波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例

1、波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例第1頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四1一.相控陣?yán)走_(dá)1.光線斜入射時(shí)的 光柵方程d sin光柵觀察屏Lop fid sin im確定時(shí) 調(diào)節(jié)I 則 相應(yīng)改變可以獲得更高級(jí)次的條紋（分辨率高）第2頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四2改變 即可改變 0 級(jí)衍射光的方向相鄰入射光的相位差令 m = 0 則 例如第3頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四3 2. 相控陣?yán)走_(dá)微波源移相器輻射單元dn靶目標(biāo)一維陣列的相控陣?yán)走_(dá)(1)掃描方式 相位控制掃描 頻率控制掃描(2)回波接收通過(guò)同樣的天線陣列接收第4頁(yè)，共46頁(yè)，

2、2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四4無(wú)機(jī)械慣性 可高速掃描 一次全程掃描僅需幾微秒由計(jì)算機(jī)控制可形成多種波束 能同時(shí)搜索、跟蹤多個(gè)目標(biāo)不轉(zhuǎn)動(dòng) 天線孔徑可做得很大 輻射功率強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、分辨率高3.相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)如地形測(cè)繪、氣象監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航、測(cè)速（反射波的多普勒頻移）相控陣?yán)走_(dá)除軍事應(yīng)用外，還可民用：第5頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四5設(shè)在澳大利亞Sydney大學(xué)的一維射電望遠(yuǎn)鏡陣列（N=32，=21cm，a = 2m，陣列長(zhǎng)213m）第6頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四6陣列寬31m，有1792個(gè)輻射單元。能探測(cè)到5500公里范

3、圍內(nèi)的10m2大小的物體。用于搜索洲際導(dǎo)彈和跟蹤人造衛(wèi)星。設(shè)在美國(guó)鱈角（Cape cod）的相控陣?yán)走_(dá)照片第7頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四7 二.全息照相 D.Gabor 1948年提出 激光出現(xiàn)后很快發(fā)展 1971年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1.特點(diǎn) 普通照相 全息照相記錄內(nèi)容 振幅頻率 振幅頻率相位(全部信息)理論 幾何光學(xué) 波動(dòng)光學(xué)(相干光源)再現(xiàn)圖像 平面 立體 演示全息照像第8頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四82. 拍攝激光器物光參考光底片參考光在底片上各點(diǎn)振幅相同 相位也相同 物光則不同第9頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)

4、27分，星期四9產(chǎn)生環(huán)狀干涉條紋干涉極大處為暗環(huán) 制成正片后為亮環(huán)全息照片為無(wú)數(shù)套環(huán)狀條紋的疊加r0r0+2r0+3分析一個(gè)點(diǎn)的物光r0+第10頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四10激光器物光參考光底片0級(jí)1級(jí)-1級(jí)3.再現(xiàn)用原波長(zhǎng)的參考光照射第11頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四110級(jí)1級(jí)-1級(jí)大于一級(jí)的光強(qiáng)很弱 可不考慮衍射光在原來(lái)的物點(diǎn)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉得到原物的實(shí)像左方得到虛像雙光束干涉-正弦光柵第12頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四12再現(xiàn)立體圖像第13頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四1

5、3再現(xiàn)立體圖像第14頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四14再現(xiàn)立體圖像第15頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四15白光全息第16頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四16信息編碼和譯碼全息電影無(wú)損檢測(cè)激光器物光參考光底片4.應(yīng)用如一張玻璃片信息貯存 106 - 109 bit/ mm2第17頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四17三.光信息處理信息光學(xué)也稱為變換光學(xué)或付里葉光學(xué)基本概念起源于上世紀(jì)后期，20世紀(jì)60年代激光問(wèn)世后 迅速發(fā)展為一門(mén)新的學(xué)科 空域付里葉變換（付里葉光學(xué)基礎(chǔ)）：把一個(gè)空間周期的函

