《信息光学》第八章 光学信息处理教学提纲

光信息处理（信息光学）复习提纲第一章线性系统分析1．空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性？2．空间频率分量的定义及表达式？3．平面波的表达式和球面波的表达式？4．相干照明下物函数复振幅的表示式及物理意义？5．非相干照明下物光强分布的表示式及物理意义？6．线性系统的定义7．线性系统的脉冲响应的表示式及其作用8．何谓线性不变系统9．卷积的物理意义10．线性不变系统的传递函数及其意义11．线性不变系统的本征函数第二章标量衍射理论1．衍射的定义2．惠更斯-菲涅耳原理3．衍射的基尔霍夫公式及其线性表示4．菲涅耳衍射公式及其近似条件5．菲涅耳衍射与傅立叶变换的关系6．会聚球面波照明下的菲涅耳衍射7．夫琅和费衍射公式8．夫琅和费衍射的条件及范围9．夫琅和费衍射与傅立叶变换的关系10．矩形孔的夫琅和费衍射11．圆孔的夫琅和费衍射（贝塞尔函数的计算方面不做要求）12．透镜的位相变换函数13．透镜焦距的判别14．物体位于透镜各个部位的变换作用15．几种典型的傅立叶变换光路第三章光学成象系统的传递函数1．透镜的脉冲响应2．相干传递函数与光瞳函数的关系3．会求几种光瞳的截止频率4．强度脉冲响应的定义5．非相干照明系统的物象关系6．光学传递函数的公式及求解方法7．会求几种情况的光学传递函数及截止频率第五章光学全息1．试列出全息照相与普通照相的区别2．简述全息照相的基本原理3．试画出拍摄三维全息的光路图4．基元全息图的分类5．结合试验谈谈做全息实验应注意什么（没做过实验，只谈一些理论性的注意方面）6．全息照相为什么要防震，有那些防震措施，其依据是什么7．如何检测全息系统是否合格8．全息照相的基本公式9．全息中的物像公式及解题（重点）复 习第一章 线性系统分析1．空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性？时间量 空间量22v T πωπ==22K f ππλ== 时间角频率 空间角频率其中：v ----时间频率 其中：f ---空间频率T----时间周期 λ-----空间周期 物理意义：由图1.7.3知：（设光在z x ,平面内传播，0=y ）cos xd λα=， 又 ∵ 1x xf d =联立得：cos x f αλ=讨论：① 当090,,<γβα时0,,>z y x f f f ，表示k沿正方向传播；②标量性，当α↗时，αcos ↘→x f ↘→x d ↗当α↘时，αcos ↗→x f ↗→x d ↘ ③标量性与矢量性的联系条纹密x d ↘→x f ↗→α↘→θ↗x x f d 1=λαcos =x f 条纹疏x d ↗→x f ↘→α↗→θ↘2．空间频率分量的定义及表达式？{}γβαcos ,cos ,cos k k ={}z y x r ,,=)cos cos cos (γβαz y x k r k ++=⋅代入复振幅表达式：()()()[]γβαμcos cos cos ex p ,,,,0z y x jk z y x z y x U ++=()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=z y x j z y x λγλβλαπμcos cos cos 2exp ,,0 ()()[]z f y f x f j z y x z y ++=λπμ2ex p ,,0式中：λαcos =x f ，λβcos =yf ，λγcos =z f3．平面波的表达式和球面波的表达式？平面波()⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛++=z y x j z y x U λγλβλαπμcos cos cos 2exp ,,0 ()()[]z f y f x f j z y x U z y x ++=πμ2ex p ,,0球面波()1,,jkr a U x y z e γ=()21212212121221⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=++=z y x z z y x r近轴时()1,,U x y z ⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=1221021exp z y x jkz r a()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⋅≈1221102exp exp z y x jkjkz z a ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=12202exp z y x jkU若球面波中心不在坐标原点，上式改为：()1,,U x y z ()()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-=1202002exp z y y x x jk U4．相干照明下物函数复振幅的表示式及物理意义？设()y x f ,为一物函数的复振幅，其傅氏变换对为 ()()(),exp 2x y x y F f f f x y j f x f y dxdyπ∞-∞⎡⎤=-+⎣⎦⎰⎰ ()()(),exp 2x yxyxyf x y F f f j f x f y df dfπ∞-∞⎡⎤=+⎣⎦⎰⎰可见：物函数()y x f ,可以看作由无数振幅不同()x y x y F f f df df 方向不同()cos ,cos xyf f αλβλ==的平面波相干迭加而成。

