深入浅出解析：相位究竟是什么？
今天给各位分享深入浅出解析：相位究竟是什么？的知识，其中也会对进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！
今天，我们就来揭开相位的神秘面纱。
平静的水面上扔一块石头，会激起一圈圈涟漪；熊熊燃烧的火光后面，可以看到一张阴暗变形的脸；当激光束照射在全息干板上时，可以看到栩栩如生的三维形状图像；滴答作响的时钟、在地上旋转的陀螺被老人鞭打……所有这些都与“相”有关。
然而，说到相，大家似乎同时感到熟悉又陌生。这个术语不仅在计算光学成像中无处不在，而且在光学、数学和信号处理领域也很常见，但似乎每次看到它的感觉都有点不同。我看到很多光学专业的学生都有一种固定的思维，认为相位应该是光波函数的相位。然而，当他们读一些文献时，看到相时往往显得不知所措。
那么计算成像有哪些阶段呢？方面能带来什么？我们还能用相位做什么？如何引入和解释计算成像中的相位？
相位分集
1 相位到底是什么？
我们生活在一个充满各种波浪的世界。要了解相位，我们必须首先了解什么是波。可能有人觉得这个问题有点奇怪，但是有必要吗？划船时的水波、收音机里的声波、跳绳时的绳波。当然，生活中还是有很多波动的。我们需要透过现象看到本质，这就是我们如何用统一的数学语言来描述波浪。
光是一种满足波动方程的电磁波：
求解这个方程并不是我们这里需要深入讨论的问题。有兴趣的读者可以参考光学大师波恩先生的著作，电话：《光学原理》。我们先来看看阶段的定义。以简谐波为例，如果正弦函数y=A·sin(t+)描述角频率为、幅度为A的振动，则t+就是相位。如果写成y(x,t)=A·sin(t+-kx)的形式，则描述了振幅为A、波长为=2/k的波。换句话说，相位描述的是“振荡”，存在于周期性现象的描述中，类似于振动、交流电、波浪等。
是不是很无聊？然后我们再看一些更无聊的事情。在物理学和应用科学中，经常使用复数函数Y(x,t)=C·e，其中复振幅C=Ae·Y(x,t) 的虚部对应于y(x,t)多于。
简谐振动的相位和波的相位
我之所以讲这些无聊的内容，只是为了理清来龙去脉。
这里我们需要总结一下：所有以复数形式书写的表达式都有相位，相位是与参数相关的相对值。看看，这不是很简单吗？我再次强调：任何复数都必须有相位；相位是一个相对值，必须与初始位置一起使用。其实可以概括为：凡是可以表示为周期函数的东西，都有一个相位。
比如，一声“解散”的命令后，原本排列整齐的队伍立刻变得一片混乱； “回”一声令下，排列整齐的队伍很快就恢复了状态。在这里，每个人都有自己的位置，这个位置就相当于相位。
队列归航
因此，你会看到各种各样的复杂表达式。显然，这些复杂的表达式包含阶段，但你可能不知道这个阶段到底意味着什么。然后让我们列出计算光学成像中会遇到的阶段。
第一个是我们熟悉的光波函数，它有振幅和相位。由于光检测是强度信息，因此相位检测是通过间接方法（例如干涉）来测量的。自然光的时间相干性和空间相干性都很差，相位可以认为是混乱且不可预测的，因此难以记录。
光波和波函数
第二个是全息术。我们知道全息表示本身很复杂并且自然具有阶段性。最重要的是全息记录了相位信息。只需用满足布拉格条件的再现光照射全息图即可重建原始相位。
三是两极分化。在第四篇文章《偏振：古老而新鲜》中，我们已经提到偏振乍一看似乎找不到相位，但如果深入分析就会知道，偏振有两个量：偏振度和偏振度。偏振角，其中偏振角可以等效视为相位。
