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(第十章)非相干光学处理1

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近代光信息处理办法非相干光学信息处理办法

近代光信息处理办法非相干光学信息处理办法

光波的相干长度．
12.01.2相021干时间定义近为代光信息=处l理/c办法非相( 式中c17为光速 ) 干光学信息处理办法
3.5 迈克耳孙干涉仪和时间相干
•
在迈克耳孙干涉性
图
仪中，两个光能够
迈
形成干涉条纹的前提
克
条件是它们到达屏的
耳 孙
时间差不大于 ，或
干
它们的光程差不大于 l ；
涉
否则就不会产生干涉
– 3．8 计算层析技术
12.01.2021– 3．9 结论近代光信息处理办法非相
2
干光学信息处理办法
第三章 非相干光学信息处理
•
由于廉价的激光器的广泛应用，非相干
光学信息处理已变得不那么重要了，与相干光
学信息处理相比，非相干光学信息处理的优势
很少．现在很少有人试图去建立一个非相干光
学信息处理器，例如非相干光学相关器(参见第
•得到
MTF (po) = m
•而 PTF 则为 =
• 空间频率为p。的调制传递函数MTF 通过m
测得．为了获得完整的调制传递函数曲线，应对
12.01.2不021同频率 p 的近余代光弦信光息处栅理重办法复非上相 述测量12过程．
干光学信息处理办法
3.4 非相干空间滤波
•
在相干光学信息处理系统(4f系统)中，当我
•
迈克耳孙干涉仪性
图
见图．当两臂长度相 等 时 (a=b) ， 相 干 条 纹
迈 克 耳
出现．注意两个反射
孙
镜应稍微倾斜一点， 否则在屏上看不到条
干 涉 仪
纹．
若使得反射镜M2沿光轴方向移远，使b > a ， 干涉条纹的反差就会下降．当(2b-2a)大于一定长

非相干光的检测与变换

非相干光的检测与变换
非相干光的检测与变换
目 录
• 非相干光的基本概念 • 非相干光的检测技术 • 非相干光的变换技术 • 非相干光的调制技术 • 非相干光的解调技术 • 非相干光检测与变换技术的未来发展
01 非相干光的基本概念
非相干光的定义
总结词
非相干光是指光波之间没有固定相位关系的非单色光源发出 的光。
详细描述
定义
光学哈达玛变换是一种将复数信号转换为实数序列的变换 方法，通过使用哈达玛矩阵和光学元件实现。
01
应用
在图像处理、模式识别、光谱分析等领 域有广泛应用，例如图像压缩、特征提 取、光谱匹配等。
02
03优点Biblioteka 具有高分辨率和高灵敏度，能够实现 快速变换和多维信号处理，且光学元 件具有宽带宽和高速响应特性。
新型光电材料
随着科技的发展，新型光电材料如钙钛矿、 二维材料等不断涌现，为非相干光检测与变 换技术提供了更多可能性。
光学薄膜
光学薄膜在非相干光检测与变换中具有重要 作用，未来研究将更加注重高透过率、高稳 定性、多功能性的光学薄膜的制备和应用。
新技术的研发
超快光电转换技术
利用超快激光脉冲，实现非相干光信号的高速、高灵 敏度检测，满足实时处理和高速通信的需求。
光学沃尔什变换
定义
光学沃尔什变换是一种将复数信号转换为实 数序列的变换方法，通过使用沃尔什函数和 光学元件实现。
应用
在数字信号处理、雷达信号处理、无线通信等领域 有广泛应用，例如调制解调、频谱分析、信号分类 等。
优点
具有快速变换速度和简单实现方式，能够实 现高分辨率和高灵敏度的信号处理。
光学哈达玛变换
对噪声敏感，解调性能受限于模拟电 路的性能。

第十章 非相干光学处理

第十章 非相干光学处理

第十章 非相干光学处理一、 相干光处理与非相干光处理的比较1．相干光系统输入为()y x u i ,，输出为()y x u ,，则：()(),,i iu x y u x y =∑即：输出的合成复振幅()y x u ,满足复振幅叠加原则。

而光强为：()()()22,,,∑==i y x u y x u y x I()()()2*,,,i i j ii ju x y u x y u x y ≠=+∑∑()()*,,i i j ii jI u x y u x y ≠=+∑∑在相干处理系统中，输出光强除了是输入光强i I 的叠加外，还存在相干项*j i u u ⋅的影响。

2．非相干光系统对于非相干光系统，由于输入图像各点的光互不相干，所以上式中的互相关项（第二项）的平均值为零。

即()()∑=ii i i y x I y x I ,,即：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。

3．比较：相干——振幅叠加——可正可负——可完成加、减、乘、除、微分、卷积等运算 非相干——光强叠加——实函数—— 无上述运算4．相干光处理系统存在的不足 1） 噪声太大相干噪声：由光路中的尘埃，指纹，擦痕，元件的缺陷，气泡等引起得干涉。