第八章信息光学第八章Technique光学信息处理技术Optical Information Processing概述光学频谱分析系统和空间滤波相干光学信息处理非相干光学信息处理白光信息处理§1 1概述光学信息就是指光的强度（或振幅），相位，颜色，波长，和偏振态等。

光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域或频域调综合技术通过空域或频域调制，借助空间滤波对光学信息进行处理的过程，较多用于对二维图象的处理。

发展历史1、理论基础。

1873年，阿贝创建了二次成像理论，创建了年阿贝创建了二次成像理论创建了2、分布转化为强度分布；1935年，策尼克发明了相衬显微镜，将相位年策尼克发明了相衬显微镜将相位3、成功地用傅立叶方法分析成像过程。

1946年，杜费把光学系统看作线性滤波器，4、力的数学力的数学工具。

50年代，艾里亚斯为光学信息处理提供了有具3、概念概念，使光信息处理进入了一个新的阶段；1963年，范德拉格特提出了复数空间滤波的使光信息处理进入了个新的阶段4、的发展使光信息处理获得了更大发展1980年以后，计算机技术以及其他相关技术概述光学频谱分析系统和空间滤波相干光学信息处理非相干光学信息处理白光信息处理§2光学频谱分析系统和空间滤波1、阿贝成像理论阿贝成像论将物体看成是不同空间频率信息的结合，相干成像过程分两步完成。

第第一步是入射光场经过物平面发生夫琅禾步是入射光场经过物平面发生夫琅禾费衍射，在透镜的后焦面形成一系列衍射斑；第二步是衍射斑作为新的次波源发出球面次波次波，在像面上互相叠加，形成物体的像。

在像面上互相叠加形成物体的像阿贝二次成像理论示意图衍射干涉叠加2、阿贝阿贝－波特实验波特实验网格图傅立叶频谱图横向窄带滤波频谱面上的横向分布是物的纵向结构信息纵向窄带滤波频谱面上的纵向分布是物的横向结构信息保留零频分量零频分量是一个直流分量，它只代表像零频分量是个直流分量它只代表像的本底。

光学信息处理1. 引 言自六十年代激光出现以来，光学的重要发展之一是形成了一个新的光学分支——傅里叶光学。

傅里叶光学是指把数学中的傅里叶分析方法用于波动光学，把通讯理论中关于时间、时域、时间调制、频率、频谱等概念相应地改为空间、空域、空间调制、空间频率、空间频谱，并用傅里叶变换的观点来描述和处理波动光学中学波的传播、干涉、衍射等。

傅里叶变换已经成为光信息处理的极为重要的工具。

光学信息处理就是对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理。

自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。

由于光的衍射,图像的夫琅和费衍射分布,即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同,这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。

近代光学信息处理具有容量大，速度快，设备简单，可以处理二维图像信息等许多优点，是一门既古老又年青的迅速发展的学科。

光学信息存储、遥感、医疗、产品质量检验等方面有着重要的应用。

2. 实验目的1) 通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。

2) 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。

3) 加深对卷积定理的理解4) 了解用光栅滤波实现图像相加减及光学微分的原理和方法。

5) 了解黑白图像等密度的假彩色编码。

3. 实验原理1) 二维傅里叶变换和空间频谱在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程。

设在物屏X -Y 平面上光场的复振幅分布为g (x ，y ) ，根据傅里叶变换特性，可以将这样一个空间分布展开成一系列二维基元函数的线性叠加，即)](2exp[y f x f i y x +π∫∫+∞∞−+=y x y x y xdf df y f x f i f fG y x g )](2exp[),(),(π （1）式中f x 、f y 为x 、y 方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (f x ，f y )表示原函数g (x ，y )中相应于空间频率为f x 、f y 的基元函数的权重，亦即各种空间频率的成分占多大的比例，也称为光场（optical field ）g (x ，y )的空间频谱。

