理学波光光信息处理概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,用改变频谱的手段来处理信息。,信息光学,也称为,变换光学,或,付里叶光学，,代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。,基本思想：,用频谱的语言分析物面的信息，,物面,空间频谱分析系统,空间频谱,频谱处理系统,处理后的物像,20,世纪,60,年,它的基本概念起源于,19,世纪后期。,2,例如,光栅：,一,.,空间频率：,单位长度内空间分布重复的次数,任何周期性空间分布，都有一定的空间频率，,d,空间周期，,空间频率,d,x,同,相,面,x,z,0,z,（,x z,面,）,又如,单色平面波，,空间周期,d,z,=,z,：,空间频率,x,：,对传播,方向,z,：,3,可见，,同一个波在不同方向空间频率也不同。,对任意方向传播的单色平面波：,x,z,0,z,y,4,二,.,光栅夫琅禾费衍射的空间频率,x,向：,y,向：,由明纹条件,有,y,x,z,G,L,k,f,F,（物）,（焦平面）,：,衍射角,5,阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释，,一定的,对应一定的,f,x,，也对应一定的,k,。,（,1,）物是一系列不同的空间频率信息的集合，,的讨论：,对,中央明纹反映的是物上不变化的部分。,（,2,）,物上不变的部分,d,，,即,f,x,=0,，,=0,。,三,.,阿贝,（,E.Abbe,）,成像原理,他指出，成像过程可分解为两步：,6,入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，,在,L,的焦平面上形成一系列的衍射斑纹，,此即物的空间频谱。,第一步：,各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干,第二步：,叠加形成物的像。,+1,1,0,f,F,发子波,物面,L,A,A,像平面,相干叠加成像,频谱面,1,+1,7,这样，我们对,夫琅禾费衍射,又有了,新认识：,理想的夫琅禾费衍射装置,透镜，,正是一个,付,在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。,同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率,单色光正入射到图上时，,通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被,一束特定方向的衍射波输送出来，,的单频率信息所组成。,并且以衍射,斑纹的形式展现在透镜,L,的焦平面上。,所以，,里叶频谱面（付氏面）。,里叶频谱分析器，,透镜的后焦面就是图片的付,8,一个透镜就是一个光学模拟计算机。,以上认识给了光学一个强有力的数学手段,付氏分析，,也给了数学上的付氏变换的运算提,供了一个新技术,光学计算术。,光学模拟计算机的优点：,1,）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化,2,）能直接处理二元函数,f,(,x,y,),。,3,）是并行输入，光束交叉可独立传播。,4,）速度快，不受电路时间常数,RC,的限制。,5,）装置简单，价格低。,9,光学模拟计算机的不足：,1,）直接处理数据信号很困难。,2,）易受干扰。,3,）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。,光学专家和计算机专家们正在探索光学计算,机由,模拟化走向数字化。,利用光学双稳态元件,（如一些电光晶体器件），,可以在电信号的控制下，达到透光和不透光，,即实现（,0,，,1,）状态，,从而可实现数字化。,10,光开关的速度,10,亿次,/,秒,运算速度,100,万次,/,秒,不久达到 几亿次,/,秒,1990.1.29,贝尔实验室数字光处理器：,1993,年,1cm,2,GaAs,衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器。,光计算机要求光子元件小型化、集成化,集成光路,光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。