光学信息技术原理及应用
光学的基本原理和技术应用
光学的基本原理和技术应用光学是研究光的传播和相互作用规律的科学，它涉及到光的性质、光的传播方式以及光与物质之间的相互作用。
本文将介绍光学的基本原理，以及在日常生活和科学技术领域中的一些光学应用。
光的基本原理光是一种电磁波，具有波粒二象性。
根据波长的不同，可将光分为不同的频段，包括可见光、红外线、紫外线等。
其中，可见光是人眼能够感知到的光，波长约在400纳米到700纳米之间。
光的传播主要遵循直线传播和波动传播的原理。
直线传播意味着光在一定介质中沿直线传播，遇到界面时可能发生折射或反射。
波动传播则表示光以波的形式传输，具有反射、折射、干涉、衍射和偏振等特性。
光的技术应用光学在日常生活和科技领域有许多重要应用。
下面将介绍几个典型的光学技术应用。
1. 光纤通信光纤通信是一种利用光的传输性能进行信息传输的技术。
通过将信息转换为光信号，并利用光纤中的反射和折射等特性来传输信号，可以实现高速、远距离、大容量的通信。
光纤通信已经成为现代通信系统中最重要的传输媒介之一。
2. 激光技术激光是一种具有高度定向性和高亮度的光束。
激光技术在医学、制造业、测量等领域有广泛应用。
例如在激光手术中，医生可以利用激光的高度聚焦性和高能量来进行精确的切割和治疗。
3. 光学显微镜光学显微镜是一种利用光学原理观察微小物体的仪器。
通过光的折射和放大效应，可以将细胞、组织和微小结构放大并可视化。
光学显微镜在医学、生物学、材料科学等领域的研究中起到了重要作用。
4. 光谱分析光谱分析是一种通过光的吸收、散射或发射特性来检测物质成分和特性的方法。
不同物质对光的吸收和发射具有独特的光谱特征，通过对光谱进行分析，可以得到物质的组成、浓度和性质等信息。
光谱分析在化学、环境监测、药物研发等领域被广泛应用。
5. 光学传感器光学传感器利用光的散射、吸收、衍射等特性来检测和测量物理量、化学物质或生物体的性质。
例如，光学传感器可以用于测量温度、压力、湿度等环境参数，或者用于检测血糖、血压等生理指标。
光学信息技术原理与应用
面向二十一世纪课程教材光学信息技术原理及应用陈家璧苏显渝主编2001年4月面向二十一世纪课程教材光学信息技术原理及应用陈家璧苏显渝朱伟利孫雨南陶世荃吴建宏编2001年4月内容简介本书是教育部“高等教育面向21世纪教学内容和课程体系改革计划”的研究成果，是面向21世纪课程教材。
本书是上海理工大学、四川大学、中央民族大学、北京理工大学、北京工业大学、苏州大学、南开大学等校教授依据多年的教学和科研经验，并参考国内、外优秀教材编写而成。
本书分为两部分。
前五章介绍光学信息技术的基本理论，包括二维线性系统理论、光的标量衍射理论、光学系统频谱分析、部分相干理论和光全息术。
后六章介绍它的主要实际应用，有光学信息存储、光学信息处理、图象的全息显示、光学三维传感和全息散斑干涉计量。
本书的特点一是用线性系统的傅里叶分析方法光学问题，把光学看做信息科学技术的一个重要组成部分进行研究，二是密切联系实际，讨论了光学信息技术的各种已经实现和正在发展的应用。
三是配有许多独具匠心的习题，附有大量期发表在国内外科技刊物及学术会议的有关文献，可以引导读者自学，启发读者思维，培养学生的创新能力。
本书可以作为高等学校“光信息科学与技术”及其他有关光学和光学工程专业的专业课教材，也可以供社会读者阅读。
前言作为自然现象，光是最重要的信息载体。
据统计，人类感官接收的客观世界总的信息量的90%以上要通过眼睛。
早在三千年前人类就开始研究光学，但是光学发展最快的时期还是20世纪，尤其是20世纪下半叶。
近代光学对信息时代的到来起了十分重要的作用。
20世纪40年代末提出的全息术、50年代产生的光学传递函数、60年代发明的激光器、70年代发展起来的光纤通信、80年代成为微机标准外设的光驱、航天航空事业中应用的空间光学等近代光学技术对信息产业的高速成长发挥了不可替代的作用。
