光學(xué)信息處理技術(shù)

光學(xué)信息處理技術(shù)第1頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)信息處理技術(shù)8.1引言

光學(xué)信息指光的強(qiáng)度(或振幅)、相位、顏色(波長)和偏振態(tài)等。

光學(xué)信息處理是基于光學(xué)頻譜分析，利用付里葉綜合技術(shù)，通過空域或頻域調(diào)制，借助空間濾波技術(shù)對光學(xué)信息進(jìn)行處理的過程，多用于對二維圖像的處理。

光學(xué)信息處理是20世紀(jì)60年代隨著激光器的問世而發(fā)展起來的新的研究方向，是現(xiàn)代信息處理技術(shù)中一個(gè)行重要組成部分，在現(xiàn)代光學(xué)中占有重要的地位。第2頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)信息處理技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)里程碑1873年德國科學(xué)家阿貝(Abble)創(chuàng)建了二次成像理論，為光學(xué)信息處理打下了一定的理論基礎(chǔ)。1935年物理學(xué)家策尼克(Zernike)發(fā)明了相襯顯微鏡，將相位分布轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度分布，第一次成功地直接觀察到微小的相位物體——細(xì)菌，解決了由染色而導(dǎo)致細(xì)菌大量死亡的問題。1963年科學(xué)家范特拉格特(A.VanderLugt)提出復(fù)數(shù)空間濾波概念，使光學(xué)信息處理進(jìn)入了一個(gè)廣泛應(yīng)用的新階段。20世紀(jì)80年代以后在光學(xué)信息基礎(chǔ)上發(fā)展起來的光計(jì)算研究及其相關(guān)技術(shù)，為該領(lǐng)域注入了新的生命力，光學(xué)信息處理成為十分活躍的一個(gè)學(xué)科方向。第3頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波8.2.1阿貝(Abbe)成像理論

物面發(fā)出的光波經(jīng)物鏡在后焦面產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射得第一次衍射像，衍射像作為相干波源發(fā)出次波在像面干涉構(gòu)成物體的像，稱第二次衍射像。x0xixfL0d0dif第4頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月x0xixfL0d0dif阿貝二次成像理論示意圖第5頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.2阿貝-波特實(shí)驗(yàn)

阿貝本人于1873年，波特于1906年分別做了實(shí)驗(yàn)，物面采用正交光柵（即細(xì)絲網(wǎng)格狀物），由相干單色平行光照明；頻譜面上放置濾波器，以各種方式改變譜結(jié)構(gòu)，在像面上可觀察到各種與物不同的像，實(shí)驗(yàn)裝置如下：第6頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月阿貝—波特實(shí)驗(yàn)示意圖A不改變譜分布B水平譜通過C豎直譜成分通過D零頻通過E阻擋零頻通過F斜向?yàn)V波第7頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月阿貝-波特實(shí)驗(yàn)結(jié)論1實(shí)驗(yàn)充分證明了阿貝成像理論的正確性：像的結(jié)構(gòu)依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像的結(jié)構(gòu)；2實(shí)驗(yàn)充分證明了傅里葉分析的正確性：（1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)信息（圖B）；頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)信息（圖C）；（2）零頻分量是一個(gè)直流分量，它只代表像的本底（圖D）；（3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像發(fā)生襯底反轉(zhuǎn)（圖E）；（4）僅允許低頻分量通過時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許高頻分量通過時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)；（5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)（圖F）。第8頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.3空間頻率濾波系統(tǒng)三透鏡4f系統(tǒng)x1,y1ffffffL1L2L3S頻譜面物面像面三透鏡光學(xué)頻譜分折系統(tǒng)x2,y2x3,y3t(x1,y1)t(x2,y2)=F(fx,fy)t’(x3,y3)

可見，改變?yōu)V波器的振幅透過率函數(shù)F(fx,fy)，可望改變幾何像的結(jié)構(gòu)。第9頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.4空間濾波的付里葉分析—維柵狀物:朗奇光柵(Ronchi)柵狀物adB第10頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月將物置于4f系統(tǒng)輸入面上，可在譜面上得到它的傅里葉變換：fx譜面上振幅分布第11頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第12頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月adBx1fx譜面上振幅分布濾波器不同輸出不同1)濾波器是一個(gè)通光孔，只允許零級(jí)通過，其透過率函數(shù)為譜面上振幅輸出面得到其付里葉逆變換說明輸出為一亮區(qū)，振幅為a/d,寬為B,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：第13頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波器是一個(gè)通光孔，只允許零級(jí)通過時(shí)，輸出為一亮區(qū)，振幅衰減為a/d，亮區(qū)寬度為B，與柵狀物寬度相同，柵狀結(jié)構(gòu)完全消失，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。第14頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2)濾波器是一個(gè)狹縫，使零級(jí)和正負(fù)一級(jí)譜通過譜面上振幅輸出面得到付里葉逆變換第15頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

