光學(xué)信息復(fù)習(xí)課 (2)課件

內(nèi)容第五章光全息術(shù)第六章空間光調(diào)制器第七章光信息存儲(chǔ)技術(shù)第八章光學(xué)信息處理技術(shù)全息照相的特點(diǎn)和原理

三維立體性：全息照片再現(xiàn)出來(lái)的像是三維立體的，全息照相不只記錄物體的強(qiáng)度分布，而且要記錄下傳播到記錄平面上的完整的物光波場(chǎng)，也就是指要同時(shí)記錄振幅和位相。可分割性:全息圖上的每一點(diǎn)都記錄物體上所有發(fā)光點(diǎn)發(fā)出的光波的全部信息，因此全息照片的碎片照樣能反映出整個(gè)物體的像來(lái)，并不會(huì)因?yàn)檎掌钠扑槎ハ竦耐暾?。重?fù)記錄：如再現(xiàn)光與參考光波面形狀相同，只是相對(duì)全息圖的入射角有偏離。偏離角小時(shí)仍出現(xiàn)再現(xiàn)像；隨著角度的增大，再現(xiàn)像由畸變直至消失。全息圖只在一個(gè)有限的角度范圍內(nèi)能再現(xiàn)物波前。利用這一特性，可采用不同角度的參考光在同一張全息片上記錄多重全息圖，再現(xiàn)時(shí)只要依次改變?cè)佻F(xiàn)光角度，便可依次顯示出不同的像來(lái)。5.2波前記錄與再現(xiàn)全息原理

當(dāng)人眼接收到不失真的物光波的全部信息，兩眼產(chǎn)生視差，便看到了三維立體的物體。如果物體本身并不存在,則眼睛看到的“物光波”就成為“像”。許多光學(xué)系統(tǒng)的成像雖然具有三維立體性，卻是“實(shí)時(shí)器件”，不能稱為“照片”。只有那些沒(méi)有實(shí)物存在時(shí)仍能顯示出與實(shí)物一樣的三維立體像的東西，才能稱為“立體照片”。

“立體照片”能將實(shí)物發(fā)出的物光波的全部信息“凍結(jié)”其上，然后又能在特定的光照條件下將物光波“復(fù)活”，使其繼續(xù)向前傳播，人眼接收到這種“復(fù)活”了的物光波，便看到了物體的像。在全息術(shù)中把這種“立體照片”稱為“全息圖”。凍結(jié)的過(guò)程稱為“波前記錄”，“復(fù)活”的過(guò)程稱為“波前記錄”。傅里葉變換全息圖這種全息圖記錄的并非物光波本身，而是物的傅里葉譜。第三章關(guān)于透鏡的傅里葉變換性質(zhì)說(shuō)明，透鏡后焦面的光場(chǎng)分布是其前焦面光場(chǎng)分布的傅里葉變換，可以利用透鏡記錄傅里葉變換全息圖

傅里葉變換全息圖記錄原理圖

物O(x

，y)置于透鏡前焦面，用平行光照明（這里的物一般以平面透明片為宜）在透鏡L后焦面上得到它的傅里葉頻譜將全息干板置于后焦面上，用斜入射的平行光作為參考光，記錄傅里葉變換全息圖體積全息圖的記錄

先討論物光波和參考光波都是平面波的情形。根據(jù)光的干涉原理，在記錄介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)形成等間距的平面族結(jié)構(gòu)，稱為體光柵，如下圖示