与此同时，近代光学也成为电子信息科学的最重要基础之一。
因此在高等院校电子信息学科的有关专业开设光信息处理技术理论与应用的课程是很有必要的。
光学信息技术原理及应用61816
s
in
2
a 2
f
x
习题
19 0 6
教科书P47习题2.4，2.5，2.6
tx0
,
y0
exp
j
k 2z
x02 y02
exp
j
2 z
x0 x
y0 ydx0dy0
菲涅耳衍射举例（续3）
19 0 6
进一步作代数的化简得
U x, y
A jz 2
exp
j
k 2z
x2 y2 b2
光学信息技术原理及应用
(八)
夫琅和费衍射1 衍9 射0举例6 及习题总结
夫琅和费衍射举例
19 0 6
例一、余弦型振幅光栅夫琅和费衍射的光强分布 余弦型振幅光栅处于一个宽度为 l 的方孔内，光栅空间
频率为 f0 ，透过率调制度为 m ，其透过率函数图示 为：
余弦型光栅振幅透过率函数
夫琅和费衍射举例（续）
a 4
fx
2
a 2 sinc2 a
2
2
f
x
c
os
a 2
f
x
j sin a 2
f
x
c
os
a 2
f
x
j sin a 2
2
f x
a 2 sinc2 a 2
f
x
A exp
z
jkzexp
jk 2z
x02 y0
b2
光学在生活的应用及其原理是什么
光学在生活的应用及其原理是什么引言光学是研究光的传播、发射、捕获和操控的科学领域。
在我们日常生活中，光学技术已经普及到很多领域，为我们提供了方便和乐趣。
本文将介绍光学技术在生活中的应用，并解释其背后的原理。
光学在通信领域的应用•光纤通信：光纤通信是一种利用光纤作为传输介质传递信息的技术。
它比传统的电信技术具有更高的带宽和更低的衰减率。
其原理是利用光纤中的光对信号进行传输，而光纤中的光是通过内部反射实现的。
•光传感器：光传感器使用光感应原理来测量光强度、颜色、方向等。
它在汽车、智能手机、工业自动化等领域得到广泛应用。
光传感器的工作原理是将光转换为电信号，并通过电路进行处理和分析。
光学在医疗领域的应用•扫描和成像技术：光学扫描和成像技术在医疗领域广泛应用于检测和诊断。
例如，光学相干断层扫描（OCT）可以提供高分辨率的组织图像，用于眼科、皮肤科和牙科等疾病的诊断。
其原理是利用光的散射和反射来获取组织内部的图像信息。
•激光治疗：激光在医疗领域被广泛用于手术和治疗。
例如，激光手术可以用于近视矫正和眼底病变的治疗。
激光治疗的原理是利用激光的高能量和高聚焦性来切割、焊接或破坏组织。
光学在能源领域的应用•太阳能光伏：太阳能光伏是利用太阳能将光能转化为电能的技术。
太阳能电池板使用光生电效应将光能转化为电能，从而实现能源的转换和储存。
其原理是通过光的能量将半导体中的电子从价带激发到导带，形成电流流动。
•光伏热发电：光伏热发电是一种将光能转化为热能，并利用热能发电的技术。
光伏热发电利用光伏器件吸收太阳光并将其转化为热能，然后利用热能产生蒸汽驱动涡轮机发电。
光学在娱乐领域的应用•光学投影：光学投影技术在娱乐领域广泛应用于电影院、演唱会和家庭影院等场合。
它使用光学系统将影像投射到幕布上，实现画面的放大和放映。
其原理是利用光的传播和聚焦来形成清晰的影像。
•光学游戏：光学游戏是一种使用光学技术创建交互式游戏体验的技术。
例如，虚拟现实游戏和增强现实游戏使用头部追踪和光学传感器来追踪用户的动作和位置，并将其反映到游戏中。
光学在生活中的应用和原理
光学在生活中的应用和原理引言光学是物理学的一个分支，研究光的性质和行为。
光是一种电磁波，对人类生活产生了深远的影响。
在我们的日常生活中，我们经常遇到光学的应用。
本文将介绍光学在生活中的应用和原理，并以列点的方式进行阐述。
光学在通信中的应用•光纤通信: 光纤通信是一种传输信息的方法，利用光的全反射原理来传送信号。
