第一章线性系统分析 信息光学 教学课件

0
表示光瞳为矩形的非相干成像系
x0
x 统的光学传递函数。
2a
六、圆域函数
圆域函数的定义为
1,
x2 y2
circ(
)
a
0,
x2 y2 a 其它
函数图形呈圆柱形，底半径为a，高度为1。
极坐标下的形式为
circ( r ) a
1, r a
0,
其它
圆域函数常用来描述圆孔的透过率
x2 y2
circ(
光信息显示
1、CRT——阴极射线显示器（电子束扫描），传统的电
视机，电脑显示器。
2、液晶显示器
结构简单，在两片敷有透明导电电极的平板玻璃夹层 中装入一种具有液体性质而光学上具有晶体性质的物体 （液晶），在透明电极上加上几伏至几十伏的电压，电极 之间的透光率、色彩、反射率就会发变化。液晶显示器的 突出优点是电压低，功率小，可与集成电路配套使用，体 积小。此外，在明亮的条件下能得到使人满意的对比度、 色彩。但它的工作温度范围小，一般在0~50度，目前制作 大面积的平板显示器有一定的困难。
五、红外技术
红外技术一开始主要用于军事方面，近年来随着红外技 术的发展，特别是一些新型的红外探测器和成像器件的陆续 问世及其成本的不断下降，使得红外技术的应用范围大大扩 展。在一些技术发达的国家，红外技术不仅用于军事、科学 研究、工农生产、医学等方面，而已进入人们的日常生活中。
六、高速激光印刷系统
进展篇
一、光纤通信新技术 1、光纤接入网 2、相干光通信 3、光复用技术 4、全光传输 5、光孤子通信
二、光信息存储新进展
1、新型光信息存贮 2、全息信息存贮
三、光计算
1、模拟光计算 2、数字光计算
四、二元光学
又称衍射光学，光学元器件的大小在微米 的量级，可以构成大量光学器件阵列。
16相位级CdTe微透镜阵列电子扫描显微图
sgn(x)
1
0
x
-1 x0 0
符号函数与某函数相乘，可以使该函数在某点的极性（正负号） 发生翻转。
五、三角函数
一 维三角函数的定义为
( x x0 ) 0, a
1
( x x0 ) a
1
x x0 1 a
x x0 , a
x x0 1 a
式中a>0,函数图形是底边宽为2a， 高为1的三角形，三角形函数可
三、阶跃函数 阶跃函数的定义为
step( x)
1, x 0 0, x 0
step( x)
1
0
x
阶跃函数与某函数相乘时，如x>0，则积等于原函数，在x<0 的部分，其积为零。因而阶跃函数的作用如同一个开关，可开 启或关闭另一函数。
四、符号函数 符号函数的定义为
sgn( x x0 )
1, x x0 0, x x0 1, x x0
表征现代光学重大进展的另一件大事，是P.M.Duffieux 1946年把傅里叶变换的概念引入光学领域，由此发展成现代 光学的一个重要分支——傅里叶光学（信息光学）。它应用 线性系统理论和空间频谱的概念，分析光的传播、衍射和成 像等问题。
它用改变频谱的方法处理相干处理系统中的光信息；用频
谱被改变的观点评价非相干成像系统的像质。信息光学促进
二、全息术 1、白光再现全息图 2、计算全息 3、模压全息技术
三、层析成像技术 1、投影数据和拉冬变换 2、图像的重建 3、图像的光学模拟重现
四、条形码技术 条形码系统是按照特定格式组合起来的一组宽度不同
的平行线条，其线条和间隔代表了某些数字符号，用以表 示某些信息。这种代码非常容易使用简便的阅读器装置进 行识别，经过阅读设备的光电转换的信号只需经过简单的 接口电路即能输送到微型机等数据处理装置，进行信息的 处理。
信息光学
朱卫华
河海大学理学院
参考文献
1、金国藩等.二元光学,国防工业出版社。 2、李育林等.空间光调制器及应用,国防工业出版社。 3、黄子强.液晶显示原理,国防工业出版社。
4、吕乃光 .傅里叶光学,机械工业出版社。 5、[瑞士]H.P.赫尔齐克.微光学、系统和应用,国防工业出版社。
6、陶世荃等.光全息存储,北京工业大学出版社。 7、宋菲君.近代光学信息处理,北京大学出版社。 8、竺子民. 光电图像处理,华中科技大学出版社。 9、郑光照. 光信息科学与技术应用，电子工业出版社。 10、宋菲君. 信息光子学物理，北京大学出版社。
