光信息处理概述 信息光学也称为变换光学或付里叶光学, 它的基本概念起源于上世纪后期。本世纪60年 代激光问世后,迅速发展为一门新的光学学科。 基本思想:用频谱的语言分析物面的信息, 用改变频谱的手段来处理信息。 空间空 面颏谱间白处理后的 物频谱 频谱处理 频 系统谱 系统|物像
1 光信息处理概述 用改变频谱的手段来处理信息。 信息光学也称为变换光学或付里叶光学， 代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。 基本思想：用频谱的语言分析物面的信息， 物 面 空间 频谱 分析 系统 空 间 频 谱 频谱 处理 系统 处理 后的 物像 它的基本概念起源于上世纪后期。本世纪60年
空间频率:单位长度内空间分布重复的次数 任何周期性空间分布,都有一定的空间频率, 例如光栅:d—空间周期,f 空间频率 又如单色平面波,对传播方向z:空间周期为 同相面 空间频率∫ 方向x:空间周期d (∥/xz面) cos a cos a 空间频率∫于 y 方向x:d2=-,∫2 cos y cosr
2 例如光栅： 一.空间频率：单位长度内空间分布重复的次数 任何周期性空间分布，都有一定的空间频率， d —空间周期， —空间频率 d f 1 = dx 同 相 面 x z 0 z （ x z 面） 又如单色平面波， 空间周期为 方向z： 空间频率 1 f = 方向x：空间周期 cos d x = 空间频率 cos f x = cos cos d z = ， f z = 对传播方向z ：
可见,同一个波在不同方向空间频率也不同。 对任意方向传播的单色平面波: cos ac y coS
3 可见，同一个波在不同方向空间频率也不同。 = = = cos cos cos z y x f f f 对任意方向传播的单色平面波： x z 0 z y
二光栅夫琅禾费衍射的空间频率 x方向:a 2 6 衍射角 方向:B= f=cosa sinB G (物)L cos sB (焦平面) 0 由明纹条件 d sine=k=0,±1,±2, e●● 有 sing k f d
4 二.光栅夫琅禾费衍射的空间频率 x方向： ， = − 2 —— 衍射角 y方向： ， 2 = cos sin f x = = 0 cos = = y f 由明纹条件 d sin = k k = 0，1， 2， 有 d k f x = = sin y ⊙ x z G L k f F （物） （焦平面）
sing k 对fx 的讨论 (1)物是一系列不同的空间频率信息的集合, 定的对应一定的f,也对应一定的k。 (2)物上不变的部分d→,即f=0,0=0。 中央明纹反映的是物上不变化的部分 阿贝(E.Abbe)成像原理 阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释, 他指出,成像过程可分解为两步:
5 阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释， 一定的 对应一定的fx ，也对应一定的k 。 （1）物是一系列不同的空间频率信息的集合， 的讨论： d k f x = = sin 对 中央明纹反映的是物上不变化的部分。 （2）物上不变的部分d → ，即 fx= 0， = 0。 三.阿贝（E. Abbe）成像原理 他指出，成像过程可分解为两步：
发子波 6 1 相干叠 加 A(成 像 物面L F 频谱面像平面 第一步:入射光经物平面发生夫琅禾费衍射, 在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹, 此即物的空间频谱。 第二步:各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干 叠加形成物的像
6 入射光经物平面发生夫琅禾费衍射， 在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹， 此即物的空间频谱。 第一步： 第二步：各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干 叠加形成物的像。 +1 0 −1 • • • f F 发子波 物面 L A A 像平面 相 干 叠 加 成 像 频谱面 −1 +1
这样,我们对夫琅禾费衍射又有了新认识: 在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。 同样,一张图(物)也是由许多不同空间频率 的单频率信息所组成。单色光正入射到图上时, 通过夫琅禾费衍射,一定空间频率的信息就被 束特定方向的衍射波输送出来,并且以衍射 斑纹的形式展现在透镜L的焦平面上。所以, 理想的夫琅禾费衍射装置透镜,正是一个付 里叶频谱分析器,透镜的后焦面就是图片的付 里叶频谱面(付氏面)
7 这样，我们对夫琅禾费衍射又有了新认识： 理想的夫琅禾费衍射装置—透镜，正是一个付 在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。 同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率 单色光正入射到图上时， 通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被 一束特定方向的衍射波输送出来， 的单频率信息所组成。 并且以衍射 斑纹的形式展现在透镜 L 的焦平面上。所以， 里叶频谱面（付氏面）。 里叶频谱分析器，透镜的后焦面就是图片的付
以上认识给了光学一个强有力的数学手段 付氏分析,也给了数学上的付氏变换的运算提 供了一个新技术一光学计算术。 个透镜就是一个光学模拟计算机。 光学模拟计算机的优点 1)能直接处理连续函数,不需要抽样离散化 2)能直接处理二元函数∫(x,y) 3)是并行输入,光束交叉可独立传播。 4)速度快,不受RC时间常数限制。 5)装置简单,价格低
8 一个透镜就是一个光学模拟计算机。 以上认识给了光学一个强有力的数学手段— 付氏分析，也给了数学上的付氏变换的运算提 供了一个新技术 —光学计算术。 光学模拟计算机的优点： 1）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化… 2）能直接处理二元函数 f (x , y)。 3）是并行输入，光束交叉可独立传播。 4）速度快，不受 RC 时间常数限制。 5）装置简单，价格低
光学模拟计算机的不足: 1)直接处理数据信号很困难 2)易受干扰。 3)只能进行付氏变换运算,作其它运算困难 光学专家和计算机专家们正在探索光学计算 机由模拟化走向数字化。 利用光学双稳态元件(如一些电光晶体器件), 可以在电信号的控制下,达到透光和不透光, 即实现(0,1)状态,从而可实现数字化
9 光学模拟计算机的不足： 1）直接处理数据信号很困难。 2）易受干扰。 3）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。 光学专家和计算机专家们正在探索光学计算 机由模拟化走向数字化。 利用光学双稳态元件（如一些电光晶体器件）， 可以在电信号的控制下，达到透光和不透光， 即实现（0，1）状态，从而可实现数字化
1990129贝尔实验室数字光处理器: 光开关的速度10亿次秒 运算速度100万次秒 不久达到几亿次秒 光计算机要求光子元件小型化、集成化 集成光路 美国防部将此列为22项关键技术之 1993年1cm2GaAs衬底上集成了一百多个 电泵浦微型激光器 同年美国研制成了世界上首台光计算机。 光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之m
10 光开关的速度 10亿次/秒 运算速度 100万次/秒 不久达到 几亿次/秒 1990.1.29 贝尔实验室 数字光处理器： 1993年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个 电泵浦微型激光器 光计算机要求光子元件小型化、集成化 ——集成光路 光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。 美国防部将此列为22项关键技术之一。 同年美国研制成了世界上首台光计算机