傅里叶光学全(3)

限制:①由于照明 的非相干性质,系统传递和处理的物理量只能是非负的强度分布,给处理 双极性信号和综合双极性脉冲响应造成困难。②在所有分析过程中均忽 略了衍射效应 84 光波传递信息，构成物体的像这一过程被分为两步：波前记录与波前 再现，这正是全息术的基本思想。 85 干涉法是将空间相位调制转换为空间强度调制的标准方法。 第五章 所有实际的光源都是部分相干的 光场的相干性是指时空中两点的光扰动相叠加时的表现，它包涵空间效 应和时间效应，即空间相干性和时间相干性，前者源于光源的大小，后 者源于光源的有限带宽。 光场的空间相干性是指光场中两点的光扰动相叠加时的表现。 产生干涉的条件：两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的 相干光源，才能产生光的干涉， 由于这些点的振动相位是完全随机的，因此它们是非相干的，所以最后 在屏上进行强度叠加就可以了。 要保证两小孔的光振动存在相关，它们之间的距离不能大于 tc。tc 称为 横向相干宽度。 当光源尺寸较小时，图形对比度才较大。光源较大时，对比度下降，相 干性变差。 光场的时间相干性是指光场中同一点不同时刻光扰动相叠加时的表现。 光源的时间相干性取决于光源的带宽Δ ν 相干长度和相干时间用以评价时间相干性的好坏。 时域理解： 当光程差大于相干长度时， 同一波列分出的子波列不会交叠， 这时干涉场上无条纹。 频域理解：每种波长的光在屏上各自产生一套干涉条纹，但彼此错开， 当波长成分较多时，叠加后使对比度降低为零。 实际光源发出的光波不可能是严格单色的，总会有一定带宽。 实际的光源，如果单色性好，主要考虑其空间相干性；如果光源线度小， 则主要考虑其时间相干性。 激光单色性很好；光束接近平行光(高斯光束),可以聚焦成很小的光斑， 所以激光是很好的相干光源。 对于线性系统，在计算的任何一步实部和虚部不会互相影响，各自进行 相同的运算，也就是说，任何时候都可以取复信号的实部来还原相应的 实信号。 实际光源的光场在任一点 P 上的光扰动是涨落的 振幅 振动方向 无规律涨落 位相 统计来看，空间各个方向振动的几率相同，空间各方向的振幅也是相同， 这就是通常所说的自然光。 因此，我们可以用任一方向的振幅或强度来描述光场的情况，而其他方 向相同，这就是标量处理，忽略光场的矢量性。 稳态光场:指在光学场中,场矢量是时间的函数,变化非常快,但对任何宏观 时间间隔取平均而不是着眼于瞬时值时,可发现场的性质与取平均时刻 无关,只与所取平均时间的间隔长短有关

. 即求场值的时间平均积分起点可以改变. 相干度是度量光场相干性的物理量。 互相干函数和复相干度反映了光场中两个不同点在不同时刻的光扰动的 关联程度。 当 γ 12 (τ )最大值 1 时，Q 点的光强与使用完全相干光产生的干涉情 况相同。 当 γ 12 (τ ) 取最小值 0 时，Q 点的光强为两光束在该点的光强简单 叠加。这时 P1 和 P2 点的光振动是不相干的。 当 γ 12 (τ ) 时，P1 和 P2 点的光振动是部分相干的。 γ 12 (τ )的物理意义 反映 Q 点的干涉条纹的可见度在多大程度上达到 P1 和 P2 完全相干时的 程度。|γ 12 (τ )|就是相干光部分所占总光强的比例。 如果两个点的光扰动的振幅和相位有某种时间和空间上的联系，就不能 各自取平均再乘积，互相干函数不会为零，这两点的光扰动就是相干和 部分相干的。 光场在空间传播要发生变化，互相干函数也要经受某种变化。互相干函 数传输问题是指已知某个面 S1 上的互相干函数，求空间另一个 S2 上相 应的互相干函数。光扰动是按照波动方程传播的，解析函数和相干函数 也服从波动方程的传输规律。 非单色光可看做单色扰动的线性组合。对于单色波 l 从 S1 面传输到 S2 面可用惠更斯-菲涅耳原理， 范西泰特-策尼克定理:光场由 S1 传到 S2 面， 面上任意一点 Q 的光扰 S2 动都是 S1 面上各点贡献的叠加。即使 S1 面上的光场是非相干的，S2 面 上各点对( Q1,Q2)之间的光扰动也会表现出一定的相干性。 Van Cittert-Zernike 用严格的数学方法研究了非相干光源与发射光场的空间相 干性关系。 设 S1 和 S2 平面相互平行，间距 z。S1 是准单色扩展光源，它发出的非 相干光照明 S2 面。 求 S2 面上任意两点 Q1 和 Q2 的互强度和复相干系数。 第六章 相干光学处理 光学处理的方法依照光源的相干性可分为相干处理和非相干处理(白光 处理) 。处理内容包括，加减，识别、滤波、图像修饰、编码等等。 第七章 非相干光处理 非相干光学处理是指采用非相干光照明的信息处理方法,系统传递和处 理的基本物理量是光场的强度分布. 相干光处理与非相干光处理系统的基本区别在于,前者满足复振幅相干 叠加,后者满足强度叠加原则 显然,复振幅可取正负或其它复数值.这样一来， 相干光处理系统有可能完 成加、减、乘、除、微分和卷积积分等多种运算,特别是能利用透镜的傅 里叶变换性质，在特定的频谱平面上提供输入信息的空间频谱，在这个 频谱面上安放滤波器，可以方便而巧妙地进行频域综合，实现空间滤波。 而在非相干光学处理系统中,光强只能取正值.故相干光学处理信息的能 力比非相干光学处理系统要