一、函数定义
定义A
( x, y) , x 0, y 0
0, x 0, y 0
( x, y)dxdy 1
定义A 对函数给出了类似普通函数形式的定义，然而定义式 描述的图像并不普通，它是一个在原点以外处处为零，而在 原点处出现无穷大的函数。
定义B
( x, y) lim gn( x, y) 0 n
1.2 函数
在物理学和工程技术中常用狄拉克提出的函数描述某种 极限状态和高度集中的物理量。例如，在电学中常用函数表
示点电荷，而在光学中， 函数表示的是点光源。 函数不是 普通函数，是广义函数，它不像普通函数那样完全由数值对应 关系确定，其属性完全由它在积分中的作用表现出来。从应用 的角度看，也可以把函数与普通函数联系起来，用普通函数 描述它的性质。下面介绍三种最基本的函数定义。
1、光盘的存贮原理 只读存贮光盘、可擦重写相变光盘、直接重写相变光盘、
可擦重写磁光光盘。 2、相变光盘的结构及制备 3、光盘存贮器设备中的光学系统
四、光信息的加工及其处理技术
1、空间滤波 2、照相图像的恢复 3、假彩色编码--用黑白胶片保存彩色像 4、图像增强
五、光学图像特征识别
其它 应用技术篇
一、光学计量技术 1、全息干涉计量 2、全息散斑计量
ab
a
b
式中a >0 ,b >0,它在 xy平面上，以原点为中心的ab矩形范 围内，函数值为1，其它地方为零。
光学上常用矩形函数表示不透明屏上的矩形孔、狭缝的透过 率。它与其它函数相乘，可限制函数自变量的取值范围，起 到截取函数的作用，故又称为门函数。
如
rect( x )cos x a
表示一个只出现在区间 a , a 上的余弦函数
第一章 线性系统分析
一个光学系统可以用一个有输入和输出的方框图来表 示。光学系统对输入信号的作用可以是线性的，也可以是 非线性的。对于非线性系统，目前还没有通用的技术来求 解。虽然任何一个光学系统都不是严格线性的，但在一定 的条件下，许多光学系统可以作为线性系统来处理。另外， 由于光学系统几乎都是用二维空间变量来描述，所以我们 首先介绍二维线性系统的一些基本知识。
lim ( x, y)
n2 exp n2 ( x2 y2 )
n
( x, y) lim n2rect(nx )rect(ny ) n
( x, y) lim n2 sinc(nx )sinc(ny ) n
Nrect( Nx)
N3
N2
1
2N1
N1
x
0 1 2N1
a
2a 3 a a
2a a 3a
x
二 维 sinc函数的定义为
sinc( x , y ) sin ( x x0 ) / a sin ( y y0 ) / b
ab
( x x0 ) / a ( y y0 ) / b
sinc函数常用来描述矩孔或单缝的夫琅和费衍射图样，且与矩
形函数互为傅里叶变换。
当今社会是信息社会,信息技术正在改变着人类社会.在各 种各样的信息技术中,光信息技术的地位越来越重要,作用也越 来越突出。在信息的产生、采集、显示、传输、存贮以及处理 的各个环节中，光信息技术都扮演着重要的角色。光信息科学 与技术是光学和信息科学相结合的一门学科。
光信息科学与技术与应用介绍
基础篇
一、光信息科学基础
x Gaus(
a
, y) b
exp
x a
2
y b
2
曲面下的体积为ab
Gaus( x ) a
a=1,b=1时
Gaus( x, y) exp ( x2 y2 )
a
ax
极坐标下
Gaus(r) exp r 2
高斯函数在统计领域中经常用到。高斯函数在光学中常用来 描述激光器发出的高斯光束，有时也用于光学信息处理中的 切趾术。
3、等离子显示板
在两块平板玻璃中封入电离发光的气体，在透明电极上 加上几百伏的电压，电极之间电场使气体电离发光。它最 适用于组装成大屏幕显示屏，多用于体育场、军事指挥中 心。
二、光信息的传输技术
1、光纤通信技术
2、无源导波器件 光纤连接器、光分路耦合器、波分复用器件、光隔离器、
光开关.