它具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点，广泛应用于电话、互联网和电视等领域。
•激光通信: 激光通信利用激光的高纯度和方向性，实现高速、稳定的通信。
它可以用于卫星通信、无线电通信和地面通信等场景。
•光电耦合器件: 光电耦合器件是将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的器件。
在计算机、手机和电视等设备中，光电耦合器件广泛应用于传输和接收信号的过程中。
光学在视觉中的应用•眼镜: 眼镜是一种用来矫正视觉问题的光学工具。
近视眼镜和远视眼镜利用凸透镜原理来改变光的聚焦点，使得视力得到正常的恢复。
•显微镜: 显微镜是一种用来放大微小物体的光学仪器。
它利用物体对光的反射、折射和散射来获取放大的图像。
显微镜广泛应用于生物学、医学和材料科学等领域。
•照相机: 照相机利用镜头将光线聚焦在感光材料上，记录下光的信息，从而得到图像。
照相机是摄影爱好者和专业摄影师的重要工具。
光学在传感器中的应用•光电传感器: 光电传感器是一种将光信号转换成电信号的传感器。
光电传感器在自动化控制、反光测距和物体检测等领域起着重要的作用。
•光学遥感: 光学遥感是利用航空器和卫星等远距离感测技术获取地球表面信息的一种方法。
它广泛应用于地质勘探、环境监测和军事侦察等领域。
•光学传感器: 光学传感器利用光的散射、吸收和透射等特性来检测目标物体的信息。
光学传感器在测量和检测领域有着广泛的应用。
光学在显示技术中的应用•液晶显示器: 液晶显示器利用光的偏振和透射原理来显示图像。
它在电视、计算机显示器和智能手机等设备中得到了广泛的应用。
•有机发光二极管(OLED): OLED是一种通过电致发光原理来显示图像的技术。
光学信息处理技术
利用光学信息处理技术对物质成分、结构、含量等方面进行光谱分 析，提供快速、准确的分析结果。
光学仪器中的应用
光学显微镜
01
通过光学信息处理技术提高显微镜的成像质量和分辨率，应用
于生物学、医学、材料科学等领域。
光学望远镜
02
利用光学信息处理技术对天体进行观测和分析，推动天文学的
发展。
光学干涉仪
光学信息处理技术
汇报人： 202X-01-04
目录
• 光学信息处理技术概述 • 光学信息处理技术的基本原理 • 光学信息处理技术的主要方法 • 光学信息处理技术的实际应用 • 光学信息处理技术的未来展望 • 光学信息处理技术的挑战与解决方
案
01 光学信息处理技术概述
定义与特点
定义
光学信息处理技术是指利用光学 原理和光学器件对信息进行获取 、传输、处理、存储和显示的技 术。
特点
高速度、高精度、大容量、并行 处理、非接触、非破坏性等。
光学信息处理技术的发展历程
01
19世纪
光学显微镜和望远镜的发明，奠定了光学信息处理的基 础。
02
20世纪
全息摄影技术的出现，实现了三维信息的存储与再现。
03
21世纪
光子晶体、光子计算机等新型光学器件的出现，推动了 光学信息处理技术的发展。
光的干涉与衍射
光的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，光波的振幅会 因相位差而发生变化，产生明暗相间的干涉现象。干涉现象 在光学信息处理中可用于实现图像增强、图像恢复等功能。
光的衍射
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物的边缘继续 传播的现象。衍射现象在光学信息处理中可用于实现光束控 制、光束合成等功能。
光学信息技术原理及应用_26840
;
x f f ff a , y f 0
;
x f f ff a , y f 0
另一解法续六
1 9 0 6
(2)使像平面出现条纹时，物体透射光场的频谱中至少要有两项能 够通过透镜的出瞳，射到物面上成像。显然要求
