非相干光处理
光学中的干涉与光纤原理
光学中的干涉与光纤原理在光学领域中，干涉和光纤原理是两个非常重要且引人注目的主题。
干涉作为一种光学现象，揭示了光的波动性质，而光纤原理则为光的传输提供了一种高效和便捷的方法。
一、干涉的基本原理干涉是指两束或多束光波相互叠加时所产生的干涉现象。
干涉可以分为构成干涉的两种基本类型：相干光干涉和非相干光干涉。
1. 相干光干涉相干光干涉是指两束或多束具有相同频率、相同相位关系、相同偏振方向且光程相差在一定范围内的光波相互叠加所产生的干涉。
干涉现象的出现是由于光的波动性质决定的。
当两束相干光波相遇时，它们的电场矢量叠加形成了新的合成波，出现干涉条纹。
这种干涉形式常见的有杨氏双缝干涉、薄膜干涉等。
2. 非相干光干涉非相干光干涉是指两束或多束不满足相干条件的光波相互叠加所产生的干涉。
这种干涉主要来自于自发辐射或来自不同光源的光波。
非相干光干涉不同于相干光干涉，其干涉条纹通常不稳定，在时间上会发生明暗交替现象。
二、光纤的基本原理光纤是一种由一种或多种光学材料制成的细长柔性光导波结构。
光纤由芯层、包层和外壳层组成。
光通过芯层的全反射现象实现传输。
1. 全反射与光传输光纤中光的传输是基于全反射原理。
当光从芯层传入包层时，若光线入射角小于临界角，则光线会被全反射，并沿着光纤传播。
由于光纤的芯层和包层折射率不同，使得在光纤中的光线无法透过外壳层而损失，从而实现了光的传输。
2. 光纤的工作原理光纤的工作原理是基于光信号的折射传输。
当光信号通过一端的发光源输入到光纤中时，由于全反射的作用，光信号被束缚在光纤中，并沿着光纤传输。
光信号在传输过程中可以保持较低的衰减和干扰，从而实现远程的高速数据传输。
三、干涉与光纤的应用干涉和光纤原理在现代科学和技术中有着广泛的应用。
1. 干涉的应用干涉在成像领域中被广泛应用，例如光学显微镜、干涉测量仪器等。
此外，干涉也在光谱学、激光技术、光学存储等各个领域中发挥着重要的作用。
例如，Michelson干涉仪可用于测量光的波长和干涉条纹的位移，准确测量实验中所需要的长度或物理量。
相干光与非相干光在光学成像中的比较与优化
相干光与非相干光在光学成像中的比较与优化光学成像是一种常见的图像获取技术，广泛应用于医学、生物学、材料科学等领域。
在光学成像中，相干光和非相干光是两种常见的光源。
它们在成像质量、分辨率以及应用范围上存在一些差异。
本文将对相干光和非相干光在光学成像中的比较与优化进行探讨。
首先，我们来了解一下相干光和非相干光的特点。
相干光是指光波的振动方向、频率和相位都保持一致的光源。
相干光的特点是波前的干涉和衍射现象明显，可以实现高分辨率的成像。
非相干光则是指光波的振动方向、频率和相位都是随机的，没有明显的干涉和衍射现象。
非相干光的特点是亮度均匀，适合用于照明和全息成像。
在光学成像中，相干光和非相干光的选择取决于具体的应用需求。
相干光成像适用于需要高分辨率的情况，如显微镜观察细胞结构、纳米材料表征等。
相干光成像的原理是利用光的干涉和衍射现象，通过重构波前信息来获取高分辨率的图像。
相干光成像技术包括干涉显微镜、全息显微镜等。
这些技术可以实现纳米级别的分辨率，对于细胞和材料的研究具有重要意义。
然而，相干光成像也存在一些限制。
由于相干光的干涉和衍射现象，它对样品的透明度和形貌要求较高。
对于不透明或表面粗糙的样品，相干光成像的效果会受到限制。
此外，相干光成像还受到散射和折射等因素的影响，可能导致成像的模糊和畸变。
因此，在实际应用中，需要根据具体样品的特点来选择相干光成像技术，并进行优化和改进。
与相干光相比，非相干光成像更加简单和实用。
非相干光成像不受样品的透明度和形貌的限制，适用于各种材料和样品的成像。
非相干光成像技术包括传统的光学显微镜、X射线成像、CT扫描等。
这些技术具有广泛的应用范围，可以用于生物医学、材料科学、工业检测等领域。
非相干光成像的优势在于成像速度快、成本低廉，并且可以实现大范围的样品扫描。
然而，非相干光成像也存在一些局限性。
