《信息光學第二章》課件

《信息光學》課程簡介本課程將介紹信息光學的基本概念和原理。主要內(nèi)容包括光學成像、光學信息處理、光學存儲、光通信等方面。wsbywsdfvgsdsdfvsd第二章光學系統(tǒng)光學系統(tǒng)是利用光學元件實現(xiàn)光學功能的裝置，是現(xiàn)代光學技術的重要組成部分。光學系統(tǒng)廣泛應用于各種領域，如攝影、顯微鏡、望遠鏡、激光器、光纖通信等。光學系統(tǒng)的組成光學系統(tǒng)通常由多個光學元件組成，這些元件可以是透鏡、反射鏡、棱鏡等等。不同的光學元件具有不同的光學性質(zhì)，通過組合這些元件可以實現(xiàn)不同的光學功能。1光學元件透鏡、反射鏡、棱鏡等2光學系統(tǒng)由多個光學元件組成3光學功能成像、聚焦、分光等光學系統(tǒng)的分類按用途分類光學系統(tǒng)按用途可以分為成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等。成像系統(tǒng)用于形成物體的圖像，例如照相機、顯微鏡。照明系統(tǒng)用于提供光源，例如探照燈、舞臺燈光。測量系統(tǒng)用于測量光學量，例如光譜儀、干涉儀。按工作原理分類光學系統(tǒng)按工作原理可以分為折射系統(tǒng)、反射系統(tǒng)、折反系統(tǒng)。折射系統(tǒng)利用透鏡折射光線，例如照相機鏡頭。反射系統(tǒng)利用鏡子反射光線，例如望遠鏡。折反系統(tǒng)結(jié)合了折射和反射，例如天文望遠鏡。光學系統(tǒng)的特性成像特性光學系統(tǒng)通過透鏡或反射鏡將光線匯聚成像，形成清晰或模糊的圖像。放大倍率光學系統(tǒng)能夠改變物體的尺寸，放大或縮小物體，形成不同比例的影像。光線傳輸光線在光學系統(tǒng)中傳遞時，會受到折射、反射、衍射等光學現(xiàn)象的影響。光學性能光學系統(tǒng)的性能取決于其材料、形狀、尺寸等因素，影響著成像質(zhì)量、色差、像差等。光學系統(tǒng)的設計原則功能性光學系統(tǒng)的設計必須滿足其特定的功能要求，例如成像、聚焦、偏轉(zhuǎn)等。成像質(zhì)量系統(tǒng)應具有良好的成像質(zhì)量，即清晰度、分辨率和色差要控制在可接受的范圍內(nèi)。尺寸和重量設計要考慮系統(tǒng)的尺寸和重量，以滿足實際應用的要求，并盡可能地降低成本?？煽啃院头€(wěn)定性系統(tǒng)應具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠在各種環(huán)境下正常工作，并具有較長的使用壽命。光學系統(tǒng)的構成要素11.透鏡透鏡是光學系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，它可以改變光線的傳播方向，實現(xiàn)聚焦、散焦等功能。22.反射鏡反射鏡通過反射光線來改變光線的傳播方向，在光學系統(tǒng)中用于改變光路，實現(xiàn)圖像的反射或成像。33.光闌光闌是用來限制光束通過光學系統(tǒng)的范圍，它可以控制光束的亮度和大小，并影響成像質(zhì)量。44.其他光學元件除了透鏡、反射鏡和光闌之外，光學系統(tǒng)中還可能包含棱鏡、濾光片、偏振器等其他光學元件，它們各自發(fā)揮不同的作用。光學系統(tǒng)的幾何光學分析光線追跡幾何光學分析通過追跡光線來研究光學系統(tǒng)。光線追跡方法模擬光線在光學系統(tǒng)中的傳播路徑，可以預測光學系統(tǒng)的成像特性。像差分析像差是光學系統(tǒng)中不可避免的缺陷，導致成像質(zhì)量下降。通過幾何光學分析可以識別和量化像差，為設計更優(yōu)質(zhì)的光學系統(tǒng)提供依據(jù)。系統(tǒng)設計優(yōu)化幾何光學分析是光學系統(tǒng)設計的重要工具，可用于模擬和優(yōu)化光學系統(tǒng)性能，例如成像質(zhì)量、分辨率和色差控制。光線跟蹤光線起點光線跟蹤從光源開始，假設光線從光源發(fā)出，并沿著光線方向傳播。光線與物體相交光線與場景中的物體相交，通過計算光線與物體的交點來判斷光線是否擊中物體。計算光照根據(jù)光線與物體的交點，計算光線照射在物體上的光照強度和顏色。遞歸跟蹤如果光線擊中物體表面，則需要進行遞歸跟蹤，計算反射光和折射光。最終圖像將所有光線的顏色信息累加起來，得到最終的圖像。光線追跡的基本步驟1建立模型首先，需要建立光學系統(tǒng)的幾何模型，包括透鏡、反射鏡、光源等要素。2光線發(fā)射從光源發(fā)出一定數(shù)量的光線，這些光線稱為初始光線，模擬實際光源發(fā)射的光線。