楊 坤 蘇玉玲 沈 巖 王永強(qiáng)

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院技術(shù)物理系,河南鄭州 450002)

LabVIEW與Matlab在信息光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

楊 坤 蘇玉玲 沈 巖 王永強(qiáng)

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院技術(shù)物理系,河南鄭州 450002)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到教學(xué)和科研中.將 LabVIEW和Matlab引入信息光學(xué)課程教學(xué)中,通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的程序,可使復(fù)雜的物理理論以形象直觀的實(shí)驗(yàn)仿真表現(xiàn)出來(lái).經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明,該措施可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)質(zhì)量.

信息光學(xué);LabVIEW;Matlab;空間濾波;夫瑯禾費(fèi)衍射

1 引言

信息光學(xué)是應(yīng)用光學(xué)、計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)相結(jié)合而發(fā)展的一門新的光學(xué)學(xué)科,是信息科學(xué)的一個(gè)重要組成部分,也是現(xiàn)代光學(xué)的核心.信息光學(xué)的主要思想是將通信理論中“系統(tǒng)”的觀點(diǎn)和數(shù)學(xué)上的傅里葉分析方法引入光學(xué),更新了傳統(tǒng)光學(xué)的概念,豐富了光學(xué)學(xué)科的內(nèi)容[1].

信息光學(xué)課程的主要內(nèi)容包括標(biāo)量衍射理論、光學(xué)成像性質(zhì)的頻率特性和空間濾波等.這些內(nèi)容概念比較抽象,邏輯推理能力要求比較強(qiáng),如果沒(méi)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)與之結(jié)合,教學(xué)效果將大打折扣.目前,很多高校都在壓縮必修課的比例而將信息光學(xué)列為相關(guān)專業(yè)的選修課,并且沒(méi)有開設(shè)相關(guān)的課程實(shí)驗(yàn).為了提高教學(xué)效果,我們將基于LabVIEW和Matlab的光學(xué)仿真引入到課堂教學(xué)中,實(shí)踐證明,該措施明顯提高了信息光學(xué)的教學(xué)質(zhì)量,提升了學(xué)生的獨(dú)立思考和解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

2 軟件介紹

LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司推出的一種基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái),自 1986年第一個(gè)版本問(wèn)世以來(lái),就以圖形化的編程理念在工程業(yè)界中引起了廣泛的關(guān)注.它是一個(gè)具有革命性的圖形化開發(fā)環(huán)境,它內(nèi)置數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析與數(shù)據(jù)顯示功能,摒棄了傳統(tǒng)開發(fā)工具的復(fù)雜性,從簡(jiǎn)單的儀器控制、數(shù)據(jù)采集到過(guò)程控制和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng),LabVIEW都得到了廣泛的應(yīng)用.由于LabVIEW采用了圖形化的編程語(yǔ)言,因此LabVIEW又稱為 G語(yǔ)言[2].

Matlab是美國(guó)Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件,用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)學(xué)計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境.Matlab可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語(yǔ)言的程序等,主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通信、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域[3].

LabVIEW編程簡(jiǎn)單方便,界面形象直觀;Matlab功能強(qiáng),效率高,有可靠的數(shù)值運(yùn)算功能和強(qiáng)大的繪圖功能.利用LabVIEW或Matlab進(jìn)行光學(xué)仿真已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)不少學(xué)者的關(guān)注[4～7],本文將結(jié)合 LabVIEW和Matlab的優(yōu)點(diǎn),采用兩者相嵌套的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)信息光學(xué)相關(guān)內(nèi)容的仿真.

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 夫瑯禾費(fèi)衍射

考慮無(wú)限大不透明屏上的有限孔徑Σ對(duì)單色平行平面光的衍射.設(shè)衍射屏是平面的,其上附有直角坐標(biāo)系 (x1,y1),Σ后的光場(chǎng)分布記為 U1(x1,y1).設(shè)觀察屏平面與衍射屏平行,兩個(gè)平面之間的距離為 z,觀察平面上的光場(chǎng)分布記為 U0(x0,y0).衍射屏與觀察屏上的 x,y坐標(biāo)軸彼此平行.假設(shè)孔徑Σ與觀察平面之間的距離 z遠(yuǎn)大于孔徑Σ的最大限度,只考慮在觀察平面上 z軸附近的一個(gè)有限小區(qū)域,則觀察屏上的光場(chǎng) U0(x0,y0)可表示為

式中,λ是入射光波長(zhǎng);r01是孔徑到觀察點(diǎn)的距離;k為波矢.

如果只考慮 z軸附近的區(qū)域,有 z? |x0-x1|2,|y0-y1|2,在此條件下可將式 (1)化簡(jiǎn)為

式 (2)稱為菲涅爾衍射公式.

式 (3)稱為夫瑯禾費(fèi)衍射公式.

由于在研究實(shí)際的衍射問(wèn)題時(shí),往往只需研究衍射花樣的相對(duì)強(qiáng)度分布,故式 (3)可簡(jiǎn)化為

用一幅二值圖像代替原物,利用 LabVIEW的“Read BMP File”函數(shù)讀取圖像,并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù).一路通過(guò)“Draw Flattened Pixmap”函數(shù)將原圖片顯示在前面板上,另一路數(shù)據(jù)首先通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化將布爾數(shù)組轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)數(shù)組,然后送至Math Script節(jié)點(diǎn),由 Matlab進(jìn)行處理.利用 Matlab中的 fft2()命令對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行二維離散傅里葉變換,得到圖像的頻譜,該頻譜是一個(gè)復(fù)數(shù)矩陣,然后用 abs()對(duì)該復(fù)數(shù)矩陣進(jìn)行取模,得到振幅譜矩陣.由于變換后的二維矩陣的直流分量位于圖像的周邊角,再利用 fftshift()命令對(duì)取模后的矩陣進(jìn)行頻譜位移,使直流分量移到頻譜中心.最后將處理后的圖像數(shù)據(jù)以灰度圖格式在前面板上顯示.該仿真程序的前面板和程序框圖如圖1和圖2所示.

