第十一章 非相干光学处理教材

第十一章非相干光学处理非相干光学处理是采用非相干光照明的信息处理方法，系统传递和处理的基本物理量是光场的强度分布，而不是振幅分布。相干光处理的问题：相干噪声严重，导致对系统元件提出较高要求。非相干光处理的优势：装置简单，没有相干噪声。1．相干光系统输入为则：输出为即：输出的合成复振幅而光强为：在相干处理系统中，输出光强除了是输入光强的叠加外，还存在相干项的影响。满足复振幅叠加原则。11.1相干光处理与非相干光处理的比较对于非相干光系统，由于输入图像各点的光互不相干，所以上式中的互相关项（第二项）的平均值为零。即即：非相干光处理系统是强度的线性系统，满足强度叠加原理。2．非相干光系统3．比较：相干——振幅叠加——可正可负——可完成加、减、乘、除、微分、卷积等运算非相干——光强叠加——实函数——无上述运算

2）只能处理透明图片（复振幅分布）而不能利用光强接收器得到的信号做为输入信号，使用激光照明，而其它光则不行。（如CRT、LED）3）激光是单色性极好的光源，只能处理单色图象，对彩色图象则无能为力。4）而非相干系统正好可弥补相干系统的上述不足，即不存在上述不足。4．相干光处理系统存在的不足1)噪声太大相干噪声：由光路中的尘埃，指纹，擦痕，元件的缺陷，气泡等引起得干涉。散班噪声：由漫射物体表面的起伏粗糙而引起的无规干涉。问题：能不能找到一个系统：即能象相干系统一样，存在一个频谱面，可进行各种处理，又能象非相干系统一样，去掉讨厌的噪声干扰-----部分相干系统----白光处理系统11.2.1成象卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算.相干系统中,通过两次傅立叶变换和频域乘法运算完成。非相干处理系统由于没有物理上的频谱面，故不能按照相干系统同样的方法处理。但从空域看来，因为卷积和相关运算都包括位移,相乘,积分三个基本步骤,所以非相干成象系统也可以完成这些运算.11.2基于几何光学的非相干处理系统

若把强度透射率为tl的一张透明片在强度透过率为t2的另一张透明片上成像,那么在第二张透明片后面每点的光强都正比于乘积tlt2.所以用光电探测器来测量透过两块透明片的总强度时,给出的光电流I为实现一个乘积的积分系统(10.2.1)上图是实现这一运算的系统.透镜L2将tl以相等大小成像在t2上,而透镜L3将透过t2的一个缩小像投射到探测器上.若使其中一张透明片匀速运动,并把测量的光电流响应作为时间的函数,就可以实现tl和t2的一维卷积.例如,让透明片t2按反射的几何位置放入若使t2在x和y方向分别移动x0,y0，则t2(-x,-y)变成为这时探测器的响应为显然光电探测器测得的的值是t1，t2在x=x0,y=y0点的卷积值。相关运算与卷积运算的区别在于,两个函数之一没有折叠的步骤,所以只要使t2透明片按正向几何位置放入就可实现两者的相关运算.若使t2沿x和y的负方向移动x0,y0，则t2(x,y)变成t2(x+x0,y+yo),于是光电探测器的响应为这就是t1，t2在x=x0,y=y0点的相关值。10.2.2无运动元件的卷积和相关运算实现无运动卷积和相关运算的系统

为了避免机械扫描的麻烦,可以采用上图所示的系统来实现卷积和相关运算.均匀漫射光源S放在透镜L1的前焦面上,透射率为f(x,y)的透明片紧贴着放在L1之后,在离f(x,y)的距离为d处,并且在透镜L2的前面紧贴放置透明片h(x,y),然后在L2的后焦面上用胶片或二维阵列检测器进行记录.为了解释这个系统的工作原理,考虑由光源上特定一点(-x0,-y0)发出的光,经L1后变成平行光,若把第一张透明片投影到第二张透明片上,则通过L2把光束会聚到探测器的(x0,y0)点,如果假定两个透镜的焦距相同,那么在检测器上的强度分布为这正是所要求的卷积。这种系统的优点是简单易行,缺点是对f(x,y)的空间结构越细,得到的相关值误差就越大.因为从f(x,y)到h(x,y)完全是按几何投影考虑的,完全忽略了结构的衍射,结构越细,衍射越显著,所以用这个系统处理的图像的分辨率是受到限制的.这正是所要求的相关。若第一张输入透明片按反射的几何位置放入，则检测器上的强度分布为

以几何光学为基础的非相干处理系统有两个明显的限制:

一个是由于照明的非相干性质,系统传递和处理的物理量只能是非负的强度分布,给处理双极性信号和综合双极性脉冲响应造成困难。

另一个限制是我们在所有分析过程中均忽略了衍射效应,这实际上是限制了系统处理的信息容量.因为信息容量的增大,意味着透明片上的空间结构变得越来越精细,通过透明片的光就越来越多地被衍射,只剩下越来越少的光遵从几何光学定律,所以输出将偏离按几何关系给出的结果.