第四是结构光成像。我们知道，当平面波投射到物体表面时，遵循菲涅耳定律产生折射和反射。物体表面的波动会引起相位变化，不再是平面波。通过记录此时的波前，可以恢复物体。三维形状。这是教科书上的表达方式，但实验并不那么容易。
我们希望能够在自然环境中记录相位并实现三维成像。其实很简单。使用结构光照明，通常是黑白平行条纹。当投影到物体表面时，您可以看到条纹的变形。这种变形正是我们通过光照引入的阶段。记录条纹的变形。可以分析相位以重建三维形状。
五是大气、水等混沌介质。这种我们可以称之为“计算媒体”的东西往往在成像中扮演着非常糟糕的角色。大气扰动会使天文望远镜无法清晰地看到目标，因此自适应光学的问题；也会产生散射，我在上一篇文章中讨论过。
第六个是傅里叶变换。傅立叶变换也是复数形式，有频谱图和相图；图像傅里叶变换相图表示图像的位置和结构信息。在计算光学成像中，我们经常遇到频域中的信息处理，其中涉及到傅里叶相位的处理。散斑自相关成像就是一个典型的例子，其相位恢复就是恢复傅里叶变换相位。傅里叶望远镜当然更相关。
数学傅里叶变换
还有相关运算引入的相位。其实相关运算可以看成和傅里叶变换是一样的东西，只是一种扩展。
再进一步看，其实还有很多与相位相关的东西，比如有像差的光学系统、多眼相机、微透镜阵列、多角度照明等等，都有相位的引入。然而，其中一些相位是“坏”的，我们不想要它们，例如像差，而有些是我们想要引入的“好”相位，例如多角度照明。
上面说了这么多，那么phase到底能做什么呢？
2. Phase 可以做什么？
首先，相位是一个高维物理量。高维信息处理好后，投射到低维上，肯定会有好的结果。这当然取决于我们想要在低维空间中得到什么。光电成像正朝着“更高、更远、更宽、更小、更强”的目标发展。从应用角度来看，我们需要将偏振、光谱、相位等高维物理信息转化为分辨率、作用范围、视场角、重量、体积、环境适应性等，当然还有深度信息。
维度信息有效性雷达图
让我们讨论一下计算光学成像中“相位”的力量。
从相位本身的物理意义上来说，它是一个代表“相对位置”的物理量，自然决定了它具有与位置相关的能力。例如，全息术就是一个典型的例子。那么，相位在三维成像、提高成像分辨率、简化光学系统设计、提高环境适应性等方面能发挥什么作用呢？
3D 成像阶段
全息成像真正拉开了三维成像领域的序幕。从全息干板到现在的数字全息，相位是密不可分的。然而，干板记录了干涉条纹。通过光源照明可以恢复相位信息，看到真实的三维图像。并且，即使干板破碎，每一个小片都记录了物体的全息图，但分辨率降低了；而数字全息术则通过光电探测器记录全息图，并利用标量衍射理论从干涉强度图中恢复相位，从而达到全息术的目的。
光电成像与显示必须走向三维！光电成像实现的二维图像如果没有深度信息就不能说是三维的。那么如果相位可以被记录或恢复，是否可以像全息成像一样，重建三维图像呢？答案是肯定的。
利用非相干光进行三维成像的例子包括：双目立体视觉、结构光照明三维成像、偏振三维成像和散射成像等。
双目立体视觉利用视差和三角形几何关系实现，但深度计算模型是根据理想相机建立的。在实际应用中，需要对双目相机进行标定以获得内参数、外参数以及相应的矩阵。该应用程序是与相位无关的。
双目立体视觉
结构光照明三维成像是一种主动照明方法，利用正弦条纹、格雷码、随机纹理等编码模式引入相位信息。当然，我们也可以使用时间编码的方法。以正弦条纹为例，当正弦条纹通过投影装置投影到被测物体上时，会发生弯曲变形。根据弯曲程度可以解调相位，然后可以将相位转换为整个场的高度。这就是结构光三维成像的基本原理，其他编码形式与此类似。显然，这种方法与全息术不同。它只能对结构光照射的形状进行三维重建，这意味着只能从一个方向进行观察。它是三维的，但不具有“全息”特性。
