LabVIEW与Matlab在信息光学教学中的应用_杨坤

《LabVIEW与Matlab在信息光学教学中的应用_杨坤》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LabVIEW与Matlab在信息光学教学中的应用_杨坤（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、物理与工程? Vo. l 21? No. 2? 2011LabVIEW与 M atlab在信息光学教学中的应用杨? 坤? 苏玉玲 ? 沈 ? 岩 ? 王永强(郑州轻工业学院技术物理系, 河南 郑州 ? 450002)(收稿日期: 2010?04?30 ; 修回日期: 2010?07?16)摘 ? 要 ? 计算机仿真技术已经被广泛应用到教学和科研中. 将 LabVIEW 和 Matlab引入信息光学课程教学中, 通过设计相关的程序, 可使复杂的物理理论以形象直观的实验仿真表现出来. 经过实践证明, 该措施可提高学生的学习兴趣和教学质量.关键词 ? 信息光学; LabVI EW; Matlab ;

2、 空间滤波; 夫琅禾费衍射APPLICATIONS OF LABVIEW AND MATLAB IN INFOR MATION OPTICS TEACHINGYangKun?Su Yuling?Shen Yan? Wang Yongqiang(D epartment ofTechnical Physics , Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou , Henan 450002)Abstract?Computer si mulation technology has been w idely applied to the teachi

3、ng and scientificresearch.In this paper , we introduced LabVIE W andMATLAB to the teaching of infor mation optics. The complex physical theory can be expressed by the visual experi m ent si mulation through the relevantprogram design. According to practice ,thism ethod can enhance the learning inter

4、est of students andteaching quality . KeyW ords?information optics; LabVIE W; Matlab;spatial filtering;fraunhofer diffraction作者简介? 杨坤 ( 1980年出生 ), 男, 讲师, 博士, 主要从事光电测量、 信息光学处理等方面的研究.1? 引言信息光学是应用光学、 计算机和信息科学相 结合而发展的一门新的光学学科, 是信息科学的一个重要组成部分, 也是现代光学的核心. 信息光 学的主要思想是将通信理论中? 系统 ?的观点和数学上的傅里叶分析方法引入光学, 更新了传统光

5、 学的概念, 丰富了光学学科的内容 1.信息光学课程的主要内容包括标量衍射理 论、 光学成像性质的频率特性和空间滤波等. 这些内容概念比较抽象, 逻辑推理能力要求比较强, 如 果没有相应的实验与之结合, 教学效果将大打折 扣. 目前, 很多高校都在压缩必修课的比例而将信息光学列为相关专业的选修课, 并且没有开设相 关的课程实验. 为了提高教学效果, 我们将基于LabVI EW 和 M atlab的光学仿真引入到课堂教学 中, 实践证明, 该措施明显提高了信息光学的教学质量, 提升了学生的独立思考和解决实际问题的 能力.2? 软件介绍LabVI EW 是美国国家仪器公司推出的一种基 于计算机的虚

6、拟仪器开发平台, 自 1986年第一个版本问世以来, 就以图形化的编程理念在工程业 界中引起了广泛的关注. 它是一个具有革命性的图形化开发环境, 它内置数据采集、 信号分析与数 据显示功能, 摒弃了传统开发工具的复杂性, 从简 单的仪器控制、 数据采集到过程控制和工业自动化系统, LabVIEW 都 得到了广泛的应用. 由 于 LabVI EW 采 用 了 图 形 化 的 编 程 语 言, 因 此39物理与工程 ? Vo. l 21? No . 2? 2011LabVI EW又称为 G语言 2.M atlab是美国 M ath Works公司出品的商业数学软件, 用于算法开发、 数据分析以及数

7、学计算的高级技术计算语言和交互式环境. M atlab可以进行矩阵运算、 绘制函数和数据、 实现算法、 创建用 户界面、 连接其他编程语言的程序等, 主要应用于工程计算、 控制设计、 信号处理与通信、 图像处理、信号检测、 金融建模设计与分析等领域 3.LabVI EW 编 程简单方便, 界 面形象 直观;M atlab功能强, 效率高, 有可靠的数值运算功能和强大的绘图功能. 利用 LabVIE W 或 M atlab进行光学仿真已经得到国内不少学者的关注 4 7, 本文将结合 LabVI EW 和 M atlab的优点, 采用两者相嵌套的方法实现了对信息光学相关内容的仿真.3? 仿真实验3

8、 . 1? 夫琅禾费衍射考虑无限大不透明屏上的有限孔径 ?对单色平行平面光的衍射. 设衍射屏是平面的, 其上附有 直角坐标系 (x1, y1), ? 后的光场分布记为 U1(x1,y1). 设观察屏平面与衍射屏平行, 两个平面之间的距离为 z, 观察平面上的光场分布记为 U0(x0,y0). 衍射屏与观察屏上的 x, y 坐标轴彼此平行. 假设孔径 ?与观察平面之间的距离 z远大于孔径? 的最大限度, 只考虑在观察平面上 z轴附近的一个有限小区域, 则观察屏上的光场 U0(x0, y0)可表 示为U0(x0, y0) =1 i? z? ?- ?U1(x1, y1) eikr01dx 1dy1(

9、1)式中, ?是入射光波长; r01是孔径到观察点的距离; k为波矢.如果只考虑 z轴附近的区域, 有 z? |x0- x1|2,|y0- y1|2, 在此条件下可将式 ( 1)化简为? U0(x0, y0)=1 i? zeikzeik2z(x20+ y20)? ?- ?U1(x1, y1) eik2z(x21+y21)dx1dy1=1 i? zeikzeik2z(x20+ y20)F U1(x1, y1) eik2z(x21+y21)(2)式 ( 2)称为菲涅尔衍射公式.如果采用比菲涅尔近似更严格的限制条件,即令 z?k 2(x2 1+ y2 1)max, 因子 (x2 1+ y2 1)对位