由于非相干光的特点是亮度均匀，它的分辨率相对较低。
对于需要高分辨率的应用，非相干光成像可能无法满足要求。
第四章光的相干性概论
在前面的各个部分，凡是涉及到光的叠加，我们通常采用相干叠加或非相干 叠加的方法进行处理。例如在杨氏干涉装置中，两列光波如果是相干的，则叠加
之后干涉项 2A1A2 cos ∆ϕ ≠ 0 ，如果是非相干的，则干涉项 2 A1A2 cos ∆ϕ = 0 。
或者说，在数学处理上，对于相干光，叠加时复振幅相加，U (r) = U1(r) + U2 (r) ；
L0 = ∆Z = λ2 / ∆λ （1.6.8）正是上述的 δMax ，于是对上述现象可以作如下解释。
L =λ2/∆λ 0 Z
带宽为∆λ 的准单色波所形成的波包
由于光源是非单色波 λ ~ λ + ∆λ ，则就是非定态光波，在空间是一个有效长 度为 L0 = λ 2 / ∆λ 的波包。对于屏上的中心点O，到双缝S1、S2的光程相等，因而
= 2 I 0 dx (1 + cos
2π λ
δ ) = 2 I 0 dx [1 + cos
2π λ
( β x + δ 2 )]
∫ 干涉场的强度为 I
= 2I0
b
2 −b
2
dx[1
+
cos
2π λ
(β x + δ2 )]
=
2I0 (b
+
λ πβ
sin
π bβ λ
cos
2π λ
δ2)
I Max
=
2I0b
=| U1(S1,
r)
|2
+
| U2 (S1)
|2
+U1
(S1
)U
∗ 2
(
S1
)
+
非相干光的检测与变换
目 录
• 非相干光的基本概念 • 非相干光的检测技术 • 非相干光的变换技术 • 非相干光的调制技术 • 非相干光的解调技术 • 非相干光检测与变换技术的未来发展
01 非相干光的基本概念
非相干光的定义
总结词
非相干光是指光波之间没有固定相位关系的非单色光源发出 的光。
详细描述
定义
光学哈达玛变换是一种将复数信号转换为实数序列的变换 方法，通过使用哈达玛矩阵和光学元件实现。
01
应用
在图像处理、模式识别、光谱分析等领 域有广泛应用，例如图像压缩、特征提 取、光谱匹配等。
02
03优点Biblioteka 具有高分辨率和高灵敏度，能够实现 快速变换和多维信号处理，且光学元 件具有宽带宽和高速响应特性。
新型光电材料
随着科技的发展，新型光电材料如钙钛矿、 二维材料等不断涌现，为非相干光检测与变 换技术提供了更多可能性。
光学薄膜
光学薄膜在非相干光检测与变换中具有重要 作用，未来研究将更加注重高透过率、高稳 定性、多功能性的光学薄膜的制备和应用。
新技术的研发
超快光电转换技术
利用超快激光脉冲，实现非相干光信号的高速、高灵 敏度检测，满足实时处理和高速通信的需求。
光学沃尔什变换
定义
光学沃尔什变换是一种将复数信号转换为实 数序列的变换方法，通过使用沃尔什函数和 光学元件实现。
应用
在数字信号处理、雷达信号处理、无线通信等领域 有广泛应用，例如调制解调、频谱分析、信号分类 等。
优点
具有快速变换速度和简单实现方式，能够实 现高分辨率和高灵敏度的信号处理。
光学哈达玛变换
对噪声敏感，解调性能受限于模拟电 路的性能。
(第十章)非相干光学处理1
(
)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
可得到式(10.2.11)的对称表达式 ∞ ∞ λ ff y λ ffx λ ff y λ ffx Hi fx , f y =∫ ∫ P′ ξ ′ + ,η′ + ,η′ P′ ξ ′ dξ dη 2 2 2 2 ∞ ∞
(
)
(10.2.12)
10.2 基于衍射的非相干空间滤波系统
非相干空间滤波系统是基本的非相干成像系统,它使用光学传 递函数来进行非相干空间滤波,其操作依靠衍射理论.图 10.2.1是一个用自发光物体的非相干空间滤波系统. S为自发光物,P(x,y)为光瞳透明物片,设物面的强度分布为 Io(x,y),成像面的强度分布为Ii(x,y),由衍射理论可知,其成 像规律遵从以下的强度卷积积分 P(x,y) Io(x,y) S f1 f2 Ii(x,y)
