《光學(xué)信息處理》課件：緒論

1、1課程安排課程安排地點：教地點：教402時間：周二（時間：周二（1，2節(jié)）節(jié)）第二學(xué)期：第二學(xué)期：218周，其中第周，其中第17周隨堂考試。周隨堂考試。成績：平時（成績：平時（30%+10%）+期末考試期末考試（60%），其中平時的），其中平時的30%為考勤和作業(yè)，為考勤和作業(yè)，10%為報告為報告2課程資料課程資料教材：教材：近代光學(xué)信息處理近代光學(xué)信息處理宋菲君宋菲君 等著等著 北京大學(xué)出版社北京大學(xué)出版社第二版第二版 2014.06參考書：參考書：信息光學(xué)信息光學(xué) 蘇顯渝蘇顯渝 等編等編 科學(xué)出版社科學(xué)出版社 第二版第二版 2011傅立葉光學(xué)導(dǎo)論傅立葉光學(xué)導(dǎo)論 古德曼古德曼 著著 電子工業(yè)

2、出版社電子工業(yè)出版社 第三版第三版 2011信息光學(xué)理論與計算信息光學(xué)理論與計算李俊昌李俊昌 等著等著 科學(xué)出版社科學(xué)出版社光學(xué)信息技術(shù)原理及應(yīng)用光學(xué)信息技術(shù)原理及應(yīng)用陳家壁陳家壁 等著等著 高等教育出版高等教育出版社社3 什么是光學(xué)信息處理？ 光學(xué)信息處理的研究內(nèi)容與分類 光學(xué)信息處理的發(fā)展歷程 光學(xué)信息處理的應(yīng)用 本課程的主要內(nèi)容 總結(jié)4 光學(xué)信息 信息光學(xué) 光學(xué)信息處理5 定義o 消息信號信息o 光學(xué)信息： 攜帶著信息的光強或光場等隨空間變化 的序列 分類:o 一維、二維、三維 光學(xué)信息表示方法o 空間中的光波/光場不同的位置的變化, 指光的強度（或振幅）、相位、顏色（波長）和偏振態(tài)等。

3、( )cos(2/ )f tAt a( )cos(2/ )f xAx a6( , )exp()ig x yg egi 光場 的數(shù)學(xué)表示： 光場 xy( , )gg x y( , )x y0復(fù)振幅復(fù)振幅振幅振幅相位相位7 與通信系統(tǒng)比較o通信系統(tǒng)：信息寓于時域中（調(diào)制的電壓或時間的波形）o 信息光學(xué)系統(tǒng)：信息寓于空域中（光波的振幅或強度）8定義：o 采用信息學(xué)的研究方法來處理光學(xué)問題，采用信息傳遞的觀點來研究光學(xué)系統(tǒng) o 光學(xué)信息的收集、傳遞、處理過程中，利用傅立葉分析和系統(tǒng)理論予以變換和處理，也稱傅立葉光學(xué)o 為什么引入“傅立葉變換” 信息光學(xué)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論的相似是以正弦信息為基礎(chǔ)的，而實際的

4、物光分布不一定是正弦分布 9 利用光學(xué)頻譜分析，利用傅立葉綜合技術(shù)，通過空域、頻域調(diào)制，借助空間濾波技術(shù)對光學(xué)信息進行處理的過程。 特點：o 高速、并行、大容量高速、并行、大容量10 x2x2x1x2x211 研究內(nèi)容o 它主要研究如何對各種光學(xué)信息進行綜合性的處理，例如： 各種光學(xué)運算o加、減、乘、除、相關(guān)、卷積、微分、矩陣相乘、邏輯運算等； 光學(xué)信息的抽取、編碼、解碼、存儲、再現(xiàn)、傳輸、濾波、增強、去模糊、特征識別等； 各種光學(xué)變換o光學(xué)傅立葉變換、光學(xué)對數(shù)變換、光學(xué)梅林變換、光學(xué)拉普拉斯變換等。12 光源o相干光學(xué)處理o非相干光學(xué)處理 系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系o線性與非線性o空間變與空間不變1

5、3 早期發(fā)展 近代發(fā)展 20世紀80年代以后14 起源 1873年 德國科學(xué)家阿貝二次成像理論o 與幾何光學(xué)成像傳統(tǒng)理論不同o 相干光照明下，顯微鏡成像分成兩步： 第一次衍射像：光物鏡后焦面 夫瑯禾費衍射 第二次衍射像：衍射像發(fā)出的次波在像面上干涉成像15 阿貝波特實驗 o 1875，1906o 用相干單色平行光照射正交光柵o 以后在空間濾波中詳細介紹光光物平面物平面像平面像平面頻譜面頻譜面16物平物平面面像平像平面面頻譜頻譜面面17 1935年，澤尼克（Zernike）發(fā)明了相襯顯微鏡o 將相位分布的變化轉(zhuǎn)換為強度分布，就是把空間位相調(diào)制的信息變換為空間強度(或振幅)調(diào)制的信息o 成功地直接