《光信息处理》课程教学大纲课程代码：090641002课程英文名称：Optical information processing课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标光信息处理技术是光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学技术，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心。

是光电信息科学与工程专业学生的专业课程。

通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握光信息处理的基本原理、方法和光路设计的一般规律，具有设计光信息处理系统初步能力；2．了解光信息处理技术的新发展。

（二）知识、能力及技能方面的基本要求在这门课程的教学过程中，首先让学生掌握有关光信息科学的基本理论，然后讲授一些重要的光学信息处理技术的主要原理，并结合这些技术在实际生产生活中的应用，激发学生的学习兴趣，使学生了解光信息处理技术在应用领域的研究与开发思想。

通过这门课的学习，使学生在学习过程中逐步增长知识和增强能力，并在以后的学习和研究中能应用这些知识和能力解决实际问题。

（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。

讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。

2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。

（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。

本课程主要的先修课程有：大学物理，高等数学，应用光学。

（五）对习题课、实验环节的要求1．对重点、难点章节（如：二维线性系统分析等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。

学习必备欢迎下载信息光学复习提纲信息光学的特点Ch1. 线性系统分析1.矩形函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数2.sinc函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数3.三角函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数4.符号函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数5.阶跃函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数6.余弦函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数7.函数：①三种定义②四大性质③作用8.梳状函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数9.高斯函数：①定义②图像③作用④傅里叶变换谱函数10.傅里叶变换（常用傅里叶变换对）11.卷积：四大步骤，两大效应12.互相关、自相关的定义、物理意义13.傅里叶变换的基本性质和有关定理14.线性系统理论15.线性不变系统的输入输出关系，脉冲响应函数，传递函数16.抽样定理求抽样间隔Ch2. 标量衍射理论1.标量衍射理论成立的两大条件2.平面波及球面波表达式:Aexp[ik ( xcos y cos zcos )]（求平面波的空间频率）Aexp[ikz] exp[ ik( x 2y 2 )]z2z 3.惠更斯——菲涅耳原理：U (Q) c U 0 (P) K exp(ikr ) dsr4.基尔霍夫衍射理论：U (Q)1a0 exp(ikr0 ) [ cos(n, r )cos(n, r)]exp(ikr )dsj r022r令 h P, Q1exp(ikr ) K所以 U (Q)U 0 (P)h P, Q dsj r当光源足够远，且入射光在孔径平面上各点的入射角都不大时，cos n, r01, cos n, r1,K 1.故 h P, Q1exp(ikr )，rz{1 1 [( xx0 ) 2(yy0)2]}j z2z z 5.菲涅耳衍射——近场衍射：U (x, y)exp( jkz) exp[ jk ( x2y2 )]U 0 ( x0, y0 ) exp[ jk( x02y02 )] exp[j 2( xx0 yy0 )] dx0 dy0j z2z 2 z z6.夫琅禾费衍射——远场衍射：（根据屏函数求衍射光强分布）U ( x, y )exp( jkz ) exp[jk( x2y2 )]U 0 ( x0, y0 ) exp[j 2( xx0 yy0)] dx0 dy0 j z2z z7.衍射的角谱理论：（角谱的传播，求角谱分布）Ch.3光学成像系统的频率特性1.透镜的傅里叶变换性质：①相位变换作用： t( x, y) p( x, y) exp[jk( x2y 2 )] （二次位相因子）2 f②透镜的傅里叶变换特性：（满足条件？什么情况下实现准确傅立叶变换）a. 物在透镜前b.物在透镜后2.衍射受限系统的点扩散函数：h( x i ~, y i~ x0y0 )K 2d i2P (~~~~(y i~~ ~ ~d i x,d i y) exp{ j 2 [( x i x0) x y0) y]} dxdy光瞳相对于d i足够大时，理想情况：点物成点像~~2d i 2( x i~~h(x i x o , y i y o ) K x o , y i y o )3.相干照明下衍射受限系统的成像规律：~(x i , y i )U i (x i , y i ) h ( x i , y i ) U g~F[ P(~~)]， U1x i y i)其中， h ( x i , y i )d i x,d i y g ( x i , y i )U 0(,M M M 4.衍射受限系统的相干传递函数（CTF ）：H,P d i, d i（坐标轴反演）5. 截止频率：圆形光瞳：c D,oc M c D2 d i 2 d o正方形光瞳：不同方向的截止频率不同，45 度时最大 c max2a )2 d i6.衍射受限系统的非相干传递函数（ OTF ）7.OTF 与 CTF 的关系Ch.4光学全息1.普通照相与全息照相的比较2.全息照相的核心：波前记录和再现①方法：干涉法（标准方法，即将空间相位调制→空间强度调制）②特点：全息图实际上就是一幅干涉图③全息图的分类：a。