,美国防部将此列为,22,项关键技术之一。,同年美国研制成了世界上首台光计算机。,11,四,.,空间滤波,总是要丢掉较高频的信息。,由于透镜的孔径有限，使物光通过透镜后，,F,0,+1,+2,1,2,S,S,物点,像点,对应于截止频率,f,c,丢失了高频的信息,L,12,改变频谱可改变物光的信息,使用透镜会丢失高频信息，,在频谱面上放置空间滤波器，可改造空间频谱。,低通滤波器,F,高通滤波器,F,带通滤波器,F,从另一角度说明，,空间滤波。,13,t,x,a,d,滤波器,一片亮，无变化,x,(,振幅,),U,0,0,基频,-1,+1,基频,-1,-2,+2,+1,+3,-3,I,x,U,a,x,I,x,0,无直流成分,反衬度反转,U,x,直流成分,阿贝,（,1874,）,波特,（,1906,）,实验：,0,-1,-2,+2,+1,x,L,黑白光栅,频谱面,像面,t,(,振幅透,+3,-3,过率,),14,L,y,x,物,像,保留,f,y,的频谱：,保留,f,x,的频谱：,y,x,保留,f,的频谱：,方向,F,y,x,15,五,.,光信息处理举例,轮廓突出和低对比度图形的识别,（边缘增强）,I,背景,信号,对比度高,背景,I,背景,信号,对比度低,背景,以内及背景,光强变化较慢，,勾出物体轮廓，,是识别低对比度图形或物体的有效,方法。,边缘,亮度变化剧烈，,高频成分丰富。,物体某部分的亮度与背景亮度之比叫,对比度。,主要是低频和直流成分。,物体,边缘,16,从而,突出轮廓亮度,形成亮的镶边。,方法：,在物的频谱面,F,上放一个高通滤波器,（玻璃片中心镀个不透明的斑），,挡掉,0,级和低频,成分，,高频滤波和轮廓突出,F,大头针,L,P,1,P,2,扩束,亮边,17,轮廓突出前,轮廓突出后,18,光学去污,带污点的网格,纯净网格,污点,用纯净网格谱的,正片,滤波，,纯净网格的频谱,用纯净网格谱的,负片,滤波，,可得到,纯净网格。,可得到,污点。,光学去污,主要用于工业制版,(,大规模集成电路）,检查模版上的污点（噪声）或复制模版。,19,光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物,的付氏谱进行比较，从而找出待测目标。,特征识别系统可以做到：,从卫星照片中检测军事目标,从文件中检测某个字,从细胞中检测癌细胞,进行航空测量,光学,特征识别,光学侦破（指纹识别）,20,例如指纹识别：,x,平面波,指纹,指纹,平面波,x,带有指纹信息的衍射波,带有指纹信息的会聚波,反过来,L,1,P,2,L,2,亮点,若,x,*,=,x,或,x,*,与,x,相关,x,平面波,P,1,参照指纹,x,*,频谱面,待查指纹,出现亮点即被识别,21,调制,（假彩色编码）,（光栅拼成）,黑白物,白光,着色像,L,频谱面,空间滤波,薰黑,光栅,蓝色透过,蓝色透过,红色透过,红色透过,物,像,频谱面,22,头发的电子显微镜黑白照片,相应的假彩色照片可显示一些细节,演示,调制,（,KG046,）,23,模糊图象处理,（离焦模糊、运动模糊）,关键是找到,T,G,(,f,x,，,f,y,),模糊图象的谱。,设：,G,(,f,x,，,f,y,),清楚图像的谱，,模糊因子，,令：,滤波后,则,L,1,L,2,畸变波,频谱面,F,滤波,（透过率）,正确波,清楚图象,P,2,平面波,P,1,模糊照片,24,消模糊处理前的碑文,处理后的碑文（唐诗）,25,相衬显微镜,提高待测样品的衬比度,样品是无色透明的生物切片或晶片时，,率函数是相位型的：,其透过,很小。,衬比度极小。,相位反衬法：,心滴一小滴,厚,h,的,液体，,放到频谱面上引起,0,级相移：,切片,（物）,（,x,y,）,A,用普通显微镜观察样品，,Zernike,提出,在玻璃片中,像,（,x,y,）,L,频谱面,相位板,26,0,级,经相位板后，,其它变化不大。,0,级相移了,，,27,像的光强：,通常选,这样有：,于是像的光强中就更加突出了相位的变化。,Zernike,因此获得了,1953,年诺贝尔物理奖。,28,普通显微镜（左）和相衬显微镜拍摄的硅藻照片,29,以达到对图象信息进,光学,下册，赵凯华、钟锡华。,从波光学到信息光学,，宋菲君。,大学物理学,（第四册）张三慧等。,参考书目,总之，信息处理的,关键,在于研究清楚信息的,频谱特征，,然后针对它研制相应的,空间滤波器，,从而按照需要改变频谱，,行处理的目的。,完,