光信息处理[第3章]解析
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第03章 光波系统中光信号的传输特性
23
(2) β3的影响。 当β3≠0，即高阶色散的影响不能忽略时， 经严格分析发现，高斯脉冲在传输过程中不 再保持原高斯脉冲形状，而是形成了一种振 荡 结 构 的 尾 部 。 这 种 脉 冲 就 不 能 用 T0 或 TFWHM 来确切描述其宽度，而通常用均方根 脉宽来描述，它定义为 σ=[<T2>-<T>2]1/2 角括号<>代表对强度分布的平均。
高斯形光脉冲的脉宽与谱宽光波通信系统中大都采用半导体激光器作为光源一般它产生的光脉冲信号是高斯形的而且均伴随不同程度的啁瞅分量可写为exp022100ttjcata?11啁啾?是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语是指对脉冲进行编码时其载频在脉冲持续时间内线性地增加当将脉冲变到音频地会发出一种声音听起来像鸟叫的啁啾声故名啁啾
20
图3-2啁啾高斯脉冲展宽因子T1／T0随传输距离z／ LD的变化曲线。(LD=T02/|β2|称为色散长度)。
21
对非啁啾脉冲，C=O，脉宽随 [1+(z／LD)2]1/2 成比例展宽，在z=LD处展宽为初始输入脉宽的√2 倍。 对C≠0的啁啾脉冲，在传输过程中，有可能展宽。 亦有可能压窄，这取决于β2与C是同号还是异号。
33
为防止色散展宽导致相邻脉冲重叠，展宽脉冲 应限制在所分配的比特时隙(TB)内，而TB =1／B， B为比特率，根据这一准则可求得σ与B的关系。 通常规定: σ≤TB／4或4Bσ≤1，这样至少有95％ 的脉冲能量被限制在比特时隙内。 因此极限比特率为 B≤1／(4σ) 对于很窄的输入脉冲，σ≈σD=|D|Lσλ，则有 B≤l／(4L| D|σλ)
3
3A t
3
0
信息光学-第3章 标量衍射理论
rz2 x x 0 2 y y 0 2 z1 x x 0 2z 2 y y 0 2
对上式进行二项式展开，并考虑徬轴近似，上式可进一步简化为：
rzxx02yy02
泰勒公式：f(x)=f(a) + f'(a)(x-a)/1! + f''(a2整)z理(xpp-ta)^2/2! + …… + f(n)(a)(x-a)^n/n!
此时，称A(cos/，cos/ )为xy平面上复振幅分布的角谱。 引入角谱概念有助于进一步理解复振幅分解的物理意义： (1)单色光波场中某一平面上的场分布可看作不同方向传播的
单色平面波的叠加; (2) 在叠加时各平面波成分有自己的振幅和常量相位，它们
的值分别取决于角谱的模和幅角。
角谱如何求？就用傅里叶变换整理就ppt 行，注意坐标替换
整理ppt
试写出传播方向余弦为(cosα,0)的单色平面波在x-y平 面上的复振幅分布（用空间频率来描述）
(fxcos/, fy0)
U (x ,y )A ex p (j2 fxx )
整理ppt
k kx kz;
朝X正方向， fx cos/;
2）不能，波长应该是不会变长的
3）波长应该由时间域的频率 f 决定，即波形变 化的快慢，不是由空间频率决定的。波长=c/f。 也可由公式：X=波长/cosa得到。
1、光波的数学描述
将简化式代入球面波复振幅表达式有：
UP a0 ejkr
r
rzxx02yy02
2z
思考，公式中的近似 条件为何位相里面不 考虑成r=z
jk z x x02 y y02
U P ae aee 0
2z
0 jkz j2 k z x x02 y y02
对上式进行二项式展开，并考虑徬轴近似，上式可进一步简化为：
rzxx02yy02
泰勒公式：f(x)=f(a) + f'(a)(x-a)/1! + f''(a2整)z理(xpp-ta)^2/2! + …… + f(n)(a)(x-a)^n/n!
