光学信息处理技术

光学信息处理技术第一页，共三十七页，2022年，8月28日光学信息处理技术8.1引言

光学信息指光的强度(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，利用付里叶综合技术，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，多用于对二维图像的处理。

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来的新的研究方向，是现代信息处理技术中一个行重要组成部分，在现代光学中占有重要的地位。第二页，共三十七页，2022年，8月28日光学信息处理技术发展的几个里程碑1873年德国科学家阿贝(Abble)创建了二次成像理论，为光学信息处理打下了一定的理论基础。1935年物理学家策尼克(Zernike)发明了相衬显微镜，将相位分布转化为强度分布，第一次成功地直接观察到微小的相位物体——细菌，解决了由染色而导致细菌大量死亡的问题。1963年科学家范特拉格特(A.VanderLugt)提出复数空间滤波概念，使光学信息处理进入了一个广泛应用的新阶段。20世纪80年代以后在光学信息基础上发展起来的光计算研究及其相关技术，为该领域注入了新的生命力，光学信息处理成为十分活跃的一个学科方向。第三页，共三十七页，2022年，8月28日8.2光学频谱分析系统和空间滤波8.2.1阿贝(Abbe)成像理论

物面发出的光波经物镜在后焦面产生夫琅和费衍射得第一次衍射像，衍射像作为相干波源发出次波在像面干涉构成物体的像，称第二次衍射像。x0xixfL0d0dif第四页，共三十七页，2022年，8月28日x0xixfL0d0dif阿贝二次成像理论示意图第五页，共三十七页，2022年，8月28日8.2.2阿贝-波特实验

阿贝本人于1873年，波特于1906年分别做了实验，物面采用正交光栅（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，以各种方式改变谱结构，在像面上可观察到各种与物不同的像，实验装置如下：第六页，共三十七页，2022年，8月28日阿贝—波特实验示意图A不改变谱分布B水平谱通过C竖直谱成分通过D零频通过E阻挡零频通过F斜向滤波第七页，共三十七页，2022年，8月28日阿贝-波特实验结论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，只要改变频谱的组分，便能够改变像的结构；2实验充分证明了傅里叶分析的正确性：（1）频谱面上的横向分布是物的纵向结构信息（图B）；频谱面上的纵向分布是物的横向结构信息（图C）；（2）零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底（图D）；（3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像发生衬底反转（图E）；（4）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；（5）采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。第八页，共三十七页，2022年，8月28日8.2.3空间频率滤波系统三透镜4f系统x1,y1ffffffL1L2L3S频谱面物面像面三透镜光学频谱分折系统x2,y2x3,y3t(x1,y1)t(x2,y2)=F(fx,fy)t’(x3,y3)

可见，改变滤波器的振幅透过率函数F(fx,fy)，可望改变几何像的结构。第九页，共三十七页，2022年，8月28日8.2.4空间滤波的付里叶分析—维栅状物:朗奇光栅(Ronchi)栅状物adB第十页，共三十七页，2022年，8月28日将物置于4f系统输入面上，可在谱面上得到它的傅里叶变换：fx谱面上振幅分布第十一页，共三十七页，2022年，8月28日第十二页，共三十七页，2022年，8月28日adBx1fx谱面上振幅分布滤波器不同输出不同1)滤波器是一个通光孔，只允许零级通过，其透过率函数为谱面上振幅输出面得到其付里叶逆变换说明输出为一亮区，振幅为a/d,宽为B,实验结果如下：第十三页，共三十七页，2022年，8月28日滤波器是一个通光孔，只允许零级通过时，输出为一亮区，振幅衰减为a/d，亮区宽度为B，与栅状物宽度相同，栅状结构完全消失，这与实验结果相符。第十四页，共三十七页，2022年，8月28日2)滤波器是一个狭缝，使零级和正负一级谱通过谱面上振幅输出面得到付里叶逆变换第十五页，共三十七页，2022年，8月28日

