《信息光学》第八章 光学信息处理
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✓ 光学信息处理通常有两种分类方法
1）根据系统是否满足线性叠加性质，分为线性处理和非线性处理； 2）根据使用光源的时间和空间相干性分为相干光处理、非相干光处理和白光
处理。
-
1、引言
✓ 发展简史
✓ 1859年，佛科(Foucault)的刀口检验； ✓ 1873年，阿贝(E.Abbe)提出显微镜成像理论； ✓ 1935年，泽尼克提出了相衬原理，获1953年诺贝尔物理学奖； ✓ 1948年，伽柏发明全息术，获得了1971年诺贝尔物理学奖； ✓ 50年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学
本章主要内容
1、引言 2、相干滤波的基本原理 3、简单振幅和位相滤波的例子 4、光栅滤波器的应用 5、光学图像识别 6、图像复原 7、非相干光处理 8、白光信息处理 9、其他
-
1、引言
✓ 什么是光学信息处理？
所谓的光学信息处理，是指用光学方法实现对输入信息的各种变换和处理。 1）这些输入信息可以是光信息，也可以是电信号或声信号，但这些信号需要 使用电光或声光转换器件，把它们变为光信号，再输入光学系统处理。 2）用光学方法可以实现各种变换和处理，例如菲涅耳变换、傅里叶变换、卷 积运算，以及去噪、编码与解码等。
✓相干滤波系统需要完成从空域
到频域，又从频域还原到空域的 两次傅立叶变换以及在频域的乘 积运算。系统应该具有与空域想 对应的输入、输出平面，以及和 频域相对应的确定频谱面。
-
2、相干滤波的基本原理
2)适当放宽狭缝，仅让零级和正、负 一级谱通过。 狭缝后的透射光场：
sincdasincLfxd1 sincdasincLfxd1
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
d arect x L 3 12sinc d a cos2dx3
-
2、相干滤波的基本原理
4)采用不透光的小圆屏挡掉零级谱， 而让其余频率成份都能通过双缝。
狭缝后的透射光场：
TfxHfx TfxadLsincLfx
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
t
x3da
rect
x3 L
-
2、相干滤波的基本原理
2.3 相干滤波的基本原理和运算
✓采用单位振幅平面波垂直照明，P2面上的光场分布正比于物体的频谱，即：
Tfxa d Ln sinc a d n sinc L fxd n
a d L s i n c L f x s i n c d a s i n c L f x d 1 s i n c d a s i n c L f x d 1 L
其中，f x
x2 f
✓在P2面上放置不同的孔径光阑，作频域处理，将给出完全不同的输出像。
-
2、相干滤波的基本原理
1) 选择适当宽度的狭缝，仅让零级 谱通过，挡掉其余频率部分。 紧靠狭缝后的透射光场为
TfxHfxadLsincLfx
P3面输出光场分布为
gx3 F-1T fxH fx
a d
rect
x3 L
✓相干滤波包括两个过程：从输入面到频谱面的频率分解过程和从频谱面到
输出面的频率合成过程。若在频谱面放置一特定的滤波器，则实现了对输入 信息的变换处理！
✓利用透镜的傅立叶变换性质，可实现相干光处理或相干滤波。前面介绍的
4f系统是非常典型的相干滤波系统。
-
2、相干滤波的基本原理
2.4 其他的相干滤波系统和滤波器
✓若在物面放置细丝网格，用相干光源照明，各级衍射光在L2的后焦面P2
分离开，形成一些亮点，即物体的空间频谱（图a）；
✓在经L3变换成不同方向的平面波分量，在P3平面重新相干叠加，产生网
格的像(图b)。
-
2、相干滤波的基本原理
✓像和系统传递的空间频谱之间存在着一一对应的关系。在频谱面上通过
狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构也将发生变化。
—光学信息处理的理论和技术奠定了基础。 ✓ 60年代，激光器诞生，全息术获得重大发展，相干光处理进
入蓬勃发展的阶段； ✓ 70年代，为克服相干噪声，转向非相干光处理、白光处理；
✓ 90年代，迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展和延拓， 为光学信息处理开辟了更广的领域。
✓ 随着计算机技术的发展，电子数字计算机和光学模拟处理器将结合起 来，构成混合处理系统；同时，光计算也将成为非常重要的研究领域。
-
2、相干滤波的基本原理