基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术
偏振三维成像本质上是利用偏振角度信息来重建三维形貌。这个偏振角实际上就是相位，这在第四篇文章中已经讨论过。
我们知道，散射光场具有“全息”特性。一方面，我们可以从散射场中解释相位信息，获得景深数据，实现三维重建；另一方面，选择小散斑也可以解释物体信息的产生，但分辨率降低，这与全息术非常相似。事实上，如果我们从另一个角度来看，散射可以被认为是结构光编码的一种特殊形式，既有幅度调制，也有相位调制。这既是散射成像的魅力，也是挑战，需要我们更好地探索。
提高成像分辨率的相位
1953年，荷兰科学家泽尼克因发明相差显微镜而获得诺贝尔物理学奖。这是第一个将相位转换为强度的成像案例。其原理是利用光的干涉原理将相位差转化为强度。一种转换振幅差异（即明暗差异）的显微镜装置。相差显微镜实际上是将人眼不可见的相位信息转化为强度，可以解决透明物体的成像问题。
相差显微镜和成像结果
那么我们可以利用相位来提高分辨率吗？近年来流行“相位成像”，即从强度中恢复相位信息。主要有两种方法：一是相干光照明。根据光的衍射理论，光的相位可以影响强度信息，这可以通过引入某些光学元件使相位反射到图像上并记录相位对比度来实现；另一种是利用已知的强度信息，利用傅里叶光学原理来解释相位，称为定量相位成像。成像）。
细胞的相位定量测量原理及定量相位成像
说到分辨率，就必须说到阿贝衍射极限。光学成像分辨率可表示为=，其中k为系数，如0.61，为波长，NA为数值孔径。从公式来看，提高分辨率的手段基本上就是减小波长和增大数值孔径。显然，对于大多数成像来说，数值孔径更为重要。除了常规的增大光学孔径和油浸介质的手段外，提高数值孔径所采取的方法都与相干性有关，而相干性必然与相位密不可分。常见的结构光照明成像、堆叠成像、散射成像和合成孔径成像都离不开相位。
现在我们要思考的是，能否将高维的相位量投影到分辨率的维度，能否提高分辨率？能。让我们看一个现实生活中的例子：人类的双眼视觉比单眼视觉更好。原因是存在视差，视差在大脑视觉合成过程中引入了相位并提高了分辨率。这不是很有趣吗？这里我问一个问题，这个阶段是什么？它是如何被引入的？还有哪些其他方法可以将相位和分辨率紧密结合起来？
简化相位光学系统设计
光学系统设计的本质是相位的优化控制。为了减少像差，传统光学系统采用多个镜头的组合来优化设计，以牺牲体积、重量和加工成本为代价带来良好的图像质量。在计算光学系统的设计中，简化光学系统的核心一定是相位的混叠和解释。听起来很简单。缩小镜头并增加光学系统中的编码过程会引入相位变化；如果把成像看成一个线性模型，那么解释就是求共轭矩阵的过程，这样就可以回到传统光学成像的效果；如果是非线性模型，那么你应该考虑减少镜头和编码过程引入的相位变化，以及是否可以扩展景深并提高分辨率。
光学相位
这很有趣。想一想，你用了一种廉价的方法，不仅可以减小尺寸和重量，而且可以实现三维成像，并且分辨率还可以提高。这是梦吗？理论上来说，这确实可以做到，但是还有很多问题需要克服，比如能量减弱导致的对比度降低、数字信号处理引入的噪声和虚假重建、频谱混叠和相位混叠等。当然，相位信息不足。本质上，仍然是多维物理光场的问题。
提高环境适应性的阶段