此时，称A(cos/，cos/ )为xy平面上复振幅分布的角谱。 引入角谱概念有助于进一步理解复振幅分解的物理意义： (1)单色光波场中某一平面上的场分布可看作不同方向传播的
单色平面波的叠加; (2) 在叠加时各平面波成分有自己的振幅和常量相位，它们
的值分别取决于角谱的模和幅角。
角谱如何求？就用傅里叶变换整理就ppt 行，注意坐标替换
整理ppt
试写出传播方向余弦为(cosα,0)的单色平面波在x-y平 面上的复振幅分布（用空间频率来描述）
(fxcos/, fy0)
U (x ,y )A ex p (j2 fxx )
整理ppt
k kx kz;
朝X正方向， fx cos/;
2）不能，波长应该是不会变长的
3）波长应该由时间域的频率 f 决定，即波形变 化的快慢，不是由空间频率决定的。波长=c/f。 也可由公式：X=波长/cosa得到。
1、光波的数学描述
将简化式代入球面波复振幅表达式有：
UP a0 ejkr
r
rzxx02yy02
2z
思考，公式中的近似 条件为何位相里面不 考虑成r=z
jk z x x02 y y02
U P ae aee 0
2z
0 jkz j2 k z x x02 y y02
第三章印前图文信息处理
• 连续调
• 半色调
1、什么是网点
网点是构成连续调图像的基本印刷单元，印刷品上由这种 图像单元与空白的对比，达到再现连续调的效果。
• 连续调
• 半色调
半色调网点整齐地排列在格子里，格子的位置、大小皆固定，但是格 子内的网点大小不一，这代表图像各部分的深浅灰阶。而网点是由更 小的方格所构成，这些小方格的数量直接影响网点的大小。
第三章 印前图文信息处理
定义1：印前图文信息处理是指按印刷的要求，将原稿 进行颜色分解、缩放处理、图文拼接、连续调加网等 一系列晒版前的处理过程。（顾萍版）
定义2：原稿上的图文信息按照印刷的要求，经过处理， 转移到感光材料上，制成供晒版或电子雕刻的阳图或 阴图片，这一工艺过程叫做印前图文信息处理。（胡 更生版）
S（）＝ C
印刷工业中通常将400～500nm的蓝光、500～600nm 的绿光和600～700nm的红光等量混合而成的光作为白光。
② 物体
透明物体的光谱特性 —— 透明物体产生颜色的主要原因是它对光谱成分的选择性透过特性。
非透明物体光谱特性
——非透明物体产生颜色的主要原因是它对光谱成分的选择性反射特性。
（3）锐化的方法 锐化的方法从数学角度而言就是对图象进行微分处理，去掉引起的图
象模糊，使图象轮廓分明。
F(x) df(x)/dx df2(x)/dx2 f(x)- df2(x)/dx2
4、图像的平滑
图像平滑是指为了抑制图像中噪声的一种操作。
（1）产生的原因 ① 系统光电转换过程中的噪声 ② 照片的颗粒噪声 ③ 图像信息传输中的误差
彩 图
灰 度 图
图形
二值图像
二、彩色连续调图像复制
彩色连续调图像复制的三要素：阶调层次的 再现、颜色的还原以及清晰度的保证。
• 半色调
1、什么是网点
网点是构成连续调图像的基本印刷单元，印刷品上由这种 图像单元与空白的对比，达到再现连续调的效果。
• 连续调
• 半色调
半色调网点整齐地排列在格子里，格子的位置、大小皆固定，但是格 子内的网点大小不一，这代表图像各部分的深浅灰阶。而网点是由更 小的方格所构成，这些小方格的数量直接影响网点的大小。
第三章 印前图文信息处理
定义1：印前图文信息处理是指按印刷的要求，将原稿 进行颜色分解、缩放处理、图文拼接、连续调加网等 一系列晒版前的处理过程。（顾萍版）
定义2：原稿上的图文信息按照印刷的要求，经过处理， 转移到感光材料上，制成供晒版或电子雕刻的阳图或 阴图片，这一工艺过程叫做印前图文信息处理。（胡 更生版）
S（）＝ C
印刷工业中通常将400～500nm的蓝光、500～600nm 的绿光和600～700nm的红光等量混合而成的光作为白光。
② 物体
透明物体的光谱特性 —— 透明物体产生颜色的主要原因是它对光谱成分的选择性透过特性。
非透明物体光谱特性
——非透明物体产生颜色的主要原因是它对光谱成分的选择性反射特性。
（3）锐化的方法 锐化的方法从数学角度而言就是对图象进行微分处理，去掉引起的图
象模糊，使图象轮廓分明。
F(x) df(x)/dx df2(x)/dx2 f(x)- df2(x)/dx2
4、图像的平滑
图像平滑是指为了抑制图像中噪声的一种操作。
（1）产生的原因 ① 系统光电转换过程中的噪声 ② 照片的颗粒噪声 ③ 图像信息传输中的误差
彩 图
灰 度 图
图形
二值图像
二、彩色连续调图像复制
彩色连续调图像复制的三要素：阶调层次的 再现、颜色的还原以及清晰度的保证。
第3章 光学总线
图3-20
籍由光导纤维连接器连接的光纤
Байду номын сангаас
4.奔驰DDB系统的工作原理
（1）主控制单元COMAND的功能
DDB系统采用环形拓 扑结构，亦称环形网络。 DDB网络中主控制单元的 作用为：认证并存储网络 配置；为唤醒信号线提供 电源；发出唤醒信号；发 出DDB网络主令信号，以 启动或关闭DDB网络；检 测自身和DDB网络部件的 故障和存储故障代码；作 为CAN网络与DDB网络之 间的网关；可以从SDS故 障诊断仪中对其执行诊断 性的唤醒。
图3-4 光导发射器（FOT）
图3-5 波长650 nm 的可见红光
如图3-5所示，光学传输中使用的光波波长为650 nm， 是可见红光。
