波、光5.光信息處理概述

1、*光信息處理 概述南京地區(qū)衛(wèi)星照片的假彩色片1用改變頻譜的手段來處理信息。信息光學(xué)也稱為變換光學(xué)或付里葉光學(xué)，代激光問世后，迅速發(fā)展為一門新的光學(xué)學(xué)科。基本思想：用頻譜的語言分析物面的信息，物面空間頻譜分析系統(tǒng)空間頻譜頻譜處理系統(tǒng)處理后的物像20世紀(jì)60年它的基本概念起源于19世紀(jì)后期。2例如光柵：一. 空間頻率：單位長度內(nèi)空間分布重復(fù)的次數(shù)任何周期性空間分布，都有一定的空間頻率，d 空間周期， 空間頻率dx同相面xz0z（ x z 面）又如單色平面波，空間周期 dz = z：空間頻率x：對傳播方向 z：3可見，同一個波在不同方向空間頻率也不同。對任意方向傳播的單色平面波：xz0zy4二. 光

2、柵夫瑯禾費衍射的空間頻率x向： y向：由明紋條件有yxzGLkfF（物）（焦平面） ：衍射角5 阿貝從波動光學(xué)角度對透鏡成像做了新解釋，一定的 對應(yīng)一定的 fx ，也對應(yīng)一定的 k 。（1）物是一系列不同的空間頻率信息的集合，的討論：對中央明紋反映的是物上不變化的部分。（2）物上不變的部分d ，即 fx= 0， = 0。三.阿貝（E. Abbe）成像原理他指出，成像過程可分解為兩步：6入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費衍射，在L的焦平面上形成一系列的衍射斑紋，此即物的空間頻譜。第一步：各衍射斑紋發(fā)出的子波在像平面上相干第二步：疊加形成物的像。+110fF發(fā)子波物面LAA像平面相干疊加成像頻譜面1+17

3、這樣，我們對夫瑯禾費衍射又有了新認識：理想的夫瑯禾費衍射裝置透鏡，正是一個付在數(shù)學(xué)上我們可以將一個函數(shù)作付里葉展開。同樣，一張圖（物）也是由許多不同空間頻率單色光正入射到圖上時，通過夫瑯禾費衍射，一定空間頻率的信息就被一束特定方向的衍射波輸送出來，的單頻率信息所組成。并且以衍射斑紋的形式展現(xiàn)在透鏡 L 的焦平面上。所以，里葉頻譜面（付氏面）。里葉頻譜分析器，透鏡的后焦面就是圖片的付8一個透鏡就是一個光學(xué)模擬計算機。以上認識給了光學(xué)一個強有力的數(shù)學(xué)手段付氏分析，也給了數(shù)學(xué)上的付氏變換的運算提供了一個新技術(shù) 光學(xué)計算術(shù)。光學(xué)模擬計算機的優(yōu)點：1）能直接處理連續(xù)函數(shù)，不需要抽樣離散化2）能直接處理二

4、元函數(shù) f (x , y)。3）是并行輸入，光束交叉可獨立傳播。 4）速度快，不受電路時間常數(shù) RC 的限制。5）裝置簡單，價格低。9光學(xué)模擬計算機的不足：1）直接處理數(shù)據(jù)信號很困難。2）易受干擾。3）只能進行付氏變換運算，作其它運算困難。光學(xué)專家和計算機專家們正在探索光學(xué)計算機由模擬化走向數(shù)字化。利用光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)元件（如一些電光晶體器件），可以在電信號的控制下，達到透光和不透光，即實現(xiàn)（0，1）狀態(tài)，從而可實現(xiàn)數(shù)字化。10 光開關(guān)的速度 10億次/秒 運算速度 100萬次/秒 不久達到 幾億次/秒1990.1.29 貝爾實驗室數(shù)字光處理器： 1993年 1cm2 GaAs襯底上集成了一百多個電