分析上式可知像與物的周期相同，但振幅分布不同，這是由于失去了高頻信息而造成邊緣銳度降低。零級(jí)通過濾波后譜分布濾波器像零級(jí)和正負(fù)一級(jí)通過濾波器濾波后譜分布像第16頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月3)濾波器為雙狹縫，只允許正、負(fù)二級(jí)頻譜通過濾波后的光場復(fù)振幅為第17頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月濾波后譜分布濾波器t(x)

可見只允許正負(fù)二級(jí)譜通過時(shí)，像振幅的周期是物的1/2。實(shí)驗(yàn)中觀察到的輸出一般為強(qiáng)度分布，本例的像強(qiáng)度周期就是物周期的1/4。輸出振幅為第18頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月像振幅周期為物的一半，強(qiáng)度周期為物的四分之一第19頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月4)濾波器為一光屏，只阻擋零級(jí)，允許其它頻譜通過:濾波后的光場復(fù)振幅為濾波前物的頻譜第20頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

沿x3在B范圍內(nèi),透光部分為1,減去,擋光部分為0，也減去,分別為,-I(x3)=第22頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)過傅里葉變換后，像的分布有兩種可能的情況（1）當(dāng)d=2a時(shí)，像的周期與物的周期相同，但強(qiáng)度是均勻的。adabcdd=2ax1fxx3x3t(x1)t’(x3)I(x3)F(fx)第23頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）當(dāng)a>d/2時(shí)，像的振幅分布向下錯(cuò)位，強(qiáng)度分布出現(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)，原來的亮區(qū)變?yōu)榘祬^(qū)，原來的暗區(qū)變?yōu)榱羺^(qū)。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符。adabcdd<2ax3x3fxx1t(x1)t’(x3)I(x3)F(fx)第24頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月

沿x3在B范圍內(nèi)透光，振幅減去半多，故上少下多。第25頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2.5濾波器的種類及應(yīng)用舉例1.振幅型濾波器稱為二元振幅型濾波器,又分為低通、高通、帶通濾波器1)低通濾波器（只改變頻譜的振幅分布，不改變相位分布）（用于濾去頻譜中的高頻分量，只允許低頻通過）第26頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2)高通濾波器:用于濾除頻譜中的低頻成份,增強(qiáng)像的邊緣，或?qū)崿F(xiàn)襯度反轉(zhuǎn)。高通濾波器主要用于增強(qiáng)模糊圖像的邊緣，以提高圖像的識(shí)別能力。由于能量損失較大，所以輸出結(jié)果較暗。3)帶通濾波器:用于選擇某些頻譜分量通過,阻擋另一些分量。種類多，下面僅舉幾例第27頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月如允許正負(fù)一級(jí)譜通過,周期縮短一半帶通濾波器1例8.1正交光柵上污點(diǎn)的清除帶通濾波器2例8.2縮短光柵的周期

第28頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月(4)方向?yàn)V波器（屬于帶通濾波器范疇，只是帶有較強(qiáng)的方向性）印刷電路掩模板上庇病的檢查例8.4印刷電路中掩模疵點(diǎn)的檢查。第29頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月去除組合照片接縫例8.5組合照片接縫的去除第30頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月地震記錄中強(qiáng)信號(hào)的提取例8.4地震記錄中強(qiáng)信號(hào)的提取第31頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月2.相位型濾波器.相襯顯微鏡

相位型濾波器只改變付里葉頻譜的相位分布，不改變它的振幅分布，主要功能是用于覌察相位物體。

“

相位物體”是指本身只存在折射率分布不均或表面高度不均。當(dāng)用相干光照明時(shí)，物體各部分都是透明的，其透過率只包含相位分布。用普通顯微鏡將無法觀察到這種相位物體。只有將相位信息轉(zhuǎn)換為振幅信息，才能用普通顯微鏡觀察這種相位物體。

1935年，策尼克發(fā)明了相襯顯微鏡，解決了相位到振幅的變換（在零級(jí)譜增加相位），從而覌察到透明物體，策尼克因此而獲諾貝爾獎(jiǎng)。第32頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月相襯顯微鏡原理位相角很小時(shí)即很薄時(shí)平方項(xiàng)忽略結(jié)果是一均勻分布，看不到物體。位相角很小即透明物很薄時(shí)第33頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月位相角很小時(shí)即很薄時(shí)平方項(xiàng)忽略位相角很小時(shí)即很薄時(shí)一個(gè)透明物體有透過率未經(jīng)濾波時(shí)，像的強(qiáng)度分布為結(jié)果是一均勻分布，看不到物體。角很小,小于1弧度,即很薄相襯顯微鏡原理第34頁，課件共37頁，創(chuàng)作于2023年2月譜面中心小區(qū)城內(nèi)放一位相濾波器，僅使物的零級(jí)譜相位增加位相角很小時(shí)即很薄時(shí)平方項(xiàng)忽略現(xiàn)在輸出的強(qiáng)度依賴于位相分布