Chapter 10
第十章
InCoherent
Optical Information Processing
非相干光学信息处理
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.
10.1 光处理与非相干光处理的比较
相干光处理系统存在的不足
(1)相干光处理要求输出分布以波前复振幅的形式,这一要 求排除了阴极射线管或发光二极管阵列作为输出器件的使用. 这就要求把输入图像制成透明片,然后用激光照明. (2) 相干噪声和散斑噪声问题 在光学系统中(如透镜,反射镜和分束器等)不可避免地存在一 些缺陷,如:气泡,擦痕及尘埃,指印或霉斑等.当用相干光照明 时,这些缺陷将产生衍射,而这些衍射波之间又会互相干涉,从而 形成一系列杂乱条纹与图像重叠在一起,无法分开,这就是所谓相 干噪声.
第十章 非相干光学处理
第十章 非相干光学处理一、 相干光处理与非相干光处理的比较1．相干光系统输入为()y x u i ,，输出为()y x u ,，则：()(),,i iu x y u x y =∑即：输出的合成复振幅()y x u ,满足复振幅叠加原则。
而光强为：()()()22,,,∑==i y x u y x u y x I()()()2*,,,i i j ii ju x y u x y u x y ≠=+∑∑()()*,,i i j ii jI u x y u x y ≠=+∑∑在相干处理系统中，输出光强除了是输入光强i I 的叠加外，还存在相干项*j i u u ⋅的影响。
2．非相干光系统对于非相干光系统，由于输入图像各点的光互不相干，所以上式中的互相关项（第二项）的平均值为零。
即()()∑=ii i i y x I y x I ,,即：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。
3．比较：相干——振幅叠加——可正可负——可完成加、减、乘、除、微分、卷积等运算 非相干——光强叠加——实函数—— 无上述运算4．相干光处理系统存在的不足 1） 噪声太大相干噪声：由光路中的尘埃，指纹，擦痕，元件的缺陷，气泡等引起得干涉。
散班噪声：由漫射物体表面的起伏粗糙而引起的无规干涉。
2）只能处理透明图片（复振幅分布）而不能利用光强接收器得到的信号做为输入信号，（如CRT 、LED 、CCD ）3）只能处理单色图象，对彩色图象则无能为力。
4）而非相干系统正好可弥补相干系统的上述不足，即不存在上述不足。
问题：能不能找到一个系统：即能象相干系统一样，存在一个频谱面，可进行各种处理，又能象非相干系统一样，去掉讨厌的噪声干扰-----部分相干系统----白光处理系统二、 白光光学信息处理技术白光光学处理采用宽谱带白光光源，但采用微小的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。
这样即不存在相干噪声，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。
8.6 非相干光学处理
天狼星离我们8.6光年， 光年， 天狼星离我们 光年 是第五近的恒星。 是第五近的恒星。因 为它本身发光很强， 为它本身发光很强， 又距离近， 又距离近，才显得很 明亮耀眼. 明亮耀眼
希腊诗人埃斯库罗斯 （Aeschylus）称天狼 ） 星为‘炽热的犬’ 星为‘炽热的犬’，因 为它是大犬星座α星 为它是大犬星座 星， 在最热的七八月份黎明 前升起。 前升起。 古埃及人称它为索提斯 ），意为 （sothis），意为‘水 ），意为‘ 上之星’ 上之星’
2
功率谱相关器的优点：见教材Ｐ 功率谱相关器的优点：见教材Ｐ334。 。
光瞳平面上放透过率为t 光瞳平面上放透过率为 2的透明片
x y h1 ( x, y) ∝ T2 , λf λf
2
系统最终输出为