丰富得多.这就是为什么一般采用相干光而 不是非相干光进行信息处理的主要原因 然而,相干光学处理也有几个固有缺点. (1) 相干噪声和散斑噪声问题 (2) 输入和输出上存在的问题 用空间非相干扩展光源可提高输出图像的信噪比. 实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算,在相干

复习资料

光学处理系统中这些运算是通过两次傅里叶变换和频城乘法运算完成的. 非相干处理系统由于没有物理上的频谱平面,故不能按照同样的方法处 理.但是从空域来看,卷积和相关运算都包括位移、相乘、积分三个基本步 骤,采用非相干成像系统也可以完成这些运算. 相干系统中有一个物理上的实实在在的频谱面, 非相干系统中没有这样 直接,光瞳函数与传递函数之间通过自相关相联系 若光瞳面上放置其它形式的滤波器,P 应该等于滤波器的透过率函数。 但是,这个分辨率判据仅适合于分辨两个等强度光点的情况.当两个光点 强度的差别与艾里斑中央和次级大相当时,次极大的存在将干扰我们判 断较弱光点的存在.切趾术就是为了使中央亮斑周围的亮环去掉而采取 的一种非相干频域的综合技术. 由于光瞳边界透过率呈阶跃变化, 导致次级衍射环的产生。要切去点扩 展函数的趾部(次级亮环),应把光瞳的透过率分布改为缓变形式.例如采用 高斯型透过率孔径函数(光瞳函数),由于高斯型孔径的夫琅禾费衍射图样 仍是高斯型的(即高斯函数的傅里叶变换仍是高斯函数),故点扩散函数仍 是高斯型分布,能够满意地消除次级环的影响. 从 OTF 的观点看,这是增大低频的调制传递函数(MTF)值,削弱高频传递能 力的结果. 采用相干光源能使光学系统实现许多复杂的信息处理运算,这主要是由 于相干光学系统的复振幅处理能力很强.可是,正如盖伯所指出的,相干噪 声是光学信息处理的头号敌人,此外,相干光源通常是昂贵的,并且对光学 处理的环境要求非常严格。 白光光学处理采用宽谱带白光光源，但采用微小光源尺寸以提高空间相 干性，另一方面在输入平面上引入光栅来提高时间相干性。这样既不存 在相干噪声，又在某种程度上保留了相干光学处理系统对复振幅进行运 算的能力，运算灵活性好。 散焦系统的点扩散函数在几何光学近似下(没有考虑衍射)是由于离焦 而产生的均匀照相明的圆斑。对于非相干系统而言，像面上的光场是所 有脉冲响应对应的强度迭加. 全息 如果我们能够用某一种方法把物体光波(其中包含振幅和相位信息)以 某种方式记录下来，则当我们想办法把物光波再现出来的话，就能再现 三维的物体。这种方法就全息术： 利用干涉原理，将物光波前以干 涉条纹的

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