2.1 阿贝—波特实验
✓阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服
力的实验，如下图所示(4f系统)：
其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为f。P1、P2和P3分 别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系。
-源自文库
2、相干滤波的基本原理
-
2、相干滤波的基本原理
2.2 空间滤波的傅里叶分析
✓为简单起见，以一维光栅物体为例进行傅立叶分析，以更透彻的了解改
变系统透射频谱对于像的结构的直接影响。假设光栅的透过率为
tx1 rect x a 1 d 1com b x d 1 rect x L 1
其中，a为缝宽，d为光栅常数，L为光栅沿x1方向的尺寸。
-
1、引言
✓ 光学处理和数字处理的比较
1）光学处理是并行处理，处理系统是二维的，特别适用于对图像的快速和实时处 理；数字图像处理主要指计算机图像处理，它对数据的处理方式是逐点的、一维 的，原理上讲处理速度慢。 2）光学处理系统的信息处理容量大，运算速度快，系统结构简单，操作方便，可 实现一些二维信息处理，例如二维傅里叶变换、二维复函数的卷积和相关运算等。 3）光学信息处理的缺点主要是缺少灵活性。 因此，可以把光学处理和数字处理结合起来，取长补短，组成混合系统实现最佳 性能，如下图所示。
-
2、相干滤波的基本原理
3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过。
狭缝后的透射光场：
TfxHfxadL sinc2dasincLfxd2
sinc2dasincLfxd2
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
2 d arect x L 3 sinc 2 d a cos4dx3
1）根据系统是否满足线性叠加性质，分为线性处理和非线性处理； 2）根据使用光源的时间和空间相干性分为相干光处理、非相干光处理和白光
处理。
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1、引言
✓ 发展简史
✓ 1859年，佛科(Foucault)的刀口检验； ✓ 1873年，阿贝(E.Abbe)提出显微镜成像理论； ✓ 1935年，泽尼克提出了相衬原理，获1953年诺贝尔物理学奖； ✓ 1948年，伽柏发明全息术，获得了1971年诺贝尔物理学奖； ✓ 50年代通讯理论和光学的结合，产生了傅里叶光学
本章主要内容
1、引言 2、相干滤波的基本原理 3、简单振幅和位相滤波的例子 4、光栅滤波器的应用 5、光学图像识别 6、图像复原 7、非相干光处理 8、白光信息处理 9、其他
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1、引言
✓ 什么是光学信息处理？
所谓的光学信息处理，是指用光学方法实现对输入信息的各种变换和处理。 1）这些输入信息可以是光信息，也可以是电信号或声信号，但这些信号需要 使用电光或声光转换器件，把它们变为光信号，再输入光学系统处理。 2）用光学方法可以实现各种变换和处理，例如菲涅耳变换、傅里叶变换、卷 积运算，以及去噪、编码与解码等。
✓相干滤波系统需要完成从空域
到频域，又从频域还原到空域的 两次傅立叶变换以及在频域的乘 积运算。系统应该具有与空域想 对应的输入、输出平面，以及和 频域相对应的确定频谱面。
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2、相干滤波的基本原理
2)适当放宽狭缝，仅让零级和正、负 一级谱通过。 狭缝后的透射光场：
sincdasincLfxd1 sincdasincLfxd1
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
d arect x L 3 12sinc d a cos2dx3
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2、相干滤波的基本原理
4)采用不透光的小圆屏挡掉零级谱， 而让其余频率成份都能通过双缝。
狭缝后的透射光场：
TfxHfx TfxadLsincLfx
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
t
x3da
rect
x3 L
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2、相干滤波的基本原理