6、數(shù)用一系列正弦基元展開(kāi)時(shí)域付里葉變換：把一個(gè)時(shí)間周期函數(shù)用一系列正弦基元展開(kāi) 如一波列可分解為無(wú)窮單一頻率的平面波第18頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四181.基本物理量 與時(shí)域付里葉變換對(duì)比如波動(dòng)： 時(shí)域 空域 空間周期時(shí)間周期時(shí)間頻率空間頻率時(shí)間角頻率空間角頻率第19頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四19物面空間頻譜分析系統(tǒng)空間頻譜頻譜處理系統(tǒng)處理后的物像2.基本思想 用頻譜的語(yǔ)言分析物面的信息 用改變頻譜的手段來(lái)處理信息3.基本裝置第20頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四20典型裝置：物面空間頻譜分析系統(tǒng)空間頻譜頻

7、譜處理系統(tǒng)處理后的物像fF物面LA頻譜面1+1Lff編碼 解碼第21頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四21 阿貝從波動(dòng)光學(xué)角度對(duì)透鏡成像做了新解釋4.阿貝（E. Abbe）成像原理+110fF發(fā)子波物面LAA像平面相干疊加成像頻譜面1+1第22頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四22入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射在L的焦平面上形成一系列的衍射斑紋此即物的空間頻譜第一步：各衍射斑紋發(fā)出的子波在像平面上相干第二步：疊加形成物的像成像過(guò)程可分解為兩步：+110fF發(fā)子波物面LAA像平面相干疊加成像頻譜面1+1第23頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，1

8、0點(diǎn)27分，星期四23對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射的新認(rèn)識(shí)：數(shù)學(xué)上-付里葉變換空域中的付里葉變換 - 以正弦為基元付里葉頻譜分析器 -理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置中的透鏡對(duì)空間周期函數(shù)（例如光柵）做了一個(gè)付里葉變換 且把頻譜顯示在透鏡的焦平面上一定空間頻率的信息被一束特定方向的衍射波輸送出來(lái)。 光學(xué)計(jì)算術(shù)第24頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四24一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）能直接處理連續(xù)函數(shù) 不需要抽樣離散化2）能直接處理二元函數(shù) f (x , y) 3）是并行輸入 光束交叉可獨(dú)立傳播 4）速度快 不受 RC 時(shí)間常數(shù)限制5）裝置簡(jiǎn)單 價(jià)格低第25頁(yè)，共46頁(yè)

9、，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四25光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：1）直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難2）易受干擾3）只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算 作其它運(yùn)算困難光學(xué)專家和計(jì)算機(jī)專家們正在探索光學(xué)計(jì)算機(jī)由模擬化走向數(shù)字化利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件（如一些電光晶體器件）可以在電信號(hào)的控制下 達(dá)到透光和不透光即實(shí)現(xiàn)（0，1）狀態(tài)從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化第26頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四26 光開(kāi)關(guān)的速度 10億次/秒 運(yùn)算速度 100萬(wàn)次/秒 不久達(dá)到 幾億次/秒 貝爾實(shí)驗(yàn)室 數(shù)字光處理器：1993年 1cm2 GaAs襯底上集成了一百多個(gè) 電泵浦微型激光器光計(jì)算機(jī)要求光子元件小型化、集成化 集

10、成光路光子技術(shù)是本世紀(jì)初國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。美國(guó)防部將此列為22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。同年美國(guó)研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。第27頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四27改變頻譜可改變物光的信息在頻譜面上放置空間濾波器 可改造空間頻譜 低通濾波器F 高通濾波器F帶通濾波器F 空間濾波5.空間濾波第28頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四28Lyx物像保留 fy 的頻譜：保留 fx 的頻譜：yx保留 f 的頻譜： 方向Fyx 第29頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四296.光信息處理舉例輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別（邊緣增強(qiáng)）物體邊