《信息光学》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介信息光学是应用光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学学科，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心。

本课程主要介绍信息光学的基础理论及相关的应用，内容涉及二维傅里叶分析、标量衍射理论、光学成像系统的频率特性、部分相干理论、光学全息照相、空间滤波、相干光学处理、非相干光学处理、信息光学在计量学和光通信中的应用等。

三、课程目标本课程是光电信息科学与工程专业的主要专业课程之一，设置本课程的目的是让学生掌握信息光学的基本概念、基础理论及光信息处理的基本方法，了解光信息处理的发展近况和运用前景。

为今后从事光信息方面的生产，科研和教学工作打下基础。

四、教学内容及要求第一章信息光学概述（2学时）1.信息光学的基本内容和发展方向2.光波的数学描述和基本概念3.相干光和非相干光4.从信息论看光波的衍射要求：1.了解信息光学的内容和发展方向2.掌握相干光和非相干光的特点3.掌握从信息论的观点看光波的衍射。

重点：空间频率，等相位面。

从信息光学看衍射的基本观点。

难点：空间频率，光波的数学描述。

第二章二维傅里叶分析（8+2学时）1．光学常用的几种非初等函数2．卷积与相关3．傅里叶变换的基本概念4．线性系统分析5．二维采样定理要求：1．了解光学中常用非初等函数的定义、性质，熟悉它们的图像及在光学中的作用2．了解卷积与相关的定义及基本性质3．熟悉傅里叶变换的基本原理，性质和几何意义4．熟悉系统的基本概念及线性系统分析的基本理论5．了解二维采样定理及其应用6．本章强调概念的物理意义理解，以定性和应用为主。

避免与《信号与系统》课程重复。

重点：δ函数的意义和运算特性，傅里叶变换性质、定理，相关和卷积的意义及运算，线性空间不变系统的特性。

难点：卷积，傅里叶变换、系统分析。

第三章标量衍射理论（6+2学时）1．基尔霍夫衍射理论2．菲涅耳衍射和夫琅和费衍射3．夫琅和费衍射计算实例4．菲涅尔衍射计算实例5．衍射的巴俾涅原理要求：1．了解基尔霍夫衍射理论2．熟悉菲涅耳- 基尔霍夫衍射公式及其物理意义3．熟悉菲涅耳衍射与夫琅和费衍射4．掌握常见夫琅和费衍射光场的分析与计算5．了解菲涅耳衍射光场的分析和计算6．了解巴俾涅原理及其应用重点：如何用二维傅里叶变换来分析和计算夫琅和费衍射。

信息光学复习提纲（自编）第一章二维线性系统1.空间频率的定义是什么？如何理解空间频率的标量性和矢量性?2 .空间频率分量的定义及表达式?2 .空间频率概念光波的表示式为：j t j (x,y,z)(x, y,z,t) o(x,y,z)e ejK r j to(x,y,z)e e（1.10.2）显然，光波是时间和空间的函数，具有时间周期性与空间周期性。

