信息光學緒論

1、1任課教師：梁春雷Phone:Q: 185294871郵箱：自我介紹自我介紹2教材和參考書教材信息光學理論與應用（第2版）王仕璠編著，北京郵電大學出版社，2009年2月 參考書l信息光學，蘇顯渝，李繼陶，科學出版社，2000l傅里葉光學，呂乃光，機械工業(yè)出版社，2006.3l呂乃光等編,傅里葉光學-基本概念和題解3信息光學-傅里葉光學信號與系統(tǒng)的基本分析方法通信理論、傅里葉分析與現(xiàn)代光學的結(jié)合光學信息處理與全息學的基礎數(shù)學基礎數(shù)學基礎二維線性系統(tǒng)分析二維線性系統(tǒng)分析標量衍射的角譜理論標量衍射的角譜理論光學成像系統(tǒng)的頻率特性光學成像系統(tǒng)的頻率特性光學全息照相光學全息照相

2、空間濾波空間濾波相干、非相干光學處理相干、非相干光學處理4在內(nèi)容的選擇和數(shù)學概念的引入上，密切結(jié)合光學現(xiàn)象而不拘泥于數(shù)學上的系統(tǒng)性和嚴密性。 光學中常用的幾種非初等函數(shù)、函數(shù)、卷積與相關(guān)、傅里葉變換的基本概念及基本定理、傅里葉貝塞耳變換、常用傅里葉變換對、線性系統(tǒng)與線性空間不變系統(tǒng)、二維采樣定理。課堂講授10學時，習題課2學時主要教學內(nèi)容教學重點與難點 1. 函數(shù)的定義及其運算特性 2. 卷積與相關(guān)運算 3. 傅里葉變換諸定理及常用傅里葉變換對 4. 線性空間不變系統(tǒng)的特性5 復變函數(shù)g(x,y)的傅里葉變換式 G(u,v)=FTg(x,y) g( x,y)=FT-1G(u,v)dudvvyu

3、xi2expvu,Gyxgdxdyvyuxi2expyx,gvuG)(),()(),(（傅里葉變換的定義傅里葉變換的定義6傅里葉變換的基本性質(zhì) 線性定理： FTg+h= FTg+ FTh 相似性定理 若FTg(x,y)=G(u,v)則 即，空域（對應于電學信號的時域而引入的名詞）中坐標的“伸展”，導致頻域中坐標的壓縮和整個頻譜上幅度的一個總體變化。bvauGab1byaxgFT,),(7 相移定理 若FTg(x,y)=G(u,v)則 即，函數(shù)在空域中的平移，帶來頻域中的線性相移。 巴塞伐定理巴塞伐定理 ： （能量守恒） 若FTg(x,y)=G(u,v)則)(),(),(vbuai2expvuG

4、byaxgFTdudvvuGdxdyyxg22),(),(傅里葉變換的基本性質(zhì)8 卷積定理 若 FTg(x,y)=G(u,v)， FTh(x,y)=H(u,v)則 在空域中兩個函數(shù)的卷積完全等效于在頻域一個更簡單的運算：它們各自的傅里葉變換式的乘積),(),(vuHvuGhFTgdd-yxhghg),(),(傅里葉變換的基本性質(zhì)9 相關(guān)定理（維納-辛欣定理）若 FTg(x,y)=G(u,v)， FTh(x,y)=H(u,v)則（互相關(guān)和自相關(guān)）),(),(vuHvu*GhFTgddyxh*ghg),(),(傅里葉變換的基本性質(zhì)10原函數(shù)原函數(shù)頻譜函數(shù)頻譜函數(shù)縫函數(shù)縫函數(shù) 二維矩形函數(shù)二維矩形函

5、數(shù) 高斯函數(shù)高斯函數(shù) 函數(shù)函數(shù) (x) 1常數(shù)常數(shù) 1圓函數(shù)圓函數(shù) )(21)(21)(00fffff10)(rectax22axax)af(asinc10rectrect)by()ax(22by,ax其它各處)(sinc)(sincxxbfafab1022circ)ayx(ayx22其它各處222212yxyxff)ffa(aJ)xf0)x(gcos(21022LxLx)(exp)(2axxg)af(a22exp( )f傅傅里里葉葉變變換換對對111. 空域與頻域的基爾霍夫衍射公式2. 經(jīng)簡化后的兩類典型衍射的分析3. 一些典型孔徑的夫朗禾費衍射的計算4. 泰保效應和采用會聚球面波照明孔徑時

