第一章 基本概念和定理 光信息教学课件.ppt

Optical Information Processing 光学信息处理 前 沿 光学信息处理是激光器问世后发展起来的一个研究新方向，现代信息处理技术中一个重要组成部分，在现代光学中占有很重要的地位。 光是一种具有电磁波性质的物质。不同的光波对于不同的介质会表现出不同的传输性质。 光通过不同的光学系统时，可以实现自由传输、成像、衍射、干涉、色散频率变换等功能。 “信息”是通信科学中早就采用的术语，这个观点也适用于光学。 如一幅图像实际上是一种二维空间的光强或光场分布，它可以看作携带着信息的光强或光场随空间变化的序列，称为光学信息。 光学信息可以是一维、二维或三维的空间性的信息。 将通过光学系统的光波称为光学信号，光波通过系统的过程看作是系统对信号的处理。通过系统之前的光波称为输入信号或输入光波，通过系统后的光波称为输出信号或输出光波。 作为电磁波，光学信号是随时间和空间而变化的，由于光波的时间频率极高，通常只能检测到它的时间平均效果。 需要把对光学信号的研究转变为空间分布问题进行。 对光学信号空间分布的研究，往往是通过对一个截平面内光学信号分布的研究为基础进行的，因此我们通常把光学信号表示为一个二维分布的空间信号。 输入信号所在的平面称为输入面，输出信号所在的平面称为输出面。 什么是光学信息处理？ 用光学的方法实现对输入信息的各种变换或处理。它以全息术、光学传递函数和激光技术为基础。透镜的傅里叶变换效应是光学信息处理的理论核心。 光学信息处理具有的特点： 高度并行性 大容量 小尺寸 等。 光学信息处理的概念 光学信息：是指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态等。 光学信息处理：基于光学频谱分析，利用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。 光学信息处理的研究对象： 研究如何对各种光学信息进行综合性的处理。例如各种光学运算（加、减、乘、除、相关、卷积、微分、矩阵相乘、逻辑运算等）；光学信息的抽取、编码、存储、增强、去模糊、特征识别；各种光学变换（傅里叶变换、对数变换、梅林变换、拉普拉斯变换）等。有时光学信息处理也称为光学数据处理，它的发展远景是“光计算”。 光学信息处理主要包括： 信息传递、信息存储和信号处理， 而透镜的傅里叶变换效应则构成了光学信息处理的理论框架。 光学信息处理分类 按处理的性质可分为： 线性处理；非线性处理 线性处理：系统对多个输入之和的响应（即输出）等于各单独输 入时的响应（输出）之和。 在许多情况下，介质对光波产生的影响是线性的，如一个光学成 像系统就是典型的线性系统。 在相干光照明时，光学透镜所具有的傅里叶变换性质也是一种线 性的性质。 按所用光的相干性可分为： 相干、非相干和部分相干处理。 线性系统 输入信号是若干输入光波的线性组合，系统对这个线性组合信 号的总输出等于各光波单独输入的输出光波的线性组合，而且这 个信号的线性组合与输入信号的组合形式完全相同，则这个系统 满足线性叠加原理，称之为线性系统。  平移不变系统 输入信号产生了一个平移，系统在输入信号平移前后输出信号的唯一差别也只是产生平移，这样的系统叫平移不变系统。 平移不变系统不改变输出信号的图形分布，只是平移前后的输出图形整体产生了一个平行的位置变化。 线性平移不变系统 同时具有线性性质和平移不变性质的系统称为线性平移不变系统。 特点： （1）由线性系统的叠加性质，可把复杂的输入信号看作是若干简单的基元输入信号的线性组合，每一个基元输入信号通过系统后都对应着一个子输出信号，总的输出信号是这些子输出信号的线性组合 ，而且组合的关系与基元输入信号的组合关系是完全相同的。 （2）由系统的平移不变性质，若输入信号只是处于输入平面内不同位置的同一种形式的基元信号，那么输出信号也将只有一种形式的信号，而这些基元输入信号与对应的子输出信号之间存在一一对应的平移关系。 常见的基元输入信号表达方式： 冲激信号、单色平面波信号。 冲激信号代表处于不同位置的单色点光源； 单色平面波代表沿不同方向传播的平面波。 数学表达式： 二维冲激函数、二维复指数函数。 这两种函数既能够表达信号的物理意义，又能够表达线性平移不变系统的传输特性，同时也是进行系统及信号分析、信号处理以及实际应用中的重要工具。 二维冲激函数和二维复指数函数是从两个不同的侧面来描述透镜与信号之间的关系，即以不同的角度和方式描述同一物理过程。 输入光信号被看做不同位置二维冲激函数（点光源）的线性组合，线性组合的系数是对应位置处信号的值。 以二维冲激函数作为基函数时，描述的是信号直观空间分布特性，称为空域分析法。 沿