对于单色光波。

时间量2 v 时间角频率空间量K 2空间角频率物理意义：①当，，900时f x, f y, f z 0 ,表示k沿正方向传播；当，，900时f x, f y, f z 0 ,表示k沿负方向传播。

f x d x /; f x d x\of cosfx②标量性，当 /时，当 \时，coscos其中：v ----时间频率T—时间周期其中: f ---空间频率-----空间周期条纹密d x\f f x/f\f/条纹疏d x /f f x\f/f\可见:条纹越密（d x小），衍射角越大条纹越疏（d x大），衍射角越小③标量性与矢量性的联系1f xd x3. 平面波的表达式①单色平面波的公式U x, y,乙tvv0 cos t k r°e j七vvjk re U x, y, z e式中复振幅为：U x, y, z v v e jk r 0 -0 ex) jk xcos ycos zcos令xcos ycos zcos c3.平面波的表达式和球面波的表达式?可见：等相面是一些平行平面②任一平面上的平面波表示式U x,y,z 0expjkzcos expjkxcos ycosoexpjkz^l co2exp jk xcos ycosU 0exp jk xcos ycos（1.10.36）令xcos ycos c可见，等位线是一些平行线4、球面波的表达式⑴单色球面波的复振幅发散波：(k与v一致)a0 jkr j t jU x, y, z,t -e e U x, y, z e r式中：U x, y,z 旦0e jkr(1.10.5)r会聚波：(k与反向)U x, y, z, t -a0 e jk r e j t U x, y, z e jr式中：U x, y,z 色e jkrr(1.10.6)r (x x))2(y y。

《信息光学》教学大纲（理论课程及实验课程适用）一、课程信息课程名称（中文）：信息光学课程名称（英文）：In formation Optics课程类别：专业方向课课程性质：必修计划学时：48 （其中课内学时：48 ，课外学时：0 ）计划学分：3先修课程：物理光学、波动光学、高等数学选用教材：《信息光学》第二版，苏显渝主编，科学出版社，2011；非自编；“ ^一五”国家级规划教材开课院部：理学院适用专业：光电信息科学与工程专业课程负责人：郭焱课程网站：二、课程简介（中英文）《信息光学》是光电信息科学与工程专业的一门必修课程。

信息光学是近年来发展起来一门新兴学科，它已渗透到科学技术的各个领域，成为信息科学的重要分支，得到越来越广泛的应用。

本课程主要内容有线性系统分析，标量衍射理论，光学成像系统的传递函数，相干光理论，光学变换，光全息和信息处理。

本课程要求学生掌握线性系统理论、标量衍射理论和光学成像系统理论，初步掌握全息技术、光信息处理技术，了解光信息存储、光学三维传感等前沿领域的技术原理。

通过学习本课程，使学生从频域复习和巩固《应用光学》和《物理光学》的部分内容，掌握傅里叶变换的基本定理及应用，熟练使用空间滤波系统和理论来进行光学信息处理。

In formati on optics is a required course for the specialty of photoelectric in formati on scie nee and engineering. Information optics is a new subject in recent years, it has penetrated into all fields of scie nce and tech no logy, and become an importa nt branch of in formati on scie nee, and it has been widely used in the field of information science. The main contents of this course are lin ear system an alysis, scalar diffractio n theory, optical imagi ng system tran sfer fun cti on, cohere nt light theory, optical transformation, optical holography and information processing. This course requires students to master the linear system theory, the scalar diffraction theory and optical imagi ng system theory, prelimi nary master holographic tech no logy, optical in formatio n process ing tech no logy and un dersta nding of optical in formati on storage, optical 3D sensing fron tier tech no logy prin ciple. Through the study of this course, to en able stude nts to grasp basic theorem and application of Fourier transform from the frequency domain to review and consolidate "Applied Optics" and "physical optics" part of the contents of, skilled in the use of spatial filteri ng system and the theory of optical in formati on process ing.三、课程教学要求序号专业毕业要求课程教学要求关联程度1 工程知识2 问题分析能够应用数学和衍射的角谱理论分析复杂信息光学问H题，以获得有效结论。