11、緣以內(nèi)及背景光強(qiáng)變化較慢邊緣亮度變化劇烈 高頻成分豐富物體某部分的亮度與背景亮度之比叫對(duì)比度主要是低頻和直流成分第30頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四30從而突出輪廓亮度 形成亮的鑲邊。作法：在物的頻譜面F上放一個(gè)高通濾波器（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑），擋掉0級(jí)和低頻成分，高頻濾波和輪廓突出F大頭針LP1P2擴(kuò)束亮邊第31頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四31輪廓突出前輪廓突出后第32頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四32光學(xué)去污帶污點(diǎn)的網(wǎng)格純凈網(wǎng)格污點(diǎn)用純凈網(wǎng)格譜的正片濾波純凈網(wǎng)格的頻譜用純凈網(wǎng)格譜的負(fù)片濾波可得到純凈

12、網(wǎng)格可得到污點(diǎn)光學(xué)去污主要用于工業(yè)制版(大規(guī)模集成電路）檢查模版上的污點(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版第33頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四33光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測(cè)物的付氏譜進(jìn)行比較 從而找出待測(cè)目標(biāo)特征識(shí)別系統(tǒng)可以做到：從衛(wèi)星照片中檢測(cè)軍事目標(biāo)從文件中檢測(cè)某個(gè)字從細(xì)胞中檢測(cè)癌細(xì)胞進(jìn)行航空測(cè)量光學(xué)特征識(shí)別光學(xué)偵破（指紋識(shí)別）第34頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四34例如指紋識(shí)別：x平面波指紋指紋平面波x帶有指紋信息的衍射波帶有指紋信息的會(huì)聚波反過(guò)來(lái)L1P2L2亮點(diǎn)若 x* = x 或x*與 x 相關(guān)x平面波P1參照指紋x*頻譜面待查指紋第

13、35頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四35 調(diào)制（假彩色編碼）（光柵拼成）黑白物白光著色像L頻譜面空間濾波薰黑光柵藍(lán)色透過(guò)藍(lán)色透過(guò)紅色透過(guò)紅色透過(guò)物像頻譜面演示調(diào)制第36頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四36模糊圖象處理（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）關(guān)鍵是找到TG (fx，fy) 模糊圖象的譜。設(shè)：G (fx，fy) 清楚圖像的譜， 模糊因子，令：濾波后則L1L2畸變波頻譜面F濾波（透過(guò)率）正確波清楚圖象P2平面波P1模糊照片第37頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四37消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩(shī)）第38頁(yè)，共46頁(yè)，20

14、22年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四38以達(dá)到對(duì)圖象信息進(jìn) 光學(xué)下冊(cè)，趙凱華、鐘錫華。 從波光學(xué)到信息光學(xué)，宋菲君。 大學(xué)物理學(xué)（第四冊(cè)）張三慧等。參考書(shū)目總之，信息處理的關(guān)鍵在于研究清楚信息的頻譜特征，然后針對(duì)它研制相應(yīng)的空間濾波器，從而按照需要改變頻譜，行處理的目的。第39頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四39四.非線性光學(xué)非線性現(xiàn)象Laser晶體棱鏡選擇合適的晶體，可得連續(xù)可調(diào)激光器Laser1Laser2晶體倍頻混頻第40頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四40光致透明 強(qiáng)光時(shí)，物質(zhì)的吸收系數(shù)與光強(qiáng)有關(guān)強(qiáng)光可使物質(zhì)分子的一半處在激發(fā)態(tài)

15、透明強(qiáng)光的自聚焦現(xiàn)象折射率隨光密度的增加而增加 類似于凸透鏡破壞性第41頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四411.強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)的相互作用2.強(qiáng)光與激活介質(zhì)的相互作用 如：光學(xué)整流、光學(xué)倍頻、光學(xué)混頻、光自聚焦等。如：受激拉曼散射、受激布利淵散射。 被動(dòng)介質(zhì)是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，其自身的特征頻率并不起作用。 激活介質(zhì)是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，它能以其特征頻率影響與之相互作用的光波。一）非線性光學(xué)現(xiàn)象的分類：第42頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四42二）光學(xué)現(xiàn)象來(lái)源于極化強(qiáng)度在各向同性的介質(zhì)中，極化強(qiáng)度：、 分別為各階極化系數(shù)， 它們都是與E無(wú)關(guān)的常量，由介質(zhì)的性質(zhì)決定。第43頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)27分，星期四43從理論上可證明：線性光學(xué)非線性光