LabVIEW與Matlab在信息光學教學中的應用

楊 坤 蘇玉玲 沈 巖 王永強

(鄭州輕工業學院技術物理系,河南鄭州 450002)

LabVIEW與Matlab在信息光學教學中的應用

楊 坤 蘇玉玲 沈 巖 王永強

(鄭州輕工業學院技術物理系,河南鄭州 450002)

計算機仿真技術已經被廣泛應用到教學和科研中.將 LabVIEW和Matlab引入信息光學課程教學中,通過設計相關的程序,可使復雜的物理理論以形象直觀的實驗仿真表現出來.經過實踐證明,該措施可提高學生的學習興趣和教學質量.

信息光學;LabVIEW;Matlab;空間濾波;夫瑯禾費衍射

1 引言

信息光學是應用光學、計算機和信息科學相結合而發展的一門新的光學學科,是信息科學的一個重要組成部分,也是現代光學的核心.信息光學的主要思想是將通信理論中“系統”的觀點和數學上的傅里葉分析方法引入光學,更新了傳統光學的概念,豐富了光學學科的內容[1].

信息光學課程的主要內容包括標量衍射理論、光學成像性質的頻率特性和空間濾波等.這些內容概念比較抽象,邏輯推理能力要求比較強,如果沒有相應的實驗與之結合,教學效果將大打折扣.目前,很多高校都在壓縮必修課的比例而將信息光學列為相關專業的選修課,并且沒有開設相關的課程實驗.為了提高教學效果,我們將基于LabVIEW和Matlab的光學仿真引入到課堂教學中,實踐證明,該措施明顯提高了信息光學的教學質量,提升了學生的獨立思考和解決實際問題的能力.

2 軟件介紹

LabVIEW是美國國家儀器公司推出的一種基于計算機的虛擬儀器開發平臺,自 1986年第一個版本問世以來,就以圖形化的編程理念在工程業界中引起了廣泛的關注.它是一個具有革命性的圖形化開發環境,它內置數據采集、信號分析與數據顯示功能,摒棄了傳統開發工具的復雜性,從簡單的儀器控制、數據采集到過程控制和工業自動化系統,LabVIEW都得到了廣泛的應用.由于LabVIEW采用了圖形化的編程語言,因此LabVIEW又稱為 G語言[2].

Matlab是美國Math Works公司出品的商業數學軟件,用于算法開發、數據分析以及數學計算的高級技術計算語言和交互式環境.Matlab可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等,主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通信、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域[3].

LabVIEW編程簡單方便,界面形象直觀;Matlab功能強,效率高,有可靠的數值運算功能和強大的繪圖功能.利用LabVIEW或Matlab進行光學仿真已經得到國內不少學者的關注[4～7],本文將結合 LabVIEW和Matlab的優點,采用兩者相嵌套的方法實現了對信息光學相關內容的仿真.

3 仿真實驗

3.1 夫瑯禾費衍射

考慮無限大不透明屏上的有限孔徑Σ對單色平行平面光的衍射.設衍射屏是平面的,其上附有直角坐標系 (x1,y1),Σ后的光場分布記為 U1(x1,y1).設觀察屏平面與衍射屏平行,兩個平面之間的距離為 z,觀察平面上的光場分布記為 U0(x0,y0).衍射屏與觀察屏上的 x,y坐標軸彼此平行.假設孔徑Σ與觀察平面之間的距離 z遠大于孔徑Σ的最大限度,只考慮在觀察平面上 z軸附近的一個有限小區域,則觀察屏上的光場 U0(x0,y0)可表示為

式中,λ是入射光波長;r01是孔徑到觀察點的距離;k為波矢.

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

式 (2)稱為菲涅爾衍射公式.

式 (3)稱為夫瑯禾費衍射公式.

由于在研究實際的衍射問題時,往往只需研究衍射花樣的相對強度分布,故式 (3)可簡化為

用一幅二值圖像代替原物,利用 LabVIEW的“Read BMP File”函數讀取圖像,并轉化為數據.一路通過“Draw Flattened Pixmap”函數將原圖片顯示在前面板上,另一路數據首先通過數據轉化將布爾數組轉換為數據數組,然后送至Math Script節點,由 Matlab進行處理.利用 Matlab中的 fft2()命令對圖像數據進行二維離散傅里葉變換,得到圖像的頻譜,該頻譜是一個復數矩陣,然后用 abs()對該復數矩陣進行取模,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()命令對取模后的矩陣進行頻譜位移,使直流分量移到頻譜中心.最后將處理后的圖像數據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 夫瑯禾費衍射仿真實驗前面板

作為例子,我們對矩形孔和單縫進行了實驗仿真,仿真的結果如圖3和圖4所示.

仿真結果可使同學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.對于單縫來說,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

空間濾波系統是光學信息處理中較簡單的處理方式,利用了透鏡的傅里葉變換特性,在其頻譜面上插入適當的濾波器,借以改變物的頻譜,從而使物圖像得到改善.

4f系統是一種典型的空間濾波系統,光路結構圖如圖5所示.由相干點源 S發出的單色球面波經透鏡 Lc準直為平面波,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空間濾波系統光路圖

設物的復振幅透過率為g(x1,y1),則頻譜面上的頻譜函數為

實驗仿真以一網格圖為例,觀察通過低通濾波器、高通濾波器、水平方向濾波器和豎直方向濾波器后的圖片效果.與夫瑯禾費衍射實驗仿真類似,圖像讀取和顯示利用 LabVIEW實現,圖像處理利用Matlab相關命令實現.前面板和程序框圖如圖6和圖7所示.

圖6 空間濾波仿真實驗前面板

圖8和圖9分別是選擇低通濾波器和水平方向濾波器的實驗仿真.圖8表明使用低通濾波器濾波時,像平面的像是一大致均勻的光場,它代表的是物的本底;圖9表明使用水平方向濾波器濾波時,在像平面上只呈現像的垂直結構,這說明了頻譜面上的橫向分布是物的縱向結構的信息.

所以通過空間濾波仿真實驗,可直觀明確地對空間濾波的作用進行演示,為同學們進一步學習光學信息處理打下基礎.

4 結束語

通過文中的幾個實例可以看出,利用LabVIEW和Matlab進行信息光學課程的實驗仿真,結合了 LabVIEW和 Matlab的優點,不需要大量煩瑣的編程過程,顯示直觀.在信息光學的教學中引入實驗仿真內容,更易于學生理解復雜的物理理論,提高學生的學習興趣,從而提高了教學效率.將實驗仿真和理論教學聯系起來,也豐富了教學手段,推動了基礎課程教學方法的現代化進程.

[1] 王仕璠.信息光學理論及應用[M].北京:北京郵電大學出版社,2004

[2] 劉剛,王立香,張連俊.LabVIEW 8.20中文版編程及應用[M].北京:電子工業出版社,2008

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

[4] 胡志丹,張鈺,房熊俊,平澄.基于 LabVIEW的衍射自動演示儀的設計[J].物理實驗,2009,29(3):14～16

[5] 陳穎,黃文達.基于Labview的光學空間濾波遠程虛擬實驗[J].光子學報,2008,37(5):1071～1076

[6] 呂文華.Matlab在信息光學教學中的應用[J].濰坊學院學報,2007,7(6):153～155

[7] 謝家興,王建,代秋芳,林棟梁.基于Matlab的傅里葉變換光學仿真[J].光學學報,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,主要從事光電測量、信息光學處理等方面的研究.