全息圖存儲(chǔ)信息的基本原理：在全息存儲(chǔ)器中,物光束經(jīng)過(guò)空間調(diào)制而攜帶信息，參考光束以特定方向直接到達(dá)記錄介質(zhì)。不同的數(shù)據(jù)圖像與不同的參考波面一一對(duì)應(yīng),在兩相干光束相交的介質(zhì)體積中形成干涉條紋。在寫入過(guò)程中，材料對(duì)干涉條紋照明發(fā)生響應(yīng)而產(chǎn)生折射率分布，因而在材料中形成類似光柵結(jié)構(gòu)的全息圖。讀出過(guò)程利用了光柵結(jié)構(gòu)的衍射，用適當(dāng)選擇的參考光（是寫入過(guò)程中某一參考光的復(fù)現(xiàn)）照明全息圖，使衍射光束經(jīng)受空間調(diào)制，從而幾乎是精確地復(fù)現(xiàn)出寫入過(guò)程中與此參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。第六章空間光調(diào)制器空間光調(diào)制器：（SpatiallightModulator，SLM）:它是一種能對(duì)光波的空間分布進(jìn)行調(diào)制的器件。空間光調(diào)制器能對(duì)光波的某種或某些特性(例如相位、振幅或強(qiáng)度、頻率、偏振態(tài)等)的一維或二維分布進(jìn)行空間和時(shí)間的變換或調(diào)制。獨(dú)立單元物理上分割的小單元

無(wú)物理邊界的、連續(xù)的整體，只是由于器件材料的分辨率和輸入圖像或信號(hào)的空間分辨率有限，而形成的一個(gè)一個(gè)小單元。

大部分液晶分子呈長(zhǎng)棒狀，長(zhǎng)度在幾個(gè)納米量級(jí)，直徑在零點(diǎn)幾個(gè)納米量級(jí)。從分子排列的有序性來(lái)區(qū)分液晶，大致可分為三類：層狀（近晶型）、絲狀（相列型）和螺旋狀（膽甾型）。為討論方便，引入一個(gè)單位矢量n來(lái)描述液晶分子的排列狀態(tài)，n被稱為指向矢，它可視為液晶長(zhǎng)棒分子的長(zhǎng)軸取向。2.液晶結(jié)構(gòu)液晶有些物質(zhì)的分子沒(méi)有固定的排列，可以自由移動(dòng)，因而具有液體的流動(dòng)性但同時(shí)它的分子排列取向又存在一定的規(guī)律性，因而又具有晶體的各向異件的特點(diǎn)。把這種介于固相和液相之間的相態(tài)稱為液晶相。把具有液晶相的物質(zhì)稱為液晶物質(zhì)，常見(jiàn)的主要是一些有機(jī)化合物(例如芳香族化合物)及它們的混合物。這些物質(zhì)處在液晶相時(shí)，就叫做液晶。

近晶型液晶分子排列的基本特點(diǎn)，是其指向矢n在較大范圍內(nèi)有很好的規(guī)律性，在各分子位置附近的較小的范圍內(nèi)也有一定規(guī)律性，從而使其大體上呈層狀排列，每層內(nèi)的取向矢n互相平行或垂直于層面或成一確定角度，如圖所示。因此，近晶型液晶具有宏觀的電學(xué)和光學(xué)的各向異性特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，在光頻范圍內(nèi)，近晶型液晶相當(dāng)于一個(gè)正單軸晶體（折射率no>ne）。膽甾型液晶的分子也呈分層排列，每層內(nèi)的分子指向矢大體一致，并平行于層面，但相鄰層中分子指向矢的方向依次轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，總體呈現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)，如圖所示。

液晶分子指向矢n可用外界條件來(lái)控制，一種方法是受電磁場(chǎng)控制，另一種是受液晶表面處理方式控制。法拉第效應(yīng)：這是某些磁性材料呈現(xiàn)的一種磁光特性,把具有這類特性的材料稱為磁光介質(zhì)。當(dāng)線偏振光沿外磁場(chǎng)Ｈ的方向通過(guò)磁光介質(zhì)時(shí)，其偏振方向?qū)?huì)偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度θF

