波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例

波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例1第1頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一.相控陣?yán)走_(dá)1.光線斜入射時(shí)的光柵方程λdsin

光柵觀察屏Lop

f

idsinim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）2第2頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月改變

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3第3頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.相控陣?yán)走_(dá)微波源移相器輻射單元d

n

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4第4頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無(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：5第5頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月設(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）6第6頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月陣列寬31m，有1792個(gè)輻射單元。能探測(cè)到5500公里范圍內(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（Capecod）的相控陣?yán)走_(dá)照片7第7頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二.全息照相

D.Gabor1948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8第8頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.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9第9頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月產(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+2

r0+3

分析一個(gè)點(diǎn)的物光r0+

10第10頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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11第11頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0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12第12頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月再現(xiàn)立體圖像13第13頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月再現(xiàn)立體圖像14第14頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月再現(xiàn)立體圖像15第15頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月白光全息16第16頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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/mm217第17頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三.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)空間周期的函數(shù)用一系列正弦基元展開時(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如一波列可分解為無(wú)窮單一頻率的平面波18第18頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.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19第19頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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20第20頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月典型裝置：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

fF物面LA頻譜面

1

+1Lff編碼解碼21第21頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月阿貝從波動(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

+1

10

fF發(fā)子波物面LAA

像平面相干疊加成像頻譜面

1

+122第22頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月入射光經(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：

+1

10

fF發(fā)子波物面LAA

像平面相干疊加成像頻譜面

1

+123第23頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(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)24第24頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一個(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25第25頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光學(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26第26頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光開關(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1990.1.29

貝爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)字光處理器：1993年1cm2GaAs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)。27第27頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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28第28頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月L

yx物像

保留

fy的頻譜：保留

fx的頻譜：

yx

保留

f

的頻譜：

方向

F

yx

29第29頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.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30第30頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月從而突出輪廓亮度——

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31第31頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月輪廓突出前輪廓突出后32第32頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光學(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33第33頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光學(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）34第34頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例如指紋識(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35第35頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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36第36頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月模糊圖象處理（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37第37頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩(shī)）38第38頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月以達(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。39第39頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四.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40第40頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光致透明強(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)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41第41頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.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：42第42頁(yè)，課件共46頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二）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