2.3 相干滤波的基本原理和运算
✓采用单位振幅平面波垂直照明，P2面上的光场分布正比于物体的频谱，即：
Tfxa d Ln sinc a d n sinc L fxd n
a d L s i n c L f x s i n c d a s i n c L f x d 1 s i n c d a s i n c L f x d 1 L
其中，f x
x2 f
✓在P2面上放置不同的孔径光阑，作频域处理，将给出完全不同的输出像。
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2、相干滤波的基本原理
1) 选择适当宽度的狭缝，仅让零级 谱通过，挡掉其余频率部分。 紧靠狭缝后的透射光场为
TfxHfxadLsincLfx
P3面输出光场分布为
gx3 F-1T fxH fx
a d
rect
x3 L
✓相干滤波包括两个过程：从输入面到频谱面的频率分解过程和从频谱面到
输出面的频率合成过程。若在频谱面放置一特定的滤波器，则实现了对输入 信息的变换处理！
✓利用透镜的傅立叶变换性质，可实现相干光处理或相干滤波。前面介绍的
4f系统是非常典型的相干滤波系统。
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2、相干滤波的基本原理
2.4 其他的相干滤波系统和滤波器
✓若在物面放置细丝网格，用相干光源照明，各级衍射光在L2的后焦面P2
分离开，形成一些亮点，即物体的空间频谱（图a）；
✓在经L3变换成不同方向的平面波分量，在P3平面重新相干叠加，产生网
格的像(图b)。
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2、相干滤波的基本原理
✓像和系统传递的空间频谱之间存在着一一对应的关系。在频谱面上通过
狭缝、小孔等光阑改变透射的频谱，输出像的结构也将发生变化。
—光学信息处理的理论和技术奠定了基础。 ✓ 60年代，激光器诞生，全息术获得重大发展，相干光处理进
入蓬勃发展的阶段； ✓ 70年代，为克服相干噪声，转向非相干光处理、白光处理；
✓ 90年代，迅速发展的分数傅里叶光学是傅里叶光学的发展和延拓， 为光学信息处理开辟了更广的领域。
✓ 随着计算机技术的发展，电子数字计算机和光学模拟处理器将结合起 来，构成混合处理系统；同时，光计算也将成为非常重要的研究领域。
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2、相干滤波的基本原理
2.1 阿贝—波特实验
✓阿贝—波特实验证明了阿贝的成像理论，是显示空间滤波原理的富有说服
力的实验，如下图所示(4f系统)：
其中，L1是准直透镜，L2和L3是傅里叶变换透镜，焦距均为f。P1、P2和P3分 别是物面、频谱面和像面，P3平面采用反射坐标系。
-源自文库
2、相干滤波的基本原理
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2、相干滤波的基本原理
2.2 空间滤波的傅里叶分析
✓为简单起见，以一维光栅物体为例进行傅立叶分析，以更透彻的了解改
变系统透射频谱对于像的结构的直接影响。假设光栅的透过率为
tx1 rect x a 1 d 1com b x d 1 rect x L 1
其中，a为缝宽，d为光栅常数，L为光栅沿x1方向的尺寸。
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1、引言
✓ 光学处理和数字处理的比较
1）光学处理是并行处理，处理系统是二维的，特别适用于对图像的快速和实时处 理；数字图像处理主要指计算机图像处理，它对数据的处理方式是逐点的、一维 的，原理上讲处理速度慢。 2）光学处理系统的信息处理容量大，运算速度快，系统结构简单，操作方便，可 实现一些二维信息处理，例如二维傅里叶变换、二维复函数的卷积和相关运算等。 3）光学信息处理的缺点主要是缺少灵活性。 因此，可以把光学处理和数字处理结合起来，取长补短，组成混合系统实现最佳 性能，如下图所示。
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2、相干滤波的基本原理
3)采用双缝，仅让正、负二级谱通过。
狭缝后的透射光场：
TfxHfxadL sinc2dasincLfxd2
sinc2dasincLfxd2
P3面输出光场分布为
g x 3 F - 1 T fx H fx
2 d arect x L 3 sinc 2 d a cos4dx3