應(yīng)用光學(xué)期末復(fù)習(xí)題.doc

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1. 假定有兩個互補(bǔ)衍射物體u0(x)和uc(x), u0(x)+uc(x)=1 , 即物體uc(x)剛好為u0(x)的負(fù)片, 請給出兩者衍射圖 樣的關(guān)系，理論上與視覺上。 可見除了中心點以外，兩物體具有相同的頻譜分布，只是相位上相差。在視覺上由于我們看到的是強(qiáng)度的分布，即振幅分布的平方，因此，相位的差別看不到，除了中心一點以外，各點的強(qiáng)度分布完全相同。 2. A)請用自己語言詳述卷積與相關(guān)的區(qū)別? B)富里葉變換的本質(zhì)是什么？？ C)富里葉變換的性質(zhì) A)①相關(guān)運(yùn)算中函數(shù)g要取復(fù)共軛，但不需要折疊；②相關(guān)運(yùn)算兩個函數(shù)不存在交換率，而卷積存在。 B)傅立葉變換是利用物體的空間周期性，在頻率域上把物體分解為不同頻率分量的分析方法。 C）傅立葉變換的性質(zhì)主要有：線性定理，相似定理，位移定理，卷積定理，旋轉(zhuǎn)定理，微分定理等。 ３.a)用一般公式給出成像的卷積理論，給出物理解釋； 物體經(jīng)過透鏡的成像過程可以看作幾次連續(xù)的菲涅耳衍射過程，首先物體到透鏡前面，再經(jīng)過透鏡，再到像面。把透鏡的復(fù)振幅透過率表示為光瞳函數(shù)域二次位相因子的乘積，當(dāng)物體接近于點源時，可以作出近似，此時脈沖響應(yīng)函數(shù)可以看作是光瞳函數(shù)的傅立葉變換，這樣，可以分離像為脈沖函數(shù)同理想像的卷積。 b) 請用空間濾波理論表示相干光成像過程并給出物理上的解釋。 如果把成像系統(tǒng)看作是一個線性不變系統(tǒng)，則以把物體分解為無數(shù)點源的線性疊加，因此經(jīng)過脈沖響應(yīng)，像便成為每個點源產(chǎn)生的彌散衍射斑的疊加，其大小由點源強(qiáng)度決定。彌散斑散開的程度是物體受限程度的體現(xiàn)，總體上是濾去了高頻分量，使像相對于物變得平滑，所含信息量也減少。 c) 兩者可以統(tǒng)一嗎？ 二者完全可以統(tǒng)一起來，從卷積理論的形式上就可以看出，成像過程就是一個典型的線性濾波過程，物方信息受到光學(xué)系統(tǒng)的線性調(diào)制，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為物體同脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積。其結(jié)果是取出某些頻率分量，使像產(chǎn)生平滑變形。只不過一般來說，成像過程是一個信號的被動濾波過程，而空間濾波則一般為主動濾波過程。 d)光學(xué)傳遞函數(shù)在成像卷積理論中的意義是什么? 光學(xué)傳遞函數(shù)就是脈沖響應(yīng)的傅立葉變換；是采用傅立葉分析的方法，對成像的卷積定理做的進(jìn)一步的簡化。 e)光學(xué)傳遞函數(shù)在空間濾波理論中的意義是什么? 光學(xué)傳遞函數(shù)在線性濾波系統(tǒng)中，就是體現(xiàn)了系統(tǒng)對于物方信息的濾波情況，特別對于相干光學(xué)系統(tǒng)，傳遞函數(shù)形式上完全是由成像系統(tǒng)的光瞳函數(shù)所決定的，體現(xiàn)了成像系統(tǒng)對于物方信息的濾波性能。 f)若想設(shè)計一成像系統(tǒng)（廣義的），應(yīng)該用什么來評價保證系統(tǒng)成像質(zhì)量； 可以通過光學(xué)傳遞函數(shù)或光瞳函數(shù)盡量的大。 