6、形成的衍射 ）課堂講授5學時，習題課1學時主要教學內(nèi)容 基爾霍夫衍射理論、衍射規(guī)律的頻域表達式、菲涅耳衍射與夫瑯和費衍射、夫瑯和費衍射計算實例、巴俾涅原理教學重點與難點菲涅耳衍射過程等效于一個線性空間不變系統(tǒng)的作用所謂空間頻譜，就是夫朗禾費衍射花樣，且其幅值與衍射所謂空間頻譜，就是夫朗禾費衍射花樣，且其幅值與衍射屏透過率函數(shù)的傅里葉變換成正比。屏透過率函數(shù)的傅里葉變換成正比。121. 薄透鏡的位相調(diào)制作用位相調(diào)制作用、變換性質(zhì)變換性質(zhì)和成像特性2. 光學系統(tǒng)的截止頻率3. Hc(fx, fy)和和Ho(fx, fy)的計算的計算4. 像強度分布的計算課堂講授7學時，習題課1學時主要教學內(nèi)容 透

7、鏡的傅里葉變換性質(zhì)、光學成像系統(tǒng)的一般分析、衍射受限相干成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、衍射受限非相干成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)、相干成像與非相干成像系統(tǒng)的比較教學重點與難點衍射受限的光學系統(tǒng)是線性平移不變系統(tǒng)，進而引入卷積運算，衍射受限的光學系統(tǒng)是線性平移不變系統(tǒng)，進而引入卷積運算，根據(jù)卷積定理，在空域的點擴散函數(shù)，在頻域即是傳遞函數(shù)。根據(jù)卷積定理，在空域的點擴散函數(shù)，在頻域即是傳遞函數(shù)。例：相干點擴散函數(shù)的傅里葉變換就是相干傳遞函數(shù)13 會聚透鏡的本領進行二維傅里葉變換 物體在前焦面上在透鏡后焦面上得到的是準確的傅里葉變換ff物平面透鏡頻譜面透鏡的傅里葉變換性質(zhì)141. 菲涅耳點源全息圖原理2. 全息記錄介質(zhì)

8、的特性3. 幾類典型的全息圖（原理、制作光路）4. 光柵方程5. 全息照相的應用課堂講授9學時，習題1學時。主要教學內(nèi)容全息照相的基本原理、菲涅耳點源全息圖、全息記錄介質(zhì)和實驗裝置、傅里葉變換全息圖和彩虹全息圖、體積全息圖和模壓全息圖、全息照相的應用教學重點與難點15全息防偽技全息防偽技術(shù)術(shù)16全息信息存儲17存儲密度大海量存儲200mm雙面光盤，2.4mm厚可存儲 2 部電影的全部聲、像信息全息存儲 1cm3 光折變晶體存儲 1萬 幅二維圖像，數(shù)據(jù)量達到10Gbit計算機控制，快速存儲181. 空間頻譜分析系統(tǒng)2. 幾種典型的空間頻率濾波系統(tǒng)3. 空間濾波的傅里葉分析4. 空間濾波器的結(jié)構(gòu)類

9、型和應用舉例5. Zernike 相襯顯微術(shù)課堂講授4學時主要教學內(nèi)容空間濾波的基本原理、空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型和應用舉例教學重點與難點19空間頻率濾波系統(tǒng)空間頻率濾波系統(tǒng)空間濾波：改變物的空間頻譜結(jié)構(gòu)空間濾波：改變物的空間頻譜結(jié)構(gòu), ,進而改變像分布進而改變像分布(1)(1)三透鏡系統(tǒng)三透鏡系統(tǒng)4f系統(tǒng)系統(tǒng)準直準直變換變換成像成像 濾波器濾波器頻譜分析頻譜分析: :觀察和記錄物的空間頻率特性觀察和記錄物的空間頻率特性20阿貝成像理論第一步衍射分頻第二步干涉合成頻譜面像平面物平面ABCCBA21L yx物物像像保留保留 fy 的頻譜：的頻譜：保留保留 fx 的頻譜：的頻譜：yx保留保留 f 的頻

