信息光学导论第六章

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1、第六章光学信息处理6.1光学信息♦什么是光学信息处理光学信息处理是20世纪60年代随着激光器的问世而发展起來的一个新的研究方向，是现代信息处理技术屮一个重要组成部分，在现代光学中占有很重要的地位。所谓光学信息，是指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态等。光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅里叶综介技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程。较多用于对二维图像的处理。光学信息处理通常有两种分类方法:一种是根据处理系统是否满足叠加原理而分为线性处理和非线性处理；另-•种

2、是根据光源的相干性分为相干光处理、非相干光处理和口光处理。不同的照明方式，系统的性质和处理方法将完全不同。♦光学信息处理简史事实上，光学信息处理的历史可以追溯到19世纪末、20世纪初。早在1873年，著名德国科学家阿贝(E.Abbe,1840〜1905)捉出了二次成像理论及其和应的实验，就已经为光学信息处理打下了一定的理论基础，是空间滤波与光学信息处理的先导。1906年Porter首先提出了空间滤波的概念，他在相干成像系统中的透镜厉焦平而上作各种滤波处理，有意改变像的频谱，使成像发生了各种有趣的变化。

3、1935年荷兰物理学家泽尼克(F.Zernike,1888-1966)相衬显微镜的发明，他通过在相干成像系统的频谱血上放置一•块位相板和一块吸收板，可以直接观察到位相物，从而荣获1953年度的诺贝尔物理学奖。而后相干滤波技术被广泛的用來提高图像质量和实现图像的消模糊。然而相T滤波最为成功的应用是直到60年代初Michigan人学雷达实验室的研究工作，Cutrona等人利用相干光学系统对综合孔径宙达收集到的数据进行处理，成功的绘制出了高分辨率的地貌图；VanderLugt用离轴全息术制备出复空间滤波器，

4、并成功地应用到光学相关识别和从噪声中提取信号。到70年代，相干光信息处理已在光学频谱分析、解卷积逆滤波、图像微分和加减、复空间滤波器综合以及相关识别等领域得到应用。光以其速度快、抗干扰能力强、可并行处理等特点逐渐显示其独特的优越性。在光学信息处理基础上发展起来的光计算及其相关技术已为该领域注入了新的生命，成为十分活跃的一个学科方向。♦光学信息处理简史光学处理和计算机数字处理的比较人类进入了一个“信息爆炸时代”，要求对超大量信息具有快速处理的能力。例如，核武器设计、战略防御计划、中长期天气预报、空间技术

5、、气体动力学、机器入视觉、人工智能等方而都对数据处理提出了超高速和超人容量的要求。要想在预定的时间段内获得难确的结果，对计算速度提出到极高的要求。几乎同时发展起来的电子计算机以其功能完善、速度快、使用方便而成为信息处理的主要手段。然而，市于其口身的先天性局限，如“冯诺依曼瓶颈"问题、RC问题、时钟歪斜问题、电磁场干扰问题、互连带宽问题等限制，要想完成这种极髙速计算己显得力不从心。光以其速度快、抗干扰能力强、可人量并行处理等特点逐渐显示其独特的优越性。在光学信息处理基础上发展起来的光计算研究及其相关技术

6、均有独特优势。6.2Abbe成像原理与空间滤波实验现代变换光学中的空间滤波相干光学信息处理技术，就其概念起源来说，町追溯到一17多年前的阿贝成像原理.阿贝在研究如何提髙显微镜的分辨本领时，提出了一个关于相干成像的新原理，兹介绍如下.♦Abbe成像原理一一相干系统两步成像阿贝着眼于频谱的变换——物是一系列不同空间频率信息的集合，而相干成像过程分两步完成.第一步是入射光经物平而(xy)发生夫琅禾费衍射，在透镜厉焦而，即频谱而上，出现一系列谱斑；第二步是干涉，这些谱斑作为新的次波源，发出球面波，相干叠加于像

7、平面(xy),即像就是一干涉场。如此相干系统两步成像的观点是波动光学的观点，后人称其为阿贝成像原理。显然，在阿贝成像原理中，频谱而有着重要的地位，参见下图。♦Abbe-Porter实验为了验证阿贝提出的成像理论，阿贝于1873年、波特于1906年分别做了实验，这就是箸名的阿贝一波特实验。实验装置如下图所示，物而采用正交光栅(即细丝网格状物)，由相干单色平行光照明；频谱面上放置滤波器，以各种方式改变物的频谱结构，在像面上可观察到各种与物不同的像。图2农示部分实验内容及结果。由实验结果归纳出儿点结论如下

8、：(1)实验充分证明了阿贝成像理论的正确性。像的结构依赖于频谱的结构，若改变频谱的组分，便能改变像的结构；（2）实验充分证明傅里叶分析的正确性：a）频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）:频谱图上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）；b）零频分量是一个氏流分量，它只代表像的本底（图D）；c）阻挡零频分量，在一定条件下可使像发生衬度反转（图E）；d）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强；e）采用选择型滤波