10、相的影响可忽略, 则观察面上的场分布可直接由孔径上的场分布的傅里叶变换求出, 即U0(x0, y0) =1 i? zeikzeik2z(x20+y20)FU1(x1, y1)( 3) 式 ( 3)称为夫琅禾费衍射公式.由于在研究实际的衍射问题时, 往往只需研究衍射花样的相对强度分布, 故式 ( 3)可简化为U0(x0, y0) = F U1(x1, y1)( 4)? 用一幅二值图像代替原物, 利用 LabVI EW 的 ? Read B MP File?函数读取图像, 并转化为数据. 一路通过 ? Draw F lattened P ixmap?函数将原图片显示在前面板上, 另一路数据首先通过

11、数据转化将 布尔数组转换为数据数组, 然后送至 M athScript节点, 由 M atlab进行处理. 利用 Matlab中的 fft2( )命令对图像数据进行二维离散傅里叶变换, 得到图像的频谱, 该频谱是一个复数矩阵, 然后用 abs( ) 对该复数矩阵进行取模, 得到振幅谱矩阵. 由于变换后的二维矩阵的直流分量位于图像的周边角,再利用 fftshift( )命令对取模后的矩阵进行频谱位 移, 使直流分量移到频谱中心. 最后将处理后的图像数据以灰度图格式在前面板上显示. 该仿真程序的前面板和程序框图如图 1和图 2所示.图 1? 夫琅禾费衍射仿真实验前面板作为例子, 我们对矩形孔和单缝

12、进行了实验仿真, 仿真的结果如图 3和图 4所示.仿真结果可使同学们清楚看到矩形孔在某方向上的线度与衍射图样上同方向的条纹的间隔成反比. 对于单缝来说, 由于衍射屏竖直方向的线度比较小, 所以在观察屏上的水平方向上不存在分离的衍射条纹.40物理与工程? Vo. l 21? No. 2? 20113 . 2? 空间滤波空间滤波系统是光学信息处理中较简单的处理方式, 利用了透镜的傅里叶变换特性, 在其频谱 面上插入适当的滤波器, 借以改变物的频谱, 从而使物图像得到改善.4f 系统是一种典型的空间滤波系统, 光路结 构图如图 5所示. 由相干点源 S发出的单色球面波经透镜 Lc准直为平面波, 垂直

13、入射到输入平面P1上. P2为频谱平面, P3为输出平面. 设物的复振幅透过率为 g (x1, y1), 则频谱面上的频谱函数为G (fx, fy) = F g(x1, y1) (5) 如果在频谱面上放置一个滤波器, 其复振幅透过率为H (fx, fy) =Hx2 ? f,y2 ? f, 则透过滤波器的光场复振幅分布为 G (fx, fy)H (fx, fy), 再经过透镜 L2做图 5? 4f空间滤波系统光路图第二次傅里叶变换, 在输出平面 P3上产生光场复振幅 g(x3, y3). 在反射坐标中可表示为g(x3, y3) = F- 1G (fx, fy)H (fx, fy) ( 6)? 实

14、验仿真以一网格图为例, 观察通过低通滤 波器、 高通滤波器、 水平方向滤波器和竖直方向滤波器后的图片效果. 与夫琅禾费衍射实验仿真类似, 图像读取和显示利用 LabVIEW 实现, 图像处 理利用 Matlab相关命令实现. 前面板和程序框图如图 6和图 7所示.图 6? 空间滤波仿真实验前面板图 8和图 9分别是选择低通滤波器和水平方 向滤波器的实验仿真. 图 8表明使用低通滤波器滤波时, 像平面的像是一大致均匀的光场, 它代表的是物的本底; 图 9表明使用水平方向滤波器滤 波时, 在像平面上只呈现像的垂直结构, 这说明了频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息.所以通过空间滤波仿真实验, 可

15、直观明确地对空间滤波的作用进行演示, 为同学们进一步学 习光学信息处理打下基础.41物理与工程 ? Vo. l 21? No . 2? 20114? 结束语通过 文 中 的 几 个 实 例 可 以 看 出, 利 用LabVI EW 和 M atlab进行信息光学课程的实验仿 真, 结合了 LabVIE W 和 Matlab的优点, 不需要大量烦琐的编程过程, 显示直观. 在信息光学的教学中引入实验仿真内容, 更易于学生理解复杂的物 理理论, 提高学生的学习兴趣, 从而提高了教学效率. 将实验仿真和理论教学联系起来, 也丰富了教学手段, 推动了基础课程教学方法的现代化进程.参? 考? 文? 献

16、1 ? 王仕璠.信息光学理论及应用 M . 北京: 北京邮电大学出版社, 2004 2 ? 刘刚, 王立香, 张连俊. LabV I EW 8. 20中文版编程及应用M . 北京: 电子工业出版社, 2008 3 ? 张志涌. 精通 Matlab 6 . 5版 M . 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003 4 ? 胡志丹, 张钰, 房熊俊, 平澄. 基于 L abVIE W 的衍射自动演示仪的设计 J. 物理实验, 2009, 29( 3): 14 16 5 ? 陈颖, 黄文达. 基于 Labview 的光学空间滤波远程虚拟实验 J. 光子学报, 2008 , 37( 5): 1071 1076 6 ? 吕文华. M atlab在信息光学教学中的应用 J. 潍坊学院学报, 2007, 7( 6): 153 155 7 ? 谢家兴, 王建, 代秋芳, 林栋梁. 基于M atlab的傅里叶变换光学仿真 J. 光学学报, 2009 , 29( s): 130 13342