光學(xué)全息;空間濾波光學(xué)信息處理

1、第七章 光學(xué)全息 7.1 概述概述 7.2 波前記錄和再現(xiàn)波前記錄和再現(xiàn) 7.3 同軸全息和離軸全息圖同軸全息和離軸全息圖 7.4 Fourier變換全息圖變換全息圖 7.5 其他幾種全息圖簡(jiǎn)介其他幾種全息圖簡(jiǎn)介7.1 概述一、基本思想一、基本思想1、含義：記錄和再現(xiàn)振幅和位相信息 全息術(shù)：記錄和再現(xiàn)全部信息的方法和技術(shù) 光學(xué)全息：記錄和再現(xiàn)光波的全部信息 2、歷史：1984 Denis 波前再現(xiàn) 3、基本思想： 干板結(jié)構(gòu)：乳膠層、底層、片基（玻璃）、防光暈層 分辨率要求：普通照相干板：200線對(duì)/mm 全息干板：20002800線對(duì)/mm 當(dāng)用光波再次照射干板時(shí)， 波前再現(xiàn) y101mmm對(duì)

2、簡(jiǎn)單兩支光波干涉照明，經(jīng)過(guò)曝光等一系列過(guò)程，則形成光柵 在全息圖中，用角譜理論可將其視為許多平面波，經(jīng)過(guò)曝光等一系列過(guò)程，則形成復(fù)雜光柵 再現(xiàn)時(shí)，一個(gè)孔衍射成許多級(jí)次，對(duì)于復(fù)雜光柵，有許多復(fù)雜級(jí)次。二、光學(xué)全息圖的分類二、光學(xué)全息圖的分類 1、根據(jù)“物”與干板的位置 Fresnell全息圖： 很近7.4 Frounhofer全息圖： 滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件 Fourier變換全息圖： 7.5 a、標(biāo)準(zhǔn)FT b、準(zhǔn) FT c、無(wú)透鏡 FT 像全息圖 2、按照物光波與參考光波的傳播方向分為 7.3 同軸和離軸3、按照物光波參考光波關(guān)于干板的位置分為 7.8 透射和反射 4、全息圖對(duì)照明光波的調(diào)制特性分 振幅

3、全息圖、位相全息圖（浮雕型、折射率型）光程差hn n=constant,h=h(x,y)浮雕型h=constant,n=n(x,y)折射率型 5、乳膠層的厚度與干涉條紋的間距相比較 7.7 平面全息圖相鄰的干涉條紋間距 dh 7.8 體積全息圖相鄰的干涉條紋間距 dhk6、根據(jù)制作全息圖的方法分 光學(xué)全息 7.9 計(jì)算機(jī)全息：將振幅和位相分別編碼7.2 波前記錄和波前再現(xiàn)一、波前記錄一、波前記錄 ),(),(),(),(),(),(),(),(0),(00yxRyxoyxUyxryxRyxoyxOeeyxiyxir復(fù)振幅迭加實(shí)像正號(hào)表示會(huì)聚波成虛像散波位相因子前正號(hào)表示發(fā)參考光波：物光波：co

4、s2),(),(),()(),(*),(),(),(),(),(),(*),(),(),(0002020*222rroyxryxoyxIyxRyxOyxRyxOyxRyxOyxUyxUyxUyxI息全記錄下來(lái)將物光波振幅和位相信分布曝光時(shí)干板平面上光強(qiáng)記錄介質(zhì)上總光場(chǎng)分布 用記錄介質(zhì)記錄下t(x,y) 記錄介質(zhì)為銀鹽 銀鹽感光膠片對(duì)兩波前的干涉記錄圖樣曝光，經(jīng)顯影處理得到全息圖，實(shí)質(zhì)為干涉圖二、記錄介質(zhì)的線性變換關(guān)系二、記錄介質(zhì)的線性變換關(guān)系 1、銀鹽記錄介質(zhì) ： Agcl（見(jiàn)光分解，顯象） 新型光學(xué)記錄材料：重鉻酸鉀明膠、電熱塑料、光電晶體、液晶、光致變色材料、光致抗蝕等等 2、銀鹽記錄介質(zhì)