散班噪声：由漫射物体表面的起伏粗糙而引起的无规干涉。

2）只能处理透明图片（复振幅分布）而不能利用光强接收器得到的信号做为输入信号，（如CRT 、LED 、CCD ）3）只能处理单色图象，对彩色图象则无能为力。

4）而非相干系统正好可弥补相干系统的上述不足，即不存在上述不足。

问题：能不能找到一个系统：即能象相干系统一样，存在一个频谱面，可进行各种处理，又能象非相干系统一样，去掉讨厌的噪声干扰-----部分相干系统----白光处理系统二、 白光光学信息处理技术白光光学处理采用宽谱带白光光源，但采用微小的光源尺寸以提高空间相干性。

另一方面在输入平面上引入光栅来提高时间相干性。

这样即不存在相干噪声，又在某种程度上保留了相干光学处理系统对复振幅进行运算的能力，运算灵活性好。

8.6 非相干光学处理

8.6 非相干光学处理

天狼星离我们8.6光年， 光年， 天狼星离我们 光年 是第五近的恒星。 是第五近的恒星。因 为它本身发光很强， 为它本身发光很强， 又距离近， 又距离近，才显得很 明亮耀眼. 明亮耀眼
希腊诗人埃斯库罗斯 （Aeschylus）称天狼 ） 星为‘炽热的犬’ 星为‘炽热的犬’，因 为它是大犬星座α星 为它是大犬星座 星， 在最热的七八月份黎明 前升起。 前升起。 古埃及人称它为索提斯 ），意为 （sothis），意为‘水 ），意为‘ 上之星’ 上之星’
2
功率谱相关器的优点：见教材Ｐ 功率谱相关器的优点：见教材Ｐ334。 。
光瞳平面上放透过率为t 光瞳平面上放透过率为 2的透明片
x y h1 ( x, y) ∝ T2 , λf λf
2
系统最终输出为
I i ( x , y ) = I g ( x , y ) ∗ h1 ( x , y ) ξ η x − ξ y −η = ∫∫ T1 λ f , λf ⋅ T2 λ f , λf dξdη
在非相干光学处理系统中，我们也同样 在非相干光学处理系统中， 可以在频域综合出所需要的OTF，即实现 可以在频域综合出所需要的 ， 各种形式的滤波。 各种形式的滤波。
OTF等于光瞳函数的归一化自相关函数，即 等于光瞳函数的归一化自相关函数， 等于光瞳函数的归一化自相关函数
∫∫ P (λd α , λd β )P (λd (ξ + α ), λd (ξ + β ))dαdβ Η (ξ ,η ) = ∫∫ P (λd α , λd β ) dαdβ
i i i i 2 i i
是系统的出瞳到像面的距离。 式中di 是系统的出瞳到像面的距离。对半径为a 的圆形光瞳，其光学传递函数如图所示： 的圆形光瞳，其光学传递函数如图所示：

