《光学信息复习》PPT课件.ppt

内容 第五章光全息术 第六章空间光调制器 第七章光信息存储技术 第八章光学信息处理技术 全息照相的特点和原理 三维立体性 全息照片再现出来的像是三维立体的 全息照相不只记录物体的强度分布 而且要记录下传播到记录平面上的完整的物光波场 也就是指要同时记录振幅和位相 可分割性 全息图上的每一点都记录物体上所有发光点发出的光波的全部信息 因此全息照片的碎片照样能反映出整个物体的像来 并不会因为照片的破碎而失去像的完整性 重复记录 如再现光与参考光波面形状相同 只是相对全息图的入射角有偏离 偏离角小时仍出现再现像 随着角度的增大 再现像由畸变直至消失 全息图只在一个有限的角度范围内能再现物波前 利用这一特性 可采用不同角度的参考光在同一张全息片上记录多重全息图 再现时只要依次改变再现光角度 便可依次显示出不同的像来 5 2波前记录与再现 全息原理当人眼接收到不失真的物光波的全部信息 两眼产生视差 便看到了三维立体的物体 如果物体本身并不存在 则眼睛看到的 物光波 就成为 像 许多光学系统的成像虽然具有三维立体性 却是 实时器件 不能称为 照片 只有那些没有实物存在时仍能显示出与实物一样的三维立体像的东西 才能称为 立体照片 立体照片 能将实物发出的物光波的全部信息 冻结 其上 然后又能在特定的光照条件下将物光波 复活 使其继续向前传播 人眼接收到这种 复活 了的物光波 便看到了物体的像 在全息术中把这种 立体照片 称为 全息图 冻结的过程称为 波前记录 复活 的过程称为 波前记录 全息波前再现 全息波前再现是记录时被 冻结 在全息干版上的物光波前在特定条件下 复活 的过程 当用照明光波照射全息图时 分布在全息图上的细密条纹将发生衍射 部分衍射光波将会构成与原物波前完全相同的新的波前继续向前传播 形成三维立体像 需要说明的是 不是任意的照明光都能使物光波前获得再现 只有当照明光满足一定条件时 才有可能获得三维立体像 傅里叶变换全息图 这种全息图记录的并非物光波本身 而是物的傅里叶谱 第三章关于透镜的傅里叶变换性质说明 透镜后焦面的光场分布是其前焦面光场分布的傅里叶变换 可以利用透镜记录傅里叶变换全息图 傅里叶变换全息图记录原理图 物O x y 置于透镜前焦面 用平行光照明 这里的物一般以平面透明片为宜 在透镜L后焦面上得到它的傅里叶频谱将全息干板置于后焦面上 用斜入射的平行光作为参考光 记录傅里叶变换全息图 体积全息图的记录 先讨论物光波和参考光波都是平面波的情形 根据光的干涉原理 在记录介质内部应形成等间距的平面族结构 称为体光栅 如下图示 布拉格定律与布拉格条件 条纹面应处于R和O两光夹角的角平分线 它与两束光的夹角 应满足关系式 1 2 2体光栅常数 应满足关系式2 sin 式中 为光波在介质内传播的波长 上式称为 布拉格条件 角度 称为 布拉格角 由于记录介质在后处理过程中发生乳胶的收缩 条纹间隔变小 使再现像波长发生 蓝移 假如乳胶膨胀呢 全息图存储信息的基本原理 在全息存储器中 物光束经过空间调制而携带信息 参考光束以特定方向直接到达记录介质 不同的数据图像与不同的参考波面一一对应 在两相干光束相交的介质体积中形成干涉条纹 在写入过程中 材料对干涉条纹照明发生响应而产生折射率分布 因而在材料中形成类似光栅结构的全息图 读出过程利用了光栅结构的衍射 用适当选择的参考光 是写入过程中某一参考光的复现 照明全息图 使衍射光束经受空间调制 从而几乎是精确地复现出写入过程中与此参考光相干涉的数据光束的波面 第六章空间光调制器 空间光调制器 SpatiallightModulator SLM 它是一种能对光波的空间分布进行调制的器件 空间光调制器能对光波的某种或某些特性 例如相位 振幅或强度 频率 偏振态等 的一维或二维分布进行空间和时间的变换或调制 大部分液晶分子呈长棒状 长度在几个纳米量级 直径在零点几个纳米量级 从分子排列的有序性来区分液晶 大致可分为三类 层状 近晶型 丝状 相列型 和螺旋状 胆甾型 为讨论方便 引入一个单位矢量n来描述液晶分子的排列状态 n被称为指向矢 它可视为液晶长棒分子的长轴取向 2 液晶结构 液晶有些物质的分子没有固定的排列 可以自由移动 因而具有液体的流动性但同时它的分子排列取向又存在一定的规律性 