式中L為光波在磁光介質(zhì)中傳播的路程，V為韋爾代（Verdet）常數(shù)?？藸柎殴庑?yīng)：當(dāng)線偏振光入射到磁性介質(zhì)表面時(shí)，其反射光束的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，該偏轉(zhuǎn)角稱克爾角，偏轉(zhuǎn)方向與磁性介質(zhì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度（剩磁強(qiáng)度Bs）的方向有關(guān)。CD780nm0.450.8um650MB405nm0.850.16um30GB

記錄波長(zhǎng)數(shù)值孔徑信息坑長(zhǎng)容量DVD藍(lán)光DVD650nm0.60.4um4.7GB

縮短半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)以及增加光學(xué)物鏡的數(shù)值孔徑，從而減少信息符的尺寸來(lái)提高光盤的存儲(chǔ)密度即容量。

折射率光柵的建立光折變效應(yīng)（photorefractiveeffect）：光致折射率變化效應(yīng)的簡(jiǎn)稱，指在光輻照下，某些電光材料的折射率隨光強(qiáng)的空間分布而變化的現(xiàn)象。7．4四維光學(xué)存儲(chǔ)光盤存儲(chǔ)可以稱為“位置選擇光存儲(chǔ)”，三維全息存儲(chǔ)可以稱為“布拉格選擇光存儲(chǔ)”，它們由于受到衍射限制，代表一個(gè)信息位的光能量最小的聚焦體積在1/λ3的數(shù)量級(jí)，或10-12cm3左右。相應(yīng)地，1bit所占據(jù)的空間中含有106-107個(gè)分子。如果能用一個(gè)分子存儲(chǔ)一位信息，存儲(chǔ)密度便能在現(xiàn)行光存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上提高106-107倍。問(wèn)題是要有適當(dāng)?shù)倪x擇或識(shí)別分子的方法。

固體工作物質(zhì)中，晶格缺陷（位錯(cuò)、空位等晶體不均勻性）引起微小的內(nèi)部應(yīng)變，這使處于缺陷部位的激活粒子的能級(jí)發(fā)生位移，導(dǎo)致處于晶體不同格位的激活離子發(fā)射（或吸收）的中心頻率有微小的移動(dòng)；而通常看到的熒光譜線是不同格位的激活離子所發(fā)射的譜線疊加在一起形成的包絡(luò)。格位環(huán)境完全相同的離子發(fā)射（或吸收）的光譜寬度為均勻加寬，而整個(gè)包絡(luò)線的寬度為非均勻加寬。非均勻加寬的特點(diǎn)是不同原子（離子）只對(duì)譜線內(nèi)與它的中心頻率相應(yīng)的部分有貢獻(xiàn)，因而可以將譜線上某一頻率范圍認(rèn)為是由一部分特定原子發(fā)射（或吸收）的。

如果用頻率為ω0、線寬很窄的強(qiáng)激光（燒孔激光）激發(fā)非均勻加寬的工作物質(zhì)，同時(shí)用另一束窄帶可調(diào)諧激光掃描該物質(zhì)的非均勻加寬的吸收譜線，則在吸收頻帶上激發(fā)光頻率ω0處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷，這就是“光譜燒孔”。其原因是在窄帶強(qiáng)激光激發(fā)下，與激光共振的那部分離子幾乎全部被激發(fā)到激發(fā)態(tài)E2，測(cè)量這些離子從基態(tài)E1到激發(fā)態(tài)E2的吸收時(shí)，就出現(xiàn)吸收飽和線型；而不與窄帶激發(fā)光共振的離子仍有正常的吸收。用激光掃過(guò)整個(gè)吸收線，測(cè)透射光強(qiáng)時(shí)就會(huì)在吸收線型上出現(xiàn)凹陷，也就是“孔”，如圖所示。