分析上式可知像与物的周期相同，但振幅分布不同，这是由于失去了高频信息而造成边缘锐度降低。零级通过滤波后谱分布滤波器像零级和正负一级通过滤波器滤波后谱分布像第十六页，共三十七页，2022年，8月28日3)滤波器为双狭缝，只允许正、负二级频谱通过滤波后的光场复振幅为第十七页，共三十七页，2022年，8月28日滤波后谱分布滤波器t(x)

可见只允许正负二级谱通过时，像振幅的周期是物的1/2。实验中观察到的输出一般为强度分布，本例的像强度周期就是物周期的1/4。输出振幅为第十八页，共三十七页，2022年，8月28日像振幅周期为物的一半，强度周期为物的四分之一第十九页，共三十七页，2022年，8月28日4)滤波器为一光屏，只阻挡零级，允许其它频谱通过:滤波后的光场复振幅为滤波前物的频谱第二十页，共三十七页，2022年，8月28日第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日

沿x3在B范围内,透光部分为1,减去,挡光部分为0，也减去,分别为,-I(x3)=第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日经过傅里叶变换后，像的分布有两种可能的情况（1）当d=2a时，像的周期与物的周期相同，但强度是均匀的。adabcdd=2ax1fxx3x3t(x1)t’(x3)I(x3)F(fx)第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日（2）当a>d/2时，像的振幅分布向下错位，强度分布出现衬度反转，原来的亮区变为暗区，原来的暗区变为亮区。理论分析与实验结果完全相符。adabcdd<2ax3x3fxx1t(x1)t’(x3)I(x3)F(fx)第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日

沿x3在B范围内透光，振幅减去半多，故上少下多。第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日8.2.5滤波器的种类及应用举例1.振幅型滤波器称为二元振幅型滤波器,又分为低通、高通、带通滤波器1)低通滤波器（只改变频谱的振幅分布，不改变相位分布）（用于滤去频谱中的高频分量，只允许低频通过）第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日2)高通滤波器:用于滤除频谱中的低频成份,增强像的边缘，或实现衬度反转。高通滤波器主要用于增强模糊图像的边缘，以提高图像的识别能力。由于能量损失较大，所以输出结果较暗。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。种类多，下面仅举几例第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日如允许正负一级谱通过,周期缩短一半带通滤波器1例8.1正交光栅上污点的清除带通滤波器2例8.2缩短光栅的周期

第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日(4)方向滤波器（属于带通滤波器范畴，只是带有较强的方向性）印刷电路掩模板上庇病的检查例8.4印刷电路中掩模疵点的检查。第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日去除组合照片接缝例8.5组合照片接缝的去除第三十页，共三十七页，2022年，8月28日地震记录中强信号的提取例8.4地震记录中强信号的提取第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日2.相位型滤波器.相衬显微镜

相位型滤波器只改变付里叶频谱的相位分布，不改变它的振幅分布，主要功能是用于覌察相位物体。

“

相位物体”是指本身只存在折射率分布不均或表面高度不均。当用相干光照明时，物体各部分都是透明的，其透过率只包含相位分布。用普通显微镜将无法观察到这种相位物体。只有将相位信息转换为振幅信息，才能用普通显微镜观察这种相位物体。

1935年，策尼克发明了相衬显微镜，解决了相位到振幅的变换（在零级谱增加相位），从而覌察到透明物体，策尼克因此而获诺贝尔奖。第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日相衬显微镜原理位相角很小时即很薄时平方项忽略结果是一均匀分布，看不到物体。位相角很小即透明物很薄时第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日位相角很小时即很薄时平方项忽略位相角很小时即很薄时一个透明物体有透过率未经滤波时，像的强度分布为结果是一均匀分布，看不到物体。角很小,小于1弧度,即很薄相衬显微镜原理第三十四页，共三十七页，2022年，8月28日谱面中心小区城内放一位相滤波器，仅使物的零级谱相位增加位相角很小时即很薄时平方项忽略现在输出的强度依赖于位相分布可