光子学技术的相干光与非相干光的光谱分析

光子学技术的相干光与非相干光的光谱分析

光子学技术的相干光与非相干光的光谱分析光子学技术是利用光子的物理性质进行研究与应用的领域，其中光谱分析是一项重要的光子学技术应用。

光谱分析是通过研究光的波长、频率和幅度等参数，来获取物质的光谱信息，进而实现物质的检测、诊断和表征的方法。

在光谱分析中，相干光与非相干光具有不同的特点和应用。

相干光是指两个或多个光波处于相位关系或相位差处于常数关系的光，可通过干涉实验来展示它们之间的特性。

相干光具有明显的干涉效应，能够产生干涉条纹和干涉色彩。

在光谱分析中，相干光的应用主要体现在干涉光谱仪的测量中。

干涉光谱仪是一种基于干涉效应的光谱分析仪器，其原理是利用干涉现象来实现光的波长测量。

常见的干涉光谱仪有迈克尔逊干涉仪和菲涅耳双棱镜干涉仪。

这些仪器通过将被测光与参考光进行干涉，然后通过干涉效应来测量样品光的光谱信息。

相干光的特点使得干涉光谱仪能够具有高分辨率和高准确度的优点，适用于需要精确测量波长或频率的应用，如光学薄膜、光谱学等。

相对而言，非相干光则是不满足相位关系或相位差处于常数关系的光，它由许多频率和相位随机变化的光波组成。

非相干光的光谱分析常常利用光谱仪进行，尤其是使用离散频谱分析仪器。

离散频谱分析仪器可以将非相干光的复杂光谱分解成多个频率成分，通过对这些频率成分的测量和分析来获取光信号的频谱信息。

常见的离散频谱分析仪器有光谱仪和光栅光谱仪等。

光谱仪是一种非相干光谱分析仪器，通过光栅或棱镜对光信号进行角度色散，然后将其转换成光的波长信息，从而实现光谱测量。

光谱仪可以测量连续光谱，并对其进行分析和处理，用于检测物质的成分、浓度和反应过程等。

而光栅光谱仪则是利用光栅的衍射效应来测量非相干光的光谱信息的仪器。

光栅具有多个平行的刻线，它能够使不同波长的光在不同的角度上发生衍射。

通过测量不同角度上的衍射光信号强度，可以获得非相干光的光谱信息。

综上所述，光子学技术中相干光与非相干光在光谱分析中具有不同的应用。

干涉光谱仪适用于对波长和频率有高精度要求的测量，而离散频谱分析仪器则适用于分析非相干光的复杂波谱。

第十章 第一讲 相干光 杨氏双缝干涉

第十章 第一讲 相干光 杨氏双缝干涉

mm, 现要能用肉眼观察干涉条纹, 双缝的最大间距是多少？
解: (1) 相邻两明纹的间距公式为 D x = ① d d=2mm时, x =0.295mm
d=10mm时,
x =0.059mm
(2) 如果仅能分辨x =0.15mm, 则由①知:此时双缝间距为 D d = 4mm x 双缝间距大于4mm,肉眼无法分辨.
L2
注意: 各波列的 E , 可能各不相同
E3
结论: 同一原子先后发出的光及同一
时刻不同原子发出的光的频率 、振 动方向、初相、发光的时间均是随机 的. 各光波列互不相干！
3
E2 E1
一、普通光源的发光机制和特点 1．普通光源 ——由原子自发辐射发出光. 各光波列互不相干！
各光波列相干！ 2．激光光源 ——由受激辐射产生光.（§ 13-10） 二、相干光的获得
d
r2
x
O
d tan S2 D x = d (D ～ 1m .d～1mm) 很小 d << D x << D D x k k 0,1,2, 干涉加强 出现明纹 d D (2k 1) k 0 , 1 , 2 , 干涉减弱 出现暗纹 2
条纹位置:
观察、实验： 光的直线传播、反射和折射, 形成了“光线”的概念
发明： 透镜、凹面镜、望远镜.
二)．几何光学时期 (11~18世纪末) 实验： 建立了反射和折射定律.
发现： 光的“色散”现象、红外线、紫外线.
理论： 开始思考光的本性是什么？ (1) 牛顿的机械微粒说： 光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流. (2)惠更斯的机械波动说： 光是在特殊媒质“以太”中传播的机械波.
2 1

信息光学非相干光学处理

信息光学非相干光学处理
第十章 非相干光学处理
大量旳光学仪器是采用非相干光或自然光或白光光源，如 摄影机、望远镜、显微镜、投影仪、制版设备等。有必要研究非 相干处理措施。因为非相干照明下光场分布用光强分布表达，所 以输入函数和脉冲响应函数都是非负实函数。与相干照明系统相 比，非相干系统没有相干噪声。仍有研究价值。
10.1相干与非相干光学处理
相干与非相干光学处理
将透明片作为一种线性系统旳输入， 用相干光照明，因为 输入图像中每一点旳复振幅在输出面上会产生相应旳输出，这些 输出旳集合（叠加）构成输出图像。
U (x, y) Ui (x, y)
i
人眼、感光胶片、CCD等感知旳是光强信息。即合成振幅旳绝对
值平方。
I (x, y) | U (x, y) |2 | Ui (x, y) |2
先考虑f(x,y)上一种单位强度旳点光源在P平面上旳脉冲响应。
在几何光学近似下，离焦面Δ处旳旳分布即为h(x,y)
旳一种缩小旳倒像，其投影中心坐标
a 1 ( / 2 f ) x, b 1 ( / 2 f ) y
考虑到投影时h(x,y)旳方向将发 生几何反射，于是 f (x,y)上旳一点在
离焦面Δ上产生一种h 旳缩小图像
i
Ui (x, y) |2 Ui (x, y)U * j (x, y)
i
i j
Ii
U
iHale Waihona Puke (x,y)U
* j
(
x,
y)
i
i j
用完全非相干光照明，输入面上各点旳光强在输出面产生相
应旳光强输出，因为这些输出是互不有关旳，所以总旳图像输出
是各光点光强输出旳叠加。因为各点振动旳随机性，其振幅和相
发出光经L1后变成平行光， 把第一张胶片f (x , y)投影 到h上，经过L2把光束会

