光學(xué)信息處理教案課件

1、 1. 計(jì)算全息的理論基礎(chǔ)a.重要?dú)v史人物簡(jiǎn)介1、羅曼(A.W Lohmann) 德國(guó)籍國(guó)際知名光學(xué)信息處理科 學(xué)家；2、發(fā)明計(jì)算機(jī)全息圖，使光學(xué)信息處理進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代；3、他的計(jì)算全息理論是光學(xué)新領(lǐng)域“二元光學(xué)”的基礎(chǔ)；4、是最早將光學(xué)、計(jì)算機(jī)與通訊科學(xué)結(jié)合的科學(xué)家；5、是提出光學(xué)數(shù)字計(jì)算機(jī)和光通訊中光交換器最早的人。6、在國(guó)際光學(xué)屆享有崇高威望，曾任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主席， 國(guó)際光學(xué)委員會(huì)主席；7、被選為瑞典皇家工程院與德國(guó)巴伐利亞科學(xué)院院士， 中國(guó)工程院院士。 1. 計(jì)算全息的理論基礎(chǔ)b.概述利用光波的數(shù)學(xué)描述，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)想象中的物體形成模擬干涉圖，并將其繪制或復(fù)制在透明膠片上，這種計(jì)算機(jī)合

2、成的全息圖稱為計(jì)算全息圖。1.定義：2.特點(diǎn)：1）無(wú)需實(shí)物2）可形成三維虛構(gòu)像 1. 計(jì)算全息的理論基礎(chǔ)b.概述3.應(yīng)用：1）用于二維和三維物體像的顯示2）在光學(xué)信息處理中用作空間濾波器3）產(chǎn)生特定波面用于干涉計(jì)量4）用作激光掃描器5）用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 1. 計(jì)算全息的理論基礎(chǔ)b.概述4.制作與再現(xiàn)步驟：1）抽樣：得到物體或波面再離散點(diǎn)上的值2）計(jì)算：計(jì)算物光波在全息平面上的光場(chǎng)分布3）編碼：把全息平面上復(fù)振幅分布編碼成 全息圖的透過(guò)率函數(shù)4）成圖：在計(jì)算機(jī)控制下，將全息圖的透過(guò)率 函數(shù)在成圖設(shè)備上成圖，如果分辨率 不夠，在經(jīng)光學(xué)縮版得到實(shí)用全息圖5）再現(xiàn)：與光學(xué)全息再現(xiàn)一樣 1. 計(jì)算全息的理論

3、基礎(chǔ)b.概述4.制作與再現(xiàn)步驟： 物體 抽樣離散傅氏變換離散樣點(diǎn)分布全息圖面上的頻譜透過(guò)率函 數(shù)計(jì) 算全息圖三維全息像數(shù)學(xué)表達(dá)式編碼成圖再現(xiàn)照相、縮版 2. 抽樣定理a.函數(shù)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(shù)： 2. 抽樣定理c.離散譜與原函數(shù)譜之間的關(guān)系：設(shè) 2. 抽樣定理F(,0)1Bx-Bx000 2. 抽樣定理d.抽樣定理：假設(shè)f(x,y)是有限帶寬函數(shù)，其頻譜在空間頻域內(nèi)的一個(gè)有限域上不為零，設(shè)2Bx,2By是這個(gè)區(qū)域在、方向上的寬度，即滿足：則只要：譜函數(shù)不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象，這樣可以從 中分離出 2. 抽樣定理d.抽樣定理：假設(shè)f(x

4、,y)是有限帶寬函數(shù)，其頻譜在空間頻域內(nèi)的一個(gè)有限域上不為零，設(shè)2Bx,2By是這個(gè)區(qū)域在、方向上的寬度，即滿足：則只要：譜函數(shù)不會(huì)出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)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(shù)的復(fù)原：如果在頻域內(nèi)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(shù)，即：則當(dāng)滿足抽樣定理時(shí)，可準(zhǔn)確提取原函數(shù)的譜：所以：0理想濾波器 3. 計(jì)算全息的信息容量a.計(jì)算全息的兩個(gè)必要條件：1.物函數(shù)經(jīng)過(guò)抽樣，其抽樣間隔應(yīng)滿足抽 樣定理，以避免頻率混疊現(xiàn)象。b.信息量的概念：2.計(jì)算全息的再現(xiàn)應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)目臻g濾波 器，才能恢復(fù)出所需物光波前。1.信息量與物體的空間尺寸有關(guān)2.信息量與

5、物體的頻率成分有關(guān)3.用空間帶寬乘積來(lái)表征信息量的大小。即： 3. 計(jì)算全息的信息容量c.實(shí)際計(jì)算全息圖的信息容量：1.計(jì)算全息信息容量受全息圖制作方法的限制。2.計(jì)算全息信息容量受計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量的限制。3.計(jì)算全息信息容量受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制。4.實(shí)際情況存在一定的頻率混疊現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小混疊程度。 4. 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)a.調(diào)制：采用一定手段將一連續(xù)信號(hào)經(jīng)抽樣離散后按某一規(guī)則進(jìn)行數(shù)值化編碼的過(guò)程,稱為調(diào)制。調(diào)制的目的： 便于記憶便于計(jì)算便于傳輸便于存儲(chǔ) 4. 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)b.常用調(diào)制方法： 1.調(diào)幅Pulse Amplitude Modulation。4. 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)b.常用調(diào)制