I i ( x , y ) = I g ( x , y ) ∗ h1 ( x , y ) ξ η x − ξ y −η = ∫∫ T1 λ f , λf ⋅ T2 λ f , λf dξdη
在非相干光学处理系统中，我们也同样 在非相干光学处理系统中， 可以在频域综合出所需要的OTF，即实现 可以在频域综合出所需要的 ， 各种形式的滤波。 各种形式的滤波。
OTF等于光瞳函数的归一化自相关函数，即 等于光瞳函数的归一化自相关函数， 等于光瞳函数的归一化自相关函数
∫∫ P (λd α , λd β )P (λd (ξ + α ), λd (ξ + β ))dαdβ Η (ξ ,η ) = ∫∫ P (λd α , λd β ) dαdβ
i i i i 2 i i
是系统的出瞳到像面的距离。 式中di 是系统的出瞳到像面的距离。对半径为a 的圆形光瞳，其光学传递函数如图所示： 的圆形光瞳，其光学传递函数如图所示：
信息光学非相干光学处理
大量旳光学仪器是采用非相干光或自然光或白光光源，如 摄影机、望远镜、显微镜、投影仪、制版设备等。有必要研究非 相干处理措施。因为非相干照明下光场分布用光强分布表达，所 以输入函数和脉冲响应函数都是非负实函数。与相干照明系统相 比，非相干系统没有相干噪声。仍有研究价值。
10.1相干与非相干光学处理
相干与非相干光学处理
将透明片作为一种线性系统旳输入， 用相干光照明，因为 输入图像中每一点旳复振幅在输出面上会产生相应旳输出，这些 输出旳集合（叠加）构成输出图像。
U (x, y) Ui (x, y)
i
人眼、感光胶片、CCD等感知旳是光强信息。即合成振幅旳绝对
值平方。
I (x, y) | U (x, y) |2 | Ui (x, y) |2
先考虑f(x,y)上一种单位强度旳点光源在P平面上旳脉冲响应。
在几何光学近似下，离焦面Δ处旳旳分布即为h(x,y)
旳一种缩小旳倒像，其投影中心坐标
a 1 ( / 2 f ) x, b 1 ( / 2 f ) y
考虑到投影时h(x,y)旳方向将发 生几何反射，于是 f (x,y)上旳一点在
离焦面Δ上产生一种h 旳缩小图像
i
Ui (x, y) |2 Ui (x, y)U * j (x, y)
i
i j
Ii
U
iHale Waihona Puke (x,y)U
* j
(
x,
y)
i
i j
用完全非相干光照明，输入面上各点旳光强在输出面产生相
应旳光强输出，因为这些输出是互不有关旳，所以总旳图像输出
是各光点光强输出旳叠加。因为各点振动旳随机性，其振幅和相
发出光经L1后变成平行光， 把第一张胶片f (x , y)投影 到h上，经过L2把光束会
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I
t
1
( x , y ) t 2 ( x , y ) dxdy
(10.2.1)
t1 ( x , y )
t 2 ( x , y )
上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上, 而透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张 透明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可 以实现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位臵放 入,使得(10.2.1)式变成
i1
i , j1
N
E nin j
由于噪声是完全随机的，其信号的平均值为零，
N
E n i 0
i1
另外，不同噪声之间互不相关，因此有
式中
2
N
E nin j
0,
i j
2
i1
,
i j
, 为平均噪声水平
为噪声方差 , 称为标准偏差
I N s N
2 2
(3) 激光是单色性极好的光源,因此,相干处理系 统原则上只能处理单色图像,对彩色图像的处理 几乎无能为力.
