光学全息;空间滤波光学信息处理

1、第七章 光学全息 7.1 概述概述 7.2 波前记录和再现波前记录和再现 7.3 同轴全息和离轴全息图同轴全息和离轴全息图 7.4 Fourier变换全息图变换全息图 7.5 其他几种全息图简介其他几种全息图简介7.1 概述一、基本思想一、基本思想1、含义：记录和再现振幅和位相信息 全息术：记录和再现全部信息的方法和技术 光学全息：记录和再现光波的全部信息 2、历史：1984 Denis 波前再现 3、基本思想： 干板结构：乳胶层、底层、片基（玻璃）、防光晕层 分辨率要求：普通照相干板：200线对/mm 全息干板：20002800线对/mm 当用光波再次照射干板时， 波前再现 y101mmm对

2、简单两支光波干涉照明，经过曝光等一系列过程，则形成光栅 在全息图中，用角谱理论可将其视为许多平面波，经过曝光等一系列过程，则形成复杂光栅 再现时，一个孔衍射成许多级次，对于复杂光栅，有许多复杂级次。二、光学全息图的分类二、光学全息图的分类 1、根据“物”与干板的位置 Fresnell全息图： 很近7.4 Frounhofer全息图： 满足远场条件 Fourier变换全息图： 7.5 a、标准FT b、准 FT c、无透镜 FT 像全息图 2、按照物光波与参考光波的传播方向分为 7.3 同轴和离轴3、按照物光波参考光波关于干板的位置分为 7.8 透射和反射 4、全息图对照明光波的调制特性分 振幅

3、全息图、位相全息图（浮雕型、折射率型）光程差hn n=constant,h=h(x,y)浮雕型h=constant,n=n(x,y)折射率型 5、乳胶层的厚度与干涉条纹的间距相比较 7.7 平面全息图相邻的干涉条纹间距 dh 7.8 体积全息图相邻的干涉条纹间距 dhk6、根据制作全息图的方法分 光学全息 7.9 计算机全息：将振幅和位相分别编码7.2 波前记录和波前再现一、波前记录一、波前记录 ),(),(),(),(),(),(),(),(0),(00yxRyxoyxUyxryxRyxoyxOeeyxiyxir复振幅迭加实像正号表示会聚波成虚像散波位相因子前正号表示发参考光波：物光波：co

4、s2),(),(),()(),(*),(),(),(),(),(),(*),(),(),(0002020*222rroyxryxoyxIyxRyxOyxRyxOyxRyxOyxUyxUyxUyxI息全记录下来将物光波振幅和位相信分布曝光时干板平面上光强记录介质上总光场分布 用记录介质记录下t(x,y) 记录介质为银盐 银盐感光胶片对两波前的干涉记录图样曝光，经显影处理得到全息图，实质为干涉图二、记录介质的线性变换关系二、记录介质的线性变换关系 1、银盐记录介质 ： Agcl（见光分解，显象） 新型光学记录材料：重铬酸钾明胶、电热塑料、光电晶体、液晶、光致变色材料、光致抗蚀等等 2、银盐记录介质

5、的曝光特性（记录介质相当线性变换器） 曝光特性曲线：曝光量： EI T 光学密度：曲线在线性区并设透过率振幅变换为显影后负片的复性将曝光时的入射光强线复振幅透过率函数是强度透过率函数EtITEEtyxttEtIIDit,),(:)(1log0RcocoRcoctyxUyxtyxcyxUyxcyxctoRRootyxtbyxibbe20tt),(020),(),(),(),(),(),()(),(0代人上式图：相干照明光波照明全息是均匀偏置透过率 代入： 分析（照明光波参考光波物光波4100000020000),(0),(0),(0),),(),(),(000UUorcorcocctyxUcyx

6、cryxROyxOeeeeeeecrcrcccriiiiyxiyxiyxi有变形再现，位相因子不仅有板对称）即会聚成实像（关于干，此中含的物光波）即发散波成虚像（物处此中含的物光波只是加了一个系数方向相同，直接透射光与照明光波),(,),(:,),(:043)(04)(03100yxoUUyxoUyxoUUeeyxiyxi a、要得到准确虚像则要0( , ) 240( , )( , ),( , )rrcix yC x yR x yUO x ye 即用原参考光照明此时实象不准确，即变形实像对b、要得到准确实像，即 但得到变形虚像 实像和虚像是一对孪生像，两个同时出现),(),(yxRyxCrc射