（5）光波收发器 （6）标准微控制器
（7）专用部件
2.光敏二极管 光敏二极管是利用 光电效应原理将光波转 换成电压信号的。如图 3-6所示，光敏二极管 内有一个P-N结，入射 光可以照射到这个P-N 结上。在P型层上有一 个正极触点（滑环）， N型层与金属底板（负 极）相连。
早期曾采用所谓的Smart Wire（聪明的导线，亦称灵巧 线）非屏蔽双绞线进行多媒体数据传输，后改为采用单根光导 纤维进行多媒体数据传输。
3.2.2 DDB总线的应用
DDB总线得到美洲虎（Jaguar）和梅赛德斯-奔驰公司的 支持，在奔驰S系、美洲虎X型、S型及XJ型汽车上均有应用。 1.奔驰DDB系统的组成
图3-21 DDB系统环状结构
（2）电信号唤醒 因为光导纤维收发器在工作时会消耗很大的电流.在DDB 网络不工作时，系统会进入休眠模式，以减少电能消耗。
DDB网络组件中的唤醒线电压总是来源于DDB网络的主 控制单元COMAND。COMAND会发送一个唤醒信号，唤醒 信号通过唤醒线传递给DDB网络的各个组件，以唤醒各组件。 奔驰车系的DDB网络唤醒线绝缘皮一般为蓝色。 DDB网络中的每一个组件都各自引出一条电线（唤醒 线），然后用接头或星形焊接的形式连接到一起。需要唤醒 DDB网络组件时，由DDB网络主控制单元COMAND发出电 子唤醒脉冲（电信号），以唤醒各组件。 在发出电子唤醒脉冲的同时，DDB网络主控制单元COMAND 还向各个组件发送一系列（最多4个）光波信号。DDB网络系 统即由休眠模式转为清醒模式（亦称系统被激活），转入正 常工作状态。
光纤技术及应用第三章
光纤技术及应用
Optical Fiber Technology and Its Application
2021/7/22
.
1
第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
.
2
引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2021/7/22
.
6
3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
.
25
梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
.
26
将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
2021/7/22
.
33
.
34
3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
Optical Fiber Technology and Its Application
2021/7/22
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1
第3章
光
纤
Optic fiber
2021/7/22
.
2
引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2021/7/22
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6
3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
所以梯度光纤中导模光线的 最大延迟时间为：
ma xmin2nc12
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25
梯度光纤中导模光线的最大延迟 时间
ma xmin2nc12
与阶跃光纤的最大延迟时间相比较:
max12n c1n1n 2n2n c1
平方律光纤的色散小很多。 （3）梯度光纤的数值孔径 采用近似方法导出：
.
26
将光纤芯层分成许多薄层：每一层内，折射率可近似看成常 数，而且折射率沿径向向外逐层递减
2021/7/22
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33
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34
3.2 光纤的波动光学理论
光纤属于介质圆波导，分析导光原理很复杂， 可用两种理论进行：
w用波动理论讨论导光原理(复杂、精确) w采用射线理论分析导光原理(简单、近似)
《光学信息处理技术》PPT课件
频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低
频信息；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量。
7
§7-1 空间滤波基本原理
二、阿贝—波特（Abbe—Porter）实验（1906）
相干单色平行光照明
实验装置
物平面 细丝网格状物 （正交光栅）
频谱面 放置滤波器
改变物的 频谱结构
像面 观察到各种 不同的像
T ( fx ) = ℱ [ t ( x1 ) ] 它的傅里叶变换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
aB d
s
incBfx
sinc
a d
sincB
fx
1 d
sinc
a d
sincB
fx
1 d
......