第十一章 非相干光学处理

第十一章 非相干光学处理

n
，故上式可写为：
2
I n n t x3 , y3 hn x3 , y3 , n
则输出平面上的总光强为
n n 1
：
I x3 , y3 n t x3 , y3 hn x3 , y3 , n
2
可见：这种白光处理系统能够处理复振幅信号，又能压 制令人厌烦的相干噪声。 又由于白光光源辐射了所有可见光波长，所以白光处理 系统很适合于彩色象的处理。 应该指出：我们采用的分析方法对确定的波长看作是相 干光处理，而对不同波长处理后像的叠加又看成是完全非 相干的，这在理论上是不严格的。 严格的讨论----部分相干理论。 但在实际操作中，上述的近似分析已经是足够了。
白光光学处理采用宽谱带白光光源，但 采用微小的光源尺寸以提高空间相干性。另 一方面在输入平面上引入光栅来提高时间相 干性。这样即不存在相干噪声，又在某种程 度上保留了相干光学处理系统对复振幅进行 运算的能力，运算灵活性好。
其优点为： ① 可以压制相干噪声 ② 白光光源通常比较便宜 ③ 处理环境一般比较随意 ④ 白光系统比较容易操作，比较经济 ⑤ 特别适合于彩色信号处理
2．非相干光系统
对于非相干光系统，由于输入图像各 点的光互不相干，所以上式中的互相关项 （第二项）的平均值为零。即
I x, y I i xi , yi
i
即：非相干光处理系统是强度的线性系统， 满足强度叠加原理。
3．比较： 相干——振Байду номын сангаас叠加——可正可负——可完成 加、减、乘、除、微分、卷积等运算 非相干——光强叠加——实函数—— 无上 述运算
运算完成。非相干处理系统由于没有物理上 的频谱面，故不能按照相干系统同样的方法 处理。 * 但从空域看来，因为卷积和相关运算都包括 位移,相乘,积分三个基本步骤,所以非相干成象 系统也可以完成这些运算.

非相干光的检测与变换课件.ppt

非相干光的检测与变换课件.ppt

方与像方两侧的介质相同
故在上述条件下检测器位于焦平面上时，其半
视场角为 d
2f
检测器直径
非相干光的检测与变换课件
32
光电检测系统（非相干）的基本特性
或视场角立体角为
Ad
f2
检测器面积
而从观察范围看，即从发现目标的观点考虑：希望 视场角愈大愈好
从上式可看出，增大Ω，可增大Ad或减少f 而这两个方面对检测系统的影响都不利
A0、0分别为接收光学系统的入射孔径面积及光谱透过率
非相干光的检测与变换课件
44
直接检测系统的距离方程
根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱 响应范围共同决定选取的的辐射波段，可得到检测器的 输出信号电压为
(μ—表示液体或气体对光的吸收性质；γ—浓度) 0ed
光电变换器的输出电压为
U R 0
0非相干光的检测与变换课件
11
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式
光源
具有反射介质
光电器件
非相干光的检测与变换课件
12
光电变换的基本形式
3)光由被测对象反射的形式
光反射有镜面反射和漫反射两种形式——其反射 的物理性质有所不同
如果考虑直接检测系统存在的所有噪声，则输出 噪声的总功率为
P n 0 i N 2 i S N 2 i B N 2 D i N 2R T L
信号光
背景光
暗电流
负载电阻及放大器 热噪声之和
非相干光的检测与变换课件
26
光电检测系统（非相干）的基本特性
输出信号噪声比为
SNPR P P n00iN 2 S eiN 2h B iN 22P D S2iN 2 T

基于衍射的非相干处理

基于衍射的非相干处理

H
P
L
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艾 里 斑
d
2.44 f D
a.切趾术
Ø艾里斑的中央亮斑占有绝大部分能量,根据瑞利判据,系统的分辨率完全决定于 中央亮斑半径. Ø次级亮环的峰值仅是中央峰值的0.017,可以忽略它的影响.
H
P
L
艾
里
斑
d
2.44 f D
瑞利判据
P ( u , v ) 2 dudv
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H ( , )
P ( d i , d i ) P ( d i , d i )
P ( u , v ) 2 dudv
由上式可知,根据系统所需的OTF设计光瞳函数,频域综合可在光瞳面着手。
§3 基于衍射的非相干处理—非相干频域综合
Ø在相干处理系统中,可以由直接改变变换透镜后焦面上的振幅 透过率来综合所需要的滤波运算. Ø当使用非相干光照明时,频域综合仍然是可能的. Ø因为非相干系统的光瞳函数和光学传递函数之间存在着一个 简单的自相关函数关系.
§3 基于衍射的非相干处理—非相干频域综合
非相干空间滤波是改变输入光强频谱中各频率余弦分量的对比和相位关系，只要 根据输入输出关系,在频城综合出所需的OTF,就可实现各种形式的滤波.
衍射受限系统的OTF等于光瞳函数(即出射光瞳函数,简称光瞳函数)的归一化 自相关函数，即
H ( , )
P ( d i , d i ) P ( d i , d i )
Ø由于光瞳边界透过率呈阶跃变化,导致次级衍射环的产生; Ø要切去点扩散函数的趾部(次级亮环),应把光瞳的透过率分布改为缓变形式. Ø因高斯型孔径的傅里叶谱仍是高斯型,故点扩散函数仍是高斯型分布,能够有效消除 次级环的影响 Ø从OTF的观点看,这是增大低频的调制传递函数(MTF)值,削弱高频传递能力的 结果. Ø下图比较了切趾前后的光瞳函数、点扩散函数和调制传递函数。