7、，即晕轮光对上述过程可理解为衍相当于),(),(),(),(),(:0202yxtyxuyxucyxuoyxtUitiiec四、全息照像与普通照像的关系四、全息照像与普通照像的关系 普通照像 全息照像1、成像原理 几何成像（一步）二步成像2、干板位置 像面上 物光波传播中任意位置3、记录的物理量 I(x,y)物光强O(x,y)(物光波的复振幅)4、照片上的图案 景物的负像 干涉图5、记录用光 相干/非相干 相干光6、参考光 不要 要7、记录介质 普通干板 全息干板8、像的数量 1 至少是两个或多个9、是否用透镜 要 可要可不要10、物面与像面对于关系 点点对应 点面对应11、再现像的特点 二维

8、平面像 三维立体像 12、再现像的亮度 高 低13、信息存储密度 低 高14、观察者的要求 无 有7.3 同轴全息图和离轴全息图一、同轴全息图一、同轴全息图 1、记录相干平面波照明一个高度透明物体，物体的复振幅透过率为022( , )00000()02(,)(,)( , )( , )( , )2ix ykikZiZt xytt xyo x yo x yayxo x yee e在傍轴近似下，球面波),(),(),(),(),(000202020yxItyxtorororyxIryxoyxI对称处）实像（在原物关于干板会聚波虚像（在原物处）注：发散波代入：用振幅为再现时图的平面波垂直照明全息eee

9、yxiyxibikZooyxorcyxorcoctcyxUyxtyxtcyxUC),(0),(0000002000000),(),(),(),(),(),(,二、离轴全息图二、离轴全息图 1、记录：参考光用斜入射的平面波： 、全息图透过率函数（复振幅透过率正比于曝光强度） eeeyiyiyiorororRyxOyxIrR2020202022),(),()sin(0干板上的光强度分布其中),(),(0yxItyxt3、再现像分析 分离条件：在频谱域中分析 eeyiyitorcorcocrcyxtyxcyxuc20020020020000),(),(),(平面波垂直照射全息图的复振幅透过率用振幅为

10、7.4 Fourier变换全息图一、全息图记录一、全息图记录 1、前焦面上的复振幅分布： 2、后焦面上的复振幅分布： 是相干点源是物体),(,),(),(),(),(000000000000byxyxgbyxryxgyxUfyffxfrffGyxUyxUyxbfiyxey/,/),(),(),(20000、干板上的光强度分布： 这是简单获得Fourier变换复振幅的方法eeeeGGyyiibibfiGGGyxgGfGrGrrGyxUyxI),(),(),(20202022其中 4、显影后全息图的透过率函数eeyybfibfibGrGrGtyxt20202),( 信息，平面波照射时，可再现物体的

11、频谱和其共轭为得到物体的原始象和共轭象，再经透镜作一次变换说明：在全息图中，储存了物体全部5、光波再现： 因此共轭像在y轴上有位移,物是正立的，则产生y，x方向都倒立的像 0000 00 0( ,)( , )( ,)( ,)( ,)( ,)( ,)bU x yc t x yc tx yc g x yg x yc r g x ybc r g x yb ),(yxU对再现像 分析 位置： 展宽：102030 040 0( ,)0( ,)( ,)2( ,)(0, )( ,)(0,)bUc tx yUc g x yg x yyUc r g x ybbyUc r g x ybby 像面坐标原点像面坐标原

12、点),(yxUFT全息图记录了物函数的频谱和共轭，通常为复函数，可用于制作全息复函数滤波器，应用于图像特征识别和信息存储xybbyyy2二、二、FT全息图特点全息图特点 1、全息图记录的：不是物光波本身而是物光波频谱 2、参考光波是倾斜的平面波 3再现出的原始像是一个倒立的像共轭像是一个正立的像要想像独立则 b大于等于3y/27.5 其他几种全息图简介一、一、Frenell全息图全息图 用针孔滤波器实现低通滤波因为Laser相干性好，碰上灰尘都会衍射，产生高频谱，用针孔滤波器实现低通滤波器二、在再现时二、在再现时三、两种分析法三、两种分析法 1、基元波带法：将物分解为不同的点，与参考波源相干涉