8.2光學(xué)頻譜分析和空間濾波8.2.1阿貝（Abbe）成像理論1873年阿貝首次提出了一個(gè)與幾何光學(xué)成像傳統(tǒng)理論完全不同的成像概念。相干照明下顯微鏡成像過(guò)程可分作兩步：首先，物平面上發(fā)出的光波在物鏡后焦面上得到第一次衍射像然后，該衍射像發(fā)出次波干涉而構(gòu)成物體像，稱為第二次衍射像因此該理論也常被稱為“阿貝二次衍射成像理論”8.2.2阿貝－波特（Abbe－Porter）實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證阿貝提出的成像理論，阿貝本人于1873年、波特于1906年分別做了實(shí)驗(yàn)，這就是著名的阿貝—波特實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置與圖8.1所示相同，物面采用正交光柵(即細(xì)絲網(wǎng)格狀物)．由相干單色平行光照明；頻譜面上放置濾波器，以各種方式改變物的頻譜結(jié)構(gòu)，在像面上可觀察到各種與物不同的像。L1、L2、L3分別起著準(zhǔn)直、變換和成像的作用；濾波器置于頻譜平面（即變換透鏡L2

后焦面）。設(shè)物的透過(guò)率為濾波器透過(guò)率為則頻譜面后的光場(chǎng)復(fù)振幅為：（8.1）其中T(fx,fy)=F{

}（8.2）

fx=x2/λf2

fy=y2/λf2（8.3）

F{}為傅里葉變換算符，T(fx,fy）為空間頻率坐標(biāo)，λ為單色點(diǎn)光源波長(zhǎng)，f2是變換透鏡L2的焦距

=F-1{}=F–1{T(fx,fy)·F(fx,fy)}=

F–1

{T(fx,fy)}*F–1{F(fx,fy)}=t(x3,y3)*F–1{F(fx,fy)}

（8.4）

輸出平面由于實(shí)行了坐標(biāo)反轉(zhuǎn)，得到的應(yīng)是的傅里葉逆變換。即輸出是物的幾何像與濾波器逆變換的卷積。

由此可知,改變?yōu)V波器的振幅透過(guò)率函數(shù)，可望改變幾何像的結(jié)構(gòu)。8.2.4空間濾波的傅里葉分析

設(shè)物為一維柵狀物—朗奇（Ronchi）光柵，透過(guò)率函數(shù)為一組矩形函數(shù)：

d：縫間距a：縫寬柵狀物可看成無(wú)限個(gè)這樣的狹縫構(gòu)成。（8.5）

其中fx=x2/λf2

式中第一項(xiàng)為零級(jí)譜，第二、三項(xiàng)分別為正、負(fù)一級(jí)譜，后面依次為高級(jí)頻譜。

實(shí)際上它是矩形函數(shù)rect(x1/a)和梳狀函數(shù)comb(x1/d)的卷積若柵狀物總寬度為B，上式還應(yīng)多乘一個(gè)因子將置于4f系統(tǒng)輸入面上，可在頻譜面上得到它的傅里葉變換：T(fx)＝F{t(x1)}（8.6）（8.7）T(fx)＝F{t(x1)}（8.7）T(fx)＝F{t(x1)}（8.7）T(fx)＝F{t(x1)}圖8.6實(shí)際上是柵狀物的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣。其強(qiáng)度呈現(xiàn)為一系列亮點(diǎn)，每一個(gè)亮點(diǎn)是一個(gè)sinc函數(shù)其中心分別位于fx=m/d（m

