0_现代光学信息处理导论
信息光学导论第六章
第六章光学信息处理6.1光学信息◆什么是光学信息处理光学信息处理是20世纪60年代随着激光器的问世而发展起来的一个新的研究方向，是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。
所谓光学信息，是指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态等。
光学信息处理是基于光学频谱分析，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。
较多用于对二维图像的处理。
光学信息处理通常有两种分类方法：一种是根据处理系统是否满足叠加原理而分为线性处理和非线性处理；另一种是根据光源的相干性分为相干光处理、非相干光处理和白光处理。
不同的照明方式，系统的性质和处理方法将完全不同。
◆光学信息处理简史事实上，光学信息处理的历史可以追溯到19世纪末、20世纪初。
早在1873年，著名德国科学家阿贝(E.Abbe,1840~1905) 提出了二次成像理论及其相应的实验，就已经为光学信息处理打下了一定的理论基础，是空间滤波与光学信息处理的先导。
1906年Porter首先提出了空间滤波的概念, 他在相干成像系统中的透镜后焦平面上作各种滤波处理，有意改变像的频谱，使成像发生了各种有趣的变化。
1935年荷兰物理学家泽尼克(F. Zernike，1888~1966 )相衬显微镜的发明, 他通过在相干成像系统的频谱面上放置一块位相板和一块吸收板，可以直接观察到位相物，从而荣获1953年度的诺贝尔物理学奖。
而后相干滤波技术被广泛的用来提高图像质量和实现图像的消模糊。
然而相干滤波最为成功的应用是直到60年代初Michigan大学雷达实验室的研究工作，Cutrona等人利用相干光学系统对综合孔径雷达收集到的数据进行处理，成功的绘制出了高分辨率的地貌图；V ander Lugt用离轴全息术制备出复空间滤波器，并成功地应用到光学相关识别和从噪声中提取信号。
到70年代，相干光信息处理已在光学频谱分析、解卷积逆滤波、图像微分和加减、复空间滤波器综合以及相关识别等领域得到应用。
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2015-03-09
光学信息处理是如何形成一门学科的？
通信系统理论同光学的对比
• 电子学与光学的对比
电子学
时间信息 线性不变系统 数学： 频谱分析：放大器频谱响应 脉冲响应
光学
空间信息 线性不变系统 数学： 频谱分析：MTF函数 脉冲响应
时域频率 非线性系统
二极管，三极管
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丹尼斯· 盖博：全息术的另一个意义是促进了傅里叶光学的发展
• 丹尼斯· 盖博（匈牙利语：Gábor Dénes，1900年6月5日－ 1979年2月9日），英国籍匈牙利裔物理学家，因发明全息 摄影而获得1967年的英国物理学会杨氏奖及1971年诺贝尔 物理学奖。 • 2010年6月5日，Google主页的LOGO为一个全息摄影的 Google图标，以纪念丹尼斯诞辰110周年。
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现代光学信息处理技术导论
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光学信息处理的发展历史
• 20世纪60年代以来
– 由于激光器的应用，全息术获得了新的生命； – 全息术和光学传递函数的概念结合，光学研究的内容和方法发生 了根本的改变
传统上，用光强、 振幅的空间分布来 描述光学图像
现在则把图像看作是由缓慢变化的背景、粗 的轮廓等比较低的“空间频率”成分和急剧 变化的细节等比较高的“空间频率”成分构 成的，用频率的分布和变化来描述光学图像。
1807年向巴黎科学院呈交的题为 《热的解析理论》
在求解该方程时发现解函数可以由三 角函数构成的级数形式来表示，从而 提出了任意周期函数都可以用三角函 数基来表示的想法
2015-03-09 现代光学信息处理技术导论 12
《光学信息处理》 isbn -回复
《光学信息处理》isbn -回复光学信息处理：理论与应用引言光学信息处理是基于光学原理与技术的一种信息处理方法，它利用光学器件和技术，对传输、存储、处理信息进行研究和实践。
本文将以《光学信息处理》为主题，逐步探讨光学信息处理的理论基础、主要内容与应用领域。
1. 光学信息处理的理论基础光学信息处理是在光学、电子学以及信息科学的交叉领域中得到发展的。
它借鉴了光学成像、衍射、干涉、全息以及光电技术等方面的理论基础，并结合信息科学的相关理论和方法，构建了光学信息处理的理论基础。
光学信息处理的理论基础主要包括以下几个方面：1.1 光学成像理论：光学信息处理的基本原理是通过光学成像对信息进行转换和处理。
光学成像理论研究了光传播和成像的规律，包括物体成像、像差校正、分辨率等内容。
1.2 光的衍射和干涉理论：衍射和干涉是光学信息处理中常用的技术手段。