5、泵浦微型激光器。光計算機要求光子元件小型化、集成化 集成光路光子技術(shù)是本世紀(jì)初國際技術(shù)競爭的焦點之一。美國防部將此列為22項關(guān)鍵技術(shù)之一。同年美國研制成了世界上首臺光計算機。11四.空間濾波總是要丟掉較高頻的信息。由于透鏡的孔徑有限，使物光通過透鏡后，F(xiàn)0+1+212SS物點像點對應(yīng)于截止頻率 fc丟失了高頻的信息L12改變頻譜可改變物光的信息使用透鏡會丟失高頻信息，在頻譜面上放置空間濾波器，可改造空間頻譜。 低通濾波器F 高通濾波器F帶通濾波器F從另一角度說明， 空間濾波。13txad濾波器一片亮，無變化x(振幅)U00基頻-1+1基頻-1-2+2+1+3-3IxUaxIx0無直流成分反襯度

6、反轉(zhuǎn)Ux直流成分 阿貝（1874）波特（1906）實驗：0-1-2+2+1xL黑白光柵頻譜面像面t(振幅透+3-3過率)14Lyx物像保留 fy 的頻譜：保留 fx 的頻譜：yx保留 f 的頻譜： 方向Fyx 15五.光信息處理舉例 輪廓突出和低對比度圖形的識別（邊緣增強）I背景信號對比度高背景I背景信號對比度低背景以內(nèi)及背景光強變化較慢，勾出物體輪廓，是識別低對比度圖形或物體的有效方法。邊緣亮度變化劇烈，高頻成分豐富。物體某部分的亮度與背景亮度之比叫對比度。主要是低頻和直流成分。物體邊緣16從而突出輪廓亮度 形成亮的鑲邊。方法：在物的頻譜面F上放一個高通濾波器（玻璃片中心鍍個不透明的斑），擋

7、掉0級和低頻成分，高頻濾波和輪廓突出F大頭針LP1P2擴束亮邊17輪廓突出前輪廓突出后18 光學(xué)去污帶污點的網(wǎng)格純凈網(wǎng)格污點用純凈網(wǎng)格譜的正片濾波，純凈網(wǎng)格的頻譜用純凈網(wǎng)格譜的負片濾波，可得到純凈網(wǎng)格?？傻玫轿埸c。光學(xué)去污主要用于工業(yè)制版(大規(guī)模集成電路） 檢查模版上的污點（噪聲）或復(fù)制模版。19 光學(xué)特征識別是把已知物的付氏譜和待測物的付氏譜進行比較，從而找出待測目標(biāo)。特征識別系統(tǒng)可以做到：從衛(wèi)星照片中檢測軍事目標(biāo)從文件中檢測某個字從細胞中檢測癌細胞進行航空測量 光學(xué)特征識別光學(xué)偵破（指紋識別）20例如指紋識別：x平面波指紋指紋平面波x帶有指紋信息的衍射波帶有指紋信息的會聚波反過來L1P2L

8、2亮點若 x* = x 或x*與 x 相關(guān)x平面波P1參照指紋x*頻譜面待查指紋出現(xiàn)亮點即被識別21 調(diào)制（假彩色編碼）（光柵拼成）黑白物白光著色像L頻譜面空間濾波薰黑光柵藍色透過藍色透過紅色透過紅色透過物像頻譜面22頭發(fā)的電子顯微鏡黑白照片相應(yīng)的假彩色照片可顯示一些細節(jié)演示 調(diào)制（KG046）23 模糊圖象處理（離焦模糊、運動模糊）關(guān)鍵是找到T G (fx，fy) 模糊圖象的譜。設(shè)：G (fx，fy) 清楚圖像的譜， 模糊因子，令：濾波后則L1L2畸變波頻譜面F濾波（透過率）正確波清楚圖象P2平面波P1模糊照片24消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩）25 相襯顯微鏡 提高待測樣品的襯比度 樣品是無色透明的生物切片或晶片時，率函數(shù)是相位型的：其透過 很小。襯比度極小。相位反襯法：心滴一小滴厚h 的液體， 放到頻譜面上引起 0 級相移：切片（物）（x,y）A用普通顯微鏡觀察樣品，Zernike提出在玻璃片中像（x,y）L頻譜面相位板260級經(jīng)相位板后，其它變化不大。0級相移了 ，27像的光強：通常選這樣有：于是像的光強中就更加突出了相位的變化。Zernike 因此獲得了1953年諾貝爾物理獎。28普通顯微鏡