3光線追蹤初始光線通過光學系統(tǒng)時，會發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象。追蹤光線在光學系統(tǒng)中的傳播路徑，計算光線在每個光學表面的折射或反射角度。4像點計算追蹤到光線的終點，即像平面上的像點。通過計算大量的像點，可以得到整個像面的圖像。5結(jié)果分析通過分析像點的分布，可以評估光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，例如像差大小、分辨率等指標。光線追跡的應用光學系統(tǒng)設計光線追跡可以幫助設計和優(yōu)化各種光學系統(tǒng)，例如相機鏡頭、望遠鏡和顯微鏡。人眼模擬光線追跡可以模擬光線通過人眼的光學系統(tǒng)，幫助研究視覺感知和眼睛疾病。集成電路設計光線追跡可以幫助設計和優(yōu)化集成電路中的光學元件，例如光纖和光波導。虛擬現(xiàn)實光線追跡是虛擬現(xiàn)實技術的重要組成部分，可以模擬真實世界中的光線和陰影效果。光學系統(tǒng)的像差定義光學系統(tǒng)像差是指實際成像與理想成像之間的偏差。這種偏差會導致圖像模糊、畸變或其他缺陷。類型常見的像差類型包括球面像差、色差、彗差、像散、場曲和畸變等。影響像差會降低光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，影響圖像的清晰度、銳度和保真度。校正通過設計優(yōu)化、鏡片組合、特殊材料等方法可以校正或減小像差。球面像差球面鏡片球面透鏡具有軸對稱的曲面，使不同入射角度的光線聚焦在不同的點，導致成像模糊。色差不同顏色的光線在球面鏡片中折射角度不同，導致不同顏色光線聚焦在不同的位置，從而造成色差。邊緣畸變球面鏡片在邊緣區(qū)域的折射能力較弱，導致邊緣區(qū)域的光線發(fā)生畸變，影響成像質(zhì)量。色差1定義色差是指不同波長的光線通過光學系統(tǒng)后，會聚焦在不同的位置，造成圖像模糊。2原因由于光學材料的折射率與波長有關，不同波長的光線在通過透鏡時，其折射程度不同，導致聚焦位置不同。3影響色差會降低成像質(zhì)量，造成圖像邊緣顏色失真，影響觀察效果。4類型色差分為軸向色差和橫向色差，軸向色差導致不同波長的光線聚焦在不同的軸向位置，而橫向色差導致不同波長的光線聚焦在不同的橫向位置。像差的產(chǎn)生原因光學元件的形狀光學元件的形狀并非理想的球面或平面，而是存在著各種偏差，例如球面像差和彗差，會導致光線無法完美聚焦。光學介質(zhì)的性質(zhì)光學介質(zhì)的折射率并非完全均勻，會發(fā)生色散，導致不同波長的光線聚焦位置不同，產(chǎn)生色差。光學系統(tǒng)的制造誤差在光學元件的制造過程中，無法完全消除制造誤差，如表面粗糙度和形狀偏差，都會導致光線散射和畸變。光學系統(tǒng)的組裝誤差光學系統(tǒng)的各個元件的組裝位置和角度存在偏差，也會導致光線無法正常聚焦，產(chǎn)生像差。像差的校正方法鏡頭設計通過優(yōu)化鏡頭設計可以有效校正像差，例如使用非球面鏡或多片組合鏡頭。光學系統(tǒng)設計合理安排光學系統(tǒng)中各鏡片的位置和形狀，可以減小或消除像差的影響。加工精度提高鏡片加工精度可以減少幾何像差的產(chǎn)生，并提高圖像質(zhì)量。材料選擇選擇合適的材料可以降低色差的影響，例如使用低色散玻璃材料。光學系統(tǒng)的成像特性像質(zhì)光學系統(tǒng)成像質(zhì)量主要由像差、分辨率和光學傳遞函數(shù)決定。像差是指成像過程中產(chǎn)生的失真，分辨率是指分辨細節(jié)的能力，而光學傳遞函數(shù)則描述了系統(tǒng)對不同頻率的光的傳遞效率。像差像差會造成圖像模糊、畸變等問題，常見的像差包括球面像差、色差、彗差、像散等。這些像差會導致圖像失真，影響成像質(zhì)量。分辨率分辨率是指光學系統(tǒng)能夠分辨兩個相鄰物體細節(jié)的能力。分辨率越高，能夠分辨的細節(jié)越小，圖像越清晰。分辨率由系統(tǒng)的衍射極限決定，衍射極限是由光的波動性決定的。光學傳遞函數(shù)光學傳遞函數(shù)(OTF)描述了光學系統(tǒng)對不同頻率的光的傳遞效率。OTF可以用來評估系統(tǒng)的成像質(zhì)量，例如，OTF降低意味著系統(tǒng)對高頻信息的傳遞能力下降，圖像細節(jié)表現(xiàn)下降。光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量清晰度成像清晰度是評價光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要指標之一，它反映了成像的銳利程度。