5、的曝光特性（記錄介質(zhì)相當(dāng)線性變換器） 曝光特性曲線：曝光量： EI T 光學(xué)密度：曲線在線性區(qū)并設(shè)透過(guò)率振幅變換為顯影后負(fù)片的復(fù)性將曝光時(shí)的入射光強(qiáng)線復(fù)振幅透過(guò)率函數(shù)是強(qiáng)度透過(guò)率函數(shù)EtITEEtyxttEtIIDit,),(:)(1log0RcocoRcoctyxUyxtyxcyxUyxcyxctoRRootyxtbyxibbe20tt),(020),(),(),(),(),(),()(),(0代人上式圖：相干照明光波照明全息是均勻偏置透過(guò)率 代入： 分析（照明光波參考光波物光波4100000020000),(0),(0),(0),),(),(),(000UUorcorcocctyxUcyx

6、cryxROyxOeeeeeeecrcrcccriiiiyxiyxiyxi有變形再現(xiàn)，位相因子不僅有板對(duì)稱）即會(huì)聚成實(shí)像（關(guān)于干，此中含的物光波）即發(fā)散波成虛像（物處此中含的物光波只是加了一個(gè)系數(shù)方向相同，直接透射光與照明光波),(,),(:,),(:043)(04)(03100yxoUUyxoUyxoUUeeyxiyxi a、要得到準(zhǔn)確虛像則要0( , ) 240( , )( , ),( , )rrcix yC x yR x yUO x ye 即用原參考光照明此時(shí)實(shí)象不準(zhǔn)確，即變形實(shí)像對(duì)b、要得到準(zhǔn)確實(shí)像，即 但得到變形虛像 實(shí)像和虛像是一對(duì)孿生像，兩個(gè)同時(shí)出現(xiàn)),(),(yxRyxCrc射

7、，即暈輪光對(duì)上述過(guò)程可理解為衍相當(dāng)于),(),(),(),(),(:0202yxtyxuyxucyxuoyxtUitiiec四、全息照像與普通照像的關(guān)系四、全息照像與普通照像的關(guān)系 普通照像 全息照像1、成像原理 幾何成像（一步）二步成像2、干板位置 像面上 物光波傳播中任意位置3、記錄的物理量 I(x,y)物光強(qiáng)O(x,y)(物光波的復(fù)振幅)4、照片上的圖案 景物的負(fù)像 干涉圖5、記錄用光 相干/非相干 相干光6、參考光 不要 要7、記錄介質(zhì) 普通干板 全息干板8、像的數(shù)量 1 至少是兩個(gè)或多個(gè)9、是否用透鏡 要 可要可不要10、物面與像面對(duì)于關(guān)系 點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng) 點(diǎn)面對(duì)應(yīng)11、再現(xiàn)像的特點(diǎn) 二維

8、平面像 三維立體像 12、再現(xiàn)像的亮度 高 低13、信息存儲(chǔ)密度 低 高14、觀察者的要求 無(wú) 有7.3 同軸全息圖和離軸全息圖一、同軸全息圖一、同軸全息圖 1、記錄相干平面波照明一個(gè)高度透明物體，物體的復(fù)振幅透過(guò)率為022( , )00000()02(,)(,)( , )( , )( , )2ix ykikZiZt xytt xyo x yo x yayxo x yee e在傍軸近似下，球面波),(),(),(),(),(000202020yxItyxtorororyxIryxoyxI對(duì)稱處）實(shí)像（在原物關(guān)于干板會(huì)聚波虛像（在原物處）注：發(fā)散波代入：用振幅為再現(xiàn)時(shí)圖的平面波垂直照明全息eee

9、yxiyxibikZooyxorcyxorcoctcyxUyxtyxtcyxUC),(0),(0000002000000),(),(),(),(),(),(,二、離軸全息圖二、離軸全息圖 1、記錄：參考光用斜入射的平面波： 、全息圖透過(guò)率函數(shù)（復(fù)振幅透過(guò)率正比于曝光強(qiáng)度） eeeyiyiyiorororRyxOyxIrR2020202022),(),()sin(0干板上的光強(qiáng)度分布其中),(),(0yxItyxt3、再現(xiàn)像分析 分離條件：在頻譜域中分析 eeyiyitorcorcocrcyxtyxcyxuc20020020020000),(),(),(平面波垂直照射全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率用振幅為

