《光学信息处理》课件：绪论.ppt

1、1课程安排课程安排地点：教地点：教402时间：周二（时间：周二（1，2节）节）第二学期：第二学期：218周，其中第周，其中第17周随堂考试。周随堂考试。成绩：平时（成绩：平时（30%+10%）+期末考试期末考试（60%），其中平时的），其中平时的30%为考勤和作业，为考勤和作业，10%为报告为报告2课程资料课程资料教材：教材：近代光学信息处理近代光学信息处理宋菲君宋菲君 等著等著 北京大学出版社北京大学出版社第二版第二版 2014.06参考书：参考书：信息光学信息光学 苏显渝苏显渝 等编等编 科学出版社科学出版社 第二版第二版 2011傅立叶光学导论傅立叶光学导论 古德曼古德曼 著著 电子工业

2、出版社电子工业出版社 第三版第三版 2011信息光学理论与计算信息光学理论与计算李俊昌李俊昌 等著等著 科学出版社科学出版社光学信息技术原理及应用光学信息技术原理及应用陈家壁陈家壁 等著等著 高等教育出版高等教育出版社社3 什么是光学信息处理？ 光学信息处理的研究内容与分类 光学信息处理的发展历程 光学信息处理的应用 本课程的主要内容 总结4 光学信息 信息光学 光学信息处理5 定义o 消息信号信息o 光学信息： 携带着信息的光强或光场等随空间变化 的序列 分类:o 一维、二维、三维 光学信息表示方法o 空间中的光波/光场不同的位置的变化, 指光的强度（或振幅）、相位、颜色（波长）和偏振态等。

3、( )cos(2/ )f tAt a( )cos(2/ )f xAx a6( , )exp()ig x yg egi 光场 的数学表示： 光场 xy( , )gg x y( , )x y0复振幅复振幅振幅振幅相位相位7 与通信系统比较o通信系统：信息寓于时域中（调制的电压或时间的波形）o 信息光学系统：信息寓于空域中（光波的振幅或强度）8定义：o 采用信息学的研究方法来处理光学问题，采用信息传递的观点来研究光学系统 o 光学信息的收集、传递、处理过程中，利用傅立叶分析和系统理论予以变换和处理，也称傅立叶光学o 为什么引入“傅立叶变换” 信息光学和网络系统理论的相似是以正弦信息为基础的，而实际的

4、物光分布不一定是正弦分布 9 利用光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域、频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。 特点：o 高速、并行、大容量高速、并行、大容量10 x2x2x1x2x211 研究内容o 它主要研究如何对各种光学信息进行综合性的处理，例如： 各种光学运算o加、减、乘、除、相关、卷积、微分、矩阵相乘、逻辑运算等； 光学信息的抽取、编码、解码、存储、再现、传输、滤波、增强、去模糊、特征识别等； 各种光学变换o光学傅立叶变换、光学对数变换、光学梅林变换、光学拉普拉斯变换等。12 光源o相干光学处理o非相干光学处理 系统的输入输出关系o线性与非线性o空间变与空间不变1

5、3 早期发展 近代发展 20世纪80年代以后14 起源 1873年 德国科学家阿贝二次成像理论o 与几何光学成像传统理论不同o 相干光照明下，显微镜成像分成两步： 第一次衍射像：光物镜后焦面 夫琅禾费衍射 第二次衍射像：衍射像发出的次波在像面上干涉成像15 阿贝波特实验 o 1875，1906o 用相干单色平行光照射正交光栅o 以后在空间滤波中详细介绍光光物平面物平面像平面像平面频谱面频谱面16物平物平面面像平像平面面频谱频谱面面17 1935年，泽尼克（Zernike）发明了相衬显微镜o 将相位分布的变化转换为强度分布，就是把空间位相调制的信息变换为空间强度(或振幅)调制的信息o 成功地直接

