波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例

1、16 波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例波動(dòng)光學(xué)應(yīng)用舉例一一. .相控陣列雷達(dá)相控陣列雷達(dá)二二. .全息術(shù)全息術(shù)三三. .光信息處理光信息處理四四. .非線性光學(xué)非線性光學(xué)2一一. .相控陣?yán)走_(dá)相控陣?yán)走_(dá)1.光線斜入射時(shí)的光線斜入射時(shí)的 光柵光柵方程方程d sin 光柵光柵觀察屏觀察屏Lop f id sin imid)sin(sinm m確定時(shí)確定時(shí) 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)I I 則則 相應(yīng)改變相應(yīng)改變可以獲得更高級(jí)次的可以獲得更高級(jí)次的條紋（分辨率高）條紋（分辨率高）3iddsinsin2sin2sindid 2sind改變改變 即可改變即可改變 0 級(jí)衍射光的方向級(jí)衍射光的方向相鄰入射光的相位差相鄰入射光的相位差令令

2、m = = 0 則則 例如例如4 2. 相控陣?yán)走_(dá)相控陣?yán)走_(dá)微波源微波源移移相相器器輻射單元輻射單元d n 靶目標(biāo)靶目標(biāo)一維陣列的相控陣?yán)走_(dá)一維陣列的相控陣?yán)走_(dá)(1)掃描方式掃描方式 相位控制掃描相位控制掃描 頻率控制掃描頻率控制掃描(2)回波接收回波接收通過同樣的天線陣列接收通過同樣的天線陣列接收5無機(jī)械慣性無機(jī)械慣性 可高速掃描可高速掃描 一次全程掃描僅需幾微秒一次全程掃描僅需幾微秒由計(jì)算機(jī)控制可形成多種波束由計(jì)算機(jī)控制可形成多種波束 能同時(shí)搜索、跟蹤多個(gè)目標(biāo)能同時(shí)搜索、跟蹤多個(gè)目標(biāo)不轉(zhuǎn)動(dòng)不轉(zhuǎn)動(dòng) 天線孔徑可做得很大天線孔徑可做得很大 輻射功率強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、分辨率高輻射功率強(qiáng)、作用距離遠(yuǎn)、

3、分辨率高3.相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)如地形測(cè)繪、如地形測(cè)繪、 氣象監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、 導(dǎo)航、導(dǎo)航、測(cè)速測(cè)速（反射波的多普勒頻移）（反射波的多普勒頻移）相控陣?yán)走_(dá)除軍事應(yīng)用外，還可民用：相控陣?yán)走_(dá)除軍事應(yīng)用外，還可民用：6設(shè)在澳大利亞設(shè)在澳大利亞Sydney大學(xué)的一維射電望遠(yuǎn)鏡陣列大學(xué)的一維射電望遠(yuǎn)鏡陣列（N=32， =21cm，a = 2m，陣列長(zhǎng)，陣列長(zhǎng)213m）7陣列寬陣列寬31m，有，有1792個(gè)輻射單元個(gè)輻射單元。能探測(cè)到能探測(cè)到5500公里范圍內(nèi)的公里范圍內(nèi)的10m2大小的物體。大小的物體。用于搜索洲際導(dǎo)彈和跟蹤人造衛(wèi)星。用于搜索洲際導(dǎo)彈和跟蹤人造衛(wèi)星。設(shè)在美國(guó)鱈角設(shè)在美國(guó)鱈角

4、（Cape cod）的相控陣?yán)走_(dá)照片的相控陣?yán)走_(dá)照片8 二二. .全息照相全息照相 D.Gabor 1948年提出年提出 激光出現(xiàn)后很快發(fā)展激光出現(xiàn)后很快發(fā)展 1971年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 1.特點(diǎn)特點(diǎn) 普通照相普通照相 全息照相全息照相記錄內(nèi)容記錄內(nèi)容 振幅頻率振幅頻率 振幅頻率相位振幅頻率相位(全部信息全部信息)理論理論 幾何光學(xué)幾何光學(xué) 波動(dòng)光學(xué)波動(dòng)光學(xué)(相干光源相干光源)再現(xiàn)圖像再現(xiàn)圖像 平面平面 立體立體 演示全演示全息照像息照像92. 拍攝拍攝激光器激光器物光物光參考光參考光底底片片參考光在底片上各點(diǎn)振幅相同參考光在底片上各點(diǎn)振幅相同 相位也相同相位也相同 物光則不