10、7.4 Fourier變換全息圖一、全息圖記錄一、全息圖記錄 1、前焦面上的復(fù)振幅分布： 2、后焦面上的復(fù)振幅分布： 是相干點(diǎn)源是物體),(,),(),(),(),(000000000000byxyxgbyxryxgyxUfyffxfrffGyxUyxUyxbfiyxey/,/),(),(),(20000、干板上的光強(qiáng)度分布： 這是簡(jiǎn)單獲得Fourier變換復(fù)振幅的方法eeeeGGyyiibibfiGGGyxgGfGrGrrGyxUyxI),(),(),(20202022其中 4、顯影后全息圖的透過(guò)率函數(shù)eeyybfibfibGrGrGtyxt20202),( 信息，平面波照射時(shí)，可再現(xiàn)物體的

11、頻譜和其共軛為得到物體的原始象和共軛象，再經(jīng)透鏡作一次變換說(shuō)明：在全息圖中，儲(chǔ)存了物體全部5、光波再現(xiàn)： 因此共軛像在y軸上有位移,物是正立的，則產(chǎn)生y，x方向都倒立的像 0000 00 0( ,)( , )( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)bU x yc t x yc tx yc g x yg x yc r g x ybc r g x yb ),(yxU對(duì)再現(xiàn)像 分析 位置： 展寬：102030 040 0( ,)0( ,)( ,)2( ,)(0, )( ,)(0,)bUc tx yUc g x yg x yyUc r g x ybbyUc r g x ybby 像面坐標(biāo)原點(diǎn)像面坐標(biāo)原

12、點(diǎn)),(yxUFT全息圖記錄了物函數(shù)的頻譜和共軛，通常為復(fù)函數(shù)，可用于制作全息復(fù)函數(shù)濾波器，應(yīng)用于圖像特征識(shí)別和信息存儲(chǔ)xybbyyy2二、二、FT全息圖特點(diǎn)全息圖特點(diǎn) 1、全息圖記錄的：不是物光波本身而是物光波頻譜 2、參考光波是傾斜的平面波 3再現(xiàn)出的原始像是一個(gè)倒立的像共軛像是一個(gè)正立的像要想像獨(dú)立則 b大于等于3y/27.5 其他幾種全息圖簡(jiǎn)介一、一、Frenell全息圖全息圖 用針孔濾波器實(shí)現(xiàn)低通濾波因?yàn)長(zhǎng)aser相干性好，碰上灰塵都會(huì)衍射，產(chǎn)生高頻譜，用針孔濾波器實(shí)現(xiàn)低通濾波器二、在再現(xiàn)時(shí)二、在再現(xiàn)時(shí)三、兩種分析法三、兩種分析法 1、基元波帶法：將物分解為不同的點(diǎn)，與參考波源相干涉

13、，則全息圖為不同干涉圖樣的集合 2、基元光柵準(zhǔn)確實(shí)像畸變虛像畸變實(shí)像準(zhǔn)確虛像),(),(),(),(),(),(),(),(yxOyxOyxRyxCyxOyxOyxRyxC四、位相全息四、位相全息 折射率型全息圖則此為浮雕型全息圖為位相延遲為振幅透射因子),(tan),(tan)(2),(),(,),(),(yxnntconsLyxLLtconsnnLyxyxttyxteyxi 平面全息圖的復(fù)振幅透過(guò)率為復(fù)數(shù)，描述了照明光波通過(guò)全息圖傳播時(shí)振幅和位相所受的調(diào)制五、體積全息圖五、體積全息圖 1、條件：干涉條紋23um （d） 乳膠層厚度 20um （h） 此時(shí)看成 dh 2、特點(diǎn)：a、白光照明再

14、現(xiàn)出不同波長(zhǎng)的單色的像 b、再現(xiàn)出一個(gè)像7.6 全息圖的衍射效應(yīng)一、一、衍射效應(yīng)的概念（能流之比）衍射效應(yīng)的概念（能流之比）tHcHoHcHoIISSSyxcSyxo022),(),(時(shí)，在二、平面全息圖的二、平面全息圖的)(1414121)2cos()(2210 xtUUf xttxttif xif xiee時(shí)，在第八章 空間濾波 光學(xué)信息處理 8.1 光學(xué)信息處理的含義和分光學(xué)信息處理的含義和分類類 8.2 基本相干處理基本相干處理 8.3 簡(jiǎn)單的振幅濾波的位相濾簡(jiǎn)單的振幅濾波的位相濾波波 8.4 空間濾波空間濾波光學(xué)圖像識(shí)光學(xué)圖像識(shí)別別8.1 光學(xué)信息處理的含義和分類一、含義一、含義 1

