光学2扩展讲义.ppt

* *光信息处理 概述 南京地区卫星照片的假彩色片 用改变频谱的手段来处理信息。 信息光学也称为变换光学或付里叶光学， 代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。 基本思想： 用频谱的语言分析物面的信息， 物面 空间频谱分析系统 空间频谱 频谱处理系统 处理后的物像 20世纪60年 它的基本概念起源于19世纪后期。 例如光栅： 一. 空间频率： 单位长度内空间分布重复的次数 任何周期性空间分布，都有一定的空间频率， d —空间周期， — 空间频率 ? ? ? dx 同 相 面 x z 0 z? （?? x z 面） 又如单色平面波， 空间周期 dz? = ? z： 空间频率 x： 对传播方向 z?： dz 可见，同一个波在不同方向空间频率也不同。 对任意方向传播的单色平面波： ? ? ? x z 0 z? y ? 二. 光栅夫琅禾费衍射的空间频率 x向： y向： ? 由明纹条件 有 ? ? y ? ⊙ x z G L k f F （物） （焦平面） ? ： 衍射角 阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释， 一定的? 对应一定的 fx ，也对应一定的 k 。 （1）物是一系列不同的空间频率信息的集合， 的讨论： 对 中央明纹反映的是物上不变化的部分。 （2）物上不变的部分d ? ?， 即 fx= 0，? = 0。 三.阿贝（E. Abbe）成像原理 他指出，成像过程可分解为两步： 入射光经物平面发生夫琅禾费衍射， 在L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹， 此即物的空间频谱。 第一步： 各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干 第二步： 叠加形成物的像。 ? +1 ?1 0 ? ? ? f F 发子波 物面 L A A? 像平面 相干叠加成像 频谱面 ??1 ?+1 这样，我们对夫琅禾费衍射又有了新认识： 理想的夫琅禾费衍射装置—透镜，正是一个付 在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。 同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率 单色光正入射到图上时， 通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被 一束特定方向的衍射波输送出来， 的单频率信息所组成。 并且以衍射 斑纹的形式展现在透镜 L 的焦平面上。 所以， 里叶频谱面（付氏面）。 里叶频谱分析器， 透镜的后焦面就是图片的付 一个透镜就是一个光学模拟计算机。 以上认识给了光学一个强有力的数学手段— 付氏分析， 也给了数学上的付氏变换的运算提 供了一个新技术 — 光学计算术。 光学模拟计算机的优点： 1）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化… 2）能直接处理二元函数 f (x , y)。 3）是并行输入，光束交叉可独立传播。 4）速度快，不受电路时间常数 RC 的限制。 5）装置简单，价格低。 光学模拟计算机的不足： 1）直接处理数据信号很困难。 2）易受干扰。 3）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。 光学专家和计算机专家们正在探索光学计算 机由模拟化走向数字化。 利用光学双稳态元件 （如一些电光晶体器件）， 可以在电信号的控制下，达到透光和不透光， 即实现（0，1）状态， 从而可实现数字化。 光开关的速度 10亿次/秒 运算速度 100万次/秒 不久达到 几亿次/秒 1990.1.29 贝尔实验室数字光处理器： 1993年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器。 光计算机要求光子元件小型化、集成化 —— 集成光路 光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。 美国防部将此列为22项关键技术之一。 同年美国研制成了世界上首台光计算机。 四.空间滤波 总是要丢掉较高频的信息。 由于透镜的孔径有限，使物光通过透镜后， ? ? ? ? ? ? ? F 0 +1 +2 ?1 ?2 S? S 物点 像点 对应于截止频率 fc 丢失了高频的信息 L 改变频谱可改变物光的信息 使用透镜会丢失高频信息， 在频谱面上放置空间滤波器，可改造空间频谱。 低通滤波器 F 高通滤波器 F 带通滤波器 F 从另一角度说明， — 空间滤波。 t x a d 滤波器 一片亮，无变化 x (振幅) U ? 0 0 ? ? ? 基频 -1 +1 基频 ? ? ? ? -1 -2 +2 +1 ? +3 ? -3 I x U a x I x 0 无直流成分 反衬度反转 U x 直流成分 ? 阿贝（1874）波特（1906）实验： 0 ? ? ? ? ? -1 -2 +2 +1 x L 黑白光栅 频谱面 像面 ? t (振幅透 ? +3 ? -3 过率) L ? y x 物 像 ? ? ? ? ? ? ? 保留 fy 的频谱： 保留 fx 的频谱： ? ? ? ? ? ? ? y x ? ? ? ?