第十章-光的干涉

第十章-光的干涉

光波波列：
L 约10
3
E1
~ 101 m
-13.6 eV
氢原子能级和发光跃迁
普通光源的发光机理-----原子发光模型 1. 发光的间隙性
2.发光的随机性 两个独立的光源不可能成为一对相干光源
即使两个光源的频率相同，但是由于原子发光是随机 的，间歇性的，两束光波的振动方向不可能一致，相 位差不可能恒定。 钠 光 灯A 钠 光 灯B
，
（2）
0.2 D 1.5 103 （3） xr1 lr 760 10-6 5.7(mm) d 0.2 D 1.5 103 xv 2 2 lv 2 400 10-6 6(mm) d 0.2
x1
d
(lr lv )=
(760 400) 10-6 2.7(mm)
I0/2
l
Δλ
l
Δ λ
谱线宽度
复色光
相干光
先对光波做一描述： 光波是矢量 E 和 H 在空间的传播。
E
实验证明光波中参与与 物质相互作用（感光作用 、生理作用等）的是E 矢 H 量，称它为光矢量。
E 矢量的振动称为光振动。
0Байду номын сангаас
x
2r ) 光矢量 E E0 cos( t 0
1.相邻亮纹间距
屏上图样 n=1 D d S1
d S2
D x xk 1 xk l d
等间距

C
r1 r2
P
X X
r
x
I O
D
2级明纹 2级暗纹 1级明纹 1级暗纹 0级明纹 -1级暗纹 -1级明纹 -2级暗纹 -2级明纹
1.相邻亮纹间距

基于非相干光信号的相干信息处理

基于非相干光信号的相干信息处理

基于非相干光信号的相干信息处理【摘要】：由于非相干光存在着许多缺点，通过研究表明利用光学寻址的空间光调制器（SLM）可以把非相干光转换为相干光，由此得到的相干光即含有原非相干光的图像信息，又具有相干光的特性。