15、. 廣義概念:信號(hào)用光技術(shù)手段進(jìn)行處理(包括非光學(xué)信號(hào)) 2.狹義:光學(xué)信號(hào)用光學(xué)手段處理. 由于 空域 h是脈沖響應(yīng)導(dǎo)致象模糊頻域 即在頻譜域中去掉HchuiguCHGGgi二、處理系統(tǒng)二、處理系統(tǒng)(方法方法)分類分類 1.根據(jù)所用光源分: 相干處理 非相干處理 白光處理 3.系統(tǒng)特性: LSI處理 非線性處理 空間變處理 4.處理時(shí)間: 事前 事后 實(shí)時(shí) 5.處理手段: 光學(xué)處理 光電混合處理 光與計(jì)算機(jī)結(jié)合處理8.2 基本相干處理一、光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)一、光學(xué)頻譜分析系統(tǒng) 1、二維 2、一維多通道 3、64路楔環(huán)形探測(cè)器原理 4、應(yīng)用二、典型相干處理系統(tǒng)二、典型相干處理系統(tǒng) 1、三透鏡 (

16、4f)系統(tǒng) :一個(gè)準(zhǔn)直透鏡 兩個(gè)FTL 2、雙透鏡系統(tǒng) 3、單透鏡系統(tǒng)三、光學(xué)處理的特點(diǎn)三、光學(xué)處理的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) : 1、速度快2、二維并行處理 3、價(jià)格便宜缺點(diǎn): 1、精度不高,因?yàn)槎际悄M運(yùn)算 2、適應(yīng)性差(準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)) 3、不靈活(光學(xué)系統(tǒng)不能編程)四、混和處理系統(tǒng)四、混和處理系統(tǒng)(光電光電) 初處理-光 精處理-數(shù)字機(jī)8.3 簡(jiǎn)單的振幅濾波和位相濾波一、光學(xué)空間濾波的概念一、光學(xué)空間濾波的概念 在相干光學(xué)處理器的頻譜面上用空間光學(xué)濾波器以改變輸入光信號(hào)的頻譜,從而在系統(tǒng)輸出平面上綜合出所需的頻譜. 主要運(yùn)算:光學(xué)卷積相關(guān) 積分 微分 圖像加減 這些都取決于濾波片的情況.濾波函數(shù) H(f

17、x,fy)=t( ) 振幅濾波 H(fx.fy)= 位相濾波 H(fx.fy)= 空間復(fù)濾波系統(tǒng)中對(duì)光波起限制作用的是光闌,見(jiàn)圖8-2f2f2y,x)ff ( ty,x)ff (y,xei)ff (y,xei)ff ( ty,x二、二、Abbe-porter 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) 1、實(shí)驗(yàn)裝置:4f系統(tǒng) L1為準(zhǔn)直透鏡，L2,L3為FTL，焦距為f,P1，P2，P3為物面，頻譜面和象面，P3為反射坐標(biāo)系，物置于P1上，用相干光照明。各級(jí)衍射光在 L2的后焦面分開(kāi)，形成一些亮點(diǎn)，為物體的空間頻譜，經(jīng)L3變換為不同方向的平面波譜，在P3平面上重新相干疊加 2、濾波器:1) H(fx.fy)= 1 P3平面上為

18、像2)水平狹縫 豎的柵線3)豎直狹縫水平柵線三、消除圖像上周期傳輸?shù)牡屯ㄈ?、消除圖像上周期傳輸?shù)牡屯V波濾波四、高通濾波四、高通濾波五、檢測(cè)信號(hào)的方向?yàn)V波五、檢測(cè)信號(hào)的方向?yàn)V波六、位相濾波六、位相濾波(相幅濾波相幅濾波) 透明體上結(jié)構(gòu)分布1),(1),(2),(111當(dāng)平面：yxtyxtpeyxi1122( ,)1( , )1( , )( , )1( , )tt x yix ytx yU x yix y 頻域分析：(一一)(二）二） 1p 平面由單位振幅的平面波正入射22(,)( , )(,) ( , )xytxypUffU x yffix y 平面上：在 平面上作空間濾波（不作處理，成象仍然什么也看不到）0232),