三、光信息存贮技术
1935年F.Zernike相衬原理的提出; 1948年D.Gabor全息照相术的发明; 1955年H.H.Hopkins光学传递函数理论的建立; 1960年T.H.Maiman红宝石激光器的诞生.
它们是现代光学发展中的几件大事，连同60年代以后由于 各种激光器的研制成功而迅速发展起来的非线性光学、纤 维光学、集成光学等诸方面，使现代光学广泛地活跃在现 代科学技术的许多部门。
二、光信息技术基础
1、线性系统理论 2、光学变换理论 3、光传播理论 4、光成像理论
1、激光技术 2、空间光调制器
基本技术篇
一、光信息的采集和显示技术 光信息的采集 1、光电信息变换法：光电信息有直接对应关系，如数码相机。 2、光信息编码法----按一定的规律把图像的信息映射到某一空 间，再把映射信息转化为电信息或光信息。这里的电信息（光 信息）对应的不是图像本身的信息，而是映射信息，因此在重 现过程中直接重现的往往不是图像本身，而是其映射的结果。 如果需要重现图像的话，就必须通过一定的重建方法来实现。 这种方法常用于光学信息处理。比如，通过傅里叶变换，空间 信息变为频域信息。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
输入
f (x, y)
系统
输出
g(x, y)
1.1 光学中常用的几种初等函数
一、矩形函数
矩形函数的定义为
函数图像如下 图所示
rect( x x0 ) a
rect( x x0 ) a
1
1, x x0 a a2
0 其它
0
a x0 2
x0
x0
a 2
x
二维矩形函数可表示成一维矩形函数的乘积
rect ( x , y ) rect ( x )rect ( y )
gn ( x, y)dxdy 1
x 0, y 0
定义B是把函数看作一些普通函数构成的序列的极限。下图给 出了一维矩形函数序列和高斯函数序列的例子，随着N的增大， 所取的矩形函数和高斯函数对应的曲线将变得越来越窄，峰值 却越来越高，而曲线下的面积始终保持为1。当N时，它们 的函数曲线趋近于定义 A中的“脉冲”。gn(x,y)的具体形式是 多种多样的，常用的有矩形函数，高斯函数和sinc(x,y)函数。
2 2
二、sinc函数 一维 sinc函数的定义为
sinc( x x0 ) sin ( x x0 ) / a
a
(x x0 ) / a
式中a>0,函数在x=x0处有最大值1。零点位于 x x0 na(n 1,2...)
对于x0=0,该函数在原点处有最大值1.二个第一级零值之间的宽 度为2a,函数图像如图所示。 sinc( x )
作业 P32 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.11 1.12 补充题 用宽度为a的狭缝，对平面上光强分布 f (x) 2 cos(2 f0 x) 扫描，在狭缝后用光电探测器，求输出强度分布。
空间滤波仿真实验
同学们回去操作练习
前言
光学是一门较早发展的学科，它在科学(量子论、相 对论）与技术的发展史上占有重要地位。近几十年来， 由于光学自身的发展以及和其它科学技术（如电子技 术、计算机技术等）的广泛结合与相互渗透，传统的 光学在理论方法和实际应用(如信息的存贮,光纤通信) 上都有了许多重大的突破和进展，形成了许多新的分 支学科或边缘学科。
了图像科学、应用光学和光电子学的发展。可以认为它是光 学、光电子学、信息论和通讯理论的交叉学科。
光学薄膜和光学晶体是现代科学技术中不可缺少的重要器 件，用途非常广泛。研究光在光学薄膜中的反射、折射、偏 振及光谱特性，以及晶体对光波的双折射和偏振效应，分别 构成了薄膜光学和晶体光学的重要内容，也是现代光学的重 要组成部分。
)
a
1y
0
x
七、高斯函数
高斯函数的定义为
Gaus( x ) a
Gaus( x x0 )
exp
x
x0
2
a
a
式中 a>0.当x0=0时，函数在原点处有最大值1。
高斯图形中曲线下的面积为a.
a
ax
二维高斯函数的形式是
Gaus( x a
,
y) b
exp
x a
2
y b
2
曲面下的体积为ab