光學信息處理教案課件

1、 1. 計算全息的理論基礎a.重要歷史人物簡介1、羅曼(A.W Lohmann) 德國籍國際知名光學信息處理科 學家；2、發(fā)明計算機全息圖，使光學信息處理進入一個新時代；3、他的計算全息理論是光學新領域“二元光學”的基礎；4、是最早將光學、計算機與通訊科學結合的科學家；5、是提出光學數字計算機和光通訊中光交換器最早的人。6、在國際光學屆享有崇高威望，曾任美國光學學會主席， 國際光學委員會主席；7、被選為瑞典皇家工程院與德國巴伐利亞科學院院士， 中國工程院院士。 1. 計算全息的理論基礎b.概述利用光波的數學描述，通過計算機對想象中的物體形成模擬干涉圖，并將其繪制或復制在透明膠片上，這種計算機合

2、成的全息圖稱為計算全息圖。1.定義：2.特點：1）無需實物2）可形成三維虛構像 1. 計算全息的理論基礎b.概述3.應用：1）用于二維和三維物體像的顯示2）在光學信息處理中用作空間濾波器3）產生特定波面用于干涉計量4）用作激光掃描器5）用于數據存儲 1. 計算全息的理論基礎b.概述4.制作與再現步驟：1）抽樣：得到物體或波面再離散點上的值2）計算：計算物光波在全息平面上的光場分布3）編碼：把全息平面上復振幅分布編碼成 全息圖的透過率函數4）成圖：在計算機控制下，將全息圖的透過率 函數在成圖設備上成圖，如果分辨率 不夠，在經光學縮版得到實用全息圖5）再現：與光學全息再現一樣 1. 計算全息的理論

3、基礎b.概述4.制作與再現步驟： 物體 抽樣離散傅氏變換離散樣點分布全息圖面上的頻譜透過率函 數計 算全息圖三維全息像數學表達式編碼成圖再現照相、縮版 2. 抽樣定理a.函數的離散化處理：x0 x0 x0 2. 抽樣定理x0 x0一維：二維：b.抽樣函數： 2. 抽樣定理c.離散譜與原函數譜之間的關系：設 2. 抽樣定理F(,0)1Bx-Bx000 2. 抽樣定理d.抽樣定理：假設f(x,y)是有限帶寬函數，其頻譜在空間頻域內的一個有限域上不為零，設2Bx,2By是這個區(qū)域在、方向上的寬度，即滿足：則只要：譜函數不會出現頻率混疊現象，這樣可以從 中分離出 2. 抽樣定理d.抽樣定理：假設f(x

4、,y)是有限帶寬函數，其頻譜在空間頻域內的一個有限域上不為零，設2Bx,2By是這個區(qū)域在、方向上的寬度，即滿足：則只要：譜函數不會出現頻率混疊現象，這樣可以從 中分離出奈魁斯特間隔 2. 抽樣定理e.原函數的復原：如果在頻域內采用一矩形低通濾波器，其頻率寬度正好為奈魁斯特間隔的倒數，即：則當滿足抽樣定理時，可準確提取原函數的譜：所以：0理想濾波器 3. 計算全息的信息容量a.計算全息的兩個必要條件：1.物函數經過抽樣，其抽樣間隔應滿足抽 樣定理，以避免頻率混疊現象。b.信息量的概念：2.計算全息的再現應選擇適當的空間濾波 器，才能恢復出所需物光波前。1.信息量與物體的空間尺寸有關2.信息量與

5、物體的頻率成分有關3.用空間帶寬乘積來表征信息量的大小。即： 3. 計算全息的信息容量c.實際計算全息圖的信息容量：1.計算全息信息容量受全息圖制作方法的限制。2.計算全息信息容量受計算機存儲量的限制。3.計算全息信息容量受計算機運行速度的限制。4.實際情況存在一定的頻率混疊現象，應盡量減小混疊程度。 4. 信號的調制與解調a.調制：采用一定手段將一連續(xù)信號經抽樣離散后按某一規(guī)則進行數值化編碼的過程,稱為調制。調制的目的： 便于記憶便于計算便于傳輸便于存儲 4. 信號的調制與解調b.常用調制方法： 1.調幅Pulse Amplitude Modulation。4. 信號的調制與解調b.常用調制

6、方法： 2.調寬Pulse Width Modulation。 4. 信號的調制與解調b.常用調制方法： 3.調頻（位置調制）Pulse Position Modulation。 4. 信號的調制與解調c.計算全息中的調制方法：1.對振幅采用調寬法。2.對相位采用調頻法。從調制信號中提取原被調制信號的過程。d.解調：計算全息采用調寬、調頻復合調制。 5. 計算全息的分類a.第一種分類法： 2.計算像面全息。3.計算菲涅耳全息。1.計算傅里葉變換全息。根據物體與記錄平面的相對位置不同，可分為： 5. 計算全息的分類1.計算振幅全息圖。b. 第二種分類法：1）計算二元振幅全息圖。2）計算灰階振幅全