g)若想設(shè)計一空間濾波系統(tǒng)，應(yīng)該從什么角度去考慮才能保證達(dá)到預(yù)想濾波效果。 應(yīng)該從物體的空間頻譜作分析，使得系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)響應(yīng)的去除物體相應(yīng)的頻譜成分。 ４.a)試著用自己的語言表述本征函數(shù)的定義， 本征函數(shù)是指通過線性系統(tǒng)，其函數(shù)分布形式保持不變，而只是在原有函數(shù)分布上產(chǎn)生一個相移或振幅變換的函數(shù)。 b)測量MTF常用不同頻率的正弦函數(shù)作為輸入，為什么？ 如果我們把某一頻率的正弦函數(shù)作為輸入函數(shù)，經(jīng)過一個線性系統(tǒng)的變換，我們可以發(fā)現(xiàn)輸出函數(shù)只在該頻率的正負(fù)方向存在兩個沖擊值，由此可見，正弦函數(shù)正是一個線性系統(tǒng)的本征函數(shù)，因此，我們通過把不同頻率的正弦函數(shù)作為輸入函數(shù)，通過對該頻率處的輸出函數(shù)進(jìn)行測量，分析其輸出的振衰減或增益以及相移，從而得到振幅傳遞函數(shù)和相位傳遞函數(shù)在相應(yīng)頻率處的值，由此來測量系統(tǒng)的傳遞函數(shù)MTF。 c)可否用矩形光柵作為測量傳遞函數(shù)的輸入物，試述可否的理由。 矩形光柵作為輸入函數(shù)可以分解為僅包含奇次諧波分量的正弦序列，根據(jù)線性系統(tǒng)的定義，本征函數(shù)的線性組合仍舊是系統(tǒng)的本征函數(shù)，因此矩形光柵輸入函數(shù)仍就可以看作是線性不變系統(tǒng)的本征函數(shù)輸入，可以相應(yīng)的反映出系統(tǒng)在這些奇次諧波所在頻率分量處的振幅傳遞和相位傳遞特征，從而測量傳遞函數(shù)。 d).除上述輸入物以外，還有其他的輸入物嗎？若有請指出。 像矩形光柵一樣，任何具有周期性結(jié)構(gòu)的輸入，我們通過傅立葉分析，都可以把它分解為具有一系列正弦份量的諧波的線性組合，因此，它們都可以作為線性不變系統(tǒng)的一個本征函數(shù)輸入，從其輸出函數(shù)的相位和幅度的改變，我們可以知道系統(tǒng)在輸入函數(shù)所具有的頻率分量下的振幅傳遞和相位傳遞特征，另外還可以通過輸入平移來反映出系統(tǒng)的相位特征，因此，可以通過類似的輸入，來反應(yīng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的某些特征。 e)給出幾種測量傳遞函數(shù)的方法。 光柵法，標(biāo)準(zhǔn)板，鍥環(huán)探測器等 ５.用文字語言描述惠更斯——菲涅耳原理。 惠更斯——菲涅耳原理把空間上任意一點的場分布看作是入射光場上所有點發(fā)出的子球面波按照一定規(guī)則在該點出的相干疊加所得. ６.用自己語言理解角譜傳播理論，這樣討論有何意義? 角譜理論把空間任何一點的場分布看作是入射場頻譜各點以振幅調(diào)制的平面波形式向該點傳播疊加的結(jié)果。首先，可以方便的處理任意分布波的空間傳輸和衍射問題，而且形式上更加簡單，物理意義更加明確；另外利用角譜分析，可以比較方便的預(yù)知信號分布，例如很多情況下我們可能并不知道入射場的形式，但是我們可以測得空間傳輸后的角譜分布，這樣，我們可以利用角譜分析，反求原先的入射波分布狀況。 ７.從線性系統(tǒng)理論描述菲涅耳衍射公式物理意義。 如果把菲涅耳衍射公式中除了輸入場分布以外的其余部分，看作是衍射系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)，那么菲涅耳衍射公式可以化為一般線性系統(tǒng)的濾波形式，即輸出等于輸入信號與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積，是物方信號經(jīng)過脈沖響應(yīng)函數(shù)的線性濾波過程。 ８.從線性系統(tǒng)理論描述基爾霍夫衍射公式物理意義。 基爾霍夫衍射公式是在惠更斯——菲涅耳原理之上，考慮了超前相位，并應(yīng)用衍射的特性化簡求出傾斜因子的具體形式，這樣，除了物方復(fù)振幅分布以外的其余各項也可以看作是對輸入場分布進(jìn)行線性變換的脈沖響應(yīng)函數(shù)，它們卷積的結(jié)果也就得到了衍射后空間各點的場分布。 d) e) f) g) h) i) j) k) l) m) n) o) p) q) r) s) t) u) v) w) x) y) z) aa) bb) cc) ９. 自成像與透鏡成像的區(qū)別與相同點？ 自成像和透鏡成像在本質(zhì)上是相同的，都是在菲涅耳衍射中，通過消去二次相位因子項，從而只剩下對物體的傅立葉變換項，從而成像。只不過透鏡成像是被動的，人為的引入一個反相位的空間二次位相因子，而自成像則是利用物體自身的周期性特點，主動的消除了二次位相因子。 11.將物體放在透鏡后面距透鏡焦點d0處，則物體的FT譜與d0有關(guān)，試想像其在光學(xué)模式識別中的作用。 當(dāng)不考慮透鏡孔徑造成的影響時，物體位于透鏡后面距透鏡焦點d0處時，可以看到d的影響僅僅局限在相位上，而且像的空間頻率隨著d的增大而增大，即d可以改變像的大小，從而使相對強(qiáng)度分布改變；當(dāng)考慮孔徑影響時：d參與了對孔徑濾光的作用，即截至頻率開始與d的大小有關(guān)，這樣通過改變物體放置的位置，可以起到空間濾波的作用，即幾何光學(xué)里的漸暈，使得某些高頻的光不能通過透鏡，使得像面的分辨率降低。 12.除自成像和透鏡成像以外，用什么光學(xué)器件（新型）還可實現(xiàn)成像功能？舉出你熟悉的幾種。 ① 首先考慮消除菲涅耳衍射中二次位相因子的成像：有凹面鏡、菲涅耳波片、微透鏡陣列、光柵、全息等。 ② 集成波導(dǎo)里有一種多模干涉耦合器MMI，它則是使用輸入波導(dǎo)的初始激勵場去激勵一個突然加寬的多模波導(dǎo)區(qū)的多模場，使得多模波導(dǎo)部分的多導(dǎo)模干涉疊加，從而在長度方向周期性的對輸入信號成一個或多個的像。 ③ 另外也有通過光譜成像的，主要應(yīng)用于弱光環(huán)境下對物體發(fā)出的紅外光進(jìn)行探測，從而呈現(xiàn)物體的輪廓圖象。例如光子計數(shù)器等。 13.楔環(huán)探測器用32個楔和32個環(huán)來實現(xiàn)物體的特征提取，請設(shè)計你自己的方法來實現(xiàn)物體的識別？即假定已經(jīng)有了32個楔和32 個環(huán)的數(shù)據(jù)，該如何利用才能實現(xiàn)識別？ 把得到的數(shù)據(jù)先作光學(xué)梅林變換，再求圓諧函數(shù)，可以保證采集到的信息保持了坐標(biāo)不變和旋轉(zhuǎn)不變，最后通過放在透鏡后一定位置前后移動得到的數(shù)據(jù)譜，可以對像面上對其比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。最終得到的數(shù)據(jù)再同標(biāo)準(zhǔn)物體譜作相關(guān)，則可以實現(xiàn)模式識別。 一般意義上的光學(xué)系統(tǒng) 14.假定有一透鏡，其焦距為f,物高為h1,譜面高度為h2,在前焦面放上物，則在后焦面可得到該物的準(zhǔn)確FT，試導(dǎo)出其所能傳遞的信息容量？（為物高與可處理最高頻率的乘積），比較該信息容量與幾何光學(xué)中拉氏不變量的關(guān)系。 