采用相干光源能使光学系统实现许多复杂的信息处理运算,这主要是由于相干光学系统的复振幅处理能力很强.可是,正如盖伯所指出的,相干噪声是光学信息处理的头号敌人,此外,相干光源通常是昂贵的,并且对光学处理的环境要求非常严格。

在光学处理中能否降低对光源相干性的要求，但又同时保持对复振幅的线性运算性质？

为了回答这个问题，人们研究了一类新的光学处理方法，称为白光光学处理。10.4白光光学信息处理技术白光光学处理采用宽谱带白光光源，但采用微小的光源尺寸以提高空间相干性。另一方面在输入平面上引入光栅来提高时间相干性。这样即不存在相干噪声，又在某种程度上保留了相干光学处理系统对复振幅进行运算的能力，运算灵活性好。其优点为：①可以压制相干噪声

②白光光源通常比较便宜

③处理环境一般比较随意

④白光系统比较容易操作，比较经济

⑤特别适合于彩色信号处理说明：-----白光点光源，或是白光照明的小孔---准直透镜

----消色差傅里叶变换透镜(把两种不同颜色的光聚焦到同一点，或称为修正色像差)----输入平面，放有透明物和抽样光栅-----频谱面

-----输出平面11.4.1白光光学处理的基本原理设：输入透明片的复振透过率为抽样光栅为正弦光栅为

则：I）输入平面复振幅分布为：II）在频谱面上的空间频谱为：上式可改写为：上式第一项为零级物谱，而且不同波长的零级物谱的中心位置是相同的；第二和第三项是

1级信息谱带，每个谱带中心在色散为彩虹颜色对于波长间隔为的两种色光，其一级谱中心在x2轴上的偏移量是假定信号的空间频带宽度这Wt，则不同波长的物谱能够分离的条件是不同波长的谱在x2平面上的宽度是与波长有关的平均宽度为当不同波长的物谱能够分离III）某一波长在输出平面上的复振幅为

在频谱面上的滤波函数为：光强为：考虑到总不可能做到只让通过，而是一个波长间隔，故上式可写为：则输出平面上的总光强为：可见：这种白光处理系统能够处理复振幅信号，又能压制令人厌烦的相干噪声。又由于白光光源辐射了所有可见光波长，所以白光处理系统很适合于彩色象的处理。应该指出：我们采用的分析方法对确定的波长看作是相干光处理，而对不同波长处理后像的叠加又看成是完全非相干的，这在理论上是不严格的。严格的讨论----部分相干理论。但在实际操作中，上述的近似分析已经是足够了。11.4.2实时假彩色编码人眼的分辨率：灰度：15～20层次彩色100种以上白光信息处理系统对不同波长的单色光，提供了类似于相干光处理系统的运算能力，采用宽谱带光源使系统可以使用不同的色通道，有利于对图像进行彩色化处理。现行的假彩色编码的方法有很多种,我们这里介绍1.等空间频率假彩色编码2.等密度假彩色编码这两种方法都不需要对输入图像的透明片进行预处理，而只需在白光信息处理系统的频谱面上放置适当的滤波器，就可以在输出面上得到彩色化图像，因此称为实时假彩色图像。1.等空间频率假彩色编码将振幅透过率为

的黑白图片和正交光栅一起放在图一所示的处.令正交光栅的振幅透过率为:分别是光栅沿

x1

轴和y1轴方向上的空间频率.对某一种波长,光栅后表面上的复振幅分布为:在频谱面上,相应于波长的复振幅分布为:是的傅立叶变换谱分别是所选蓝色和红色信号谱;分别是一维低通滤波器和一维高通滤波器的滤波函数高通滤波器红色谱带低通滤波器蓝色谱带如图所示安放高、低通滤波器，使某一种颜色的低频成分和另一种颜色的高频成分通过。输出平面上物体的低频和高频信息将呈现出不同的颜色。比如，低频和高频分别为蓝色和红色。如果采用各种带通滤波器让不同的颜色通过，就可以得到色彩更丰富的假彩色图像。输入图像—黑白输出图像在输出面上相应的复振幅分布为：如果光栅频率足够高，即可忽略各波长频谱间的重叠，则输出像的强度分布近似的表示为：2.等密度假彩色编码将黑白图片和正交光栅一起放在图一所示的Ｐ１上，在频谱面P2上将呈现彩虹色的一级谱位置安放两个滤波器，它是由：一个简单的红色滤波片，另一个由一个绿色滤波片和绿色谱带中心放置的条形π

位相滤波器组成，用以产生对比度反转的负像。这样，红色波长λR和绿色波长λG相应的频谱能通过系统，并在输出面