零级谱
正、负一级谱
高级频谱
强度呈现为一系列亮点，每个
亮点是一个sinc2函数
幅值受单缝衍射限制，包络
带通滤波器：
用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量 例：正交光栅上污点的清除
滤波后可在像面 上得到去除了污 点的正交光栅
29
§7-3 空间滤波应用
例: 疵点检查——方向滤波器
印刷电路掩膜的 频谱沿轴分布， 疵点的频谱比较 分散。
此滤波器可提取 出疵点的信息
在输出面上得到 疵点的图像
30
§7-3 空间滤波应用
滤波器：放置在频 谱面中心的孔，仅 让0级谱通过
综合出的像：
仅有边框，不 出现条纹结构
零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底
12
原物
通过的频谱 综合出的图像
阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转 13
原物
通过的频谱 综合出的图像
近代光信息处理第3章非相干光学信息处理
第2节 把相干光源(激光)换成非相干光源(钨丝灯)，傅里
第3节 叶平面上的傅里叶变换图像就消失了，这一情形
第4节
与杨氏干涉仪类似．这是否意味着我们不能实现 空间滤波? 答案是否定的。
第5节
设想在傅氏平面上设置一小窗口滤波器H(u)，
第6节 系统的CTF=H(u)，而OTF则是CTF的自相关.
第7节
第8节
第3节 非相干光的情形．相干Vander Lugt 相关器的输出
第4节 中，相关项为（参见节4.3(14)式）
第5节
c(,) = ∞-∞ f(x,y) g[x-(-b),y-] dxdy
第6节 强度分布为
第7节 第8节
| c(,) |2 = | ∞-∞ f(x,y) g[x-(-b),y-] dxdy |2
第8节 第9节
在相干光处理系统中，我们总是假定空间相干 宽度大于光学系统的横向特征尺度；
在非相干光处理系统中，我们总是假定空间相 干宽度为零；
而在部分相干光处理系统中，假定空间相干宽
度大于零，并小于系统的特征尺度。
第3章
7
目 录 2019/11/24 第1节
3.2 非相干像的形成 光学信息处理
第9节
第3章 图3.3 滤波平面上的实窗口函数生成的CTF及OTF13
CTF是高通滤波器， 从 u =a 到 u = a+b， 但MTF仍是低通滤波器，从u = -b 到 u = b 与a无关
由一组无规则分布的小孔构成的孔径的作用相当
于低通滤波器．这样一个滤波器的截止频率可以由针 孔的直径导出，相当于 b．
光学信息处理
第1节
然而在非相干情形下联合傅里叶变换
第2节 器(JTC，参见节4.8)不起作用．联合傅里
信息光学-----第3章 标量衍射的角谱理论
故引入复振幅U(P): U(P) = a(P) e jj(P)
则 u(P,t)= e{ U(P) e -j2pnt }
§3-1 光波的数学描述
一、光振动的复振幅表示
U(P) = a(P) e jj(P)
• U(P)是空间点的复函数，描写光场的空间分布， 与时间无关；
• U(P)同时表征了空间各点的振幅 |U(P)| = |a(P)|
练习 3
对于传播方向与z轴夹角为-30的情况， 再解上题。
§3-1 光波的数学描述
平面波的空间频率-信息光学中最基本的概念
要与光的时间频率严格区分开
空间比时间更具体，更直观，是有形的 空间频率的单位: cm-1, mm-1, 周/mm, 条数/mm 等
空间频率的正负:表示传播方向与x(或y)轴的夹角小于或大于90 在给定的座标系, 任意单色平面波有一组对应的fx和fy, 它仅决定于光波的波长和传播方向。
(x
x0 )2 ( y z2
y0 )2
1
可以作泰勒展开 r z (x x0 )2 ( y y0 )2
(1+D)1/2 1+ D /2
2z
一级近似 二级近似
对振幅中r 的可作一级近似。
但因为 k 很大，对位相中的 r 须作二级近似
U (P)
a0 r
e jkr
a0 z
exp(
jk z)
常数幅相因子, A
U (x, y) Aexp[ jk(x cosa y cosb )]
随x,y线性变化的 位相因子
在x-y平面上的等位相线
xcosa + ycosb = const
为平行直线族
§3-1 光波的数学描述
三、平面波的复振幅表示－－平面波的空间频率
则 u(P,t)= e{ U(P) e -j2pnt }
§3-1 光波的数学描述
一、光振动的复振幅表示
U(P) = a(P) e jj(P)
• U(P)是空间点的复函数，描写光场的空间分布， 与时间无关；