然后利用得到的相干光进行各种必要的相干处理，可以得到关于原物体光波的振幅，相位，偏振等信息，从而解决非相干处理中存在的问题。

利用这套处理方法可以把常见的非相干光应用到相干领域中去，从而扩展了非相干光的应用领域。

【关键词】：光学寻址；空间光调制器；非相干光转化为相干光；相干处理1．引言长期以来，人们对光学信号都是进行非相干处理，只能得到物光的强度和频率信息。

普通照相就是根据几何光学成像原理，记录下光波的强度，使空间物体成像成一个二维图像。

由于丢失了光波的相位，因而丢失了物体的三维信息。

随着近代激光技术的发展，基于相干技术的全息技术也取得了飞速进步。

由于记录了原始物体的全部信息，全息技术使图像具有了三维感觉和视差。

由于非相干光存在许多缺点（甚至有时根本无法满足要求），因而受到了很多限制。

而相干光具有许多优点，可以进行相干探测，达到独特的效果。

然而实际中存在的大多数都是非相干光，如何把非相干光转化为相干光并进行相干处理成为非常重要问题。

通过研究表明把非相干光转换为相干光具有非常广阔的应用前景。

2．原理2.1 非相干光转换为相干光光波与物体可以产生相互作用，因此当物光照射在某些物体上时，物体中就会反映出物光图像。

此时如果有均匀相干光通过此物体，就会在透射光中携带物光信息。

在诸多的转换器中，空间光调制器（SLM）具有独特的优点。

而基于光学寻址的空间光调制器能够满足实时地把写入的非相干信号转换成输出的相干光信号。

原理图如下：其中Iw是一般光学系统得到的非相干图像，把Iw作为写入信号,然后引入一束振幅均匀的相干读出光IR。

空间光调制器（SLM）采用光学寻址方式，把写入光的照度分布转化成各像素的光强透射系数时，其输出光IO便是一束携带有写入图像信息的相干光。

一种新的非相干-相干光学转换方法

一种新的非相干-相干光学转换方法

一种新的非相干-相干光学转换方法
王长顺;张娅娜;魏振乾;杨延强;杨庆鑫;孙桂娟;费浩生;夏锦红
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】1999(28)3
【摘要】报道了一种新的非相干－相干光学转换方法，该方法是基于对介质中光致双折射的局部擦除．所用样品为一种含偶氮基侧链聚合物液晶薄膜，该液晶薄膜具有显著的光致双折射和永久光学存储特性．将样品放置在两块相互正交的偏振片之间，用线偏振光在样品中产生稳定的双折射，然后通过入射的非相干图象进行局部地擦除，相干图象由一束Ｈｅ－Ｎｅ激光读出．
【总页数】4页(P214-217)
【关键词】非相干-相干;光学转换;双折射;聚合物;光存储
【作者】王长顺;张娅娜;魏振乾;杨延强;杨庆鑫;孙桂娟;费浩生;夏锦红
【作者单位】吉林大学物理系;平原大学建筑工程系
【正文语种】中文
【中图分类】O631.24;O438
【相关文献】
1.一种新的非相干积累算法 [J], 李涛;冯大政;夏宇垠
2.一种新的光学相干层析成像中色散现象的补偿方法 [J], 陶淘;廖然;吕俊
3.一种新绝对QPSK非相干解调原理提出及仿真 [J], 贾志成;师嘉伟;李永军
4.一种新的宽带2FSK非相干解调器 [J], 刘高辉;高勇;余宁梅
5.一种新的非相干分布源模型及方位估计方法 [J], 李强;李志舜
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研究光子相干和非相干性质的技术和应用

研究光子相干和非相干性质的技术和应用

研究光子相干和非相干性质的技术和应用光是一种最基本的自然现象，是由电磁波的传播而产生的，同时也是我们探索世界的重要工具。

在科学研究和技术应用中，对光的相干性质和非相干性质的研究具有十分重要的意义。

相干性质与非相干性质在光学中的概念光的相干性质与非相干性质是指光的相位的关系。

在光的传播过程中，不同光波的相位关系不同，这会影响到光的叠加效应。

如果多个光波的相位关系是固定的，即它们的相位差始终相同，那么这些光波就是相干的；若它们的相位关系是随机变化的，则它们是非相干的。

相干光的特点是产生干涉、衍射和极化现象，例如在干涉仪中，若两束相干光进行相遇，则它们会发生干涉现象，使得干涉条纹清晰可见。

非相干光则没有这些特点，例如照明灯产生的光一般是非相干光。

相干性质与非相干性质的研究方法为了研究光的相干性质与非相干性质，科学家们广泛使用了多种方法。

其中最基础的方法是干涉和衍射实验，这些实验采用的是相干光的特性，可以帮助人们研究光的相干性质。

此外，人们还可以制造光学元件来改变光的相干性质。

例如，在工业和科学研究中，人们经常使用偏振器来产生相干光。

偏振器可以将光的电场向量限制在一个特定的方向，并隐藏与该方向垂直的振动分量，从而产生相干光。

另一个研究光的相干性质和非相干性质的方法是激光，激光是一种在线性光学中应用最广泛的相干光源之一。

由于激光成像具有高强度、单色性和相干性等特点，许多科学和工业应用需要使用激光技术。

例如，医生可以使用激光手术治疗疾病，制造商可以使用激光打印机印刷非常精细的图像，科学家可以使用激光进行物质分析和谱学实验等。

相干和非相干光在技术和应用中的作用相干性质和非相干性质的差异不仅仅是学术上的问题，它们在应用中的作用也十分重要。

相干光在许多技术和应用中具有重要作用。

例如，在计算机芯片设计中，相干光可以用来刻画微纳米尺度下的表面形貌和膜层结构；在光学成像中，相干光可以用来提高图像分辨率和清晰度；在量子计算和加密中，相干光可以作为信息传递的重要工具。

非相干光处理 ppt课件

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而在许多实际应用中的信号是以这种方式提供 的。现在已广为使用的光学与电子学混合处理系统, 可以直接使用这类非相干信号。
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(3) 激光是单色性极好的光源,因此,相干处理系 统原则上只能处理单色图像,对彩色图像的处理 几乎无能为力.
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10.1.2 非相干光学处理系统的噪声抑制
出信号为
I E
N
ai
2

