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1.光学信息处理2.阿贝波特实验3.振幅和相位滤波4.相干光学信息处理5.非相干光学信息处理机械工业出版社第八章 光学信息处理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 1/85 1、引言什么是光学信息处理？所谓的光学信息处理，是指用光学方法实现对输入信息的各种变换和处理1）这些输入信息可以是光信息，也可以是电信号或声信号，但这些信号需要使用电光或声光转换器件，把它们变为光信号，再输入光学系统处理2）用光学方法可以实现各种变换和处理，例如菲涅耳变换、傅里叶变换、卷积运算，以及去噪、编码与解码等光学信息处理通常有两种分类方法1）根据系统是否满足线性叠加性质分为线性处理和非线性处理；2）根据使用光源的时间和空间相干性分为相干光处理、非相干光处理和白光处理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 2/85 1、引言1859年，佛科(Foucault)的刀口检验；1873年，阿贝(E.Abbe)提出显微镜成像理论；1935年，泽尼克提出了相衬原理，获1953年诺贝尔物理学奖；1948年，伽柏发明全息术，获得了1971年诺贝尔物理学奖；50年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学—光学信息处理的理论和技术奠定了基础。

60年代，激光器诞生，全息术获得重大发展，相干光处理进入蓬勃发展的阶段；70年代，为克服相干噪声，转向非相干光处理、白光处理；90年代，迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展和延拓，为光学信息处理开辟了更广的领域随着计算机技术的发展，电子数字计算机和光学模拟处理器将结合起来，构成混合处理系统；同时，光计算也将成为非常重要的研究领域发展简史光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 3/85 1、引言光学处理和数字处理的比较1）光学处理是并行处理，处理系统是二维的，特别适用于对图像的快速和实时处理；数字图像处理主要指计算机图像处理，它对数据的处理方式是逐点的、一维的，原理上讲处理速度慢2）光学处理系统的信息处理容量大，运算速度快，系统结构简单，操作方便，可实现一些二维信息处理，例如二维傅里叶变换、二维复函数的卷积和相关运算等3）光学信息处理的缺点主要是缺少灵活性因此，可以把光学处理和数字处理结合起来，取长补短，组成混合系统实现最佳性能，如下图所示光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 4/85 阿贝—波特成像理论l 1873年阿贝（Abbe）首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念——阿贝二次衍射成像理论l 相干照明下显微镜成像过程可分作两步：1.物面上的光波在物镜后焦面上得到第一次衍射像2.该衍射像发出次波干涉而构成物体像，二次衍射像2、相干滤波的基本原理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 5/85 2、相干滤波的基本原理2.1 阿贝—波特实验阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服力的实验，如下图所示(4f系统)：其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为f。

P1、P2和P3分别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 6/85 2、相干滤波的基本原理若在物面放置细丝网格，用相干光源照明，各级衍射光在L2的后焦面P2分离开，形成一些亮点，即物体的空间频谱（图a）；在经L3变换成不同方向的平面波分量，在P3平面重新相干叠加，产生网格的像(图b)光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 7/85 2、相干滤波的基本原理像和系统传递的空间频谱之间存在着一一对应的关系在频谱面上通过狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构也将发生变化光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 8/85 阿贝—波特（Abbe—Porter）实验光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 9/85 阿贝--波特实验中的重要结论l 频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）；l 零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底（图D）；l 阻挡零频分量，在一定条件下可使像发生衬底反转（图E）；l 仅允许低频分量通过，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过，像的边缘效应增强；l 采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。

2、相干滤波的基本原理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 10/85 空间滤波的基本系统l 空间频率滤波利用透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，利用空间滤波的方式改变物的频谱结构，改善图像l 空间滤波所使用的光学系统实际上就是一个光学频谱分析系统，这里介绍常见的两种类型1．三透镜系统（三透镜4f系统）2、相干滤波的基本原理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 11/85 2．二透镜系统l 取消准直透镜L1，直接用单色点光源照明，可以用两个透镜构成空间滤波系统2、相干滤波的基本原理光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 12/85 2、相干滤波的基本原理2.1 阿贝—波特实验阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服力的实验，如下图所示(4f系统)：其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为fP1、P2和P3分别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 13/85 2、相干滤波的基本原理2.2 空间滤波的傅里叶分析为简单起见，以一维光栅物体为例进行傅里叶分析，以便了解改变系统透射频谱对于像的结构的直接影响。

