境监测等领域。
常见的光学图像处理技术包括全息图像处理技术、光子学图像处理技术、光波前传感器技术等。
这些技术在图像的捕捉、压缩、增强和还原等方面都有重要作用。
2. 光学计算和信息存储技术光学计算和信息存储技术是指通过光学方式进行计算和存储的技术。
光学计算技术的主要方法是采用光学器件进行复杂的算术操作，如加、减、乘、除、傅里叶变换等。
而光学信息存储技术主要是利用光存储材料或全息存储介质存储数据和信息。
这些技术的高速、高密度、低功耗等特点，促进了计算机技术的发展。
3. 光通信技术光通信技术是指利用光学传输数据信息的技术，它占据了目前世界各种通信方式的领导地位。
光通信技术可以实现高速数据传输、长距离传输和高容量通信等，对人们的生活、工作和学习都产生了深刻的影响。
光通信技术目前的研究重点包括多路复用技术、光纤通信技术、卫星光通信技术等。
三、光学信息处理技术的应用1. 医学光学图像处理技术在医学领域的应用非常广泛。
例如在医学诊断中，医生可以通过光学图像找到有问题的部位，给予治疗。
光学图像处理技术还可以用于分析和测量人体结构、跟踪疾病的发展等方面的研究。
光学仪器在信息技术中的应用
光学仪器在信息技术中的应用1. 背景在信息技术领域，光学仪器发挥着至关重要的作用随着科技的不断发展，光学仪器在信息技术中的应用越来越广泛，为各行各业带来了前所未有的便利本文将探讨光学仪器在信息技术领域的主要应用，并简要介绍其工作原理2. 光纤通信光纤通信是光学仪器在信息技术领域中最典型的应用之一它利用光波在光纤中传输的高带宽、低损耗特性，实现高速、长距离的数据传输光纤通信系统主要包括光源、光纤、光接收器等部分2.1 光源光源是光纤通信系统的核心部分，负责产生光波目前广泛使用的是半导体激光器，它通过电信号控制激光的发射，具有高亮度、单色性好等优点2.2 光纤光纤是光波传输的载体，主要由玻璃或塑料制成光纤内部具有高纯度的石英玻璃，能够有效地传输光波光纤通信的传输距离和带宽主要取决于光纤的质量和光波的频率2.3 光接收器光接收器负责将光波转换为电信号，以便进一步处理和传输光接收器的核心部分是光电二极管，它对光波的响应速度快，灵敏度高3. 光存储技术光存储技术是利用光学原理将信息存储在光介质上的一种技术它具有存储密度高、保存时间长等优点，广泛应用于数据存储、光盘制作等领域3.1 光盘光盘是一种采用光学原理进行数据存储的介质它主要包括激光头、光盘片等部分光盘的存储密度和存储时间取决于光盘材料的质量和制作工艺3.2 光存储设备光存储设备主要用于读取和写入光盘中的数据它包括激光头、光学系统、信号处理电路等部分光存储设备的读写速度和稳定性对数据传输和存储至关重要4. 光刻技术光刻技术是集成电路制造的关键技术之一，利用光学原理在半导体硅片上刻写微小电路图案光刻技术的发展直接影响着集成电路的性能和集成度4.1 光源在光刻技术中，光源负责产生光波通常采用紫外光波长，如193nm、248nm 等光源的亮度和稳定性对光刻效果有重要影响4.2 光刻机光刻机是光刻技术的核心设备，主要包括光学系统、工作台、控制系统等部分光刻机的分辨率、对位精度等性能指标直接决定了集成电路的制造工艺4.3 光刻胶光刻胶是光刻过程中用于保护或暴露硅片的一种材料它对光的敏感性和耐腐蚀性对光刻效果具有重要影响5. 光学成像技术光学成像技术是利用光学原理将物体成像的一种技术在信息技术领域，光学成像技术广泛应用于摄像头、显微镜、投影仪等设备5.1 摄像头摄像头是一种利用光学成像原理将图像转换为电信号的设备它主要由镜头、感光元件等部分组成摄像头的分辨率、灵敏度等性能指标对图像质量有重要影响5.2 显微镜显微镜是一种利用光学成像原理放大微小物体的设备它主要由物镜、目镜、光源等部分组成显微镜的放大倍数、分辨力等性能指标对观察效果有重要影响5.3 投影仪投影仪是一种利用光学成像原理将图像投射到屏幕上的设备它主要由光源、光学系统、投影镜头等部分组成投影仪的分辨率、亮度等性能指标对图像质量有重要影响6. 结论光学仪器在信息技术领域中的应用十分广泛，包括光纤通信、光存储技术、光刻技术、光学成像技术等这些应用为信息技术的发展提供了强大的支持，推动了各行各业的数字化、网络化、智能化进程随着科技的不断进步，光学仪器在信息技术领域的应用将更加广泛，为人类带来更多的便利1. 