衍射理论研究了光通过物体边缘或孔隙时的传播规律，干涉理论研究了两束或多束光相互叠加时的干涉规律。
通过衍射和干涉技术，可以实现光学信息的编码和解码。
1.3 全息理论：全息是光学信息处理的重要方法之一。
全息利用光的相位信息和干涉原理，将物体的三维信息编码到二维介质中，并通过读出这些编码信息来重构出原始物体的全息图像。
全息理论研究了全息图像的形成机制和重构算法。
1.4 光电技术：光电技术是光学信息处理的关键技术之一。
光电技术将光学信号转换成电信号或者将电信号转换成光学信号，并通过光电器件的控制和调制，实现光学信息的采集、传输、存储和处理。
2. 光学信息处理的主要内容光学信息处理的主要内容包括光学图像处理、光学信号处理、光学信息存储与传输、光学计算与逻辑运算、全息成像等。
2.1 光学图像处理：光学图像处理是将图像纹理、色调、对比度、亮度等特征的区域域可以改变，用以提取和增强图像的细节和信息，进而改善图像视觉效果。
光学图像处理技术包括滤波、边缘检测、纹理分析、图像增强、图像重建等。
光学信息处理讲义
光学信息处理1. 引 言自六十年代激光出现以来，光学的重要发展之一是形成了一个新的光学分支——傅里叶光学。
傅里叶光学是指把数学中的傅里叶分析方法用于波动光学，把通讯理论中关于时间、时域、时间调制、频率、频谱等概念相应地改为空间、空域、空间调制、空间频率、空间频谱，并用傅里叶变换的观点来描述和处理波动光学中学波的传播、干涉、衍射等。
傅里叶变换已经成为光信息处理的极为重要的工具。
光学信息处理就是对光学图像或光波的振幅分布作进一步的处理。
自从阿贝成像理论提出以后，近代光学信息处理通常是在频域中进行。
由于光的衍射,图像的夫琅和费衍射分布,即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同,这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。
近代光学信息处理具有容量大，速度快，设备简单，可以处理二维图像信息等许多优点，是一门既古老又年青的迅速发展的学科。
光学信息存储、遥感、医疗、产品质量检验等方面有着重要的应用。
2. 实验目的1) 通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2) 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。
3) 加深对卷积定理的理解4) 了解用光栅滤波实现图像相加减及光学微分的原理和方法。
5) 了解黑白图像等密度的假彩色编码。
3. 实验原理1) 二维傅里叶变换和空间频谱在信息光学中常用傅里叶变换来表达和处理光的成像过程。
设在物屏X -Y 平面上光场的复振幅分布为g (x ，y ) ，根据傅里叶变换特性，可以将这样一个空间分布展开成一系列二维基元函数的线性叠加，即)](2exp[y f x f i y x +π∫∫+∞∞−+=y x y x y xdf df y f x f i f fG y x g )](2exp[),(),(π （1）式中f x 、f y 为x 、y 方向的空间频率，即单位长度内振幅起伏的次数，G (f x ，f y )表示原函数g (x ，y )中相应于空间频率为f x 、f y 的基元函数的权重，亦即各种空间频率的成分占多大的比例，也称为光场（optical field ）g (x ，y )的空间频谱。
《现代光学导论》课程教学大纲
《现代光学导论》课程教学大纲课程名称：现代光学导论课程类别：专业选修课适用专业：物理学考核方式：考查总学时、学分：32学时 2 学分其中实验学时：0 学时一、课程性质、教学目标《现代光学导论》是依据四年制本科物理学专业培养目标而开设的专业选修课。
通过本课程的学习使学生系统学习从经典波动光学到现代变换光学的基本概念和规律、典型现象和重要应用，以及诸多方面的新进展。
培养学生理论联系实际，结合近代光学发展前沿，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，提高学生解决实际问题的能力。
为从事光学信息处理工作和近代光学信息处理技术的学习打下基础。
其具体的课程教学目标为：课程教学目标1：在经典光学基础上，利用线性系统理论和傅里叶分析方法分析光学问题；从光的物理本质电磁波出发，系统学习现代光学的基础理论,介绍光学信息处理技术的原理以及最新技术进展。
课程教学目标2：理解傅里叶变换所包含的光学变换的概念、思想基础和数理能力，使学生在以后的工作或者科学研究中遇到其他种类的变换比如分数傅里叶变换和小波变换等，也能较快地掌握，同时也可让学生感受数学工具在物理学中的重要地位。
课程教学目标与毕业要求对应的矩阵关系注：以关联度标识，课程与某个毕业要求的关联度可根据该课程对相应毕业要求的支撑强度来定性估计，H表示关联度高；M表示关联度中；L表示关联度低。
二、课程教学要求学生应预修普通物理、高等数学、光学等课程。
三、先修课程普通物理、高等数学、光学四、课程教学重、难点重点:现代光学的基础理论、基本概念。
难点:现代光学的物理机制。
