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第5章 光学信息处理技术Optical Information Processing §5-1引言 Introduction 光波可以是大量信息的携带者，不仅光波的位相，颜色、偏振态等都是光信息，而且在光波照明下，二维图像具有大量信息。 光学系统作为线性系统，能快速、并行地对图像信息进行处理。 §5.1 引言: 图像信息处理的主要技术领域 ?光学处理（相干光处理、非相干光处理、白光处理等） 优点：快速，并行性，信息处理容量大，结构简单，操作方便，特别适合于二维的F.T.、卷积、相关等运算 缺点：专用系统不够灵活，难编程，模拟系统精度不高 ?数字图像处理：计算机对图像扫描、抽样量化成数字信息, 串行逐点处理 优点：灵活，可编程，精度高 缺点：基本属于慢速处理，不易实现实时处理 ?混合处理：二者结合，取长补短，是当前的发展方向。 本章主要介绍光学或光/电混合信息处理的基本光学技术的原理和系统。 §5-2 光学频谱分析系统和空间滤波1、阿贝（Abbe)成像理论（1873） “二次衍射成像理论”:相干照明下，成像过程可分作两步 物平面上发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费衍射，得到第一次衍射像； 该衍射像作为新的相干波源，由它发出的次波在像平面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射像。 频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低频信息；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量。 §5-2光学频谱分析系统和空间滤波2、阿贝—波特（Abbe—Porter）实验（1906） 相干单色平行光照明 频谱面 放置滤波器 物平面 细丝网格状物 （正交光栅） 像面 观察到各种不同的像 实验装置 改变物的频谱结构 §5-2光学频谱分析系统和空间滤波2、阿贝—波特实验 (1) 如果不在频谱平面作任何操作，则在输出平面得到原物的像 —— 二次成像（不考虑光学系统的有限孔径） 通过的频谱 综合出的图像 原物 通过的频谱 综合出的图像 原物 原物 综合出的图像 滤波器: 放置在频谱面中心的孔, 仅让0级谱通过 零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底 综合出的像: 仅有边框, 不出现条纹结构 原物 综合出的图像 通过的频谱 通过的频谱 综合出的图像 原物 §5-2光学频谱分析系统和空间滤波2、阿贝—波特实验：结论 2．实验充分证明了傅里叶分析和综合的正确性： （1）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）； （2）零频分量是直流分量，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的衬度发生反转（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）。 1．实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便能够改变像的结构；像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成分能被系统传递到像面。 §5-2 光学频谱分析系统和空间滤波Optical spectrum analysis systems Spatial filtering3、空间频率滤波系统 (1)三透镜系统 4f系统 准直 变换 成像 滤波器 空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布 频谱分析:观察和记录物的空间频率特性 §5.2 光学频谱分析系统和空间滤波3、空间频率滤波系统 令三透镜焦距均相等，设物的透过率为t(x1 , y1)，滤波器透过率为F(fx , fy), 则频谱面后的光场复振幅为： u2’ = T ( fx , fy ) · F (fx , fy ) ? { t ( x1 , y1 ) } x2 /lf2 单色光源波长 输出平面（反射坐标系）得到u2’的傅里叶逆变换： 变换透镜L2的焦距 y2 /lf2 u3 = ? –1 { u2 } = ? –1 {T ( fx , fy ) · F ( fx , fy ) } = ?–1 {T ( fx , fy ) } * ? –1 { F ( fx , fy ) } = t ( x3 , y3 ) * ? –1 {F ( fx , fy ) } 滤波器 脉冲响应 物的几何像 改变滤波器的振幅透过率函数，可改变像的结构. §5-2光学频谱分析系统和空间滤波4、空间滤波的傅里叶分析 讨论一维情况，并利用4f系统进行滤波操作 利用透镜的傅里叶变换性质分析阿贝-波特实验 t (x1) = (1/d) · rect (x1/a) * comb (x1/d) 其透过率函