倒易空间与真是空间

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1、倒易点阵倒易点阵将空间点阵（真点阵或实点阵）经过倒易变换，就得到倒易点阵。倒易点阵的外形也很象点阵，但其上的节点是对应着真点阵的一组晶面。倒易点阵的空间称为倒易空间。倒易点阵与正点阵的关系真点阵中的一组晶面（ hkl），在倒易空间中将用一个点hkl 表示（如图所示），点子与晶面有倒易关系，关系为：点子取在（hkl）的法面上，且 hkl 点到倒易点阵原点的距离与（hkl）面间距反比从原点到hkl 点矢量 hkl 称为倒易矢量，其大小hkl=k/dhkl 式中 k 为比例常数，在多数场合下取作，但很多时候亦可令之等于射线的波长倒易点阵的性质.倒易矢量 r 垂直于正点阵的HKL 晶面 .倒易矢量长度

2、 r 等于 HKL 晶面的面间距dHKL 的倒数 倒易点阵倒易点阵将空间点阵（真点阵或实点阵）经过倒易变换，就得到倒易点阵。倒易点阵的外形也很象点阵，但其上的节点是对应着真点阵的一组晶面。倒易点阵的空间称为倒易空间。倒易点阵与正点阵的关系真点阵中的一组晶面（ hkl），在倒易空间中将用一个点hkl 表示（如图所示），点子与晶面有倒易关系，关系为：点子取在（hkl）的法面上，且 hkl 点到倒易点阵原点的距离与（hkl）面间距反比从原点到hkl 点矢量 hkl 称为倒易矢量，其大小hkl=k/dhkl 式中 k 为比例常数，在多数场合下取作，但很多时候亦可令之等于射线的波长倒易点阵的性质.倒易矢

3、量 r 垂直于正点阵的HKL 晶面 .倒易矢量长度 r 等于 HKL 晶面的面间距dHKL 的倒数 布里渊区就是由晶体倒格矢中垂面在倒易空间中分割出来的一个个区域。所以会有第一布里渊区，直至第 n 布里渊区。其物理意义在于每个布里渊区代表了一个能带，布里渊区边界就是能带边界。 固体的能带理论中，各种电子态按照它们波矢的分类。在波矢空间中取某一倒易阵点为原点，作所有倒易点阵矢量的垂直平分面，这些面波矢空间划分为一系列的区域：其中最靠近原点的一组面所围的闭合区称为第一布里渊区；在第一布里渊区之外，由于一组平面所包围的波矢区叫第二布里渊区；依次类推可得第三、四、等布里渊区。各布里渊区体积相等，都等于

4、倒易点阵的元胞体积。周期结构中的一切波在布里渊区界面上产生布喇格反射,对于电子德布罗意波,这一反射可能使电子能量在布里渊区界面上（即倒易点阵矢量的中垂面）产生不连续变化。根据这一特点,1930 年 L.-N.布里渊首先提出用倒易点阵矢量的中垂面来划分波矢空间的区域，从此被称为布里渊区。 第一布里渊区就是倒易点阵的维格纳赛茨元胞，如果对每一倒易点阵作此元胞，它们会毫无缝隙的填满整个波矢空间。由于完整晶体中运动的电子、声子、磁振子、等元激发（见固体中的元激发）的能量和状态都是倒易点阵的周期函数，因此只需要用第一布里渊区中的波矢来描述能带电子、点阵振动和自旋波的状态，并确定它们的能量（频率）和波矢关

5、系。限于第一布里渊区的波矢称为简约波矢，而第一布里渊区又叫简约区，在文献中不加定语的布里渊区指的往往就是它。 布里渊区的形状取决于晶体所属布喇菲点阵的类型。简单立方、体心立方和面心立方点阵的简约区分别为立方体，菱十二面体和截角八面体（十四面体）。它们都是对称的多面体，并具有相应点阵的点群对称性，这一特征使简约区中高对称点的能量求解得以简化（见晶体的对称性）。 7 傅立叶变换的物理意义（转）傅立叶变换的物理意义（转）1、为什么要进行傅里叶变换，其物理意义是什么？ 傅立叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法。要知道傅立叶变换算法的 意义，首先要了解傅立叶原理的意义。傅立叶原理表明：任何连续测量的

6、时序 或信号，都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。而根据该原理创立 的傅立叶变换算法利用直接测量到的原始信号，以累加方式来计算该信号中不 同正弦波信号的频率、振幅和相位。和傅立叶变换算法对应的是反傅立叶变换算法。该反变换从本质上说也是一种 累加处理，这样就可以将单独改变的正弦波信号转换成一个信号。因此，可以说，傅立叶变换将原来难以处理的时域信号转换成了易于分析的频 域信号（信号的频谱），可以利用一些工具对这些频域信号进行处理、加工。 最后还可以利用傅立叶反变换将这些频域信号转换成时域信号。从现代数学的眼光来看，傅里叶变换是一种特殊的积分变换。它能将满足一定 条件的某个函数表示成正弦基函