6、觀察到微小的相位變化細菌o 1953年獲得 Nobel Prize18 1948年，全息術(shù)全息術(shù)的發(fā)明o 英國丹尼斯.伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，1971年諾貝爾物理學(xué)獎。o 全息：記錄物體的光強和相位 1955年，光學(xué)傳遞函數(shù)光學(xué)傳遞函數(shù)概念的建立 1960年，新型的強相干光源強相干光源激光的誕生o 近代光學(xué)史上的三件大事 1963年，范德拉提出了復(fù)數(shù)空間濾波復(fù)數(shù)空間濾波的概念，使光學(xué)信息處理進入了一個廣泛應(yīng)用的階段 20世紀70年代光纖通信光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。19 1982年霍普菲爾德(Hopfield)研制成功第一個

7、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物理模型，并在光學(xué)模擬系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。 1990年1月，貝爾實驗室研制成功第一臺數(shù)字化光處理器光處理器，光開關(guān)的速度已達到每秒10億次，它是實現(xiàn)光計算機目標的征途上邁出的重要一步20 光電混合系統(tǒng)o 光學(xué)處理的并行、高速、空間帶寬積大等長處與電子計算機數(shù)字處理的靈活性、高精度相結(jié)合； 光學(xué)處理技術(shù)與光纖通信系統(tǒng)相結(jié)合o 提高了光纖通信系統(tǒng)的性能。o 如啁啾光柵全息元件對光纖傳輸系統(tǒng)進行色散補償； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的相互結(jié)合和滲透o 光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其在光信息的各種帶有智能性的并行處理； 光計算、光通信技術(shù)及相關(guān)光器件進一步研究； 新型的記錄介質(zhì)不斷發(fā)展212D3D“Bu

8、ildings”The red roads 1DThe green forests ring resonators圖片選自圖片選自/photons 22 全息 空間濾波 光學(xué)特征識別 空間光調(diào)制器 綜合孔徑雷達技術(shù)-美國制作衛(wèi)片，能看到細節(jié) 白光信息處理 光計算o 光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)o 光學(xué)互連 光折變信息處理 23 全息顯示 利用全息能夠重現(xiàn)物體三維圖像 全息干涉計量 全息無損探傷（1965）、研究瞬變過程（槍彈飛行等） 全息光學(xué)元件o 全息光柵 全息透鏡 波前變換元件， 分色元件 全息信息存儲o 高密度、大容量、多重記錄、立體存儲、與計算機聯(lián)機實現(xiàn)圖

9、文原件的自動檢索o 一張1cm2的厚乳膠干板上，通過變換記錄角度把上百頁的資料全部記錄在同一全息底片上。 全息顯微術(shù)242526Making & Showing Computer Movie Clips on the ScreenCamera work made from 1997 Lake Forest Exhibition全全息息電電影影2728Optical fibrePhase maskm=+1m=-1UV laserInterference patternG-10+1UV29激光體全息存儲激光體全息存儲(Volume holographic storage)：鈮酸鋰晶體鈮酸鋰

10、晶體)(3LiNbO30激光自散射體的表面漫反射激光自散射體的表面漫反射或通過一個透明散射體（例或通過一個透明散射體（例如毛玻璃）時，在散射表面如毛玻璃）時，在散射表面或附近的光場中可以觀察到或附近的光場中可以觀察到一種無規(guī)分布的亮暗斑點，一種無規(guī)分布的亮暗斑點，稱為激光散斑（稱為激光散斑（Laser Laser SpecklesSpeckles）或斑紋）或斑紋31 航空攝影組合相片接縫濾波濾波前濾波前 濾波器濾波器 濾波后濾波后32 對罪犯指紋的識別 文獻資料中所含某字或某字母的識別 信息鎖對鑰匙的識別 智能機器人對于所遇對象（人或物）識別 智能武器對攻擊目標的識別等等 優(yōu)點：精確識別，保密性好3334二維條碼二維條碼卡一維條碼35手持二用激光掃描器手持激光掃描器讀取設(shè)備：向激光、CCD發(fā)展3637 假彩色編碼o 人眼對黑白照片的灰度分辨1520等級，顏色達幾百種o 利用光學(xué)信息處理手段，將灰度等級的變化，轉(zhuǎn)換為顏色的變化，提高識別能力o 80年代，假彩色編碼用于早期癌癥診斷o 用假彩色編碼對肺部X光透視片（黑白）o 調(diào)查草場退化情況o 地形地貌分析38 傅立葉光學(xué)的基礎(chǔ) 經(jīng)典光學(xué)信息處理 非相干光學(xué)信息處