光学信息处理教案

光学信息处理教案第1页，课件共52页，创作于2023年2月§1.计算全息的理论基础a.重要历史人物简介1、罗曼(A.WLohmann)德国籍国际知名光学信息处理科学家；2、发明计算机全息图，使光学信息处理进入一个新时代；3、他的计算全息理论是光学新领域“二元光学”的基础；4、是最早将光学、计算机与通讯科学结合的科学家；5、是提出光学数字计算机和光通讯中光交换器最早的人。6、在国际光学届享有崇高威望，曾任美国光学学会主席，国际光学委员会主席；7、被选为瑞典皇家工程院与德国巴伐利亚科学院院士，中国工程院院士。第2页，课件共52页，创作于2023年2月§1.计算全息的理论基础b.概述利用光波的数学描述，通过计算机对想象中的物体形成模拟干涉图，并将其绘制或复制在透明胶片上，这种计算机合成的全息图称为计算全息图。1.定义：2.特点：1）无需实物2）可形成三维虚构像第3页，课件共52页，创作于2023年2月§1.计算全息的理论基础b.概述3.应用：1）用于二维和三维物体像的显示2）在光学信息处理中用作空间滤波器3）产生特定波面用于干涉计量4）用作激光扫描器5）用于数据存储第4页，课件共52页，创作于2023年2月§1.计算全息的理论基础b.概述4.制作与再现步骤：1）抽样：得到物体或波面再离散点上的值2）计算：计算物光波在全息平面上的光场分布3）编码：把全息平面上复振幅分布编码成全息图的透过率函数4）成图：在计算机控制下，将全息图的透过率函数在成图设备上成图，如果分辨率不够，在经光学缩版得到实用全息图5）再现：与光学全息再现一样第5页，课件共52页，创作于2023年2月§1.计算全息的理论基础b.概述4.制作与再现步骤：

物体

抽样离散傅氏变换离散样点分布全息图面上的频谱透过率函数计算全息图三维全息像数学表达式编码成图再现照相、缩版第6页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理a.函数的离散化处理：x0x0x0第7页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理x0x0一维：二维：b.抽样函数：第8页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理c.离散谱与原函数谱之间的关系：设第9页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理F(,0)1Bx-Bx000第10页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理d.抽样定理：假设f(x,y)是有限带宽函数，其频谱在空间频域内的一个有限域上不为零，设2Bx,2By是这个区域在、方向上的宽度，即满足：则只要：谱函数不会出现频率混叠现象，这样可以从中分离出第11页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理d.抽样定理：假设f(x,y)是有限带宽函数，其频谱在空间频域内的一个有限域上不为零，设2Bx,2By是这个区域在、方向上的宽度，即满足：则只要：谱函数不会出现频率混叠现象，这样可以从中分离出奈魁斯特间隔第12页，课件共52页，创作于2023年2月§2.抽样定理e.原函数的复原：如果在频域内采用一矩形低通滤波器，其频率宽度正好为奈魁斯特间隔的倒数，即：则当满足抽样定理时，可准确提取原函数的谱：所以：0理想滤波器第13页，课件共52页，创作于2023年2月§3.计算全息的信息容量a.计算全息的两个必要条件：1.物函数经过抽样，其抽样间隔应满足抽样定理，以避免频率混叠现象。b.信息量的概念：2.计算全息的再现应选择适当的空间滤波器，才能恢复出所需物光波前。1.信息量与物体的空间尺寸有关2.信息量与物体的频率成分有关3.用空间带宽乘积来表征信息量的大小。即：第14页，课件共52页，创作于2023年2月§3.计算全息的信息容量c.实际计算全息图的信息容量：1.计算全息信息容量受全息图制作方法的限制。2.计算全息信息容量受计算机存储量的限制。3.计算全息信息容量受计算机运行速度的限制。4.实际情况存在一定的频率混叠现象，应尽量减小混叠程度。第15页，课件共52页，创作于2023年2月§4.信号的调制与解调a.调制：采用一定手段将一连续信号经抽样离散后按某一规则进行数值化编码的过程,称为调制。调制的目的：