• U(P)同时表征了空间各点的振幅 |U(P)| = |a(P)|
练习 3
对于传播方向与z轴夹角为-30的情况， 再解上题。
§3-1 光波的数学描述
平面波的空间频率-信息光学中最基本的概念
要与光的时间频率严格区分开
空间比时间更具体，更直观，是有形的 空间频率的单位: cm-1, mm-1, 周/mm, 条数/mm 等
空间频率的正负:表示传播方向与x(或y)轴的夹角小于或大于90 在给定的座标系, 任意单色平面波有一组对应的fx和fy, 它仅决定于光波的波长和传播方向。
(x
x0 )2 ( y z2
y0 )2
1
可以作泰勒展开 r z (x x0 )2 ( y y0 )2
(1+D)1/2 1+ D /2
2z
一级近似 二级近似
对振幅中r 的可作一级近似。
但因为 k 很大，对位相中的 r 须作二级近似
U (P)
a0 r
e jkr
a0 z
exp(
jk z)
常数幅相因子, A
U (x, y) Aexp[ jk(x cosa y cosb )]
随x,y线性变化的 位相因子
在x-y平面上的等位相线
xcosa + ycosb = const
为平行直线族
§3-1 光波的数学描述
三、平面波的复振幅表示－－平面波的空间频率
陈家璧版 光学信息技术原理及应用习题解答(3-4章)
第三章 习题3.1 参看图3.5，在推导相干成像系统点扩散函数（3.35）式时，对于积分号前的相位因子⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡+2220202002exp )(2exp M y x d k j y x d k j i i试问（1）物平面上半径多大时，相位因子⎥⎦⎤⎢⎣⎡+)(2exp 20200y x d k j相对于它在原点之值正好改变π弧度？（2）设光瞳函数是一个半径为a 的圆，那么在物平面上相应h 的第一个零点的半径是多少？（3）由这些结果，设观察是在透镜光轴附近进行，那么a ，λ和d o 之间存在什么关系时可以弃去相位因子⎥⎦⎤⎢⎣⎡+)(2exp 20200y x d k j 3.2 一个余弦型振幅光栅，复振幅透过率为 00002cos 2121),(x f y x t π+=放在图3.5所示的成像系统的物面上，用单色平面波倾斜照明，平面波的传播方向在x 0z 平面内，与z 轴夹角为θ。
透镜焦距为f ，孔径为D 。
（1）求物体透射光场的频谱；（2）使像平面出现条纹的最大θ角等于多少？求此时像面强度分布；(3) 若θ采用上述极大值，使像面上出现条纹的最大光栅频率是多少？与θ=0时的截止频率比较，结论如何？3.3光学传递函数在f x = f y =0处都等于1，这是为什么？光学传递函数的值可能大于1吗？如果光学系统真的实现了点物成点像，这时的光学传递函数怎样？3.4当非相干成像系统的点扩散函数h I （x i ，y i ）成点对称时，则其光学传递函数是实函数。
3.5 非相干成像系统的出瞳是由大量随机分布的小圆孔组成。
小圆孔的直径都为2a ，出瞳到像面的距离为d i ，光波长为λ，这种系统可用来实现非相干低通滤波。
系统的截止频率近似为多大？3.6 试用场的观点证明在物的共轭面上得到物体的像 解：如图设1∑是透过率函数为),(00y x t 的物平面，2∑是与1∑共轭的像平面，即有fd d i 1110＝+ 式中f 为透镜的焦距，设透镜无像差，成像过程分两步进行：（1） 射到物面上的平面波在物体上发生衍射，结果形成入射到透镜上的光场l U ； （2） 这个入射到透镜上的光场经透镜作位相变换后，在透镜的后表面上形成衍射场'l U ，这个场传到像面上形成物体的像。
第3章-光束的调制和扫描
其中ma
Am
边频分量
Ac
, 调幅系数
Ac
ma Ac 2
ma Ac 2
c m
c
2 m
c m
2、频率调制和相位调制 <角度调制>
调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号 的变化规律而改变的振荡。 对频率调制来说，就是式中的角频率c随调制 信号变化：
(t ) c (t ) c k f a (t )
光调制
(a) 调制信号 (b) 脉冲幅度5、 脉冲编码调制
模拟调制信号 电脉冲序列调制
电调制
二进制编码 强度调制
光调制
三个过程：
（1）抽样：把连续信号波分割成不连续的脉冲波， 用一定的脉冲列来表示 。 模拟信号 变成 脉幅调制信号
光束调制按其调制的性质可分为：调幅、调频、 调相及强度调制等。 若调制信号是一时间的余弦函数，即：
1、振幅调制
a (t ) Am cos m t
调幅波的表达式为：