5、同物光則不同10產(chǎn)生環(huán)狀干涉條紋產(chǎn)生環(huán)狀干涉條紋干涉極大處為暗環(huán)干涉極大處為暗環(huán) 制成正片后為亮環(huán)制成正片后為亮環(huán)全息照片為無數(shù)套環(huán)狀條紋的疊加全息照片為無數(shù)套環(huán)狀條紋的疊加r0r0+2 r0+3 分析一個(gè)點(diǎn)的物光分析一個(gè)點(diǎn)的物光r0+ 11激光器激光器物光物光參考光參考光底底片片0 0級(jí)級(jí)1 1級(jí)級(jí)-1-1級(jí)級(jí)3.再現(xiàn)再現(xiàn)用原波長(zhǎng)的參考光照射用原波長(zhǎng)的參考光照射120 0級(jí)級(jí)1 1級(jí)級(jí)-1-1級(jí)級(jí)大于一級(jí)的光強(qiáng)很弱大于一級(jí)的光強(qiáng)很弱 可不考慮可不考慮衍射光在原來的物點(diǎn)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉得到原物的衍射光在原來的物點(diǎn)產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉得到原物的實(shí)像實(shí)像左方得到虛像左方得到虛像雙光束干涉雙光束干涉-正弦光柵正

6、弦光柵13再現(xiàn)立體圖像再現(xiàn)立體圖像14再現(xiàn)立體圖像再現(xiàn)立體圖像15再現(xiàn)立體圖像再現(xiàn)立體圖像16白光全息白光全息17信息編碼和譯碼信息編碼和譯碼全息電影全息電影無損檢測(cè)無損檢測(cè)激光器激光器物光物光參考光參考光底底片片4.應(yīng)用應(yīng)用如一張玻璃片如一張玻璃片信息貯存信息貯存 106 - 109 bit/ mm218三三.光信息處理光信息處理信息光學(xué)信息光學(xué)也稱為也稱為變換光學(xué)變換光學(xué)或或付里葉光學(xué)付里葉光學(xué)基本概念起源于上世紀(jì)后期，基本概念起源于上世紀(jì)后期，20世紀(jì)世紀(jì)60年年代激光問世后代激光問世后 迅速發(fā)展為一門新的學(xué)科迅速發(fā)展為一門新的學(xué)科 dtieftF2)()( 空域付里葉變換空域付里葉變換

7、（付里葉光學(xué)基礎(chǔ)）：（付里葉光學(xué)基礎(chǔ)）：把一個(gè)把一個(gè)空間空間周期的函數(shù)用一系列正弦基元展開周期的函數(shù)用一系列正弦基元展開時(shí)域時(shí)域付里葉付里葉變換變換：把一個(gè)把一個(gè)時(shí)間時(shí)間周期函數(shù)用周期函數(shù)用一系列正弦基元展開一系列正弦基元展開 如一波列可分解為如一波列可分解為無窮單一頻率的平面波無窮單一頻率的平面波191.基本物理量基本物理量 與時(shí)域付里葉變換對(duì)比與時(shí)域付里葉變換對(duì)比如波動(dòng)：如波動(dòng)： 時(shí)域時(shí)域 空域空域 空間周期空間周期T時(shí)間周期時(shí)間周期時(shí)間頻率時(shí)間頻率T1空間頻率空間頻率1f時(shí)間角時(shí)間角頻率頻率2空間角空間角頻率頻率22fk20物物面面空間空間頻譜頻譜分析分析系統(tǒng)系統(tǒng)空空間間頻頻譜譜頻譜頻譜