便于记忆便于计算便于传输便于存储第16页，课件共52页，创作于2023年2月§4.信号的调制与解调b.常用调制方法：1.调幅PulseAmplitude

Modulation。第17页，课件共52页，创作于2023年2月§4.信号的调制与解调b.常用调制方法：2.调宽PulseWidthModulation。第18页，课件共52页，创作于2023年2月§4.信号的调制与解调b.常用调制方法：3.调频（位置调制）PulsePositionModulation。第19页，课件共52页，创作于2023年2月§4.信号的调制与解调c.计算全息中的调制方法：1.对振幅采用调宽法。2.对相位采用调频法。从调制信号中提取原被调制信号的过程。d.解调：计算全息采用调宽、调频复合调制。第20页，课件共52页，创作于2023年2月§5.计算全息的分类a.第一种分类法：2.计算像面全息。3.计算菲涅耳全息。1.计算傅里叶变换全息。根据物体与记录平面的相对位置不同，可分为：第21页，课件共52页，创作于2023年2月§5.计算全息的分类1.计算振幅全息图。b.第二种分类法：1）计算二元振幅全息图。2）计算灰阶振幅全息图。2.计算相位全息图。根据全息透过率函数的性质不同，可分为：第22页，课件共52页，创作于2023年2月§5.计算全息的分类c.第三种分类法：4.计算全息干涉图。2.修正型离轴参考光计算全息图。3.计算相息图。1.迂回相位型计算全息图。根据编码方法不同，可分为：第23页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法a.计算全息的编码对象和编码过程：1)抽样离散。2.过程：Hi(x,y)=Ci[f(x,y)]1.对象：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]2)用实数数字化编码表征离散化f(x,y)。3)方法的多样性、非唯一性。第24页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：1.罗曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]相邻两狭缝间的光程差：光栅衍射公式：等周期光栅第25页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：1.罗曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]不等距产生的相位差为：不等周期光栅第26页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：1.罗曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]物光波离散化：经规一化后有：f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]1)振幅编码：编码时使W保持不变离散化时：x、y为常量用面积Smn表征：Smn调幅方式So第27页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：1.罗曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]物光波离散化：一般取沿x轴方向的相对位置：f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]2)相位编码：面积Smn的几何中心的相对离散化面积So中心的位置来表征：SoSmn调频方式第28页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：1.罗曼型：物光波：f(x,y)=A(x,y)exp[j(x,y)]物光波离散化：f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]第29页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：2.四阶迂回相位法：矢量角就是(m,n)直角坐标系矢量编码法方式xAnA(m,n)(m,n)f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]Am矢量距就是A(m,n)用A(m,n)的直角坐标分量Am、An按灰度编码AmAn第30页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：2.四阶迂回相位法：直角坐标系矢量编码法方式f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]第31页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：3.三阶迂回相位法：矢量角就是(m,n)三相矢量编码法方式AnA(m,n)(m,n)f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]Am矢量距就是A(m,n)用A(m,n)的三相坐标分量Am、An按灰度编码AmAn第32页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法b.迂回相位编码：3.三阶迂回相位法：三相矢量编码法方式f(m,n)=A(m,n)exp[j(m,n)]第33页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法c.修正离轴参考光的编码方法：1.离轴平面参考光全息记录背景光与晕轮光纪录时不可避免第34页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法c.修正离轴参考光的编码方法：2.计算全息重构全息函数3.重构全息函数的归一化处理第35页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法c.修正离轴参考光的编码方法：4.频域分析第36页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法c.修正离轴参考光的编码方法：4.频域分析第37页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法c.修正离轴参考光的编码方法：4.频域分析第38页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法d.二元脉冲密度编码：2.透过率函数1.物光波函数3.高密度采样离散并二值化（取整累余）序h(xi,0)余数c(xi,0)10.180.18020.200.38030.250.63-0.5=0.13140.230.36050.160.52-0.5=0.021第39页，课件共52页，创作于2023年2月§6.计算全息的编码方法d.二元脉冲密度编码：2.透过率函数1.物光波函数3.二值化（取整累余）4.二维编码的路径第40页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息a.抽样：1.物光波及其频谱的描述：第41页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息a.抽样：对于空域：2.抽样定理的限制：3.离散抽样单元数的确定对于频域：对于频域：对于空域：对于空域：4.离散形式计算全息图的空间带宽积与物体空间带宽积相同。表征具有相同的信息量。第42页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息b.计算离散傅里叶变换：离散形式：连续形式：计算方法：普通傅里叶变换和快速傅里叶变换阵列数普通傅里叶变换快速傅里叶变换64648min3s25625630h1min512512120h5min102410241year20min第43页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息b.计算离散傅里叶变换：采用快速傅里叶变换：指数形式：第44页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息c.用罗曼型编码方法编码：第45页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息d.绘制傅里叶变换全息图：打印缩放第46页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息e.再现再现所编码的全息图的傅里叶变换频谱第47页，课件共52页，创作于2023年2月§7.计算傅里叶变换全息f.几个值得注意的问题：1.模式溢出校正：（1）对于罗曼型迂回编码方法，当时，会出现与相邻单元重叠现象