x f f , y f 0
;
x f f ff a , y f 0
在非相干照明条件下，系统的截止频率2ρ c大于物的基频2/b，所 以零频和基频均能通过系统参与成像。于是在像面上仍有图像存在 非相干照明比相干照明好
第（2）小题比较结果
x
1 9 0 6
对于相干照明，理想像的复振幅分布为 cos2 i ，其频率为 b a 1/b 。按题设系统的截止频率为 c ，且1/b<ρ c 。因此这 d i 个呈余弦分布的复振幅能不受影响地通过此系统成像。
1 9 0 6
解答续四
在达到前面给出的最大值，即 时，几何像的傅氏变 换中的三项只剩下两项，这两个 函数与光瞳函数的乘积还是 函数，而且因为光瞳函数在光瞳范围内取值为一，两个 函数前 的系数也不变 进一步作反变换可以得到像面上的光场分布为
aK2 d i2 U i xi , yi F F U i xi , yi F 2
t1 ( x) cos2
1 9 0 6
（2）物体的复振幅透过率为 式中
d i d i a b b
t 2 ( x) cos 2
b
x b
第（1）小题比较结果
采用相干照明，对于半径为a的圆形出瞳，其截止频率为 a c d i 题设条件λ di/b<a<2λ di/b可得
1 9 0 6
解答
光学信息技术原理及应用课程设计
光学信息技术原理及应用课程设计摘要本文主要介绍了光学信息技术的原理及其在实际应用中的具体操作步骤。
通过对光学信息技术的深入了解，可以更好地应用于信息传输和处理领域，提高生产效率，改善生活质量。
简介随着信息技术的跨越发展，光学信息技术作为一种高效、高速、高精度的信息处理技术得到了广泛的应用。
本文围绕光学信息技术的原理和应用进行介绍，希望能够对该领域的学习者提供一些有益的信息。
光学信息技术原理光学信息的生成和获取光学信息是通过光学仪器对物体进行捕捉和转换而成的。
其中，物体的影像由光线经过物镜组成的像的光源，通过目镜观察到。
目镜上加上图形光栅，使得光学信息从空间中转移到了时间上，可以通过光电传感器进行转换，得到光学信息的电信号。
光学信息的传输和处理光学信息传输技术是指将光信号通过光纤或者空气等传输手段传递到目标设备的过程。
通过对光波的调制、发射、反射、共振等方式，将光学信息传输到目标设备并进行处理。
光学信息的处理技术主要包括模数转换、光波混频、光学逻辑运算等过程。
光学信息技术应用光学信息技术在通信领域的应用光纤通信是光学信息技术在通信领域的一种重要应用。
由于光传输速度快、带宽高、基本不受电磁干扰等优点，光纤通信被广泛应用于信息传输和通信领域。
同时，光纤通信还广泛应用于广电传输、计算机网络和电信应用等领域。
光学信息技术在医疗领域的应用所谓光学诊断技术是指通过非侵入性或微创性方法对患者进行体内器官或组织的检查和诊断。
常用的光学诊断技术包括：光学相干断层扫描（OCT）、光束斑点成像技术、近红外血氧成像技术等。
这些技术能有效地帮助医生进行疾病的诊断和治疗。
光学信息技术在生产制造领域的应用激光加工技术是光学信息技术在生产制造领域的重要应用。
通过调节激光器的波长和强度，将激光照射到被加工物体表面，能够进行精密的物体加工和加工。
同时，还可以应用于激光切割、激光焊接、激光印刷等领域。
光学信息技术在安全防护领域的应用光学信息技术在安防领域的应用主要包括可见光和红外光的摄像机、激光测量仪、激光雷达、激光防伪水印等。
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10
卷积过程图示（1）
原函数
折叠 位移
相乘—得到被积函数
1 f (x) 0
1
hx
2
0
(0 x 1) (其它）
(0 x 1) (其它）
11
包含δ函数的卷积----函数的移位
原点处的篩选性质有
f
x* (x)
f
x d
f
x
任意函数和位于 x0处的脉冲函数的卷积得到
称做不变线性系统的的传递函数
