光学信息处理技术
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? 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。
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
综合出的像: 仅有边框, 不 出现条纹结构
原原零原原物原物物频物物分量是一个直流分量通通，通过过过它的的的频只频频谱代谱谱表像综综的合综综综合本出合合合出的出底出出的图的的的图像图图图像像像像
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特实验：结论
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。
?
零级谱
正、负一级谱
高级频谱
强度呈现为一系列亮点，每个
亮点是一个sinc2函数
幅值受单缝衍射限制，包络
是单缝夫琅和费衍射图样
中心分别位于fx = m/d （m = 0 , +1 , +2 …）
强度
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
[ 在未进行空间滤波前，输出面上得到的是 ? -1 T(fx)] （取反射
物:一维栅状物—Ronchi 光栅
其透过率函数为矩形函数阵列：
?
t( x1) ? ? rectx[1(? md ) / a] m? ??
缝宽 缝间距
可看成矩形函数rect (x1/a )和梳状函数comb (x1/d)的 卷积： t (x1) = (1/d) ·rect (x1/a) * comb (x1/d) 若栅状物总宽度为B， t (x1)还应多乘一个因子:
第七章 光学信息处理技术
第七章 光学信息处理技术
概述
? 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。
? 以底片为例，设黑白底片最小分辨率单元为 0.5? m （完全可以达到），每个单元按黑度分为 6个等级 （人眼分辨率，计算机可更多），则 1cm 2面积的底 片包含的信息量为 102? 106? 4 ? 3=1.2 Gbit 。
? 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。
§7-1 空间滤波基本原理
1、阿贝（Abbe) 成像理论（1673）
“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；
§7-2 空间滤波系统与滤波器
1、空间频率滤波系统
(1)三透镜系统
准直
变换 滤波器 成像
4f系统
频谱分析：观察和记录物的空间频率特性 空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布
§7-2 空间滤波系统与滤波器
1、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：
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）。
[ T ( fx ) = ? t ( x1 ) ] 它的傅里叶变换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
?
aB d
? ?
sinc?Bf
x
??
?
sinc?? a ?d
???sinc???B???
fx
?
1 d
?????? ?
sinc?? a ?d
??sinc ?
???B???
fx
?
1 d
?????? ?
? ......?
u 2' = T ( fx , fy ) ·F (fx , fy )
单色光源波长
? { t ( x1 , y1 ) } x2 /lf2 y2 /lf2
变换透镜L2的焦距
输出平面（反射坐标系）得到u2' 的傅里叶逆变换：
u3' = ? –1 { u2' }
改变滤波器的振幅 透过率函数，可改
= ? –1 {T ( fx , fy ) ·F ( fx , fy ) } 变像的结构。
实验装置
物平面 细丝网格状物 （正交光栅）
频谱面 放置滤波器
改变物的 频谱结构
像面 观察到各种 不同的像
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特实验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(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）
滤波器: 放置在频 谱让面0级中通谱心过通的的过孔频,谱仅
物的几何像 = ? –1 {T ( fx , fy ) } * ? –1 { F ( fx , fy ) } 滤波器
= t ( x3 , y3 ) * ? –1 {F ( fx , fy ) }
脉冲响应
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
利用透镜的傅里叶变换性质分析阿贝 -波特实验 讨论一维情况，并利用 4 f 系统进行滤波操作
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。
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特（Abbe —Porter ）实验（1906）
相干单色平行光照明
t ( x1 ) = {(1/d) ·rect( x1/a) * com b(x1/d)} ·rect (x1/B)
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
t ( x1 ) = {(1/d) ·rect( x1/a) * com b(x1/d)} ·rect (x1/B)
将物置于4f 系统输入面上，可在频谱面上得到
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
综合出的像: 仅有边框, 不 出现条纹结构
原原零原原物原物物频物物分量是一个直流分量通通，通过过过它的的的频只频频谱代谱谱表像综综的合综综综合本出合合合出的出底出出的图的的的图像图图图像像像像
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特实验：结论
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。
?
零级谱
正、负一级谱
高级频谱
强度呈现为一系列亮点，每个
亮点是一个sinc2函数
幅值受单缝衍射限制，包络
是单缝夫琅和费衍射图样
中心分别位于fx = m/d （m = 0 , +1 , +2 …）
强度
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
[ 在未进行空间滤波前，输出面上得到的是 ? -1 T(fx)] （取反射
物:一维栅状物—Ronchi 光栅
其透过率函数为矩形函数阵列：
?
t( x1) ? ? rectx[1(? md ) / a] m? ??
缝宽 缝间距
可看成矩形函数rect (x1/a )和梳状函数comb (x1/d)的 卷积： t (x1) = (1/d) ·rect (x1/a) * comb (x1/d) 若栅状物总宽度为B， t (x1)还应多乘一个因子:
第七章 光学信息处理技术
第七章 光学信息处理技术
概述
? 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。
? 以底片为例，设黑白底片最小分辨率单元为 0.5? m （完全可以达到），每个单元按黑度分为 6个等级 （人眼分辨率，计算机可更多），则 1cm 2面积的底 片包含的信息量为 102? 106? 4 ? 3=1.2 Gbit 。
? 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。
§7-1 空间滤波基本原理
1、阿贝（Abbe) 成像理论（1673）
“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；
§7-2 空间滤波系统与滤波器
1、空间频率滤波系统
(1)三透镜系统
准直
变换 滤波器 成像
4f系统
频谱分析：观察和记录物的空间频率特性 空间滤波：改变物的空间频谱结构,进而改变像分布
§7-2 空间滤波系统与滤波器
1、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：
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）。
[ T ( fx ) = ? t ( x1 ) ] 它的傅里叶变换—栅状物的夫琅和费衍射图样:
?
aB d
? ?
sinc?Bf
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?
sinc?? a ?d
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fx
?
1 d
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u 2' = T ( fx , fy ) ·F (fx , fy )
单色光源波长
? { t ( x1 , y1 ) } x2 /lf2 y2 /lf2
变换透镜L2的焦距
输出平面（反射坐标系）得到u2' 的傅里叶逆变换：
u3' = ? –1 { u2' }
改变滤波器的振幅 透过率函数，可改
= ? –1 {T ( fx , fy ) ·F ( fx , fy ) } 变像的结构。
实验装置
物平面 细丝网格状物 （正交光栅）
频谱面 放置滤波器
改变物的 频谱结构
像面 观察到各种 不同的像
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特实验ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(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）
滤波器: 放置在频 谱让面0级中通谱心过通的的过孔频,谱仅
物的几何像 = ? –1 {T ( fx , fy ) } * ? –1 { F ( fx , fy ) } 滤波器
= t ( x3 , y3 ) * ? –1 {F ( fx , fy ) }
脉冲响应
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
利用透镜的傅里叶变换性质分析阿贝 -波特实验 讨论一维情况，并利用 4 f 系统进行滤波操作
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。
§7-1 空间滤波基本原理
2、阿贝—波特（Abbe —Porter ）实验（1906）
相干单色平行光照明
t ( x1 ) = {(1/d) ·rect( x1/a) * com b(x1/d)} ·rect (x1/B)
§7-2 空间滤波系统与滤波器
2、空间滤波的傅里叶分析
t ( x1 ) = {(1/d) ·rect( x1/a) * com b(x1/d)} ·rect (x1/B)
将物置于4f 系统输入面上，可在频谱面上得到