信息光学相干和非相干光学处理
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。
相干成像与非相干成像的比较
光学信息处理
第三章
Transfer Function of Optical Imaging System
光学成像系统的传递函数
§ 6. 相干成像与非相干成像的比较
a.截止频率
相 干： Hc (,)=F{hi(xi,yi)}
非相干：
ℋ (,)=
2
jφ )
x 1 .92
x 1 .92
由于相位差的影响，应具体问题具体分析，不能瑞利判据来表述分辨 率。
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§ 6. 相干成像与非相干成像的比较
相干成像与非相干成像由于照明方式有本质的不同，是不 能直接进行比较的！ 这里主要是从量上进行对比，以加深对几个同名参数的 理解与记忆！
§ 6. 相干成像与非相干成像的比较
b.像的强度谱
例题：物体的复振幅透过率为：t1 ( x )
cos
2
x b
当此物通过一横向放大率为1的光学系统成像，系统的出瞳是半径为
di b
ห้องสมุดไป่ตู้
a
2di b
的圆孔， di 为出瞳到像面的距离，试问对该物体成像，是采用相干照明好还是
非相干照明好？
在相干照明下：
c
a di
§ 6. 相干成像与非相干成像的比较
c.分辨率
非相干： I( x ) [ 2J1( x 1.92 ) ] 2 [ 2J1( x 1.92 ) ] 2
x 1.92
x 1.92
可以用瑞利判据： σ 1 .22 λ d i
D
相 干：
I( x )
[ 2 J 1 ( x 1 .92 ) ] [ 2 J 1 ( x 1 .92 ) ] exp(
非线性光学物理中的相干光与非相干光传播特性
非线性光学物理中的相干光与非相干光传播特性非线性光学物理是一门研究光在非线性介质中传播和作用的科学。
相比于线性光学，非线性光学具有更加丰富的现象和特性，例如光自聚焦、自相位调制、频率转换等。
其中，非线性光学中的相干光和非相干光传播特性备受关注。
一、相干光传播特性相干光是指光波的相位差相对稳定的一类光波。
相比于非相干光，它们的相位关系比较清晰，可以通过干涉实验进行研究。
相干光的传播特性与非线性介质的特性密切相关。
首先，相干光在非线性介质中的传播会发生光束自聚焦现象。
这是由于非线性介质吸收光子的能力与光强的平方成正比，因此强光相比于弱光在介质中传播时会更快地被吸收。
当光束横截面较小，强度较高时，这种吸收过程就会导致光线聚焦的现象。
在该过程中，光线的强度将增大，从而进一步促进了非线性过程的发生。
其次，相干光在非线性介质中还会发生自相位调制。
自相位调制是指由于光强的变化而引起的相位的变化。
在非线性介质中，由于吸收和折射率的变化，光在传播过程中会发生相位的变化。
因此，非线性介质中传播的相干光在出射端的相位会发生调制，不同的光在经过非线性介质后的相位差也会发生变化。
二、非相干光传播特性非相干光是指一个光源的光波中不同频率和不同相位的光波混合而成的光波。
相比于相干光，非相干光波的研究更加复杂，因为它们的相位关系较为复杂。
在非线性介质中，非相干光的传播特性也有很多值得研究的地方。
首先，非相干光在非线性介质中会发生波长变化。
这是由于非线性介质吸收和散射过程的影响，导致不同波长的光在介质中传播速度和衰减程度不同，从而使得光波的频率发生变化。
其次，非相干光在非线性介质中会发生非线性光学效应。
由于光的强度较大，光子之间的相互作用会显著增强，并促进非线性光学过程的发生。
这些非线性光学效应包括和相干光一样的光束自聚焦和自相位调制，还包括光学孤子和光学脉冲的生成等。
非线性光学效应对于光学信息和光学通信等领域有着重要的应用。
总体来说，非线性光学物理中的相干光和非相干光传播特性都具有很多值得研究的地方。
近代光信息处理第3章非相干光学信息处理
第2节 把相干光源(激光)换成非相干光源(钨丝灯)，傅里
第3节 叶平面上的傅里叶变换图像就消失了，这一情形
第4节
与杨氏干涉仪类似．这是否意味着我们不能实现 空间滤波? 答案是否定的。
第5节
设想在傅氏平面上设置一小窗口滤波器H(u)，
第6节 系统的CTF=H(u)，而OTF则是CTF的自相关.