10.1.2
非相干光学处理系统的噪声抑制
非相干光学处理系统对噪声的抑制作用,是从通信理论中
的多余通道的概念发展而来的.例如发送某个信号用了N个信息 通道(如同时用几路电话通道来传送一个电话),那么第i个通道
类似于相干成像系统,输入与输出强度之间的关 系可以表示为
i ( x , y ) i ( x , y ) h I ( x , y )
hI是强度点扩散函数PSF，上式的归一化傅里叶变换为
I ( , ) I ( , ) H ( , )
I ( , ) I ( , ) H ( , )
2
由上面分析可知，单一通道上的信噪比为
当引入N个通道后，信噪比为
Ns
2
s /
2
2
/
2
因此，多余通道的引用使信噪比提高了N倍。 关于这一点在光学系统中是容易理解的。
扩展光源引入的多余通道
用三个互不相干的点光源代表单色空间非相干扩展光源.光源放 在准直透镜LI的前焦面上.显然,不同点光源发出的光经准直透 镜后,将通过不同的路径到达像面.由图可见,不同路径的光所成 的像是相互重叠的,也就是不同通道上的信号是相同的.这就使 得光学元件上的尘埃或其表面缺陷对图像的影响微不足道。
j
( x, y)
2
I( x, y) U ( x, y)
2
U
i
i
( x, y)
j
i
Ii
U i ( x , y )U
( x, y)
10.1.2
i j
对于完全非相干系统,输入图像上各点的光振动是互不相 关的,每个点源发出的光是完全独立的,或者说是完全随机的, 其振幅和初相位均随时间作随机变化.而观察的强度是对时间 的平均效应.这样一来(10.1.2)式中的第二项,在非相干情况下 其平均值为零,即有
但是多年的实践表明,相干处理系统的突出问 题是相干噪声严重,导致对系统元件提出较高要求 ,而非相干处理系统由于其装臵简单,又没有相干 噪声,因而再度受到广泛的重视.
10.1 1O.1.1
相干与非相干光学处理 相干与非相干光学处理的比较
我们把一张透明图像片作为一个线性系统的 输入,当用相干光照明它时,图片上每一点的复振 幅均在其输出面上产生相应的复振幅输出.整个 输出图像是这些复振幅的线性叠加,即
I ( x0 , y0 )
t
1
( x , y ) t 2 ( x 0 x , y 0 y ) dxdy
显然光电探测器测得的
I ( x0 , y0 )
的值是t1，t2在x=x0,y=y0点的卷积值。
相关运算与卷积运算的区别在于,两个函数之一没有 折叠的步骤,所以只要使t2透明片按正向几何位臵放入 就可实现两者的相关运算. 若使t2沿x和y的负方向移动x0,y0，则t2(x,y)变成 t2(x+x0,y+yo),于是光电探测器的响应为
I ( x0 , y0 )
t
1
( x , y ) t 2 ( x 0 x , y 0 y ) dxdy
这就是t1，t 2在x=x0,y=y0点的相关值。
10.2.2
无运动元件的卷积和相关运算
f ( x, y)
h( x , y )
g( x0 , y0 ) ( x0 , y0 )
的输出信号为
a i s ni
式中,ni为第i个通道上的噪声,不同通道上的噪声是不同 的;s为信号,它对所有的通道都是相同的.这样,总的强度输 出信号为
I E
N
i1
ai
2
E{}表示求平均
I N
2
s
2
2 Ns
N
E n i
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
（1）相干噪声和散斑噪声问题. 在光学系统中(如透镜、反射镜和分束器等)不 可避免地存在一些缺陷,如气泡、擦痕以及尘埃、 指印或霉斑等.当用相干光照明时,这些缺陷将产生 衍射,而这些衍射波之间又会互相干涉,从而形成一 系列杂乱条纹与图像重叠在一起,无法分开.这就是 所谓相干噪声。