8、處理處理系統(tǒng)系統(tǒng)處理處理后的后的物像物像2.基本思想基本思想 用頻譜的語言分析物面的信息用頻譜的語言分析物面的信息 用改變頻譜的手段來處理信息用改變頻譜的手段來處理信息3.基本裝置基本裝置21典型裝置：典型裝置：物物面面空間空間頻譜頻譜分析分析系統(tǒng)系統(tǒng)空空間間頻頻譜譜頻譜頻譜處理處理系統(tǒng)系統(tǒng)處理處理后的后的物像物像 fF物物面面LA頻譜面頻譜面 1 +1Lff編碼編碼 解碼解碼22 阿貝從波動(dòng)光學(xué)角度阿貝從波動(dòng)光學(xué)角度對(duì)透鏡成像做了新解釋對(duì)透鏡成像做了新解釋4.阿貝（阿貝（E. Abbe）成像原理）成像原理 +1 10fF發(fā)子波發(fā)子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干疊疊加加成成像像頻譜面頻

9、譜面 1 +123入射光經(jīng)物平面發(fā)生入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費(fèi)衍射夫瑯禾費(fèi)衍射在在L的焦平面上形成一系列的衍射斑紋的焦平面上形成一系列的衍射斑紋此即物的此即物的空間頻譜空間頻譜第一步：第一步：各衍射斑紋發(fā)出的各衍射斑紋發(fā)出的子波子波在像平面上在像平面上相干相干第二步：第二步：疊加形成物的疊加形成物的像像成像過程可成像過程可分解為兩步：分解為兩步： +1 10fF發(fā)子波發(fā)子波物面物面LAA 像平面像平面相相干干疊疊加加成成像像頻譜面頻譜面 1 +124對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射的新認(rèn)識(shí)：對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射的新認(rèn)識(shí)：數(shù)學(xué)上數(shù)學(xué)上-付里葉變換付里葉變換空域中的付里葉變換空域中的付里葉變換 - - 以正弦為基元以正弦

10、為基元付里葉頻譜分析器付里葉頻譜分析器 -理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置中的理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置中的透鏡透鏡對(duì)空間周期函數(shù)（例如光柵）做了一個(gè)付里葉對(duì)空間周期函數(shù)（例如光柵）做了一個(gè)付里葉變換變換 且把頻譜顯示在透鏡的焦平面上且把頻譜顯示在透鏡的焦平面上一定空間頻率的信息被一束特定方向的衍射波一定空間頻率的信息被一束特定方向的衍射波輸送出來。輸送出來。 光學(xué)計(jì)算術(shù)光學(xué)計(jì)算術(shù)25一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）能直接處理連續(xù)函數(shù)）能直接處理連續(xù)函數(shù) 不需要抽樣離散化不需要抽樣離散化2）能直接處理二元函數(shù)）能直接處理二元函數(shù) f

11、 (x , y) 3）是并行輸入）是并行輸入 光束交叉可獨(dú)立傳播光束交叉可獨(dú)立傳播 4）速度快）速度快 不受不受 RC 時(shí)間常數(shù)限制時(shí)間常數(shù)限制5）裝置簡(jiǎn)單）裝置簡(jiǎn)單 價(jià)格低價(jià)格低26光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：1）直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難2）易受干擾易受干擾3）只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算 作其它運(yùn)算困難作其它運(yùn)算困難光學(xué)專家和計(jì)算機(jī)專家們正在探索光學(xué)計(jì)算光學(xué)專家和計(jì)算機(jī)專家們正在探索光學(xué)計(jì)算機(jī)由機(jī)由模擬化走向數(shù)字化模擬化走向數(shù)字化利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件 （如一些電光晶體器件）（如一些電光晶體器件）可以在電信號(hào)的控制下可以在電信號(hào)

12、的控制下 達(dá)到透光和不透光達(dá)到透光和不透光即實(shí)現(xiàn)即實(shí)現(xiàn)（0，1）狀態(tài)狀態(tài)從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化27 光開關(guān)的速度光開關(guān)的速度 10億次億次/秒秒 運(yùn)算速度運(yùn)算速度 100萬次萬次/秒秒 不久達(dá)到不久達(dá)到 幾億次幾億次/ /秒秒1990.1.29 貝爾實(shí)驗(yàn)室貝爾實(shí)驗(yàn)室 數(shù)字光處理器：數(shù)字光處理器：1993年年 1cm2 GaAs襯底上集成了一百多個(gè)襯底上集成了一百多個(gè) 電泵浦微型激光器電泵浦微型激光器光計(jì)算機(jī)要求光子元件小型化、集成化光計(jì)算機(jī)要求光子元件小型化、集成化 集成光路集成光路光子技術(shù)是本世紀(jì)初國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。光子技術(shù)是本世紀(jì)初國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。美國(guó)防部將此列為美