E (t ) Ac [1 ma cos m t ] cos( c t c )
调幅波的频谱为：
载频分量
ma E (t ) Ac cos( c t c ) Ac cos[( c m )t c ] 2 ma Ac cos[( c m )t c ] 2
（2）量化：分级取“整” 变为数字信号 （3）编码：把量化后的数字信号变换成相应的 二进制码的过程。 “1” 激光载波的极大值； “0” 激光载波的零值。
3.2 电光调制
利用电光效应可实现强度调制和相位调制。 本节以KDP电光晶体为例讨论。 3.2.1. 电光晶体基础 利用纵向电光效应和横向电光效应均可实 现电光强度调制。
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I ( x0，y0 ) g( x，y)h( x x0，y y0 )dxdy
g( x0，y0 ) ★h( x0，y0 )
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x x0，y y0 )
的相关。
应用：
模糊图像复原—— g( x，y) 是模糊图像，h( x，y)
是消模糊的脉冲响应函数
图像特征识别—— h( x，y) 是识别特定目标的掩膜板
粗糙表面在激光照射下成像
2. 输入和输出设备的通用性问题 相干光信息处理要求信息以复振幅形式在系统内传
输，要制作透明片并采用激光照明。而现代电光转换设 备中CRT、液晶显示、LED阵列输出均为非相干信号。
3. 只能处理单色图像，不能处理彩色图像。
非相干光处理的缺点：
1. 不能直接处理复函数和负值函数 2. 运算能力和方式有限
当用光电探测器来测量透过两块透明片的总强度时，给 出的光电流 I 为
I g( x，y)h( x，y)dxdy
L2 称为积分透镜。
二.图像的卷积和相关
I g( x，y)h( x，y)dxdy
若把透明片 h( x，y) 按反射的几何位置放入，则上式为
I g( x，y)h(x， y)dxdy
I( x，y) u( x，y) 2 ui ( x，y)
i
ui ( x，y) 2 ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
非相干光系统
I( x，y) Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
对于非相干光系统，由于输入图像上各点的光振动是 互不相干的，所以上式中的互相关项（第二项）对时间 的平均值为零。
Байду номын сангаас
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。
I( x，y) Ii ( xi，yi )
i
相干光系统
复振幅叠加 可正可负
加、减、乘、除、 微分、卷积等运算
频域综合 （有频谱面）
非相干光系统
强度叠加 非负实函数
卷积、相关等运算
非相干频域综合 （无频谱面）
相干光处理的缺点：
1. 相干噪声和散斑噪声 相干噪声：来源于灰尘、气泡、划痕、指印、霉斑的衍射。 产生杂乱条纹，对图像叠加噪声。 散斑噪声：激光照射漫反射物体时（如生物样品，或表面粗 糙样品），物体表面各点反射光在空间相遇发生干涉，由于 表面的无规则性，这种干涉也是无规则的，物体表面呈现出 杂乱无章的斑点状图样。
非相干光处理分类：
• 基于几何光学的在空域中的运算（投影法、成像法） • 基于衍射光学的在频域中的运算
非相干光处理的最大优越性是能够抑制噪声
在光学系统中， L1前有3个光源S1、S2、S3，经透镜L1后形 成不同方向的平行光，照射在物上，经4f 系统成像在物面上。 物的图像经不同路径到达像面是重合的；而不同路径上的噪声 信号却在像面上被平均。因此用非相干扩展光源可提高图像的 信噪比。
g( x,y)
A
D mn
多通道相关器
在第( m, n) 个探测器 Dmn 处得到的光强输出为：
Imn
g(
x，y
)hmn
(
x，y
)dxdy
三.无运动元件的卷积和相关运算
L
( x，y)
(f，f )
S
g( x，y) h( x，y)
的相干性。
3. 部分相干性 严格的相干场和严格的非相干场实际上都不可能得到，因
此，应该研究实际存在于完全相干与完全不相干之间的中间状 态，称为部分相干性。
目前部分相干光学处理是光信息处理中一个较为活跃 的领域；这种系统采用的是部分相干光，适当降低光源的 相干性，使系统兼备相干和非相干系统的优点。
3.2 基于几何光学的非相干光学处理
非相干光学信息处理是指用非相干光照明的光学信息 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。