＝0，±1，±2…）其幅值受單縫衍射限制，它的包絡(luò)是一個(gè)單縫夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣。未經(jīng)空間濾波前，輸出面上得到的是式（8.7）的傅里葉逆變換F－1{t(x1)}（取反射坐標(biāo)），它應(yīng)是原物的像t（x3）。T(fx)＝F{t(x1)}FFF濾波器采用狹縫或開孔式二進(jìn)制（01）光闌，置于頻譜面上。討論：1.濾波器是一個(gè)通光孔，只允許零級(jí)通過(guò)，其透過(guò)率函數(shù)為F(fx)=1|fx|<1/B0|fx|為其他值（8.8）濾波器后，只有第一項(xiàng)通過(guò)，其余項(xiàng)均被擋住。（8.7）T(fx)＝F{t(x1)}F(fx)=1|fx|<1/B0|fx|為其他值（8.8）因而頻譜后面的光的振幅為（8.9）輸出面上式（8.9）的傅里葉逆變換＝F－1＝F－1＝（8.10）式(8.10)表示一個(gè)強(qiáng)度均均的亮區(qū)。其振幅衰減為a／d，亮區(qū)寬度為B，與柵狀物寬度相同，柵狀結(jié)構(gòu)完全消失，這均實(shí)驗(yàn)結(jié)果柏符(見(jiàn)圖8.2D)。2.相位型濾波器·相襯顯微鏡

相位型濾波器只改變傅立葉頻譜的相位分布，不改變它的振幅分布，主要功能是用于觀察相位物體，可以觀察透明生物切片，檢查透明光學(xué)元件內(nèi)部折射率是否均勻，或檢查拋光表面的質(zhì)量。

“相位物體”是指物體本身只存在折射率的分布不均，或表面高度的分布不均。當(dāng)用相干光照明時(shí)，物體各部分都是透明的，其透過(guò)率只包含相位分布函數(shù)

t0(x1，y1)=exp[j(x1，y1)]

用普通顯微鏡無(wú)法觀察這種位相物體，只有將相位信息變換為振幅信息，才有可能用肉眼直接觀察到物體。

1935年，澤尼克發(fā)明了相襯顯微鏡，解決了相位到振幅的變換，因此而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

當(dāng)位相的改變量（即相移）遠(yuǎn)小于1弧度時(shí)，其透過(guò)率函數(shù)可作如下近似未經(jīng)濾波時(shí)，像的強(qiáng)度分布為根本無(wú)法觀察到物體的圖像，像面上只是一片均勻的光場(chǎng)。

在濾波面上放置一個(gè)相位濾波器，使物的零級(jí)譜的相位增加π/2（或3π/2），則可使像的強(qiáng)度分布與物的相位分布成線性關(guān)系。物的頻譜第一項(xiàng)為零頻第二項(xiàng)為衍射項(xiàng)，其中頻譜面放置相位濾波器，其后的光場(chǎng)分布為式中“＋”對(duì)應(yīng)π/2，“－”對(duì)應(yīng)3π/2，像的強(qiáng)度分布為（8.17）（8.16）（8.15）省略高次項(xiàng)

因此，像強(qiáng)度隨物的位相分布線性地分布，實(shí)現(xiàn)了相位到振幅（強(qiáng)度）的變換，+

號(hào)代表正相位反襯和負(fù)相位反襯。前者表示相位越大像強(qiáng)度越大，后者則相反。8.3相干光學(xué)信息處理相干光學(xué)信息處理采用的方法多為頻域調(diào)制，即對(duì)輸入光信號(hào)的頻譜進(jìn)行復(fù)空間濾波，得到所需要的輸出。相干光學(xué)信息處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是根據(jù)具體的圖像處理要求而定的，這里只介紹最基本的一種。由于相干處理是在頻域進(jìn)行調(diào)制，通常采用三透鏡系統(tǒng)。8.3.1相干光學(xué)信息處理系統(tǒng)

如圖8.18所示：S為相干點(diǎn)源，L1為準(zhǔn)直透鏡，L2和L3為傅里葉變換透鏡，P1、P2和P3平面分別為輸入面、變換(調(diào)制)面和輸出面，也可稱為物面、頻譜面和像面，它們的空間位置和間距如圖所示，其中f1

f2和f3分別是三個(gè)透鏡的焦距。輸入圖像信號(hào)置于P1平面，由點(diǎn)源S發(fā)出的球面波經(jīng)L1準(zhǔn)直后垂直照明P1平面，在P2平面上將得到頻譜。將P3平面的坐標(biāo)反轉(zhuǎn)，可在P3平面上得到頻譜的傅里葉逆變換。如P2平面上不加任何濾波措施，P3平面上將得到與輸入圖像相似的幾何像。

