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1、1,2,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,20世纪60年,它的基本概念起源于19世纪后期。,3,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,又如单色平面波,,空间周期 dz = ,z:,空间频率,x:,对传播方向 z:,4,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:,5,二. 光栅夫琅禾费衍射的空间频率,x向:,y向:,由明纹条件,有,6,阿贝从波动光学角度对
2、透镜成像做了新解释,,一定的 对应一定的 fx ,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,,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 fx= 0, = 0。,三.阿贝(E. Abbe)成像原理,他指出,成像过程可分解为两步:,7,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。,8,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,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
3、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,9,一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
4、制。 5)装置简单,价格低。,10,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。,11,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 1cm2 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
5、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。,12,四.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,,13,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。,从另一角度说,, 空间滤波。,14,0,无直流成分,反衬度反转, 阿贝(1874)波特(1906)实验:,15,16,五.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),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
6、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,17,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,18,19, 光学去污,用纯净网格谱的正片滤波,,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。,20,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
7、空测量, 光学特征识别,光学侦破(指纹识别),21,例如指纹识别:,出现亮点即被识别,22, 调制(假彩色编码),(光栅拼成),物,像,频谱面,23,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),24, 模糊图象处理(离焦模糊、运动模糊),关键是找到T,G (fx,fy) 模糊图象的谱。,设:G (fx,fy) 清楚图像的谱,, 模糊因子,,令:,滤波后,则,25,消模糊处理前的碑文,处理后的碑文(唐诗),26, 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:,用普通显微镜观察样品,,Zernike提出,在玻璃片中,27,经相位板后,,其它变化不大。,0级相移了 ,,28,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。,29,普通显微镜(左)和相衬显微镜拍摄的硅藻照片,30,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,
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