13、國(guó)防部將此列為22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。同年美國(guó)研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。同年美國(guó)研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。28改變頻譜可改變物光的信息改變頻譜可改變物光的信息在頻譜面上放置空間濾波器在頻譜面上放置空間濾波器 可改造空間頻譜可改造空間頻譜 低通低通濾波器濾波器F F 高通高通濾波器濾波器F F帶通帶通濾波濾波器器F F 空間濾波空間濾波5.空間濾波空間濾波29L yx物物像像保留保留 fy 的頻譜的頻譜：保留保留 fx 的頻譜的頻譜：yx保留保留 f 的頻譜的頻譜： 方向方向Fyx 306.光信息處理舉例光信息處理舉例輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別（邊緣

14、增強(qiáng)）（邊緣增強(qiáng)）物體物體邊緣以內(nèi)及背景邊緣以內(nèi)及背景光強(qiáng)變化較慢光強(qiáng)變化較慢邊緣邊緣亮度變化劇烈亮度變化劇烈 高頻成分豐富高頻成分豐富物體某部分的亮度與背景亮度之比叫物體某部分的亮度與背景亮度之比叫對(duì)比度對(duì)比度主要是低頻主要是低頻 和直流成分和直流成分31從而從而突出輪廓亮度突出輪廓亮度 形成亮的鑲邊。形成亮的鑲邊。作法：作法：在物的頻譜面在物的頻譜面F上放一個(gè)高通濾波器上放一個(gè)高通濾波器（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑），（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑）， 擋掉擋掉0級(jí)和低頻級(jí)和低頻成分，成分，高頻濾波和輪廓突出高頻濾波和輪廓突出F F大大頭頭針針L LP P1 1P P2 2擴(kuò)束擴(kuò)束亮亮邊邊32輪

15、廓突出前輪廓突出前輪廓突出后輪廓突出后33光學(xué)去污光學(xué)去污帶污點(diǎn)的網(wǎng)格帶污點(diǎn)的網(wǎng)格純純凈凈網(wǎng)網(wǎng)格格污污點(diǎn)點(diǎn)用純凈網(wǎng)格譜的用純凈網(wǎng)格譜的正片正片濾波濾波純凈網(wǎng)格的頻譜純凈網(wǎng)格的頻譜 用純凈網(wǎng)格譜的用純凈網(wǎng)格譜的負(fù)片負(fù)片濾波濾波可得到可得到純凈網(wǎng)格純凈網(wǎng)格可得到可得到污點(diǎn)污點(diǎn)光學(xué)去污光學(xué)去污主要用于工業(yè)制版主要用于工業(yè)制版( (大規(guī)模集成電路）大規(guī)模集成電路）檢查模版上的污點(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版檢查模版上的污點(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版34光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測(cè)物光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測(cè)物的付氏譜進(jìn)行比較的付氏譜進(jìn)行比較 從而找出待測(cè)目標(biāo)從而找出待測(cè)目標(biāo)特征識(shí)別系統(tǒng)可以做到：特征識(shí)

16、別系統(tǒng)可以做到：從衛(wèi)星照片中檢測(cè)軍事目標(biāo)從衛(wèi)星照片中檢測(cè)軍事目標(biāo)從文件中檢測(cè)某個(gè)字從文件中檢測(cè)某個(gè)字從細(xì)胞中檢測(cè)癌細(xì)胞從細(xì)胞中檢測(cè)癌細(xì)胞進(jìn)行航空測(cè)量進(jìn)行航空測(cè)量光學(xué)特征識(shí)別光學(xué)特征識(shí)別光學(xué)偵破（指紋識(shí)別）光學(xué)偵破（指紋識(shí)別）35例如指紋識(shí)別：例如指紋識(shí)別：x平面波平面波 指紋指紋指紋指紋 平面波平面波x帶有指紋信帶有指紋信息的衍射波息的衍射波x 帶有指紋信帶有指紋信息的會(huì)聚波息的會(huì)聚波x反過來反過來x xL1P2L2亮亮點(diǎn)點(diǎn)若若 x* = x 或或x*與與 x 相關(guān)相關(guān)x平面波平面波P1參照指紋參照指紋x*頻譜面頻譜面待查指紋待查指紋36 調(diào)制（假彩色編碼）調(diào)制（假彩色編碼）（光柵拼成）（光柵