10、譜：的頻譜： 方向方向Fyx 阿貝阿貝-波特實驗波特實驗22空間濾波空間濾波總是要丟掉較高頻的信息?？偸且獊G掉較高頻的信息。由于透鏡的孔徑有限，使物光通過透鏡后，由于透鏡的孔徑有限，使物光通過透鏡后，F(xiàn)0+1+2 1 2S S物點物點像點像點對應于截對應于截止頻率止頻率 fc丟失了高丟失了高頻的信息頻的信息L23改變頻譜可改變物光的信息改變頻譜可改變物光的信息使用透鏡會丟失高頻信息，使用透鏡會丟失高頻信息，在頻譜面上放置空間濾波器，可改造空間頻譜。在頻譜面上放置空間濾波器，可改造空間頻譜。 低通低通濾波器濾波器F 高通高通濾波器濾波器F帶通帶通濾波濾波器器F從另一角度說明，從另一角度說明， 空

11、間濾波?？臻g濾波。24相襯顯微鏡 1935年由澤尼克（Zernike）提出，因為大多數(shù)細菌為透明的位相物體，要觀察細菌往往要染色，這樣細菌將被殺死。在顯微鏡物鏡的焦平面上加一個位相濾波器就可以將位相的變化轉(zhuǎn)化為強度變化，從而可以利用顯微鏡直接看到活的細菌。這個發(fā)明使?jié)赡峥双@得1935年的諾貝爾獎。25 弱位相物體：弱位相物體： y)(x,i1y)(x,i expt/2 nht切片切片（物）（物） （x,y）A像像（x ,y ）L頻頻譜譜面面相位板相位板 ie相襯顯微鏡的原理相襯顯微鏡的原理位相濾波器位相濾波器 ：在顯微鏡物鏡的頻譜面中心涂一小滴透明的電解質(zhì) ，其厚度為h，折射率為n。 26頻譜

12、面上原位相物體的頻譜為：FTitFT經(jīng)過位相濾波器后：ii exp在像平面上得到復振幅和光強分別為：)(sin21*)exp()exp(UUIiiiiFTU,.5, 3, 1,.4,2,02)12(mmm2121II正相襯負相襯27普通顯微鏡（左）和相襯顯微鏡拍攝的硅藻照片普通顯微鏡（左）和相襯顯微鏡拍攝的硅藻照片28課堂講授2學時。主要教學內(nèi)容 圖像相減 、匹配濾波與光學圖像識別教學重點與難點圖像相減與匹配濾波識別29 光學特征識別是把已知物的付氏譜和待測物光學特征識別是把已知物的付氏譜和待測物的付氏譜進行比較，從而找出待測目標。的付氏譜進行比較，從而找出待測目標。特征識別系統(tǒng)可以做到：特征

13、識別系統(tǒng)可以做到： 從衛(wèi)星照片中檢測軍事目標從衛(wèi)星照片中檢測軍事目標 從文件中檢測某個字從文件中檢測某個字 從細胞中檢測癌細胞從細胞中檢測癌細胞 進行航空測量進行航空測量 光學特征識別光學特征識別 光學偵破（指紋識別）光學偵破（指紋識別） 30t( (x, y) )中若含有與中若含有與 s 相同的部分，則在相應相同的部分，則在相應位置處出現(xiàn)自相關(guān)峰值，從而識別出目標物。位置處出現(xiàn)自相關(guān)峰值，從而識別出目標物。光學相關(guān)具有位移不變性光學相關(guān)具有位移不變性DsA B C D C D E F D E F Gtt s光學圖像識別光學圖像識別31 模糊圖象處理模糊圖象處理（離焦模糊、運動模糊）（離焦模糊、運動模糊）關(guān)鍵是找到關(guān)鍵是找到T G (fx，fy) 模糊圖象的譜。模糊圖象的譜。設：設：G (fx，fy) 清楚圖像的譜，清楚圖像的譜， 模糊因子，模糊因子，GGffTyx )(，令：令：濾波后濾波后GTGTGTG 11TGG 則則L1L2畸變波畸變波頻頻譜譜面面F濾波濾波T1（透過率）（透過率）G GG 正確波正確波清清楚楚圖圖象象P2平平面面波波P1模糊照片模糊照片32消模糊處理前的碑文消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩）處理后的碑文（唐詩）33 1.