大气扰动、雾霾、烟雾、水等介质会引起相位变化，导致图像失真、能见度不清晰、看不清等问题。自适应光学实际上解决了相位问题。然而，自适应光学也有其自身的局限性。除了需要航标灯之外，价格昂贵，也不一定能解决问题。这实际上又回到了光场的问题。目前，散射成像应该是解决环境适应性问题的最佳途径。归根结底，还是相位恢复的问题。当然，你也可以更奇思妙想，想办法引入其他因素来更好地解决问题。
自适应光学应对大气扰动
我们还可以探索相位在其他方面的潜力。例如，它能否起到扩大视野、解决“更广泛”问题的作用？我认真地告诉你：我不知道！但我的直觉告诉我，应该有出路。如果你再问我为什么，我只能认真地告诉你：我读的书可能比你多。
其实说了这么多，核心问题最终还是回到了多维物理光场的问题。如果现在的很多方法看起来效果不太好，我再告诉你一次：那是因为我们现在都在用线性模型。非线性成像模型仍在路上，但我看到它已经越来越近了！
3 如何利用好相位？
之前我们讨论了计算成像中的相位类型以及它们可以用相位做什么。那么我们能不能好好利用阶段呢？相位如何使用？
要回答这个问题，首先要明白你要处理“谁”的方面，谁的钥匙打开谁的门；然后看看该方面想要解决什么问题，对症下药。不过目前面临的问题可能有两类：一是有相但不知道怎么用，二是没有相。
在这里，我们先把相看成是“钱”。地主傻儿子给他多少钱，他都不知道怎么用。相反，他的钱越多，他就越危险。解决问题的办法就是娶一个好妻子。可是，哪个好姑娘会喜欢一个傻子呢？然后找个好管家梳理一下。方面也是如此。显然，这些高维信息一定是带着神秘的力量来到你身边的，只是你不懂得珍惜！我们还要求神，求香这个神仙姐姐能做什么，怎么做。
如果一个穷小子身无分文，不努力赚钱，他肯定会死。解决问题的办法就是想办法致富。不能只顾吃喝而不求上进！哎，想想自己经常偷懒真是罪孽啊！阿弥陀佛！对于相位的缺失，就是想办法引入相位，比如结构光照明。同样，对于相位平衡不足的情况，目前通过焦点前后的微动来捕获多组数据，以更好地恢复光场。
你认为做一个能赚到足够的钱花、想赚多少就赚多少的人更好吗？可惜的是，在现实生活中，这种月光族往往不敢对生活有奢侈的要求。对于阶段的引入也是如此。最好大方一些。你可能根本不知道阶段的深度。你不想努力工作吗？来吧，孩子，再迈出一步：人和废物回收站。
有人问：为什么磨砂玻璃贴上胶带后就变得透明了？这实际上是一个相位补偿的问题。磨砂玻璃的随机波动会带来相变，你无法清楚地看到。当你把胶带贴在上面的时候，因为粘得很好，正好抵消了相位，所以磨砂玻璃就变得透明了。不信的话，在磨砂玻璃的平面上贴上胶带。我敢跟你赌一毛钱，毛玻璃不可能变得透明。事实上，这条胶带在数学上就是毛玻璃矩阵的共轭矩阵。
胶带使磨砂玻璃变得透明
我知道您是一个勤奋的年轻人，对计算光学成像充满向往。你还买了武功秘籍，开始修炼基础内功。当你刚开始取得成功时，你看到路不平坦，拔刀相助，却被当地黑帮牛二击败。你还在想：他怎么能不按公式出招呢？隔壁疯老头指点你：你不是还有刀吗？这把刀可能就是那个极化，你还记得极化吧？当你感到没有出路的时候，除了反省之外，你还要思考低维空间之外的问题，运用你所有的技能。偏振、光谱、相位，这些物理光场中的先进玩意，结合起来，就具有无穷的威力。
近年来，我们经常看到“折叠”、“层压”等高级词汇。正如我之前提到的，我们仍然需要探索光的信息压缩方法。
有一天，你，一个正在步行计算光学成像的流浪青年，途中遇到了一位神仙姐姐，问道：“女施主，我怎样才能到西方？”神仙姐姐看了你一眼，说道：来吧，来吧，小伙子，我看你才华横溢，聪明才智，很有缘分。请拿这本书《凌波微步》了解一下方面。如果你不会其他武功，凌波微步只能救你一命。我这里还有一个无形的小技能，你能学吗？ ”