圖1 夫瑯禾費(fèi)衍射仿真實(shí)驗(yàn)前面板

作為例子,我們對(duì)矩形孔和單縫進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真,仿真的結(jié)果如圖3和圖4所示.

仿真結(jié)果可使同學(xué)們清楚看到矩形孔在某方向上的線度與衍射圖樣上同方向的條紋的間隔成反比.對(duì)于單縫來(lái)說(shuō),由于衍射屏豎直方向的線度比較小,所以在觀察屏上的水平方向上不存在分離的衍射條紋.

3.2 空間濾波

空間濾波系統(tǒng)是光學(xué)信息處理中較簡(jiǎn)單的處理方式,利用了透鏡的傅里葉變換特性,在其頻譜面上插入適當(dāng)?shù)臑V波器,借以改變物的頻譜,從而使物圖像得到改善.

4f系統(tǒng)是一種典型的空間濾波系統(tǒng),光路結(jié)構(gòu)圖如圖5所示.由相干點(diǎn)源 S發(fā)出的單色球面波經(jīng)透鏡 Lc準(zhǔn)直為平面波,垂直入射到輸入平面P1上.P2為頻譜平面,P3為輸出平面.

圖5 4f空間濾波系統(tǒng)光路圖

設(shè)物的復(fù)振幅透過(guò)率為g(x1,y1),則頻譜面上的頻譜函數(shù)為

實(shí)驗(yàn)仿真以一網(wǎng)格圖為例,觀察通過(guò)低通濾波器、高通濾波器、水平方向?yàn)V波器和豎直方向?yàn)V波器后的圖片效果.與夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)仿真類似,圖像讀取和顯示利用 LabVIEW實(shí)現(xiàn),圖像處理利用Matlab相關(guān)命令實(shí)現(xiàn).前面板和程序框圖如圖6和圖7所示.

圖6 空間濾波仿真實(shí)驗(yàn)前面板

圖8和圖9分別是選擇低通濾波器和水平方向?yàn)V波器的實(shí)驗(yàn)仿真.圖8表明使用低通濾波器濾波時(shí),像平面的像是一大致均勻的光場(chǎng),它代表的是物的本底;圖9表明使用水平方向?yàn)V波器濾波時(shí),在像平面上只呈現(xiàn)像的垂直結(jié)構(gòu),這說(shuō)明了頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息.

所以通過(guò)空間濾波仿真實(shí)驗(yàn),可直觀明確地對(duì)空間濾波的作用進(jìn)行演示,為同學(xué)們進(jìn)一步學(xué)習(xí)光學(xué)信息處理打下基礎(chǔ).

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文中的幾個(gè)實(shí)例可以看出,利用LabVIEW和Matlab進(jìn)行信息光學(xué)課程的實(shí)驗(yàn)仿真,結(jié)合了 LabVIEW和 Matlab的優(yōu)點(diǎn),不需要大量煩瑣的編程過(guò)程,顯示直觀.在信息光學(xué)的教學(xué)中引入實(shí)驗(yàn)仿真內(nèi)容,更易于學(xué)生理解復(fù)雜的物理理論,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從而提高了教學(xué)效率.將實(shí)驗(yàn)仿真和理論教學(xué)聯(lián)系起來(lái),也豐富了教學(xué)手段,推動(dòng)了基礎(chǔ)課程教學(xué)方法的現(xiàn)代化進(jìn)程.

[1] 王仕璠.信息光學(xué)理論及應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004

[2] 劉剛,王立香,張連俊.LabVIEW 8.20中文版編程及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008

[3] 張志涌.精通Matlab 6.5版[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003

[4] 胡志丹,張鈺,房熊俊,平澄.基于 LabVIEW的衍射自動(dòng)演示儀的設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),2009,29(3):14～16

[5] 陳穎,黃文達(dá).基于Labview的光學(xué)空間濾波遠(yuǎn)程虛擬實(shí)驗(yàn)[J].光子學(xué)報(bào),2008,37(5):1071～1076

[6] 呂文華.Matlab在信息光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào),2007,7(6):153～155

[7] 謝家興,王建,代秋芳,林棟梁.基于Matlab的傅里葉變換光學(xué)仿真[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(s):130～133

APPLICATIONS OF LABVIEW AND MATLAB IN INFORMATION OPTICS TEACHING

Yang Kun Su Yuling Shen Yan Wang Yongqiang
(Department of Technical Physics,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou,Henan 450002)

Computer simulation technology has been widely applied to the teaching and scientific research.In this paper,we introduced LabVIEW and MATLAB to the teaching of information optics.The complex physical theory can be expressed by the visual experiment simulation through the relevant program design.According to practice,this method can enhance the learning interest of students and teaching quality.

information optics;LabVIEW;Matlab;spatial filtering;fraunhofer diffraction

2010-04-30;

2010-07-16)

楊坤 (1980年出生),男,講師,博士,主要從事光電測(cè)量、信息光學(xué)處理等方面的研究.