13
抽样定理（理解掌握）
假如函数 g(x, y)是限带函数，即它的频谱仅在频率平面上一个
有限区域内不为零
若包围该区域的最小矩形在 f x 和 f y 方向上的宽度分别为Bx 和 By
欲使图中周期性复现的函数频谱不会相互混叠，必须使
1 X
2Bx
1 Y
2B y
或者说抽样间隔必须满足
为0，包围该区域的最小矩形在f方向上的宽度为2f0，
1
1
滤波函数的宽度为 b ,由题意可知2f0< b
故满足采样定理，能够准确恢复原函数 cos 2f 0x
命题得证。
16
(2)
F
sin
c
x b
sin
c
x a
F
sin
c
x b
F
sin
c
x a
ab rect(af )rect(bf )
由|b|<|a|可知
1
b
1
a
,故上式
ab
rect
af y
sin
c
x b
sin
c
x a
F 1
ab rect
afx
b
sin
c
x a
17
2. 已知线性不变系统的输入为 gx combx ,系统的传
递函数为
rect
f b
,若b取下列数值，求系统的输出。
并画出输出函数及其频谱的图形。
(1)b=1 (2)b=3
18
解：
X 2Bx
Y
2B y
式中表示的两方向上的最大抽样间距和通常称作奈奎斯特 （Nyquist）抽样间隔
14
习题1
1.给定正实常数f0和实常数a与b,求证：
(1)若| b |
1
，则
2f 0
(2)若 b a ，则
1 b
sinc
x b
* cos 2f0
x
cos
2f0 x
,
sinc x * sinc x b sinc x
f x* (x
x0 )
f x x0
d
f x x0
这个性质有助于对于重复的物理结构的描述，如光栅、 双缝等
12
线性空不变系统的传递函数（理解计算
如果不变线性系统的输入是空域函数，其傅里叶变换为
F fx , f y
f x, yexp j
fxx fyy
dxdy
同时输出函数和脉冲响应函数的傅里叶变换分别为
b a
a
15
证明: (1)对等式左边取傅里叶变换得：
F
1 b
sin
c
x b
*
cos
2f
0x
F
1 b
sin
c
x b
F
cos 2f 0x
rect(bf ) F(cos 2f 0x )
rect(bf
)
1 2
f
f 0 f
f
0
1 2
f
f 0 f
f 0
在频谱面上一个有限的区域中不
Fgx hx G f x H f x
（2）相似性定理：如果 Fgx G f x
则有
Fgax 1 G f x
a a
3
傅里叶变换定理（2）
（3）位移定理：如果 Fgx G f x
则有，函数在空域中的平移，带来频域中的相移
Fgx a G f x exp j2f xa
同时，函数在空域中的相移，带来频域中的平移
n 16 5 5 5 5 10000
21
树 立 质 量 法 制观念 、提高 全员质 量意识 。20.10.1720.10.17Saturday, October 17, 2020 人 生 得 意 须 尽欢， 莫使金 樽空对 月。00:19:5200:19:5200:1910/17/2020 12:19:52 AM 安 全 象 只 弓 ，不拉 它就松 ，要想 保安全 ，常把 弓弦绷 。20.10.1700:19:5200:19Oct-2017-Oct-20 加 强 交 通 建 设管理 ，确保 工程建 设质量 。00:19:5200:19:5200:19Saturday, October 17, 2020 安 全 在 于 心 细，事 故出在 麻痹。 20.10.1720.10.1700:19:5200:19:52October 17, 2020 踏 实 肯 干 ， 努力奋 斗。2020年 10月 17日 上午12时 19分 20.10.1720.10.17 追 求 至 善 凭 技术开 拓市场 ，凭管 理增创 效益， 凭服务 树立形 象。