假设光栅的透过率为( ) 1111 1xxxtxrectcombrectaddL=∗其中，a为缝宽，d为光栅常数，L为光栅沿x1方向的尺寸采用单位振幅平面波垂直照明，P2面上的光场分布正比于物体的频谱，即：( ) sinsinxxaLannTfccLfddd∞=−∞=−∑( ) 11sinsinsinsinsinxxxaLaacLfccLfccLfddddd=+−+++L其中， 2x xf fl=在P2面上放置不同的孔径光阑，作频域处理，将给出完全不同的输出像光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 14/85 2、相干滤波的基本原理1) 选择适当宽度的狭缝，仅让零级谱通过，挡掉其余频率部分紧靠狭缝后的透射光场为( ) ( ) ( )sinxxxaLTfHfcLfd=P3面输出光场分布为( ) ( ) ( ){ }33xxgxTfHfxa rectdL== -1F光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 15/85 2、相干滤波的基本原理2)适当放宽狭缝，仅让零级和正、负一级谱通过。

1sinsinxaccLfdd+−1sinsinxaccLfdd++( ) ( ) ( ){ }3 xxgxTfHf= -1F33212sincosaarectcdLddp =+狭缝后的透射光场：P3面输出光场分布为光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 16/85 2、相干滤波的基本原理3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过 ) ( )xxTfHf = 22sinsin xaLaccLfddd −22sinsinxaccLfdd++( ) ( ) ( ){ }3 xxgxTfHf= -1F33422sincosaarectcdLddp = 狭缝后的透射光场：P3面输出光场分布为光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 17/85 2、相干滤波的基本原理4)采用不透光的小圆屏挡掉零级谱，而让其余频率成份都能通过双缝。

) ( )xxTfHf = ( ) ( )sinxxaLTfcLfd−( ) ( ) ( ){ }3 xxgxTfHf= -1F( ) 33 xatxrectdL=− 狭缝后的透射光场：P3面输出光场分布为光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 18/85 2、相干滤波的基本原理2.3 相干滤波的基本原理和运算相干滤波包括两个过程：从输入面到频谱面的频率分解过程和从频谱面到输出面的频率合成过程若在频谱面放置一特定的滤波器，则实现了对输入信息的变换处理！利用透镜的傅里叶变换性质，可实现相干光处理或相干滤波前面介绍的4f系统是非常典型的相干滤波系统光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 19/85 2、相干滤波的基本原理根据滤波器的特点，可以将滤波器分成以下几种：1)振幅滤波器2)位相滤波器3)复数滤波器二元振幅滤波器a)低通 b)高通 c)带通 d)方向滤波器光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 20/85 1.振幅型滤波器：只改变频谱的振幅分布，不改变位相分布（1）低通滤波器：滤去频谱中的高频部分，只允许低频通过（2）高通滤波器：滤除频谱中的低频部分，以增强像的边缘，或实现衬度反转（3）带通滤波器：用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量（4）方向滤波器：实际上也是一种带通滤波器，只是带有方向性2.位相型滤波器：位相型滤波器只改变傅里叶频谱的位相分布，不改变它的振幅分布，其主要功能是用于观察位相物体3、简单振幅和位相滤波的例子光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 21/85 3、简单振幅和位相滤波的例子8.3.1 低通滤波——消除图像上周期性网格( ) ( )111 11,,s xyfxycombcombfxyXY= 网点图像复振幅分布频谱面产生的频谱为 () ()()()sxyxyxyFffXYcombXfcombYfFff=∗光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 22/85 低通滤波器主要用于消除图像中的高频噪声3、简单振幅和位相滤波的例子光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 23/85 8.3.2高通滤波器—边缘增强3、简单振幅和位相滤波的例子光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 24/85 8.3.3带通滤波器l 用于选择某些频谱分量通过，阻挡另一些分量，例如：正交光栅上污点的清除，缩短光栅的周期，抑制周期性信号中的噪声等3、简单振幅和位相滤波的例子光学信息技术原理与应用 光电科学分院 2013 25/85 方向滤波器l 印刷电路中掩模疵点的检查l组合照片上接缝的去除l 地震记录强信号的提取3、简单振幅和位相滤波的例子光学信息。