背景在信息技术迅速发展的今天，光学仪器发挥着至关重要的作用光学仪器能够处理和传输光波，为各行各业带来了前所未有的便利本文将探讨光学仪器在信息技术领域的主要应用，并简要介绍其工作原理2. 光开关技术光开关技术是利用光学原理实现信号的切换和控制的技术在信息技术领域，光开关技术被广泛应用于光网络、光纤通信等场景2.1 光开关原理光开关技术主要利用光波的传输特性实现信号的切换当光波遇到不同介质的分界面时，会发生反射、折射等现象通过控制光波的传播路径，可以实现信号的切换和控制2.2 光开关设备光开关设备是实现光开关功能的关键设备它主要包括光源、光开关矩阵、光接收器等部分光开关设备的切换速度、可靠性等性能指标对信号的稳定传输至关重要3. 光传感器技术光传感器技术是利用光学原理将光信号转换为电信号的技术在信息技术领域，光传感器技术被广泛应用于光通信、图像传感器等场景3.1 光传感器原理光传感器主要利用光电效应将光信号转换为电信号当光波照射到光电探测器上时，会产生电子-空穴对，进而产生电流通过测量电流的大小，可以得到光信号的强度3.2 光传感器应用光传感器在信息技术领域中有着广泛的应用例如，在光通信中，光传感器可以用于检测光信号的强度和频率，从而实现信号的接收和检测在图像传感器中，光传感器可以将光信号转换为电信号，进一步处理和传输图像信息4. 光学存储技术光学存储技术是利用光学原理将信息存储在光学介质上的技术在信息技术领域，光学存储技术被广泛应用于光盘、硬盘等存储设备中4.1 光盘存储技术光盘存储技术是一种利用激光读写信息的技术它通过激光头将激光束聚焦到光盘的表面，通过改变光盘表面的反射率来存储和读取信息4.2 硬盘存储技术硬盘存储技术是一种利用磁光效应将信息存储在硬盘表面上的技术当激光照射到硬盘表面时，会产生磁化变化，从而存储和读取信息5. 光学成像技术光学成像技术是利用光学原理将物体成像的技术在信息技术领域，光学成像技术被广泛应用于摄像头、显微镜、投影仪等设备中5.1 摄像头成像技术摄像头成像技术是一种利用光学成像原理将图像转换为电信号的技术它通过镜头将光线聚焦到感光元件上，产生电信号，进一步处理和传输图像信息5.2 显微镜成像技术显微镜成像技术是一种利用光学成像原理放大微小物体的技术它通过物镜和目镜的组合，将微小物体放大成像，供人们观察和研究5.3 投影仪成像技术投影仪成像技术是一种利用光学成像原理将图像投射到屏幕上的技术它通过光源、光学系统和投影镜头的组合，将图像投射到屏幕上，实现图像的展示和分享6. 结论光学仪器在信息技术领域中的应用十分广泛，包括光开关技术、光传感器技术、光学存储技术、光学成像技术等这些应用为信息技术的发展提供了强大的支持，推动了各行各业的数字化、网络化、智能化进程随着科技的不断进步，光学仪器在信息技术领域的应用将更加广泛，为人类带来更多的便利应用场合1.光纤通信：在长距离通信、数据中心、移动网络和家庭宽带中，光纤通信是至关重要的它支持高速互联网接入和大数据传输2.光存储技术：应用于光盘生产、硬盘数据存储等，特别是需要长期数据保存的场合3.光刻技术：在集成电路制造中，光刻技术用于生产微小的电路图案，是半导体工业的基础4.光学成像技术：在医疗成像、安全监控、娱乐制作（如电影和摄影）、科研实验等场合，光学成像技术不可或缺5.光传感器技术：在环境监测、汽车行业、生物医学和工业自动化中，光传感器用于检测和测量各种物理量6.光开关技术：在数据中心、通信网络和家庭网络中，光开关技术用于高效地控制和分配光信号7.光学存储技术：适用于需要高容量和长期数据保存的场合，如数据中心、图书馆档案和个人信息存储8.光学成像技术：广泛应用于医疗成像、科学研究、安全监控和娱乐制作注意事项1.环境稳定性：光学仪器对环境条件敏感，如温度、湿度和灰尘等使用时应确保环境稳定，必要时应采取适当的保护措施2.光学元件保护：光学元件容易受到污染和损坏，应妥善保护，避免接触和碰撞3.设备校准：光学仪器需要定期校准以保持性能稳定，特别是在经过运输或维护后4.操作培训：操作光学仪器需要专业知识和技能，确保操作人员经过适当培训5.安全使用：某些光学仪器产生的光线可能对眼睛和皮肤有害，使用时应采取适当的安全措施，如佩戴护目镜和防护服6.电源管理：光学仪器通常需要稳定的电源供应，电压波动可能会影响设备性能7.防振和防震：光学仪器对振动非常敏感，应采取防震措施，如使用防震台和隔离器8.维护和清洁：定期对光学仪器进行维护和清洁，以保持其最佳性能9.合规性：确保光学仪器的使用符合相关法规和标准，特别是在医疗和工业应用中10.数据保护：在使用光学存储技术时，确保数据加密和备份，以防数据丢失或被未授权访问11.光信号质量：在光纤通信和光传感器应用中，确保光信号的质量，这可能需要使用光纤放大器和滤波器等辅助设备12.接口兼容性：在将光学仪器与现有系统集成时，确保其与系统的接口兼容遵循这些应用场合和注意事项，可以确保光学仪器在信息技术领域的有效和可靠使用，从而推动相关技术的发展和应用。