10.2
基于几何光学的非相干处理系统
若把强度透射率为tl的一张透明片在强度透过率为t2的另一 张透明片上成像,那么在第二张透明片后面每点的光强都正比于 乘积tl t2.所以用光电探测器来测量透过两块透明片的总强度 时,给出的光电流I为
t1 ( x , y )
t 2 ( x , y )
实现一个乘积的积分系统
以几何光学为基础的非相干处理系统有两个明显 的限制: 一个是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。
另一个限制是我们在所有分析过程中均忽略了衍射 效应,这实际上是限制了系统处理的信息容量.因为信 息容量的增大,意味着透明片上的空间结构变得越来越 精细,通过透明片的光就越来越多地被衍射,只剩下越 来越少的光遵从几何光学定律,所以输出将偏离按几何 关系给出的结果.
g( x0 , y0 )
f (
d f
x0 x,
d fቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
y 0 y ) h ( x , y ) dxdy
这正是所要求的卷积。 这种系统的优点是简单易行,缺点是对f(x ,y)的空间结构越细, 得到的相关值误差就越大.因为从f(x,y)到 h(x,y)完全是按几 何投影考虑的,完全忽略了结构的衍射,结构越细,衍射越显著, 所以用这个系统处理的图像的分辨率是受到限制的.
d f
y 0 ) h ( x , y ) dxdy
为了解释这个系统的工作原理,考虑由光源上特定一点(-xo,-yo) 发出的光,经L1后变成平行光,若把第一张透明片投影到第二张透 明片上,则通过L2把光束会聚到探测器的(x0,yo)点,如果假定两个
透镜的焦距相同,那么在检测器上的强度分布为
这正是所要求的相关。若第一张输入透明片按反射的几何位臵 放入，则检测器上的强度分布为
I
i
Ii
由此可知，非相干处理系统是强度的线性系统， 满足强度叠加原理。
因此,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。
第十章
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.
早期的光学处理多属于非相干光学处理,由 于光场的非相干性质,输入函数和脉冲响应都只 能是非负的实函数.对于大量双极性质的输入和 脉冲响应,处理起来比较困难.
激光出现后,相干系统具有一个物理上的频谱 平面,可以实现傅里叶变换运算,大大增加了处理 的灵活性.又由于全息术的推动,使相干光学处理 的研究极为活跃,一度曾使非相干处理技术相形失 色.
10.2
10.2.1
基于几何光学的非相干处理系统
卷积和相关
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.
另外,当用激光照明一个漫射体时,物体表面上各 点反射的光在空间相遇而发生干涉.由于漫射物体表面 的微观起伏与光波长相比是粗糙的,也是无规的,因而 这种干涉也是无规的.当用相干光照明漫射物体时,这 个物体看上去总是麻麻点点的,这就是散斑噪声.
由于以上两种噪声的存在,因此相干光处理的 图像总是斑纹重叠,结果总不令人满意,有时甚至 把信号淹没.噪声问题成了相干光信息处理发展 的严重障碍.
H ( , )
为系统的光学传递函数OTF。非相干空间滤波是改变输 入光强频谱中各频率余弦分量的对比和相位关系，只 要根据输入输出关系,在频城综合出所需的OTF,就可实 现各种形式的滤波.