i 1
E{}表示求平均
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N
N
I N 2s2 2Ns Eni E ni n j
i 1
i , j1
由于噪声是完全随机的，其信号的平均值为零，
N
Eni ห้องสมุดไป่ตู้0
i 1
另外，不同噪声之间互不相关，因此有
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例如,在图中的第三通道中,由于透镜表面的尘埃挡掉了来自物
在光学系统中(如透镜、反射镜和分束器等)不 可避免地存在一些缺陷,如气泡、擦痕以及尘埃、 指印或霉斑等.当用相干光照明时,这些缺陷将产生 衍射,而这些衍射波之间又会互相干涉,从而形成一 系列杂乱条纹与图像重叠在一起,无法分开.这就是 所谓相干噪声。
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另外,当用激光照明一个漫射体时,物体表面上各 点反射的光在空间相遇而发生干涉.由于漫射物体表面 的微观起伏与光波长相比是粗糙的,也是无规的,因而 这种干涉也是无规的.当用相干光照明漫射物体时,这 个物体看上去总是麻麻点点的,这就是散斑噪声.
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而在非相干光学处理系统中,光强只能取正 值.故相干光学处理信息的能力比非相干光学处 理系统要丰富得多.这就是为什么一般采用相干 光而不是非相干光进行信息处理的主要原因.
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(
)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
可得到式(10.2.11)的对称表达式 ∞ ∞ λ ff y λ ffx λ ff y λ ffx Hi fx , f y =∫ ∫ P′ ξ ′ + ,η′ + ,η′ P′ ξ ′ dξ dη 2 2 2 2 ∞ ∞
(
)
(10.2.12)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
非相干空间滤波系统是基本的非相干成像系统,它使用光学传 递函数来进行非相干空间滤波,其操作依靠衍射理论.图 10.2.1是一个用自发光物体的非相干空间滤波系统. S为自发光物,P(x,y)为光瞳透明物片,设物面的强度分布为 Io(x,y),成像面的强度分布为Ii(x,y),由衍射理论可知,其成 像规律遵从以下的强度卷积积分 P(x,y) Io(x,y) S f1 f2 Ii(x,y)
Chapter 10
第十章
InCoherent
Optical Information Processing
非相干光学信息处理
非相干光学处理是指采用非相干光照明的信息处理方法,系统 传递和处理的基本物理量是光场的强度分布.
10.1 光处理与非相干光处理的比较
相干光处理系统存在的不足
(1)相干光处理要求输出分布以波前复振幅的形式,这一要 求排除了阴极射线管或发光二极管阵列作为输出器件的使用. 这就要求把输入图像制成透明片,然后用激光照明. (2) 相干噪声和散斑噪声问题 在光学系统中(如透镜,反射镜和分束器等)不可避免地存在一 些缺陷,如:气泡,擦痕及尘埃,指印或霉斑等.当用相干光照明 时,这些缺陷将产生衍射,而这些衍射波之间又会互相干涉,从而 形成一系列杂乱条纹与图像重叠在一起,无法分开,这就是所谓相 干噪声.
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(10.2.2)
hi ( x, y) 是非相干空间强度脉冲响应或点扩展函数(PSF),
hi ( x, y) = h( x, y) , 即强度脉冲响应 hi ( x, y) 是振幅脉冲响应
h( x, y)的模的平方;K是比例常数;而 Ig ( x, y) 是几何光学
所预言的像分布,即
y 1 x Ig ( x, y) = Io , M M M
图10.2.1用自发光物体的非相干空间滤波系统.
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
I ( xi , yi ) = K ∫
∞ ∞ ∞ ∞
∫ I (ξ,η) h ( x ξ, y η) dξdη
g i
(10.2.1)
式(10.2.1)可缩写为
Ii ( x, y) = KIg ( x, y) hi ( x, y)
H
( f , f ) , 也简称OTF,即 ( f , f )=H ( f , f ) /H ( 0,0)
H
x y
i x y x y i ∞
当用零频分量进行归一化时,就得到通常所称的光学传递函数
=∞
∫ ∫
∞
∞
λ ff y λ ffx λ ff y λ ffx P′ ξ ′ + ,η′ + ,η′ P′ ξ ′ dξ ′dη′ 2 2 2 2
2
(10.2.3)
尽管这个系统的输入是一个自发光物体,只要用来照射的光源的空 间宽度足够大,式(10.2.1)同样地描述被透射物的输入与输出的关系.
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
假设系统的放大率为1,即f1=f2=f,并且考虑到像的倒立问题, 像面的坐标用反射坐标系,即把像面上+x轴和+y轴的方向反转, 则方程(10.2.2)呈简单形式
I f ( x, y) ∝ hi ( x, y) ∝ P( x / λ f , y / λ f )
此处 P f x , f y 是p ( x, y )的二维傅里叶变换,即
(10.2.6)
(
)
P( fx , f y ) = ∫
∞
∞
∞ ∞
∫ p( x, y) exp j2π ( f x + f y) dxdy