13、，则全息图为不同干涉图样的集合 2、基元光栅准确实像畸变虚像畸变实像准确虚像),(),(),(),(),(),(),(),(yxOyxOyxRyxCyxOyxOyxRyxC四、位相全息四、位相全息 折射率型全息图则此为浮雕型全息图为位相延迟为振幅透射因子),(tan),(tan)(2),(),(,),(),(yxnntconsLyxLLtconsnnLyxyxttyxteyxi 平面全息图的复振幅透过率为复数，描述了照明光波通过全息图传播时振幅和位相所受的调制五、体积全息图五、体积全息图 1、条件：干涉条纹23um （d） 乳胶层厚度 20um （h） 此时看成 dh 2、特点：a、白光照明再

14、现出不同波长的单色的像 b、再现出一个像7.6 全息图的衍射效应一、一、衍射效应的概念（能流之比）衍射效应的概念（能流之比）tHcHoHcHoIISSSyxcSyxo022),(),(时，在二、平面全息图的二、平面全息图的)(1414121)2cos()(2210 xtUUf xttxttif xif xiee时，在第八章 空间滤波 光学信息处理 8.1 光学信息处理的含义和分光学信息处理的含义和分类类 8.2 基本相干处理基本相干处理 8.3 简单的振幅滤波的位相滤简单的振幅滤波的位相滤波波 8.4 空间滤波空间滤波光学图像识光学图像识别别8.1 光学信息处理的含义和分类一、含义一、含义 1

15、. 广义概念:信号用光技术手段进行处理(包括非光学信号) 2.狭义:光学信号用光学手段处理. 由于 空域 h是脉冲响应导致象模糊频域 即在频谱域中去掉HchuiguCHGGgi二、处理系统二、处理系统(方法方法)分类分类 1.根据所用光源分: 相干处理 非相干处理 白光处理 3.系统特性: LSI处理 非线性处理 空间变处理 4.处理时间: 事前 事后 实时 5.处理手段: 光学处理 光电混合处理 光与计算机结合处理8.2 基本相干处理一、光学频谱分析系统一、光学频谱分析系统 1、二维 2、一维多通道 3、64路楔环形探测器原理 4、应用二、典型相干处理系统二、典型相干处理系统 1、三透镜 (

16、4f)系统 :一个准直透镜 两个FTL 2、双透镜系统 3、单透镜系统三、光学处理的特点三、光学处理的特点 优点 : 1、速度快2、二维并行处理 3、价格便宜缺点: 1、精度不高,因为都是模拟运算 2、适应性差(准备时间长) 3、不灵活(光学系统不能编程)四、混和处理系统四、混和处理系统(光电光电) 初处理-光 精处理-数字机8.3 简单的振幅滤波和位相滤波一、光学空间滤波的概念一、光学空间滤波的概念 在相干光学处理器的频谱面上用空间光学滤波器以改变输入光信号的频谱,从而在系统输出平面上综合出所需的频谱. 主要运算:光学卷积相关 积分 微分 图像加减 这些都取决于滤波片的情况.滤波函数 H(f

17、x,fy)=t( ) 振幅滤波 H(fx.fy)= 位相滤波 H(fx.fy)= 空间复滤波系统中对光波起限制作用的是光阑,见图8-2f2f2y,x)ff ( ty,x)ff (y,xei)ff (y,xei)ff ( ty,x二、二、Abbe-porter 实验实验 1、实验装置:4f系统 L1为准直透镜，L2,L3为FTL，焦距为f,P1，P2，P3为物面，频谱面和象面，P3为反射坐标系，物置于P1上，用相干光照明。各级衍射光在 L2的后焦面分开，形成一些亮点，为物体的空间频谱，经L3变换为不同方向的平面波谱，在P3平面上重新相干叠加 2、滤波器:1) H(fx.fy)= 1 P3平面上为

18、像2)水平狭缝 竖的栅线3)竖直狭缝水平栅线三、消除图像上周期传输的低通三、消除图像上周期传输的低通滤波滤波四、高通滤波四、高通滤波五、检测信号的方向滤波五、检测信号的方向滤波六、位相滤波六、位相滤波(相幅滤波相幅滤波) 透明体上结构分布1),(1),(2),(111当平面：yxtyxtpeyxi1122( ,)1( , )1( , )( , )1( , )tt x yix ytx yU x yix y 频域分析：(一一)(二）二） 1p 平面由单位振幅的平面波正入射22(,)( , )(,) ( , )xytxypUffU x yffix y 平面上：在 平面上作空间滤波（不作处理，成象仍然什么也看不到）0232),