7、息圖。2.計算相位全息圖。根據全息透過率函數的性質不同，可分為： 5. 計算全息的分類c.第三種分類法：4.計算全息干涉圖。 2.修正型離軸參考光計算全息圖。3.計算相息圖。1. 迂回相位型計算全息圖。根據編碼方法不同，可分為： 6. 計算全息的編碼方法a.計算全息的編碼對象和編碼過程：1)抽樣離散。 2.過程：Hi(x,y)=Cif(x,y)1. 對象：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)2)用實數數字化編碼表征離散化f(x,y)。3)方法的多樣性、非唯一性。 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：1. 羅曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)相鄰兩狹

8、縫間的光程差：光柵衍射公式：等周期光柵 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：1. 羅曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)不等距產生的相位差為：不等周期光柵 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：1. 羅曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)物光波離散化：經規(guī)一化后有：f(m,n)=A(m,n)expj(m,n)1)振幅編碼：編碼時使W保持不變離散化時：x、y為常量用面積Smn表征：Smn調幅方式So 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：1. 羅曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)物光波離散化：一般取沿x軸方向的相對

9、位置：f(m,n)=A(m,n)expj(m,n)2)相位編碼：面積Smn的幾何中心的相對離散化面積So中心的位置來表征：SoSmn調頻方式 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：1. 羅曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)物光波離散化：f(m,n)=A(m,n)expj(m,n) 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：2.四階迂回相位法：矢量角就是(m,n)直角坐標系矢量編碼法方式xAnA(m,n)(m,n)f(m,n)=A(m,n)expj(m,n)Am矢量距就是A(m,n)用A(m,n)的直角坐標分量Am、An按灰度編碼 AmAn 6. 計算全息的編碼方法b

10、.迂回相位編碼：2.四階迂回相位法：直角坐標系矢量編碼法方式f(m,n)=A(m,n)expj(m,n) 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：3.三階迂回相位法：矢量角就是(m,n)三相矢量編碼法方式AnA(m,n)(m,n)f(m,n)=A(m,n)expj(m,n)Am矢量距就是A(m,n)用A(m,n)的三相坐標分量Am、An按灰度編碼 AmAn 6. 計算全息的編碼方法b.迂回相位編碼：3.三階迂回相位法：三相矢量編碼法方式f(m,n)=A(m,n)expj(m,n) 6. 計算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：1.離軸平面參考光全息記錄背景光與暈輪光紀錄時不可避免 6

11、. 計算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：2.計算全息重構全息函數3.重構全息函數的歸一化處理 6. 計算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：4.頻域分析 6. 計算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：4.頻域分析 6. 計算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：4.頻域分析 6. 計算全息的編碼方法d.二元脈沖密度編碼：2.透過率函數1.物光波函數3.高密度采樣離散并二值化（取整累余）序h(xi,0)余數c(xi,0)10.180.18020.200.38030.250.63-0.5=0.13140.230.36050.160.52-0.5=0.021 6.

12、計算全息的編碼方法d.二元脈沖密度編碼：2.透過率函數1.物光波函數3.二值化（取整累余）4.二維編碼的路徑 7. 計算傅里葉變換全息a.抽樣：1.物光波及其頻譜的描述： 7. 計算傅里葉變換全息a.抽樣：對于空域：2.抽樣定理的限制：3.離散抽樣單元數的確定對于頻域：對于頻域：對于空域：對于空域：4.離散形式計算全息圖的空間帶寬積與物體空間帶寬積相同。表征具有相同的信息量。 7. 計算傅里葉變換全息b.計算離散傅里葉變換：離散形式：連續(xù)形式：計算方法：普通傅里葉變換和快速傅里葉變換陣列數普通傅里葉變換快速傅里葉變換64648min3s25625630h1min 512512120h5min1

13、02410241year20min 7. 計算傅里葉變換全息b.計算離散傅里葉變換：采用快速傅里葉變換：指數形式： 7. 計算傅里葉變換全息c.用羅曼型編碼方法編碼： 7. 計算傅里葉變換全息d.繪制傅里葉變換全息圖：打印縮放 7. 計算傅里葉變換全息e.再現再現所編碼的全息圖的傅里葉變換頻譜 7. 計算傅里葉變換全息f.幾個值得注意的問題：1.模式溢出校正：（1）對于羅曼型迂回編碼方法，當 時，會出現與相鄰單元重疊現象 7. 計算傅里葉變換全息f.幾個值得注意的問題：1.模式溢出校正：（2）解決方法：用同一單元溢出部分轉移到 本單元的另一側。（3）實現：通過條件判斷主動編程。 7. 計算傅里葉變換全息f.幾個值得注意的問題：2.相位誤差的校正：（1）離散過程進行了一次離散區(qū)間的近似處理（3）突變位相對象將產生相位誤差，需校正。（2）漸變位相對象可以接受這種近似。（4）相位誤差校正方法常采樣區(qū)域線性擬合。 7. 計算傅里葉變換全息f.幾個值得注意的問題：3.降低振幅的動態(tài)范