第7节
第8节
第3节 非相干光的情形．相干Vander Lugt 相关器的输出
第4节 中，相关项为（参见节4.3(14)式）
第5节
c(,) = ∞-∞ f(x,y) g[x-(-b),y-] dxdy
第6节 强度分布为
第7节 第8节
| c(,) |2 = | ∞-∞ f(x,y) g[x-(-b),y-] dxdy |2
第8节 第9节
在相干光处理系统中，我们总是假定空间相干 宽度大于光学系统的横向特征尺度；
在非相干光处理系统中，我们总是假定空间相 干宽度为零；
而在部分相干光处理系统中，假定空间相干宽
度大于零，并小于系统的特征尺度。
第3章
7
目 录 2019/11/24 第1节
3.2 非相干像的形成 光学信息处理
第9节
第3章 图3.3 滤波平面上的实窗口函数生成的CTF及OTF13
CTF是高通滤波器， 从 u =a 到 u = a+b， 但MTF仍是低通滤波器，从u = -b 到 u = b 与a无关
由一组无规则分布的小孔构成的孔径的作用相当
于低通滤波器．这样一个滤波器的截止频率可以由针 孔的直径导出，相当于 b．
光学信息处理
第1节
然而在非相干情形下联合傅里叶变换
第2节 器(JTC，参见节4.8)不起作用．联合傅里
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
07信息光学复习要点
30、透镜孔径对于参予变换的有效物体的各种频率成分的影响？ 30、透镜孔径对于参予变换的有效物体的各种频率成分的影响？ 31、成像系统的普遍模型由哪三个部分组成？ 31、成像系统的普遍模型由哪三个部分组成？ 32、什么叫衍射受限系统？ 、什么叫衍射受限系统？ 33、相干照明和非相干照明光场的特点？如何实现两种照明？ 33、相干照明和非相干照明光场的特点？如何实现两种照明？ 34、什么叫OTF和CTF？两者的联系，像差对OTF以及像的影响。 34、什么叫OTF和CTF？两者的联系，像差对OTF以及像的影响。 OTF OTF以及像的影响 35、全息术的方法和原理？什么叫全息图的冗余性. 35、全息术的方法和原理？什么叫全息图的冗余性 全息图的冗余性 36、 36、画图说明全息信息存储与再现的方法 37、像面全息有什么特点？什么是彩虹全息？ 37、像面全息有什么特点？什么是彩虹全息？ 38、体积全息为什么可以用于多重记录？ 、体积全息为什么可以用于多重记录？
39、4f系统中如何实现两个图像的相加与微分图像的输出 、 系统中如何实现两个图像的相加与微分图像的输出 40、从所使用光源的空间和时间相干性来说, 40、从所使用光源的空间和时间相干性来说,光学处理的分 类有哪几种？ 类有哪几种？ 41、匹配滤波的本质的是什么？ 41、匹配滤波的本质的是什么？ 42、什么空间光调制器？ 、什么空间光调制器？ 43、什么叫做液晶？大致可分为哪三类？ 、什么叫做液晶？大致可分为哪三类？ 液晶 44、试说明硫化镉液晶光阀（LCLV）的结构和工作原理？ 44、试说明硫化镉液晶光阀（LCLV）的结构和工作原理？ 45、什么叫二元光学，如何制作二元光学元件？ 45、什么叫二元光学，如何制作二元光学元件？ 46、什么叫基元全息图。 46、什么叫基元全息图。
信息光学基本概念要点2010综述
U ( P ) a( P )e
j ( P )
U ( P ) 称为单色光场中P点的复振幅，它包含了P点光振动
的振幅a(P)和初相位（P）。它与时间无关，而仅是空间位 置的函数。对于单色光波，由于频率恒定，由时间变量确定 的相位因子exp(-j2 t)对于光场中各点来说均是相同的。 光场中光振动的空间分布完全由复振幅U随空间位置的变化所 确定。
二维光场分析
只要满足如下两个条件应用标量理论得到的结果（衍射场能量 分布）与实际十分相符. （1）、衍射孔径比波长大得多； （2）、观察点离衍射孔径不要太近。 对于大多数问题，这两个条件是常常是能满足的。 球面波和平面波是波动方程的基本解，而由波动方程的线性性 质，任何复杂的波都能用球面波或平面波的线性组合表示。因 此，有必要了解从数学上来描述这些波。
对于空间不变系统，其输入与输出的变换关系是不随输入空间位置而变 化的变的。其唯一的效应是输出发生同样的位移。
对于线性不变系统，叠加积分式变为
g( x , y )
f ( , )h( x , y )dd
(**)
f ( x , y ) * h( x , y )
它决定了输入频谱中各种频率成分通过系统时将发生什么 样的变化。 说明：对线性平移不变系统，可以采用两种研究方法。一是在 空域通过输入函数与脉冲响应函数的卷积求得输出函数；二是 在频域求得输入函数与脉冲响应两者各自的频谱函数的积。再 对该积求逆傅里叶变换求得输出函数。
7、线性不变系统的本征函数 定义：如果函数 f (x,y)满足条件
巴比涅原理对这样一类衍射装置特别有意义，即衍射屏由平面波照明，其 后装有透镜，在焦平面上接收衍射图像（衍射屏的夫琅和费衍射图样）。 这时的自由光场在像平面上除焦点外，U0处处为零。从而除像点外，处处有