《光学信息技术原理及应用》(第2版)教学课件 光学信息处理第18讲
左眼
15
彩色全息术
单波长激光记录的全息图是单色的。彩色全息术的目的则是记录和 再现彩色三维全息图像。
彩色全息术涉及两个基本问题：三原色信息的获取和再现。
三原色信息的获取有两种方法： 一种是用含有三原色的复合激光作为光源照明彩色物体 另一种方法是对彩色二维图片进行分色处理，以黑白的三原色图 片作为全息记录的物
8
两步法和一步法记录彩虹全息比较
• 二步法优点：记录全息图的观察范围比较大 采取合适的记录光路有较大的能量利用率
缺点：二步记录制作过程比较烦琐 全息图的噪声较大
• 一步法优点：噪声小，制作步骤简单 缺点：观察范围受成像透镜相对口径限制 制作大体积物体需成本高昂的高质量大口径透镜
• 除一步法和二步法外，还有像散彩虹全息，综合狭缝法，条形散斑 屏法，零光程法，一步掩膜法等
3
白光再现全息
用白光再现全息图，会出现严重的色模糊，研究如何用白光再 现全息图像是显示全息的主要研究内容之一
实现白光再现全息通常有三种方法：像面全息；彩虹全息；反 射全息
用这些手段可制作多种类型的全息图，例如彩色全息，合成全 息，消色差全息等等
近几年来，出现了一种新的与计算机紧密结合的数字像素全息， 制作方法与常规的显示全息不同，效果很难用通常的全息技术得 到
全息技术正逐渐从实验室走向市场，全息图的大批量复制技 术起了很大作用
4
线全息图消色模糊原理
O B P
O A
P
图9 .2
设记录的物光是点光源，白光再现时，像O和O的波长分别对应A和 B。人眼看到的色散像是全息图不同区域衍射的不同波长光
如果把记录物光波的面积限制在一窄条上，仅有A进入人眼，这时人 眼看到的像是单色像O，也就是消除了色模糊
光学信息技术原理及应用
6.1光波作为信息载体具有特别显著的优点：一是光波的频率高达10 14Hz以上二是光波的并行性，光波是独立传播的，两束甚至于多束光在空间传播时相遇，可以互不干扰，这为光信息的多路并行传输和处理提供了可能性。
空间光调制器是由英语的spatial light modulator 直译过来的。
常缩写成SLM。
顾名思义，它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件。
基本特点：它是由许多基本的独立单元组成的一维线阵或二维阵列，这些独立单元可以是物理上分割的小单元，也可以是无物理边界的连续的整体，只是由于器件材料的分辨率和输入图像或信号的空间分辨率有限，而形成的一个一个小单元。
把控制小单元的光电信号称为“写入光”或“写入电信号”，即有两种方式。
如果采用写入光实现寻址的过程，则称为“光寻址”，---- 光寻址时，所有像素的寻址同时完成，所以它是一种并行寻址。
---- 其特点是：寻址速度最快，而且像素的大小，原则上只受写入光成像光学系统分辨率的限制。
如果采用写入电信号实现寻址的过程，则称为“电寻址”，---- 电寻址时，因为电信号是一个时间序列，原则上只能依次地输送到调制器的各个像素上去，所以电寻址是一种串行寻址方式。
空间光调制器中能用于调制或变换的物理效应很多：泡克尔斯效应（即线性电光效应）、克尔效应（即二次电光效应）、声光效应、磁光效应、半导体的自电光效应、光折变效应。
空间光调制器的功能：作为输入器件---- 电—光转换和串行—并行转换---- 非相干光—相干光转换---- 波长转换6.2——液晶光阀从分子排列的有序性来区分液晶：---- 层状（近晶型）---- 丝状（向列型）---- 螺旋状（胆甾型）双折射与扭曲效应电控双折射效应动态散射效应磁光空间光调制器---- 法拉第效应---- 克尔磁光效应全息术最初是由英国科学家丹尼斯-盖伯提出全系照相与普通照相的区别：全息照相与普通照相的方法截然不同。
普通照相在胶片上记录的是物光的振幅信息，而全息照相在记录振幅信息的同时，还记录了物光的相位信息。