對比度對比度是指圖像中明暗區(qū)域之間的亮度差異，高對比度的圖像更加清晰銳利?；兓兪侵笀D像中直線或圓形被扭曲的情況，它會影響圖像的真實性。色差色差是指不同波長的光線聚焦在不同的位置，導致圖像邊緣出現(xiàn)彩色邊緣。光學系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)頻率響應光學傳遞函數(shù)描述了光學系統(tǒng)對不同頻率的光波的傳遞能力。圖像質(zhì)量它能反映光學系統(tǒng)對圖像細節(jié)的保留程度，幫助評估系統(tǒng)成像質(zhì)量。空間頻率光學傳遞函數(shù)是一個關于空間頻率的函數(shù)，反映了系統(tǒng)對不同空間頻率的光波的傳遞效率。系統(tǒng)特性光學傳遞函數(shù)是光學系統(tǒng)的一個重要特性，能幫助分析和設計光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)定義調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是衡量光學系統(tǒng)傳遞不同空間頻率信息能力的指標。它表示了光學系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的對比度之比，反映了圖像的清晰度和銳度。特性MTF曲線通常呈現(xiàn)出隨著空間頻率的增加而下降的趨勢。MTF值越高，圖像越清晰，反之則越模糊。MTF曲線可以用來評價光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并幫助設計人員優(yōu)化光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)的衍射極限衍射現(xiàn)象光波通過狹縫或孔徑時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象。衍射導致光波偏離直線傳播，形成衍射圖樣。艾里斑圓形孔徑產(chǎn)生的衍射圖樣中心為明亮的圓斑，稱為艾里斑。艾里斑的大小與波長和孔徑大小有關。衍射極限光學系統(tǒng)由于衍射現(xiàn)象，無法將物體無限細致地成像。最小分辨距離稱為衍射極限。光學系統(tǒng)的分辨率1定義光學系統(tǒng)分辨能力的度量，表示它能夠區(qū)分兩個相鄰物點的最小距離。2影響因素受光學系統(tǒng)孔徑、波長和像差的影響，孔徑越大、波長越短、像差越小，分辨率越高。3測試方法使用標準測試目標進行測試，例如分辨率測試卡，觀察系統(tǒng)能夠分辨的最小細節(jié)。4應用在顯微鏡、望遠鏡、照相機等光學儀器中，分辨率是重要的性能指標。光學系統(tǒng)的光學參數(shù)焦距焦距是透鏡或反射鏡將平行光線聚焦到一點的距離，它決定了圖像的放大倍率和視野大小。孔徑孔徑是指透鏡或反射鏡的有效直徑，它控制著光線通過光學系統(tǒng)的量，影響著圖像的亮度和景深。光闌光闌是用來控制光線通過光學系統(tǒng)的量，它是位于透鏡或反射鏡之間的一個可調(diào)節(jié)的開口。焦距定義焦距是透鏡或曲面鏡的幾何中心到其焦點之間的距離。影響焦距決定了鏡頭放大倍率和視野大小，焦距越長，放大倍率越大，視野越小。單位焦距通常以毫米(mm)為單位?？讖蕉x孔徑是指光學系統(tǒng)中透鏡或反射鏡的有效直徑。它決定了光學系統(tǒng)能夠收集的光量。影響孔徑大小影響成像質(zhì)量、光線收集效率以及景深。更大的孔徑可以收集更多光線，但會導致更小的景深。光闌光闌光闌是一種可調(diào)節(jié)的孔徑，用于控制通過光學系統(tǒng)的入射光量。它位于鏡頭內(nèi)部或前面，由金屬片或葉片組成。光圈值光闌的大小通常用光圈值表示，例如f/2.8或f/16。數(shù)值越大，光圈越小，進光量越少。調(diào)節(jié)光闌攝影師通過調(diào)節(jié)光闌，控制景深和進光量，從而影響照片的曝光和藝術效果。景深光闌的大小直接影響景深，光圈越大，景深越淺；光圈越小，景深越深。光學系統(tǒng)的成像條件物距和像距物距是指物體到透鏡中心的距離，像距是指像到透鏡中心的距離。物距和像距是成像的關鍵因素，影響著像的大小和位置。透鏡焦距透鏡的焦距是指平行光線經(jīng)過透鏡后會聚或發(fā)散到焦點的距離。焦距決定了透鏡的聚光或發(fā)散能力。成像比例成像比例是指像的大小與物體的比例，由物距和像距決定。不同的成像比例可以實現(xiàn)不同的成像效果，例如放大、縮小或等比例成像。成像清晰度成像清晰度是指圖像的銳利程度，受到光學系統(tǒng)像差的影響。減少像差可以提高圖像的清晰度。光學系統(tǒng)的應用領域顯微鏡光學顯微鏡利用透鏡將