五、课程教学方法与教学手段采用课堂讲授式、讨论式等教学方法，借助多媒体辅助教学手段。
通过阅读主要参考书目、网上查询、资料整理和专题讨论，加深对现代光学基本原理的了解，并了解该学科的发展前沿。
六、课程教学内容第一章：波动光学引论（8学时）1．教学内容（1）光波干涉引论；（2）光波衍射引论；（3）偏振光学引论；（4）光波的时空相干性。
光学信息处理
光学信息处理
嘿，你有没有想过，为什么我们用手机拍照能把远处的风景拍得那么清楚呢？这里面可藏着一个神奇的学问，那就是光学信息处理。
那啥是光学信息处理呢？简单来说，就是用光学的方法来处理信息。
有点懵？没关系，咱慢慢说。
你看啊，光就像一个神奇的快递员，它带着各种信息跑来跑去。
而光学信息处理呢，就是想办法让这个快递员送的信息更清楚、更有用。
比如说，我们拍照的时候，相机里面就有很多光学元件在进行光学信息处理呢。
镜头就像一个大漏斗，把光收集起来，让它照在相机里面的感光元件上。
这个感光元件就像是一块神奇的画布，把光带来的信息画下来。
但是如果没有光学信息处理，这画可能就不那么清楚啦。
再比如说，医生看病的时候用的一些仪器，也用到了光学信息处理。
那些仪器可以通过光来看看我们身体里面的情况。
如果没有光学信息处理，医生可能就看不清楚身体里面的小毛病了。
还有啊，我们看3D 电影的时候，也有光学信息处理的功劳。
它能让我们感觉电影里的东西好像真的在我们眼前一样。
所以啊，光学信息处理可重要啦。
它让我们看到的世界更清楚、更精彩。
现在你知道为什么我们的手机拍照那么清楚，为什么医生能看清我们身体里面的情况，为什么3D 电影那么逼真了吧？没错，都是因为有光学信息处理这个神奇的学问在发挥作用呢。
下次你再用手机拍照或者看电影的时候，就可以想想光学信息处理的神奇之处啦。
光学信息处理
线扩散函数 Li (xi )
Li(xi) 21aexp2xa22
Li
(xi
)
1rectxi d d
Li(xi) 21qexp2qx2i2
(f)ex 2 p2[2 o m 2f2]
线响应RL(x)的一维傅里叶变换等于系统传递函数沿fx 轴的截面分布
相干光处理的缺点：
1、相干噪声大
2、输入和输出设备的通用性问题
光学滤波系统——双透镜系统
输入面
频谱面
输出面
优点：频域大小、物像倍率可调
缺点：频谱面相位弯 曲
光学滤波系统——三透镜系统
输入面
频谱面
输出面
优点：高频损失小 缺点：。。。。。。
光学相关系统
光学相关系统
光电混合系统
相干光学反馈系统
优点： 1、方便产生复值滤波器
2、扩大动态范围
相干光学反馈系统
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第六章 光学图像和信号处理
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感谢您的聆听与 观看
共同学习相互提高
用相干系统实现的基本运算
实
加减运算
现
加
减
运
算
的
马
赫
干
涉
仪
在 P上光振动的复振幅分布为
P (x ,y ) P 1 (x ,y ) P 2 (x ,y )e j
P (x ,y ) P 1 (x ,y ) P 2 (x ,y )
当 2n 时
P (x ,y ) P 1 (x ,y ) P 2 (x ,y )
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问题：
一、单色光照明，画出频谱面上图样分布，在以下情况下：
1、输入面上无输入图像，无正弦光栅； 2、输入面上无输入图像，有正弦光栅； 3、输入面上有输入图像，无正弦光栅； 4、输入面上有输入图像，有正弦光栅； 二、白光照明，。。。。。。？
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。
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现代光学信息处理技术导论
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光信息处理发展历史：光学到底是一门什么样的学科
• 光学：有关光的产生、传输产生的变化、
人为操纵或改变 以及其他相关现象的科学 。 • 主要分支:
– geometrical optics（几何光学） – physical optics(All of the current developed science) – instrumental optics（or Optical Inst3-09
现代光学信息处理技术导论
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丹尼斯· 盖博：全息术
• Awards