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用户评论
这篇文章真是太棒了！相位的概念一直让我困惑，看到你详细的解释后，感觉豁然开朗。尤其是你提到的实际应用，让我对这个话题产生了浓厚的兴趣，期待你能写更多关于这个领域的内容！
有9位网友表示赞同！
我觉得这篇文章有点肤浅。相位的定义很简单，但你没有深入探讨它在不同领域的实际意义，比如在物理学和音乐中的应用。希望下次能提供更多深度的分析，让我们更好地理解这个概念。
有20位网友表示赞同！
相位的讨论总是让我想起我在大学物理课上学到的内容。这篇文章让我回忆起那些有趣的课堂。你用通俗易懂的语言解释了复杂的概念，真是太好了！
有13位网友表示赞同！
看到标题时我以为会是个很枯燥的话题，但你写得真有趣！尤其是你提到的相位对我们日常生活的影响，真是让我大开眼界。我会推荐给我的朋友们，让他们也来看看。
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这篇文章有点失望。相位的内容虽然重要，但你的讲解方式让我觉得无聊。希望你能尝试用更生动的例子来吸引读者的注意力，毕竟这是个很有趣的话题。
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相位的概念在我看来确实很复杂，但你的解释让我明白了很多。我特别喜欢你提到的相位差的例子，这让我想起了我最喜欢的音乐。期待你分享更多相关的知识！
有9位网友表示赞同！
我觉得这篇文章缺乏深度。虽然你提到了一些基本概念，但对于那些已经有一定基础的读者来说，可能会觉得不够有趣。希望能看到更深入的分析和讨论。
有8位网友表示赞同！
这篇文章让我对相位有了新的理解，尤其是你提到的在电子产品中的应用，真是让我惊讶。我想知道更多关于这个话题的信息，希望你能继续写下去！
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说实话，我对相位的理解一直都停留在表面。看完这篇文章，我才意识到它在生活中的重要性。感谢你用简单易懂的方式解释了这么复杂的概念，期待更多类似的内容！
有6位网友表示赞同！
这篇文章让我有点迷茫。虽然你提到了相位的基本定义，但我还是不太明白它的具体应用场景。希望你能提供一些实例，帮助我们更好地理解这个概念。
有11位网友表示赞同！
我觉得这篇文章写得很好！相位这个话题本身就很有趣，而你的分析让它变得更生动。我尤其喜欢你提到的相位在音乐中的应用，这让我对音乐有了新的理解！
有5位网友表示赞同！
这篇文章让我感到无聊。相位的讨论虽然重要，但你的文字缺乏吸引力。希望下次能尝试用更有趣的方式来讲解这个话题，让读者更愿意继续阅读。
有13位网友表示赞同！
我一直对相位这个概念感到困惑，看到你的文章后，终于有了些许明悟。尤其是你提到的不同相位对信号传输的影响，让我对这个话题产生了浓厚的兴趣。希望能看到更多类似的内容！
有16位网友表示赞同！
这篇文章的结构有点混乱，导致我在阅读时感到困惑。相位的定义和应用需要更清晰的阐述。希望你能在后续的文章中整理一下思路，让内容更易于理解。
有5位网友表示赞同！
我觉得这篇文章非常有启发性！相位这个概念虽然看似抽象，但通过你的讲解，我开始理解它在生活中的实际应用。期待你能分享更多相关的知识和见解！
有12位网友表示赞同！
这篇文章让我感到不够深入。虽然你提到了相位的基本概念，但对于一些已经有基础的读者来说，可能会觉得内容太简单。希望能看到更具挑战性的讨论。
有19位网友表示赞同！