叫做成像系统的空间频率传递函数. 考虑由单个点光源物所产生的像分布,式(10.2.4)的物理意义为: 被透镜L1准直的点光源的光产生一个平面波照射光瞳透明物片, 通过光瞳透明物片后的透射光场在透镜L2的作用下,在L2的后焦 面形成光瞳函数的夫琅和费强度图样.我们可以把扩展的空间非
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
Ii ( x, y) = KIo ( x, y) hi ( x, y)
Gi ( fx , f y ) = KGo ( fx , f y ) Hi ( fx , f y )
(10.2.4)
对上式两边进行傅里叶变换,可得到它们的空间频率域的关系
(10.2.5)
此处,Go,Gi和Hi分别为Io,Ii和hi的傅里叶变换,Hi ( f x , f y )
hi ( fx , f y )=P′ ( λ ffx , λ ff y ) ★ P′ ( λ ffx , λ ff y ) =∫
∞ ∞ ∞ ∞
(
)
∫
P′ (ξ ,η ) P′ (ξ λ ffx ,η λ ff y ) dξ dη
(10.2.11)
即是非相干传递函数 Hi fx , f y 是约化坐标光瞳函数的自相关. λ ff y λ ff x 作简单的变量变换,令ξ = ξ ′ + ,η = η ′ + 2 2
10.3 非相干空间滤波的特征识别
In ( x, y) ∝ Tn ( x / λ f , y / λ f )
2
此处 Tn ( fx , f y ) 是 tn ( x, y) 的傅里叶变换.处理器的后半部是一个非 相干空间滤波系统,非相干匹配滤波器 Hm ( fx , f y ) 把光瞳函数 P ( x′, y′) m 作为它的主要部分,这个匹配滤波器把输入 In ( x, y) 转化为输出 Inm ( x, y) 下面我们看看这个处理器的各部分是如何起作用,尽管图形是二维的, 为了推导公式的方便起见,我们只用一维符号.
10.1 光处理与非相干光处理的比较
另外,当用激光照明一个漫射体时,物体表面上各点反射的光 在空间相遇而发生干涉,由于漫射物体表面的微观起伏与光波 长相比是粗糙的,也是无规的,因而这种干涉也是无规的,当 用相干光照明漫射物体时,这个物体看上去总是麻麻点点的, 这就是散斑噪声. (3)输出的性质.在相干光学中,被处理的信息由波的复振幅分 布来传送,这就意味着不仅输入必须以波振幅的形式来恰当的 描述(有时需要对输入信息进行非线性处理),而且直接关系 到输出分布也是输出波的振幅.然而,除了应用干涉仪技术的 少数情况外,处理器输出中实际测量到的是输出波的强度分布. 这样,相干处理的位相信息(或真实分布的信号)被丢失,在 某些应用中,如,在匹配滤波和像的加强中,这种位相信息的 失掉可能严重的限制光学技术的应用. (4)激光是单色性极好的光源,因此,相干处理系统原则上只能 处理单色图像,对彩色图像的处理几乎无能为力.
10.3.1 用空间匹配滤波的图形识别
通过使信号的峰值能量与处理系统中的均方白噪声能量的比值 达到最大来解决这个问题. 我们的目的是要识别一个未知输入信号,或者要识别一个未知 位置,比如放在x=0处的光学图形In(x).物In(x)不是全部未知, 只是部分未知,他可能是一个信号集In(x)(n=0,1,2, …,N)中的一 员,图形In(x)不是未知特征的本身,它必须通过预处理得到,这 一点下面会谈到. 输入图形的识别可以通过下述实验得到: (1)由光学传递函数(OTF) 为Hm(fx)的成像系统产生输入In(x)的像;(2)把一个针孔放在像面的 中央处(在光轴上,x=0处),在针孔后面放一个光电探测器;(3) 通过把系统的OTF Hm(fx)(m=0,1,2, …,N) (n=0,1,2 , …,N)调整为N 个不同的状态,把"相关率"Smn(m=0,1,2, …,N) (n=0,1,2 , …,N)作为 光电池的信号,用针孔后的光电探测器相继的测量这个相关率.
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
hi ( x, y)= P′ ( x相干点扩展函数是约化坐标光瞳函数的模的平方,在定义 式(10.2.10)时,取比例常数K为1.对式(10.2.10)取傅里叶变换, 并注意到非相干点扩展函数 hi ( x, y ) 的傅里叶变化就是非相干 传递函数 Hi fx , f y , 援引自相关定理,可得
∞ ∞ ∞
∫ ∫
∞
P(ξ ,η ) dξ dη
2
(10.2.13)
这个公式称为杜裴克(Duffieux)公式, P(ξ ,η )是实际的光瞳函数 的傅里叶变换.
10.3 非相干空间滤波的特征识别
下面研究一种非相干 空间滤波的特征识别 系统,这是一种能谱 LASER
x0
g
x
x′
PH Snm
In( x0 )
10.1 光处理与非相干光处理的比较
非相干光处理也有明显的缺点: (1) 因为在非相干光处理中,信息的传递是光的强度,这样,输 入和输出分布被限制在非负的实函数信号.这与用波的复振 幅来传送振幅和相位信息的相干光处理器形成一个鲜明的对 比. (2) 如果非相干系统被用于双极的或复数值的处理操作,必须用 某一形式的混合系统.由于在处理中加入偏置信号,大的偏 置分布伴随着期望的信息,因而处理器的动态范围在某些情 况下可能有严重的局限.
x y
(10.2.7)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
从第3章关于成像系统的讨论可知,相干点扩展函数h(x,y)是光 瞳函数p(x,y)的傅里叶变换,即 h( x, y) ∝ F {h( x, y)} = p fx , f y = p ( x / λ f , y / λ f )
而非相干点扩展函数hi ( x, y ) 是相干点扩展函数h ( x, y )的模的平方, 即