3.1 相干与非相干光学处理的比较
相干光系统
系统输入为 ui ( x，y) ，输出为 u( x，y) ，则
u( x，y) ui ( x，y)
i
即：输出的合成复振幅满足复振幅叠加原则。
输出光强为： 2
第三章 非相干光学信息处理
（ Incoherent Optical Information Processing ）
按照所用光源的时间和空间相干性，光学信息处理可 分为相干光学信息处理、非相干光学信息处理和白光光 学信息处理；
相干光学信息处理是指用光学方法实现对图像信息的 傅立叶变换，并采用频谱的语言来描述信息，用改变其频 谱的手段来改造信息。
照明光源的相干性对于光学系统成像具有重大影响。 所谓相干性，是指两列同频率单色光波叠加时，因彼此 相关而能够观察到清晰的干涉现象，它包含了相干的时 间效应和空间效应。 1. 光源的时间相干性
在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光场之间 的相干性。
用迈克尔逊干涉仪演示时间相干效应
2. 光源的空间相干性 在同一光源形成的光场中，同一时刻不同地点的光场之间
若使透明片 h 沿 x 正方向以速度 v 运动，则探测器测得的是
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x vt，y) 的卷积。
若使透明片 h 沿 x 和y 的负方向分别移动 x0 和 y0，则探测 器测得的是
f (x，y) h(x，y)
相关运算过程：平移→ 相乘→积分
在相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可通过傅里叶变 换和频域乘法运算完成。
在非相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可采用非相干 成像系统在空域完成。
一.图像乘积的积分运算
实现两个函数乘积的积分的系统
若把强度透过率为 g( x，y) 的一张透明片在强度透过率为 h( x，y) 的另一张透明片上成像，那么在第二张透明片后 面每点的光强都正比于乘积 g( x，y)h( x，y) ，
实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算
两个复函数的二维卷积：
g(x，y)
f (ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη
f
( x，y) h( x，y)
卷积运算过程：折叠→平移→ 相乘→积分
两个复函数的互相关：
e fh(x，y)
f
(ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη
g( x0，y0 ) ★h( x0，y0 )
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x x0，y y0 )
的相关。
应用：
模糊图像复原—— g( x，y) 是模糊图像，h( x，y)
是消模糊的脉冲响应函数
图像特征识别—— h( x，y) 是识别特定目标的掩膜板
粗糙表面在激光照射下成像
2. 输入和输出设备的通用性问题 相干光信息处理要求信息以复振幅形式在系统内传
输，要制作透明片并采用激光照明。而现代电光转换设 备中CRT、液晶显示、LED阵列输出均为非相干信号。
3. 只能处理单色图像，不能处理彩色图像。
非相干光处理的缺点：
1. 不能直接处理复函数和负值函数 2. 运算能力和方式有限
当用光电探测器来测量透过两块透明片的总强度时，给 出的光电流 I 为
I g( x，y)h( x，y)dxdy
L2 称为积分透镜。
二.图像的卷积和相关
I g( x，y)h( x，y)dxdy
若把透明片 h( x，y) 按反射的几何位置放入，则上式为
I g( x，y)h(x， y)dxdy
I( x，y) u( x，y) 2 ui ( x，y)
i
ui ( x，y) 2 ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
非相干光系统
I( x，y) Ii ui ( x，y)uj( x，y)
i
i j
对于非相干光系统，由于输入图像上各点的光振动是 互不相干的，所以上式中的互相关项（第二项）对时间 的平均值为零。
Байду номын сангаас
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。