因而又具有晶体的各向异件的特点 把这种介于固相和液相之间的相态称为液晶相 把具有液晶相的物质称为液晶物质 常见的主要是一些有机化合物 例如芳香族化合物 及它们的混合物 这些物质处在液晶相时 就叫做液晶 向列型液晶分子的排列比较杂乱 不再分层 但指向矢的方向大体一致 如图所示 向列型液晶也具有类似于单轴晶体的光学特性 近晶型液晶分子排列的基本特点 是其指向矢n在较大范围内有很好的规律性 在各分子位置附近的较小的范围内也有一定规律性 从而使其大体上呈层状排列 每层内的取向矢n互相平行或垂直于层面或成一确定角度 如图所示 因此 近晶型液晶具有宏观的电学和光学的各向异性特点 实验表明 在光频范围内 近晶型液晶相当于一个正单轴晶体 折射率no ne 胆甾型液晶的分子也呈分层排列 每层内的分子指向矢大体一致 并平行于层面 但相邻层中分子指向矢的方向依次转过一个角度 总体呈现螺旋结构 如图所示 液晶分子指向矢n可用外界条件来控制 一种方法是受电磁场控制 另一种是受液晶表面处理方式控制 法拉第效应 这是某些磁性材料呈现的一种磁光特性 把具有这类特性的材料称为磁光介质 当线偏振光沿外磁场 的方向通过磁光介质时 其偏振方向将会偏转一个角度 F式中L为光波在磁光介质中传播的路程 V为韦尔代 Verdet 常数 克尔磁光效应 当线偏振光入射到磁性介质表面时 其反射光束的偏振方向发生偏转 该偏转角称克尔角 偏转方向与磁性介质的磁感应强度 剩磁强度Bs 的方向有关 光盘存储的原理 激光具有高度的单色性 方向性和相干性 经聚焦后可在记录介质中形成极微小的光照微区 直径为光波长的线度 即一微米以下 使光照部分发生物理 化学变化 从而使光照微区的某种光学性质 反射率 折射率 偏振特性等 与周围介质有较大反衬度 以实现信息的存储 远场记录中 记录点的尺寸决定于聚焦光的衍射极限 聚焦光斑的直径与激光波长成正比 而与聚焦物镜的数值孔径成反比 缩短激光波长 增加物镜的数值孔径 提高密度 第七章光信息存储技术 CD780nm0 450 8um650MB 405nm0 850 16um30GB 记录波长 数值孔径 信息坑长 容量 DVD 蓝光DVD 650nm0 60 4um4 7GB 缩短半导体激光器波长以及增加光学物镜的数值孔径 从而减少信息符的尺寸来提高光盘的存储密度即容量 折射率光栅的建立 光折变效应 photorefractiveeffect 光致折射率变化效应的简称 指在光辐照下 某些电光材料的折射率随光强的空间分布而变化的现象 7 4四维光学存储 光盘存储可以称为 位置选择光存储 三维全息存储可以称为 布拉格选择光存储 它们由于受到衍射限制 代表一个信息位的光能量最小的聚焦体积在1 3的数量级 或10 12cm3左右 相应地 1bit所占据的空间中含有106 107个分子 如果能用一个分子存储一位信息 存储密度便能在现行光存储的基础上提高106 107倍 问题是要有适当的选择或识别分子的方法 物质原子的发射或吸收谱线有一定的宽度 单个原子的谱线宽度取决于与谱线相关的能级E2和E1 这些能级均有一定的宽度 由于受激原子处在激发态只有有限的寿命 这就造成原子跃迁谱线的自然线宽 大量原子和分子之间的无规碰撞和晶格热振动会使谱线进一步加宽 由于引起加宽的物理因素对每个原子都是等同的 这类宽度称为均匀加宽 其特点是不能把谱线线型函数上某一特定频率与某些特定原子联系起来 固体工作物质中 晶格缺陷 位错 空位等晶体不均匀性 引起微小的内部应变 这使处于缺陷部位的激活粒子的能级发生位移 导致处于晶体不同格位的激活离子发射 或吸收 的中心频率有微小的移动 而通常看到的荧光谱线是不同格位的激活离子所发射的谱线叠加在一起形成的包络 格位环境完全相同的离子发射 或吸收 的光谱宽度为均匀加宽 而整个包络线的宽度为非均匀加宽 非均匀加宽的特点是不同原子 离子 只对谱线内与它的中心频率相应的部分有贡献 因而可以将谱线上某一频率范围认为是由一部分特定原子发射 或吸收 的 如果用频率为 0 线宽很窄的强激光 烧孔激光 激发非均匀加宽的工作物质 同时用另一束窄带可调谐激光扫描该物质的非均匀加宽的吸收谱线 则在吸收频带上激发光频率 0处会出现一个凹陷 这就是 光谱烧孔 其原因是在窄带强激光激发下 与激光共振的那部分离子几乎全部被激发到激发态E2 