7、数的线性组合或者积分。在不同的研究领域，傅里叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。在数学领域，尽管最初傅立叶分析是作为热过程的解析分析的工具，但是其思 想方法仍然具有典型的还原论和分析主义的特征。“任意“的函数通过一定的分 解，都能够表示为正弦函数的线性组合的形式，而正弦函数在物理上是被充分 研究而相对简单的函数类：1. 傅立叶变换是线性算子,若赋予适当的范数,它还 是酉算子;2. 傅立叶变换的逆变换容易求出,而且形式与正变换非常类似;3. 正 弦基函数是微分运算的本征函数,从而使得线性微分方程的求解可以转化为常系 数的代数方程的求解.在线性时不变杂的卷积运算为简单的

8、乘积运算,从而提供 了计算卷积的一种简单手段;5. 离散形式的傅立叶的物理系统内,频率是个不变 的性质,从而系统对于复杂激励的响应可以通过组合其对不同频率正弦信号的响 应来获取;. 著名的卷积定理指出:傅立叶变换可以化复变换可以利用数字计 算机快速的算出(其算法称为快速傅立叶变换算法(FFT)。正是由于上述的良好性质,傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、 概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。2、图像傅立叶变换的物理意义图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标，是灰度在平面空间上的梯 度。如：大面积的沙漠在图像中是一片灰度变化缓慢的区域，对应的频率值很 低；而对于

9、地表属性变换剧烈的边缘区域在图像中是一片灰度变化剧烈的区域 ，对应的频率值较高。傅立叶变换在实际中有非常明显的物理意义，设 f 是一 个能量有限的模拟信号，则其傅立叶变换就表示 f 的谱。从纯粹的数学意义上 看，傅立叶变换是将一个函数转换为一系列周期函数来处理的。从物理效果看 ，傅立叶变换是将图像从空间域转换到频率域，其逆变换是将图像从频率域转 换到空间域。换句话说，傅立叶变换的物理意义是将图像的灰度分布函数变换 为图像的频率分布函数，傅立叶逆变换是将图像的频率分布函数变换为灰度分 布函数傅立叶变换以前，图像（未压缩的位图）是由对在连续空间（现实空间）上的 采样得到一系列点的集合，我们习惯用一

10、个二维矩阵表示空间上各点，则图像 可由 z=f(x,y)来表示。由于空间是三维的，图像是二维的，因此空间中物体在 另一个维度上的关系就由梯度来表示，这样我们可以通过观察图像得知物体在 三维空间中的对应关系。为什么要提梯度？因为实际上对图像进行二维傅立叶 变换得到频谱图，就是图像梯度的分布图，当然频谱图上的各点与图像上各点 并不存在一一对应的关系，即使在不移频的情况下也是没有。傅立叶频谱图上 我们看到的明暗不一的亮点，实际上图像上某一点与邻域点差异的强弱，即梯 度的大小，也即该点的频率的大小（可以这么理解，图像中的低频部分指低梯 度的点，高频部分相反）。一般来讲，梯度大则该点的亮度强，否则该点亮

11、度 弱。这样通过观察傅立叶变换后的频谱图，也叫功率图，我们首先就可以看出 ，图像的能量分布，如果频谱图中暗的点数更多，那么实际图像是比较柔和的（因为各点与邻域差异都不大，梯度相对较小），反之，如果频谱图中亮的点 数多，那么实际图像一定是尖锐的，边界分明且边界两边像素差异较大的。对 频谱移频到原点以后，可以看出图像的频率分布是以原点为圆心，对称分布的 。将频谱移频到圆心除了可以清晰地看出图像频率分布以外，还有一个好处， 它可以分离出有周期性规律的干扰信号，比如正弦干扰，一副带有正弦干扰， 移频到原点的频谱图上可以看出除了中心以外还存在以某一点为中心，对称分 布的亮点集合，这个集合就是干扰噪音产生的，这时可以很直观的通过在该位 置放置带阻滤波器消除干扰 另外我还想说明以下几点： 1、图像经过二维傅立叶变换后，其变换系数矩阵表明： 若变换矩阵 Fn 原点设在中心，其频谱能量集中分布在变换系数短阵的中心附 近(图中阴影区)。若所用的二维傅立叶变换矩阵 Fn 的原点设在左上角，那么图 像信号能量将集中在系数矩阵的四个角上。这是由二维傅立叶变换本身性质决 定的。同时也表明一股图像能量集中低频区域。2 、变换之后的图像在原点平移之前四角是低频，最亮，平移之后中间部分是 低频，最亮，亮度大说明低频的能量大（幅角比较大）