使用相干光照明，假設(shè)透鏡孔徑為,則相應(yīng)的截止頻率為，其空間帶寬積為： ，相應(yīng)信息容量為： 如果考慮小于截止頻率的任何物方信息 假設(shè)由物點入射到透鏡上，其入射光線與光軸的夾角為u，則相應(yīng)物方信息為 ，同樣到達(dá)像方的出射光線與光軸的夾角為u’,則相應(yīng)的像方信息為，此時沒有考慮透鏡孔徑的影響，即物方信息容量完全等于像方信息容量，則 即，也就是說拉氏不變量是描述理想光學(xué)系統(tǒng)的常量，此時物方信息沒有阻擋的到達(dá)像方，實際光學(xué)系統(tǒng)由于透鏡孔徑的限制，物方某些頻率分量不能到達(dá)譜面，此時拉氏不變量不在成立。所以說拉氏不變量表征了光學(xué)系統(tǒng)的信息傳遞能力。 15.試想像其他可用于實現(xiàn)FT的光學(xué)器件？越多越好。 微透鏡陣列，凹面鏡，菲涅耳波片 16 考慮一普遍意義上的成像系統(tǒng)(如下圖），其出瞳與觀察平面的距離為di， 假定出瞳平面的孔徑函數(shù)為P(e, h)=rect(e/l, h/l)。試寫出該成像系統(tǒng)的相干傳遞函數(shù)，問該系統(tǒng)在高斯像面的截止頻率是多少？若系統(tǒng)的放大倍率為Ｍ，則物面的截止頻率是多少？大概畫出該相干傳遞函數(shù)三維圖。 截至頻率， 17.用自己語言表述ＯＴＦ和ＣＴＦ的關(guān)系？ 1） 在截至頻率之內(nèi)，CTF都等于1，而OTF則隨著頻率的增大逐漸由1減小到0。 2） CTF的截至頻率是復(fù)振幅的最高空間頻率，而OTF的截至頻率則相應(yīng)為光強(qiáng)的最高空間頻率，因此不能直接從數(shù)值上衡量二者的優(yōu)劣。 3） 在相干光照明下，CTF系統(tǒng)截至頻率以內(nèi)各空間頻率成分幅值相位均不變；在非相干照明下，OTF在截至頻率以內(nèi)各空間頻率成分相位不變，而對比度下降。 4） 在有像差的情況下，不論CTF還是OTF截至頻率以內(nèi)的各空間頻率成分都會發(fā)生相位和對比度的變化。 1８.圖中假定光瞳函數(shù)為P(e,h), 系統(tǒng)波像差為Ｗ(e,h),試給出該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及其脈沖響應(yīng)。 19.匹配濾波的物理意義是什么？道出匹配濾波與光學(xué)系統(tǒng)成像、空間濾波的共性與異性？ 所謂的匹配實際上是指在頻域?qū)Υ龣z信號進(jìn)行相位補(bǔ)償,這意味著一個彎曲的波前經(jīng)補(bǔ)償后成為一個振幅加權(quán)．相位均勻的平面波，經(jīng)透鏡后成為一個自相關(guān)光斑。匹配濾波和光學(xué)系統(tǒng)成像、空間濾波都是對物體信號作某種調(diào)試，并對頻譜特性進(jìn)行分析。其本質(zhì)是一種特殊的空間濾波，其透過率可以看作是脈沖響應(yīng)函數(shù)。不同的是，匹配濾波系統(tǒng)是基于全息系統(tǒng)實現(xiàn)的，因此，除了通常濾波的相關(guān)項還有一項直流背景和一項卷積的結(jié)果。 20.聯(lián)合變換相關(guān)器的優(yōu)點是什么？給出聯(lián)合變換相關(guān)器的光學(xué)系統(tǒng)； 能夠抑制背景噪聲，使得到的相關(guān)頻譜明暗對比度提高。 21.梅林變換、園諧展開在模式識別中起到什么作用？還需什么才能最后實現(xiàn)模式識別？ 梅林變換：比例不變；圓諧展開：旋轉(zhuǎn)不變，還需比例不變才可以。 最后，還需要分辨率以及訓(xùn)練集來實現(xiàn)模式識別。 . 22.給出非相干光相關(guān)器的幾種形式？ 掃描相關(guān)、投影相關(guān)、空間濾波相關(guān)。 23.空間光調(diào)制器的定義？按本身的原理分常見的有哪幾種？按在光學(xué)信息處理中的使用方式分有哪幾種？ 