2020年 10月 17日 星期六 上午12时 19分 52秒00:19:5220.10.17 严 格 把 控 质 量关， 让生产 更加有 保障。 2020年 10月上 午12时 19分20.10.1700:19October 17, 2020 作 业 标 准 记 得牢， 驾轻就 熟除烦 恼。2020年 10月 17日 星期六 12时19分 52秒 00:19:5217 October 2020 好 的 事 情 马 上就会 到来， 一切都 是最好 的安排 。上午 12时19分 52秒 上午12时 19分 00:19:5220.10.17 一 马 当 先 ， 全员举 绩，梅 开二度 ，业绩 保底。 20.10.1720.10.1700:1900:19:5200:19:52Oct-20 牢 记 安 全 之 责，善 谋安全 之策， 力务安 全之实 。2020年 10月 17日星 期六12时 19分 52秒Saturday, October 17, 2020 相 信 相 信 得 力量。 20.10.172020年 10月 17日 星期 六12时 19分52秒 20.10.17
6
常用函数及其傅里叶变换（1）
（1）常数c
Fc c f x
（2） 函数 F x x0 exp j2f x x0
（3）余弦函数 cos 2f0 x
Fcos 2f0 x
1 2
fx
f0
fx
f0
（4）正弦函数 sin 2f0 x
Fsin
2f 0 x
1 2i
fx
f0
fx
f0
7
常用函数及其傅里叶变换（3）
20
解：由于物函数的最高空间频率为5线/mm，即其最大带 宽。 根据抽样定理，若限带函数在频域中 fx Bx , f y By 以外恒为0，函数在空域中 x X , y Y 范围内抽样 数至少为
2X
1 2Bx 1
2Y 2By
4
XY
4Bx
By
16 XYBx By
由题意可知，X＝Y＝5mm， Bx By 5 线/mm
G fx , f y
gx, yexp j
fxx fyy
dxdy
H fx , f y
根据卷积定理有
hx, yexp j
fxx fyy
dxdy
即
G f x , f y H f x , f y F f x , f y
H
fx, fy
G fx, fy F fx, fy
（5）矩形函数
rect
x a
1，
0 ,
xa 2
其它
表示狭缝
F rect
x a
a
sincafx
a
sinafx
af x
（6）三角形函数
tri x a
1 0 ,
x a
，
x a
表示矩形光
其它
瞳OTF
F tri
x a
a
sinc2 afx
a
sin2 afx afx 2
8
常用函数及其傅里叶变换（4）
光学信息技术原理及应用
(五)
总结与习题
傅里叶变换（熟练掌握）
G f Fgx gxexp- j2f xdx (傅立叶变换) gx F 1G f G f exp j2πf x df (傅立叶逆变换)
2
傅里叶变换定理（1）（运用）
（1）线性定理：如果
则有Байду номын сангаас
Fgx G f x , Fhx H f x
Fgxexp j2fa x G f x fa
4
傅里叶变换定理（2）
（4）帕色伐（Parseval）定理：如果 Fgx G f x 则
有：
Fgxexp j2fa x G fx fa
gx 2dx
G
fx
2dx
该定理表明信号在空域和时域的能量守恒。
5
δ函数的基本性质和物理意义（重点理解）
F
g 0(x )
G f
H
f
comb(f
)
rect
f b
当b=1时，
F g 0(x ) f g 0 x 1
当b=3时,
F g 0(x ) f f 1 f 1
g 0 x 1 2 cos2x
19
3.一个二维的物函数f(x,y)，在空域中尺寸为 10*10mm2，最高空间频率为5线/mm， 若要制作一张傅里叶变换计算全息图，物面上最少的 抽样点数为多少？