設(shè)輸入圖像的振幅透過(guò)率為t(x,y)

,平面照明光的振幅為1，在P2平面上置—振幅透過(guò)率為F(fx,fy)的空間濾波器(或稱光調(diào)制器)，則達(dá)到P2平面的光場(chǎng)和P2平面后的光場(chǎng)分別為

再經(jīng)過(guò)L3進(jìn)行傅里葉變換，到達(dá)P3平面的光場(chǎng)為F{t(x,y)}F-1{F(fx,fy)}P3平面上得到的是輸入圖像與濾波器逆變換的卷積8.5白光信息處理

白光信息處理技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展很快而且備受人們關(guān)注的技術(shù)、由于白光處理技術(shù)在一定程度上吸收了相干處理和非相干處理的優(yōu)點(diǎn)，因而在應(yīng)用上取得了明顯的效果。本節(jié)只介紹其中最基本且具有代表性的幾例。8.5.1調(diào)制

對(duì)圖像的不同區(qū)域分別用取向不同(角不同)的光柵進(jìn)行調(diào)制，用白光照射，并在頻譜面上加以適當(dāng)?shù)臑V波器，可在輸出面上得到所需的彩色圖像。光學(xué)系統(tǒng)采用4f系統(tǒng)，具體過(guò)程如下：1．被調(diào)制的物的制備

物的樣品如圖8．34(a)所示；若要使花、葉、背底三個(gè)區(qū)域呈現(xiàn)三種不同的顏色，可在同一張膠片上曝三次光，每次只限其中一個(gè)區(qū)域，并在其上覆蓋某一取向的朗奇光柵，三次分別取三個(gè)不同的取向，如圖中線條所示。將這樣的調(diào)制片輸入4f系統(tǒng)，用白色平行光照明。8.342．空間濾波

由于物被不同取向的光柵所調(diào)制，所以在頻譜面上得到的將是取向不同的帶狀譜，物的三個(gè)不同區(qū)域的信息分布在三個(gè)不向的方向上互不干擾，這就為空問(wèn)濾波創(chuàng)造了便利條件；又由于用白光照明，所以各級(jí)頻譜呈現(xiàn)出的是色散的彩帶，由中心向外按波長(zhǎng)從小到大的順序排列，這就使“賦予”圖像以特定的不同色彩成為可能。

選用一帶通濾波器、實(shí)際上是一個(gè)被打了孔的光屏，如圖8.34(b)所示(圖中只畫出了正、負(fù)一級(jí)譜)。在代表花、葉、背景信息的譜帶上分別在紅色、綠色、黃色位置打孔，使這三種顏色的譜通過(guò)，其余顏色的譜均被擋住。有時(shí)為增強(qiáng)光通量，往往在二級(jí)、三級(jí)譜的位置上打孔，為避免因色區(qū)形狀與孔的形狀不配配而引起“混頻”現(xiàn)象，可在孔上放置相應(yīng)的濾色片。以提高色純度。

在像面上可得到彩色圖像：紅花、綠葉、黃背景。若改變?yōu)V波器上孔的位置可變換出各種不同的顏色搭配。如圖8.35(b)、(c)所示是在輸出面上攝取的彩色圖像照片(見(jiàn)書末彩色插頁(yè))。它們分別對(duì)應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的濾波器。

3．輸出圖8.34

早在20世紀(jì)70年代末，就提出了黑白膠片保存彩色膠片的調(diào)制方法。突破性進(jìn)展：80年代末、90年代初，南開大學(xué)的研究人員在這方面作出了較為突出的貢獻(xiàn)。（母國(guó)光，方志良，王君慶等。用黑