– – – – – – – – – – 1956 – Fellow of the Royal Society[1] 1964 – Honorary Member of the Hungarian Academy of Sciences 1964 – D.Sc., University of London 1967 – Young Medal and Prize, for distinguished research in the field of optics 1967 – Colombus Award of the International Institute for Communications, Genoa 1968 – The first Albert A. Michelson Medal from The Franklin Institute, Philadelphia[13] 1968 – Rumford Medal of the Royal Society 1970 – Honorary Doctorate, University of Southampton 1970 – Medal of Honor of the Institute of Electrical and Electronics Engineers 1970 – Commander of the Order of the British Empire (CBE)
现代光学信息处理技术导论
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André Maréchal（法国）：通过像质评价研究认识到FT的重要性
• Robert Gaston André Maréchal： 1916.12.10 – 2007.10.14
– 1941年毕业于École normale supérieure , – 1943年获得SupOptique (École supérieure d‘optique) 的engineer's degree – 1948年获得University of Paris博士学位 ，博士论文主要研究同时考虑衍射同像差情 况下的综合成像效果，提出了后人称之为Maréchal criterion（当一个波前的RMS相 位差比其波长小14倍时，该光学系统可以认为是衍射受限系统）
人们对光学的认识不断深入，而光学在整个社会中的应用
也越来越广泛。
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光信息处理发展历史：光学发展史
第一阶段：17世纪 中叶之前 经典光学的早期发 展阶段 【几何光学】 触觉论、发射论 直线传播、小孔成像、光 的反射和凹凸面镜反射成像 Snell折射定律、费马原理 波动学说和粒子学说之争 （牛顿与惠更斯） Maxwell电磁波理论 迈克尔逊-莫雷以太实验 观测以太是否存在而设计 量子力学、相对论、波粒 二像性、物质波理论 全息术、光学传递函数 及激光器的诞生 量子光学、傅里叶光学、 薄膜光学、集成光学、非线 性光学、光纤光学等现代光 现代光学信息处理技术导论 学分支的诞生 公元前5世纪 公元前4世纪 公元前3世纪到公元17世 纪中叶
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光学信息处理的发展历史
• 20世纪60年代以来
– 由于激光器的应用，全息术获得了新的生命； – 全息术和光学传递函数的概念结合，光学研究的内容和方法发生 了根本的改变
传统上，用光强、 振幅的空间分布来 描述光学图像
现在则把图像看作是由缓慢变化的背景、粗 的轮廓等比较低的“空间频率”成分和急剧 变化的细节等比较高的“空间频率”成分构 成的，用频率的分布和变化来描述光学图像。
第二阶段：17世纪中 叶至19世纪
经典光学的快速发展 阶段【波动光学】 第三阶段：20世纪
17世纪初至19世纪末 19世纪60年代 19世纪80年代
20世纪上半叶 20世纪40年代至 60年代 20世纪60年代以来
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现代光学的诞生及 发展阶段
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光学信息处理发展的历史
• 现代光学发展的三件大事
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光学信息处理是如何形成一门学科的？
要有一门学科来解释一些现象
发展历史决定了需
• • • • • • • •
1859 Foucault:刀边实验，也叫刀口实验 1973 Abbe:衍射理论与相干成像 1906 Port：空间滤波 1927 Micheson:X光成像的评价 1907诺贝尔奖获得者 Studies in Optics (1927). 1935 Zernike：相衬显微镜 1946 Elias[i’lai :s] 通讯理论《-》光学 1950s André Maréchal【ma:hi:ʃəl】: 光学图像处理 1960s Vander Lugt, Lohman, Brown – 空间滤波器
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丹尼斯· 盖博：全息术的另一个意义是促进了傅里叶光学的发展