空間光調(diào)制器指的是，在信源信號的控制下，它能對光波的某個參量進(jìn)行調(diào)制，從而將信源信號所荷載的信息寫進(jìn)入射光波之中。 按本身的原理分：（1）調(diào)制方式 ：吸收調(diào)制振幅、通過折射率調(diào)制相位、通過偏振面的旋轉(zhuǎn)調(diào)制偏振態(tài)等；（2）信源信號：分成光尋址和電尋址的空間光調(diào)制器兩大類。 按在光學(xué)信息處理中的使用方式分：透射型和反射型。 24.寫出圖中矩形位相光柵的表示式，并給出其頻譜表示式 25.若有n塊厚度相同的晶體，其光軸與入射光線垂直，出射光束共有幾種不同的相位延遲，若雙折射率差為ns和nf, 晶體厚度為d, 入射光波長為l, 問相鄰延遲光波之間的相位差是多少。 假設(shè)n為偶數(shù)，把前n/2塊晶體光軸重合，后n/2塊光軸重合，且和前n/2塊的光軸成90度，則有3種相位的偏振光，其經(jīng)過晶體的相位改變分別為： ；；，當(dāng)時，相鄰延遲光波之間的相位差分別為：。 26.按你的知識背景，說出幾種晶體的應(yīng)用場合。 （1）石英晶體用于偏振分束的鑼匈棱鏡；（2）YIG晶體用于磁致旋光材料；（3）KDP晶體用于電光效應(yīng)；KDP倍頻，相位補(bǔ)償。 27.用自己的語言說出液晶顯示器的基本原理； 液晶由于所加電壓不同，導(dǎo)致液晶分子取向不同，產(chǎn)生不同的透光率。在一定范圍內(nèi)，透光率和電壓呈線性關(guān)系，實現(xiàn)灰度控制。 偏振光通過電控雙折射晶體時產(chǎn)生的雙折射效應(yīng) 28.空間光調(diào)制器基本工作原理； 根據(jù)光照強(qiáng)度不通，改變光阻材料的電導(dǎo)率，從而改變與之串連的液晶盒的電壓，實現(xiàn)光透過率的調(diào)制。 29.磁光空間光調(diào)制器的尋址原理，給你一張圖，上面標(biāo)明了電流分布，你能找出尋址的像素嗎？？ （1）.在使用前，先通過線圈，在MOSLM上加上均勻的外磁場，當(dāng)撤去外磁場后，每個像素的磁性薄膜內(nèi)都具有剩磁，它起到了記憶原來的外磁場方向的作用。 （2）設(shè)原在MOSLM所加的均勻處磁場，其方向從紙面向外。加上圖中所示的尋址電流后， A，C單元中行、列電極的電流生成的磁場方向相反，正好抵消，對剩磁狀態(tài)沒有影響； B單元的磁場與剩磁方向一致，也不會改變剩磁狀態(tài)； D單元的外場與剩磁方相相，若寫入信號產(chǎn)生的磁場足夠大，超過矯頑力，則 D單元內(nèi)剩磁的方向反轉(zhuǎn)，即D單元被尋址。而遠(yuǎn)離l1，12交點的單元則因磁場強(qiáng)度太小而不起作用。 30.說說TFT、CMOS LCD和 LCLV顯示器的基本區(qū)別？ TFT利用尋址電信號直接加在被尋址液晶盒上，可以是透射式，器件尺寸可以比較小，驅(qū)動電壓小，功耗小，象素間干擾小， CMOS只能是反射式的，用硅基底材料，可以將驅(qū)動電路集成在一起，外部接口簡單，性價比高， LCLV(Liquid Crystal Light Valve)采用光學(xué)尋址，反差大，分辨率高，響應(yīng)速度較慢 31. 液晶大屏幕投影顯示今后的努力方向是什么？？ 透射式：(1)利用棱鏡減小體積；(2)利用偏振裝置增加亮度；(3)將微透鏡安裝在液晶裝置內(nèi)以增加亮度；(4)使用超高效率光源；(5)將液晶面板直接粘貼在合色棱鏡上，以增進(jìn)圖像對準(zhǔn)等新技術(shù)方式。 32.指出你所知道的幾種大屏幕投影方式 CRT(Cathode Ray Tube)投影 LCLV()投影 OFLV DLP(Digital Light Processor)投影 LCD TFT CMOS LCOS 答題要求：1.越簡潔越好； 2.不是每道題都有標(biāo)準(zhǔn)答案； 3.基本概念要清楚； 4.理解是關(guān)鍵