测量这些离子从基态E1到激发态E2的吸收时 就出现吸收饱和线型 而不与窄带激发光共振的离子仍有正常的吸收 用激光扫过整个吸收线 测透射光强时就会在吸收线型上出现凹陷 也就是 孔 如图所示 8 2光学频谱分析和空间滤波 8 2 1阿贝 Abbe 成像理论 1873年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念 相干照明下显微镜成像过程可分作两步 首先 物平面上发出的光波在物镜后焦面上得到第一次衍射像然后 该衍射像发出次波干涉而构成物体像 称为第二次衍射像 因此该理论也常被称为 阿贝二次衍射成像理论 图8 1阿贝二次成像理论示意图 x0 y0为物面 用相干平行光照明 在后焦面即频谱面xf yf得到物的频谱 这是第一次成像过程 实际上是经过了一次傅里叶变换 由频谱而到像面xi yi 实际上是完成了一次夫琅禾费衍射过程 等于又经过了一次傅里叶变换 当像面取反射坐标时 后一次变换可视为傅里叶逆变换 经过两次变换 像面上形成的是物体的像 根据傅里叶分析可知 频谱面上的光场分布与物的结构密切相关 原点附近分布着物的低频传息 即傅里叶低频分量 离原点较远处 分布着物的较高的频率分量 即傅里叶高频分量 8 2 2阿贝 波特 Abbe Porter 实验 为了验证阿贝提出的成像理论 阿贝本人于1873年 波特于1906年分别做了实验 这就是著名的阿贝 波特实验 实验装置与图8 1所示相同 物面采用正交光栅 即细丝网格状物 由相干单色平行光照明 频谱面上放置滤波器 以各种方式改变物的频谱结构 在像面上可观察到各种与物不同的像 1 三透镜系统 三透镜系统通常称为4f系统 三个透镜的相互关系如图8 3所示 其中L1 L2 L3分别起着准直 变换和成像的作用 滤波器置于频谱平面 即变换透镜L2后焦面 L1 L2 L3分别起着准直 变换和成像的作用 滤波器置于频谱平面 即变换透镜L2后焦面 设物的透过率为滤波器透过率为则频谱面后的光场复振幅为 8 1 其中T fx fy F 8 2 fx x2 f2fy y2 f2 8 3 F 为傅里叶变换算符 T fx fy 为空间频率坐标 为单色点光源波长 f2是变换透镜L2的焦距 输出平面由于实行了坐标反转 得到的应是的傅里叶逆变换 即输出是物的几何像与滤波器逆变换的卷积 由此可知 改变滤波器的振幅透过率函数 可望改变几何像的结构 8 2 4空间滤波的傅里叶分析 设物为一维栅状物 朗奇 Ronchi 光栅 透过率函数为一组矩形函数 d 缝间距a 缝宽 栅状物可看成无限个这样的狭缝构成 8 5 其中fx x2 f2式中第一项为零级谱 第二 三项分别为正 负一级谱 后面依次为高级频谱 实际上它是矩形函数rect x1 a 和梳状函数comb x1 d 的卷积 若栅状物总宽度为B 上式还应多乘一个因子 将置于4f系统输入面上 可在频谱面上得到它的傅里叶变换 T fx F t x1 8 6 8 7 T fx F t x1 图8 6实际上是栅状物的夫琅禾费衍射图样 其强度呈现为一系列亮点 每一个亮点是一个sinc函数其中心分别位于fx m d m 0 1 2 其幅值受单缝衍射限制 它的包络是一个单缝夫琅禾费衍射图样 未经空间滤波前 输出面上得到的是式 8 7 的傅里叶逆变换F 1 t x1 取反射坐标 它应是原物的像t x3 T fx F t x1 滤波器采用狭缝或开孔式二进制 01 光阑 置于频谱面上 讨论 1 滤波器是一个通光孔 只允许零级通过 其透过率函数为 F fx 1 fx 1 B 0 fx 为其他值 8 8 滤波器后 只有第一项通过 其余项均被挡住 F fx 1 fx 1 B 0 fx 为其他值 8 8 因而频谱后面的光的振幅为 8 9 输出面上式 8 9 的傅里叶逆变换 式 8 10 表示一个强度均均的亮区 其振幅衰减为a d 亮区宽度为B 与栅状物宽度相同 栅状结构完全消失 这均实验结果柏符 见图8 2D 2 相位型滤波器 相衬显微镜 相位型滤波器只改变傅立叶频谱的相位分布 不改变它的振幅分布 主要功能是用于观察相位物体 可以观察透明生物切片 检查透明光学元件内部折射率是否均匀 或检查抛光表面的质量 相位物体 是指物体本身只存在折射率的分布不均 或表面高度的分布不均 当用相干光照明时 