17、拼成）黑白物黑白物白光白光著色像著色像L頻譜面頻譜面空空間間濾濾波波薰黑薰黑光光柵柵藍(lán)色透過藍(lán)色透過藍(lán)色透過藍(lán)色透過紅色透過紅色透過紅色透過紅色透過物物像像頻譜面頻譜面演示演示調(diào)制調(diào)制37模糊圖象處理（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）模糊圖象處理（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）關(guān)鍵是找到關(guān)鍵是找到TG (fx，fy) 模糊圖象的譜。模糊圖象的譜。設(shè)：設(shè)：G (fx，fy) 清楚圖像的譜，清楚圖像的譜， 模糊因子，模糊因子，GGffTyx )(，令：令：濾波后濾波后GTGTGTG 11TGG 則則L1L2畸變波畸變波頻頻譜譜面面F F濾波濾波T1（透過率）（透過率）G GG 正確波正確波清清楚楚圖圖象象P2平平面面波

18、波P P1 1模糊照片模糊照片38消模糊處理前的碑文消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩(shī)）處理后的碑文（唐詩(shī)）39以達(dá)到對(duì)圖象信息進(jìn)以達(dá)到對(duì)圖象信息進(jìn) 光學(xué)光學(xué)下冊(cè)，趙凱華、鐘錫華。下冊(cè)，趙凱華、鐘錫華。 從波光學(xué)到信息光學(xué)從波光學(xué)到信息光學(xué)，宋菲君。，宋菲君。 大學(xué)物理學(xué)大學(xué)物理學(xué)（第四冊(cè)）張三慧等。（第四冊(cè)）張三慧等。參考書目參考書目總之，信息處理的總之，信息處理的關(guān)鍵關(guān)鍵在于研究清楚信息的在于研究清楚信息的頻譜特征，頻譜特征， 然后針對(duì)它研制相應(yīng)的然后針對(duì)它研制相應(yīng)的空間濾波器，空間濾波器，從而按照需要改變頻譜，從而按照需要改變頻譜，行處理的目的。行處理的目的。40四四. .非線性光學(xué)非

19、線性光學(xué)非線性現(xiàn)象非線性現(xiàn)象Laser晶體晶體棱鏡棱鏡0002選擇合適的晶體，可得連續(xù)可調(diào)激光器選擇合適的晶體，可得連續(xù)可調(diào)激光器Laser11Laser22晶體晶體2121222121倍頻倍頻混頻混頻41光致透明光致透明 強(qiáng)光時(shí)，物質(zhì)的吸收系數(shù)與光強(qiáng)有關(guān)強(qiáng)光時(shí)，物質(zhì)的吸收系數(shù)與光強(qiáng)有關(guān)強(qiáng)光可使物質(zhì)分子的一半處在激發(fā)態(tài)強(qiáng)光可使物質(zhì)分子的一半處在激發(fā)態(tài) 透明透明強(qiáng)光的自聚焦現(xiàn)象強(qiáng)光的自聚焦現(xiàn)象折射率隨光密度的增加而增加折射率隨光密度的增加而增加 類似于凸透鏡類似于凸透鏡破壞性破壞性421.強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)的相互作用強(qiáng)光與被動(dòng)介質(zhì)的相互作用2.強(qiáng)光與激活介質(zhì)的相互作用強(qiáng)光與激活介質(zhì)的相互作用 如：光學(xué)整流、光學(xué)倍頻、光學(xué)混頻、如：光學(xué)整流、光學(xué)倍頻、光學(xué)混頻、光自聚焦等。光自聚焦等。如：受激拉曼散射、受激布利淵散射。如：受激拉曼散射、受激布利淵散射。 被動(dòng)介質(zhì)被動(dòng)介質(zhì)是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，其自身的特征頻率并不起作用。其自身的特征頻率并不起作用。 激活介質(zhì)激活介質(zhì)是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，是指這種介質(zhì)在與強(qiáng)光作用時(shí)，它能以其特征頻率影響與之相互作用的光波。它能以其特征頻率影響與之相互作用