I( x，y) Ii ( xi，yi )
i
相干光系统
复振幅叠加 可正可负
加、减、乘、除、 微分、卷积等运算
频域综合 （有频谱面）
非相干光系统
强度叠加 非负实函数
卷积、相关等运算
非相干频域综合 （无频谱面）
相干光处理的缺点：
1. 相干噪声和散斑噪声 相干噪声：来源于灰尘、气泡、划痕、指印、霉斑的衍射。 产生杂乱条纹，对图像叠加噪声。 散斑噪声：激光照射漫反射物体时（如生物样品，或表面粗 糙样品），物体表面各点反射光在空间相遇发生干涉，由于 表面的无规则性，这种干涉也是无规则的，物体表面呈现出 杂乱无章的斑点状图样。
非相干光处理分类：
• 基于几何光学的在空域中的运算（投影法、成像法） • 基于衍射光学的在频域中的运算
非相干光处理的最大优越性是能够抑制噪声
在光学系统中， L1前有3个光源S1、S2、S3，经透镜L1后形 成不同方向的平行光，照射在物上，经4f 系统成像在物面上。 物的图像经不同路径到达像面是重合的；而不同路径上的噪声 信号却在像面上被平均。因此用非相干扩展光源可提高图像的 信噪比。
g( x,y)
A
D mn
多通道相关器
在第( m, n) 个探测器 Dmn 处得到的光强输出为：
Imn
g(
x，y
)hmn
(
x，y
)dxdy
三.无运动元件的卷积和相关运算
L
( x，y)
(f，f )
S
g( x，y) h( x，y)
的相干性。
3. 部分相干性 严格的相干场和严格的非相干场实际上都不可能得到，因
此，应该研究实际存在于完全相干与完全不相干之间的中间状 态，称为部分相干性。
目前部分相干光学处理是光信息处理中一个较为活跃 的领域；这种系统采用的是部分相干光，适当降低光源的 相干性，使系统兼备相干和非相干系统的优点。
3.2 基于几何光学的非相干光学处理
非相干光学信息处理是指用非相干光照明的光学信息 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。
3.1 相干与非相干光学处理的比较
相干光系统
系统输入为 ui ( x，y) ，输出为 u( x，y) ，则
u( x，y) ui ( x，y)
i
即：输出的合成复振幅满足复振幅叠加原则。
输出光强为： 2
第三章 非相干光学信息处理
（ Incoherent Optical Information Processing ）
按照所用光源的时间和空间相干性，光学信息处理可 分为相干光学信息处理、非相干光学信息处理和白光光 学信息处理；
相干光学信息处理是指用光学方法实现对图像信息的 傅立叶变换，并采用频谱的语言来描述信息，用改变其频 谱的手段来改造信息。
照明光源的相干性对于光学系统成像具有重大影响。 所谓相干性，是指两列同频率单色光波叠加时，因彼此 相关而能够观察到清晰的干涉现象，它包含了相干的时 间效应和空间效应。 1. 光源的时间相干性
在同一光源形成的光场中，同一地点不同时刻的光场之间 的相干性。
用迈克尔逊干涉仪演示时间相干效应
2. 光源的空间相干性 在同一光源形成的光场中，同一时刻不同地点的光场之间
若使透明片 h 沿 x 正方向以速度 v 运动，则探测器测得的是
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
I(t) g( x，y)h(vt x， y)dxdy
光电探测器测得的是函数 g 和 h 在点 ( x vt，y) 的卷积。
若使透明片 h 沿 x 和y 的负方向分别移动 x0 和 y0，则探测 器测得的是
f (x，y) h(x，y)
相关运算过程：平移→ 相乘→积分
在相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可通过傅里叶变 换和频域乘法运算完成。
在非相干光学处理系统中，两个函数的卷积和相关可采用非相干 成像系统在空域完成。
一.图像乘积的积分运算
实现两个函数乘积的积分的系统
若把强度透过率为 g( x，y) 的一张透明片在强度透过率为 h( x，y) 的另一张透明片上成像，那么在第二张透明片后 面每点的光强都正比于乘积 g( x，y)h( x，y) ，
实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算
两个复函数的二维卷积：
g(x，y)
f (ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη
f
( x，y) h( x，y)
卷积运算过程：折叠→平移→ 相乘→积分
两个复函数的互相关：
e fh(x，y)
f
(ξ，η)h( x ξ，y η)dξdη