物体各部分都是透明的 其透过率只包含相位分布函数t0 x1 y1 exp j x1 y1 用普通显微镜无法观察这种位相物体 只有将相位信息变换为振幅信息 才有可能用肉眼直接观察到物体 1935年 泽尼克发明了相衬显微镜 解决了相位到振幅的变换 因此而获得诺贝尔奖 当位相的改变量 即相移 远小于1弧度时 其透过率函数可作如下近似 未经滤波时 像的强度分布为 根本无法观察到物体的图像 像面上只是一片均匀的光场 在滤波面上放置一个相位滤波器 使物的零级谱的相位增加 2 或3 2 则可使像的强度分布与物的相位分布成线性关系 物的频谱 第一项为零频第二项为衍射项 其中 频谱面放置相位滤波器 其后的光场分布为 式中 对应 2 对应3 2 像的强度分布为 8 17 8 16 8 15 省略高次项 因此 像强度随物的位相分布线性地分布 实现了相位到振幅 强度 的变换 号代表正相位反衬和负相位反衬 前者表示相位越大像强度越大 后者则相反 8 3相干光学信息处理 相干光学信息处理采用的方法多为频域调制 即对输入光信号的频谱进行复空间滤波 得到所需要的输出 相干光学信息处理系统的结构是根据具体的图像处理要求而定的 这里只介绍最基本的一种 由于相干处理是在频域进行调制 通常采用三透镜系统 8 3 1相干光学信息处理系统 如图8 18所示 S为相干点源 L1为准直透镜 L2和L3为傅里叶变换透镜 P1 P2和P3平面分别为输入面 变换 调制 面和输出面 也可称为物面 频谱面和像面 它们的空间位置和间距如图所示 其中f1f2和f3分别是三个透镜的焦距 输入图像信号置于P1平面 由点源S发出的球面波经L1准直后垂直照明P1平面 在P2平面上将得到频谱 将P3平面的坐标反转 可在P3平面上得到频谱的傅里叶逆变换 如P2平面上不加任何滤波措施 P3平面上将得到与输入图像相似的几何像 设输入图像的振幅透过率为t x y 平面照明光的振幅为1 在P2平面上置 振幅透过率为F fx fy 的空间滤波器 或称光调制器 则达到P2平面的光场和P2平面后的光场分别为 再经过L3进行傅里叶变换 到达P3平面的光场为 F t x y F 1 F fx fy P3平面上得到的是输入图像与滤波器逆变换的卷积 8 5白光信息处理 白光信息处理技术是近年来发展很快而且备受人们关注的技术 由于白光处理技术在一定程度上吸收了相干处理和非相干处理的优点 因而在应用上取得了明显的效果 本节只介绍其中最基本且具有代表性的几例 8 5 1 调制 对图像的不同区域分别用取向不同 角不同 的光栅进行调制 用白光照射 并在频谱面上加以适当的滤波器 可在输出面上得到所需的彩色图像 光学系统采用4f系统 具体过程如下 1 被调制的物的制备 物的样品如图8 34 a 所示 若要使花 叶 背底三个区域呈现三种不同的颜色 可在同一张胶片上曝三次光 每次只限其中一个区域 并在其上覆盖某一取向的朗奇光栅 三次分别取三个不同的取向 如图中线条所示 将这样的调制片输入4f系统 用白色平行光照明 8 34 2 空间滤波 由于物被不同取向的光栅所调制 所以在频谱面上得到的将是取向不同的带状谱 物的三个不同区域的信息分布在三个不向的方向上互不干扰 这就为空问滤波创造了便利条件 又由于用白光照明 所以各级频谱呈现出的是色散的彩带 由中心向外按波长从小到大的顺序排列 这就使 赋予 图像以特定的不同色彩成为可能 选用一带通滤波器 实际上是一个被打了孔的光屏 如图8 34 b 所示 图中只画出了正 负一级谱 在代表花 叶 背景信息的谱带上分别在红色 绿色 黄色位置打孔 使这三种颜色的谱通过 其余颜色的谱均被挡住 有时为增强光通量 往往在二级 三级谱的位置上打孔 为避免因色区形状与孔的形状不配配而引起 混频 现象 可在孔上放置相应的滤色片 以提高色纯度 在像面上可得到彩色图像 红花 绿叶 黄背景 若改变滤波器上孔的位置可变换出各种不同的颜色搭配 如图8 35 b c 所示是在输出面上摄取的彩色图像照片 见书末彩色插页 它们分别对应不同结构的滤波器 3 输出 图8 34 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 突破性进展 80年代末 90年代初 南开大学的研究人员在这方面作出了较为突出的贡献 母国光 方志良 王君庆等 用