• 丹尼斯· 盖博（匈牙利语：Gábor Dénes，1900年6月5日－ 1979年2月9日），英国籍匈牙利裔物理学家，因发明全息 摄影而获得1967年的英国物理学会杨氏奖及1971年诺贝尔 物理学奖。 • 2010年6月5日，Google主页的LOGO为一个全息摄影的 Google图标，以纪念丹尼斯诞辰110周年。
Fourier（法国）：Fourier 变换
• 约瑟夫· 傅里叶男爵（法语：Joseph Fourier，1768年3月21日－1830年5 月16日），法国数学家、物理学家，提出傅里叶级数，并将其应用于 热传导理论与振动理论，傅里叶变换也以他命名。他被归功为温室效 应的发现者
法国科学家傅里叶由于当时工业上 处理金属的需要，从事着金属热传 导特性的研究。
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光信息处理发展历史：总览
• 光学的发展历史可以追溯到公元前5世纪，到目前已经有
2000多年的历史，并逐渐在物理学中形成了一门独立的基 础学科。 • 光学的发展历史可以看成是人们对光本性认识的历史，以 及人们利用光学技术推动社会不断进步的历史。
• 在整个发展历史中，光学也从经典光学发展到现代光学，
1807年向巴黎科学院呈交的题为 《热的解析理论》
在求解该方程时发现解函数可以由三 角函数构成的级数形式来表示，从而 提出了任意周期函数都可以用三角函 数基来表示的想法
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Fourier（法国）：Fourier 变换
• 傅里叶变换的形象表示
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– 1948年，全息术的诞生，物理学家第一次精确地拍摄了三维物体像，它 几乎记录了光波所携带的全部信息 (这正是“全息”名称的来历)！ – 1955年，科学家第一次提出“光学传递函数”的新概念，并用它来评价 光学镜头的质量。 – 1960年，一种全新的光源-激光器诞生了，它的出现极大地推动了相关学 科的发展特别是光学信息处理的发展。
“空域” “频域” – 傅里叶光学（又称信息光学）最终形成一个重要的学科分支。
• 计算机技术赋予了光学信息处理新的生命
– 随着计算机技术的发展，信息光学也获得了巨大发展，信息光学 逐渐发展成为集光学、计算机和信息科学相结合的一门技术，成 为信息科学的一个重要组成部分和现代光学的核心之一。
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空间频率 非线性系统
照相胶片，非线性光学器件
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现代光学信息处理技术导论
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历史上有名的光信息处理研究单位与专家
• Carnegie-Mellon，电气与计算机工程系， • 南开大学物理系；/母国光 David Casasent; • 天津大学精仪系；/张以谟 • CalTech/Demetri Psaltis • 清华大学精仪系；/金国藩 • Bell Laboratory, Alan Huang; • Stanford Univ, J.W.Goodman; • 哈尔滨工业大学应用物理系；/李 • The Univ of Arizona/E Wolf 淳飞 • San Diego State Univ, J.A.Davis; • 华中理工大学； /吕乃光 • Univ of California, Sing H Lee; • 四川大学物理系； /郭履荣 • Univ of Erlanggen-nurnberg/ A W Lohman; • Univ of Colorado at Boulder, John A Neff; • 西安光机所/李育林 • Georgis Institute of Technology/ William T • 上海光机所； /刘立人 Thodes; • 上海光仪所； /庄松林 • Univ of South California/ Alexander A Sawchuke; • 复旦大学； /徐克璹 • Univ of California at Santa Barbara,/Pochi Yeh; • 中科院物理所； /杨国桢、顾本源 • NEC Research Institute at Princeton/ Yao Li and Lee Giles; • 大恒光电/宋菲君 • Naval Research Laboratory,/Arthur Fisher • Alabama A & M Univ,/ H J Caulfied; • George Mason Univ, R.A.Athale; • Pennsylvania State Univ /F T S YU 2015-03-09 11 现代光学信息处理技术导论 • Arizona State Univ/J.D.Gaskill