6、观察到微小的相位变化细菌o 1953年获得 Nobel Prize18 1948年，全息术全息术的发明o 英国丹尼斯.伽柏提出的现代全息照相术的前身波阵面再现原理，1971年诺贝尔物理学奖。o 全息：记录物体的光强和相位 1955年，光学传递函数光学传递函数概念的建立 1960年，新型的强相干光源强相干光源激光的诞生o 近代光学史上的三件大事 1963年，范德拉提出了复数空间滤波复数空间滤波的概念，使光学信息处理进入了一个广泛应用的阶段 20世纪70年代光纤通信光纤通信就是依据这方面理论的重要成就，它为信息传输和处理提供了崭新的技术。19 1982年霍普菲尔德(Hopfield)研制成功第一个

7、神经网络神经网络的物理模型，并在光学模拟系统中得以实现。 1990年1月，贝尔实验室研制成功第一台数字化光处理器光处理器，光开关的速度已达到每秒10亿次，它是实现光计算机目标的征途上迈出的重要一步20 光电混合系统o 光学处理的并行、高速、空间带宽积大等长处与电子计算机数字处理的灵活性、高精度相结合； 光学处理技术与光纤通信系统相结合o 提高了光纤通信系统的性能。o 如啁啾光栅全息元件对光纤传输系统进行色散补偿； 神经网络学和现代光学技术的相互结合和渗透o 光学神经网络及其在光信息的各种带有智能性的并行处理； 光计算、光通信技术及相关光器件进一步研究； 新型的记录介质不断发展212D3D“Bu

8、ildings”The red roads 1DThe green forests ring resonators图片选自图片选自http:/ab-initio.mit.edu/photons 22 全息 空间滤波 光学特征识别 空间光调制器 综合孔径雷达技术-美国制作卫片，能看到细节 白光信息处理 光计算o 光学神经网络o 光学互连 光折变信息处理 23 全息显示 利用全息能够重现物体三维图像 全息干涉计量 全息无损探伤（1965）、研究瞬变过程（枪弹飞行等） 全息光学元件o 全息光栅 全息透镜 波前变换元件， 分色元件 全息信息存储o 高密度、大容量、多重记录、立体存储、与计算机联机实现图

9、文原件的自动检索o 一张1cm2的厚乳胶干板上，通过变换记录角度把上百页的资料全部记录在同一全息底片上。 全息显微术242526Making & Showing Computer Movie Clips on the ScreenCamera work made from 1997 Lake Forest Exhibition全全息息电电影影2728Optical fibrePhase maskm=+1m=-1UV laserInterference patternG-10+1UV29激光体全息存储激光体全息存储(Volume holographic storage)：铌酸锂晶体铌酸锂晶体)(

10、3LiNbO30激光自散射体的表面漫反射激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（称为激光散斑（Laser Laser SpecklesSpeckles）或斑纹）或斑纹31 航空摄影组合相片接缝滤波滤波前滤波前 滤波器滤波器 滤波后滤波后32 对罪犯指纹的识别 文献资料中所含某字或某字母的识别 信息锁对钥匙的识别 智能机器人对于所遇对象（人或物）识别 智能武器对攻击目标的识别等等 优点：精确识别，保密性好33

11、34二维条码二维条码卡一维条码35手持二用激光扫描器手持激光扫描器读取设备：向激光、CCD发展3637 假彩色编码o 人眼对黑白照片的灰度分辨1520等级，颜色达几百种o 利用光学信息处理手段，将灰度等级的变化，转换为颜色的变化，提高识别能力o 80年代，假彩色编码用于早期癌症诊断o 用假彩色编码对肺部X光透视片（黑白）o 调查草场退化情况o 地形地貌分析38 傅立叶光学的基础 经典光学信息处理 非相干光学信息处理 相干光学 光学图像识别 光学小波变换 空间光调制器39 定义：o 光学信息 携带着信息的光强或光场等随空间变化的序列， 指光的强度（或振幅）、相位、颜色（波长） 和偏振态等o 光学信息处理 利用光学频谱分析，利用傅立叶综合技术，通过空域、频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。 光学信息处理的发展 光学信息处理的应用40