6、方法： 2.調(diào)寬Pulse Width Modulation。 4. 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)b.常用調(diào)制方法： 3.調(diào)頻（位置調(diào)制）Pulse Position Modulation。 4. 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)c.計(jì)算全息中的調(diào)制方法：1.對(duì)振幅采用調(diào)寬法。2.對(duì)相位采用調(diào)頻法。從調(diào)制信號(hào)中提取原被調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。d.解調(diào)：計(jì)算全息采用調(diào)寬、調(diào)頻復(fù)合調(diào)制。 5. 計(jì)算全息的分類a.第一種分類法： 2.計(jì)算像面全息。3.計(jì)算菲涅耳全息。1.計(jì)算傅里葉變換全息。根據(jù)物體與記錄平面的相對(duì)位置不同，可分為： 5. 計(jì)算全息的分類1.計(jì)算振幅全息圖。b. 第二種分類法：1）計(jì)算二元振幅全息圖。2）計(jì)算灰階振幅全

7、息圖。2.計(jì)算相位全息圖。根據(jù)全息透過(guò)率函數(shù)的性質(zhì)不同，可分為： 5. 計(jì)算全息的分類c.第三種分類法：4.計(jì)算全息干涉圖。 2.修正型離軸參考光計(jì)算全息圖。3.計(jì)算相息圖。1. 迂回相位型計(jì)算全息圖。根據(jù)編碼方法不同，可分為： 6. 計(jì)算全息的編碼方法a.計(jì)算全息的編碼對(duì)象和編碼過(guò)程：1)抽樣離散。 2.過(guò)程：Hi(x,y)=Cif(x,y)1. 對(duì)象：物光波：f(x,y)=A(x,y)expj(x,y)2)用實(shí)數(shù)數(shù)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(jì)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(jì)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(chǎn)生的相位差為：不等周期光柵 6. 計(jì)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(jīng)規(guī)一化后有：f(m,n)=A(m,n)expj(m,n)1)振幅編碼：編碼時(shí)使W保持不變離散化時(shí)：x、y為常量用面積Smn表征：Smn調(diào)幅方式So 6. 計(jì)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(duì)

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(duì)離散化面積So中心的位置來(lái)表征：SoSmn調(diào)頻方式 6. 計(jì)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(jì)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(biāo)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(biāo)分量Am、An按灰度編碼 AmAn 6. 計(jì)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(biāo)系矢量編碼法方式f(m,n)=A(m,n)expj(m,n) 6. 計(jì)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(biāo)分量Am、An按灰度編碼 AmAn 6. 計(jì)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(jì)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(jì)錄時(shí)不可避免 6

11、. 計(jì)算全息的編碼方法c.修正離軸參考光的編碼方法：2.計(jì)算全息重構(gòu)全息函數(shù)3.重構(gòu)全息函數(shù)的歸一化處理 6. 計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算全息的編碼方法d.二元脈沖密度編碼：2.透過(guò)率函數(shù)1.物光波函數(shù)3.高密度采樣離散并二值化（取整累余）序h(xi,0)余數(shù)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(jì)算全息的編碼方法d.二元脈沖密度編碼：2.透過(guò)率函數(shù)1.物光波函數(shù)3.二值化（取整累余）4.二維編碼的路徑 7. 計(jì)算傅里葉變換全息a.抽樣：1.物光波及其頻譜的描述： 7. 計(jì)算傅里葉變換全息a.抽樣：對(duì)于空域：2.抽樣定理的限制：3.離散抽樣單元數(shù)的確定對(duì)于頻域：對(duì)于頻域：對(duì)于空域：對(duì)于空域：4.離散形式計(jì)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(jì)算傅里葉變換全息b.計(jì)算離散傅里葉變換：離散形式：連續(xù)形式：計(jì)算方法：普通傅里葉變換和快速傅里葉變換陣列數(shù)普通傅里葉變換快速傅里葉變換64648min3s25625630h1min 512512120h5min1

13、02410241year20min 7. 計(jì)算傅里葉變換全息b.計(jì)算離散傅里葉變換：采用快速傅里葉變換：指數(shù)形式： 7. 計(jì)算傅里葉變換全息c.用羅曼型編碼方法編碼： 7. 計(jì)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(jì)算傅里葉變換全息e.再現(xiàn)再現(xiàn)所編碼的全息圖的傅里葉變換頻譜 7. 計(jì)算傅里葉變換全息f.幾個(gè)值得注意的問(wèn)題：1.模式溢出校正：（1）對(duì)于羅曼型迂回編碼方法，當(dāng) 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與相鄰單元重疊現(xiàn)象 7. 計(jì)算傅里葉變換全息f.幾個(gè)值得注意的問(wèn)題：1.模式溢出校正：（2）解決方法：用同一單元溢出部分轉(zhuǎn)移到 本單元的另一側(cè)。（3）實(shí)現(xiàn)：通過(guò)條件判斷主動(dòng)編程。 7. 計(jì)算傅里葉變換全息f.幾個(gè)值得注意的問(wèn)題：2.相位誤差的校正：（1）離散過(guò)程進(jìn)行了一次離散區(qū)間的近似處理（3）突變位相對(duì)象將產(chǎn)生相位誤差，需校正。（2）漸變位相對(duì)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(jì)算傅里葉變換全息f.幾個(gè)值得注意的問(wèn)題：3.降低振幅的動(dòng)態(tài)范