波光光信息處理概述

波光光信息處理概述1第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月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?；舅枷耄河妙l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第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月例如光柵：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

（

xz面）又如單色平面波，空間周期dz

=

z：空間頻率x：對(duì)傳播方向z

：3第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月可見，同一個(gè)波在不同方向空間頻率也不同。對(duì)任意方向傳播的單色平面波：

xz0z

y

4第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二.光柵夫瑯禾費(fèi)衍射的空間頻率x向：

y向：

由明紋條件有

y

⊙xzGLkfF（物）（焦平面）

：衍射角5第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

阿貝從波動(dòng)光學(xué)角度對(duì)透鏡成像做了新解釋，一定的

對(duì)應(yīng)一定的fx，也對(duì)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(duì)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第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月入射光經(jīng)物平面發(fā)生夫瑯禾費(fèi)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。

+1

10

fF發(fā)子波物面LAA

像平面相干疊加成像頻譜面

1

+17第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月這樣，我們對(duì)夫瑯禾費(fèi)衍射又有了新認(rèn)識(shí)：理想的夫瑯禾費(fèi)衍射裝置—透鏡，正是一個(gè)付在數(shù)學(xué)上我們可以將一個(gè)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(shí)，通過夫瑯禾費(fèi)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第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)透鏡就是一個(gè)光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)。以上認(rèn)識(shí)給了光學(xué)一個(gè)強(qiáng)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(yùn)算提供了一個(gè)新技術(shù)—

光學(xué)計(jì)算術(shù)。光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）能直接處理連續(xù)函數(shù)，不需要抽樣離散化…2）能直接處理二元函數(shù)f(x,y)。3）是并行輸入，光束交叉可獨(dú)立傳播。4）速度快，不受電路時(shí)間常數(shù)RC的限制。5）裝置簡單，價(jià)格低。9第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)模擬計(jì)算機(jī)的不足：1）直接處理數(shù)據(jù)信號(hào)很困難。2）易受干擾。3）只能進(jìn)行付氏變換運(yùn)算，作其它運(yùn)算困難。光學(xué)專家和計(jì)算機(jī)專家們正在探索光學(xué)計(jì)算機(jī)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(hào)的控制下，達(dá)到透光和不透光，即實(shí)現(xiàn)（0，1）狀態(tài)，從而可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。10第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

光開關(guān)的速度10億次/秒運(yùn)算速度100萬次/秒不久達(dá)到幾億次/秒1990.1.29貝爾實(shí)驗(yàn)室數(shù)字光處理器：1993年1cm2GaAs襯底上集成了一百多個(gè)電泵浦微型激光器。光計(jì)算機(jī)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(diǎn)之一。美國防部將此列為22項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一。同年美國研制成了世界上首臺(tái)光計(jì)算機(jī)。11第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四.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，

F0+1+2

12SS物點(diǎn)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)于截止頻率fc丟失了高頻的信息L12第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月改變頻譜可改變物光的信息使用透鏡會(huì)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。13第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月txad濾波器一片亮，無變化x(振幅)U

00

基頻-1+1基頻

-1-2+2+1

+3

-3IxUaxIx0無直流成分反襯度反轉(zhuǎn)Ux直流成分

阿貝（1874）波特（1906）實(shí)驗(yàn)：0

-1-2+2+1xL黑白光柵頻譜面像面

t(振幅透

+3

-3過率)14第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月L

yx物像

保留fy的頻譜：保留fx的頻譜：

yx

保留f

的頻譜：

方向

F

yx

15第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月五.光信息處理舉例▲輪廓突出和低對(duì)比度圖形的識(shí)別（邊緣增強(qiáng)）I背景信號(hào)對(duì)比度高背景I背景信號(hào)對(duì)比度低背景以內(nèi)及背景光強(qiáng)變化較慢，勾出物體輪廓，是識(shí)別低對(duì)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(duì)比度。主要是低頻和直流成分。物體邊緣16第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月從而突出輪廓亮度——

形成亮的鑲邊。方法：在物的頻譜面F上放一個(gè)高通濾波器（玻璃片中心鍍個(gè)不透明的斑），擋掉0級(jí)和低頻成分，高頻濾波和輪廓突出F大頭針LP1P2擴(kuò)束亮邊17第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月輪廓突出前輪廓突出后18第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月▲

光學(xué)去污

帶污點(diǎn)的網(wǎng)格純凈網(wǎng)格

污點(diǎn)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(fù)片濾波，可得到純凈網(wǎng)格。可得到污點(diǎn)。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(diǎn)（噪聲）或復(fù)制模版。19第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

光學(xué)特征識(shí)別是把已知物的付氏譜和待測物的付氏譜進(jìn)行比較，從而找出待測目標(biāo)。特征識(shí)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(gè)字

從細(xì)胞中檢測癌細(xì)胞

進(jìn)行航空測量▲光學(xué)特征識(shí)別

光學(xué)偵破（指紋識(shí)別）

20第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月例如指紋識(shí)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(huì)聚波反過來L1P2L2

亮點(diǎn)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(diǎn)即被識(shí)別21第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月▲

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(lán)色透過藍(lán)色透過紅色透過紅色透過物像頻譜面22第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月頭發(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(xì)節(jié)演示

調(diào)制（KG046）23第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月▲

模糊圖象處理（離焦模糊、運(yùn)動(dòng)模糊）關(guān)鍵是找到TG

(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第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月消模糊處理前的碑文處理后的碑文（唐詩）25第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

▲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(shí)，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(jí)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26第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月0級(jí)經(jīng)相位板后，其它變化不大。0級(jí)相移了

，27第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月像的光強(qiáng)：通常選這樣有：于是像的光強(qiáng)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(jiǎng)。28第28頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月普通顯微鏡（左）和相襯顯微鏡拍攝的硅藻