光信息处理 (38).pdf

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1、Optical Information Processing 光光学学信信息息处处理理 第第九九章章 Incoherent Optical information Processing 非非相相干干光光学学信信息息处处理理 光光学学信信息息处处理理从从光光源源的的空空间间和和时时间间相相干干性性来来分分类类： 1.相相干干光光学学信信息息处处理理 2.非非相相干干光光学学信信息息处处理理 在在非非相相干干光光学学处处理理系系统统中中, ,光光强强只只能能取取正正值值. .故故相相干干光光学学处处理理信信息息的的能能力力比比非非相相干干光光 学学处处理理系系统统要要丰丰富富得得多多. .这这就就

2、是是为为什什么么一一般般采采用用相相干干光光而而不不是是非非相相干干光光进进行行信信息息处处 理理的的主主要要原原因因. . 然然而而, ,相相干干光光学学处处理理也也有有几几个个固固有有缺缺点点. . ( (1 1) ) 相相干干噪噪声声和和散散斑斑噪噪声声问问题题 ( (2 2) ) 输输入入和和输输出出上上存存在在的的问问题题 ( (3 3) ) 对对色色彩彩信信息息难难以以处处理理 1. 相相干干与与非非相相干干光光学学处处理理 a.相相干干光光学学处处理理与与非非相相干干光光学学处处理理的的比比较较 在在光光学学系系统统中中，透透镜镜、反反射射镜镜和和分分束束器器等等不不可可避避免免

3、地地存存在在一一些些缺缺陷陷,如如气气泡泡、 擦擦痕痕以以及及尘尘埃埃、指指印印或或霉霉斑斑等等. 当当用用相相干干光光照照明明时时,这这些些缺缺陷陷将将产产生生衍衍射射,而而这这些些衍衍射射波波之之间间又又会会互互相相干干涉涉,从从 而而形形成成一一系系列列杂杂乱乱条条纹纹与与图图像像重重叠叠在在一一起起,无无法法分分开开.这这就就是是所所谓谓相相干干噪噪声声。 （1）相相干干噪噪声声和和散散斑斑噪噪声声问问题题. 由由于于信信息息是是以以光光场场复复振振幅幅分分布布的的形形式式在在系系统统中中传传递递和和处处理理,这这就就要要求求把把输输入入图图 像像制制成成透透明明片片,然然后后用用激激

4、光光照照明明.这这就就排排除除了了直直接接使使用用发发光光二二极极管管(LED)阵阵列列等等作作为为输输入入 信信号号的的可可能能性性。 而而在在许许多多实实际际应应用用中中的的信信号号是是以以这这种种方方式式提提供供的的。现现在在已已广广为为使使用用的的光光学学与与电电子子学学 混混合合处处理理系系统统,可可以以直直接接使使用用这这类类非非相相干干信信号号。 (2)输输入入和和输输出出上上存存在在的的问问题题 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 非非相相干干光光学学处处理理系系统统对对噪噪声声的的抑抑制制作作用用,是是从从通通信信理理论论中中的

5、的多多余余通通道道的的概概念念发发 展展而而来来的的.例例如如发发送送某某个个信信号号用用了了N个个信信息息通通道道,那那么么第第i个个通通道道的的输输出出信信号号为为 ii nsa 式式中中,ni为为第第i个个通通道道上上的的噪噪声声,不不同同通通道道上上的的噪噪声声是是不不同同的的;s为为信信号号,它它对对所所有有 的的通通道道都都是是相相同同的的.这这样样,总总的的强强度度输输出出信信号号为为 2 1 N i i aEI E表表示示求求平平均均 b.非非相相干干光光学学处处理理系系统统的的噪噪声声抑抑制制 N ji ji N i i nnEnENssNI 1,1 22 2 由由于于噪噪声

6、声是是完完全全随随机机的的，其其信信号号的的平平均均值值为为零零， 0 1 N i i nE 另另外外，不不同同噪噪声声之之间间互互不不相相关关，因因此此有有 N i jin nE 1 ji , 0 ji , 2 222 NsNI 由由上上面面分分析析可可知知，单单一一通通道道上上的的信信噪噪比比为为 22 / s 当当引引入入N个个通通道道后后，信信噪噪比比为为 22 / Ns 扩扩展展光光源源引引入入的的多多余余通通道道 这这一一点点在在光光学学系系统统中中是是容容易易理理解解的的。 扩扩展展光光源源引引入入的的多多余余通通道道 这这一一点点在在光光学学系系统统中中是是容容易易理理解解的的

7、。 照照明明光光波波场场：非非单单色色光光 1.无无相相干干噪噪声声，抗抗干干扰扰能能力力强强 2.系系统统简简单单，具具有有很很强强的的灵灵活活性性 3.色色彩彩信信息息量量高高。 光光学学处处理理对对象象：光光强强 作作用用：完完成成运运算算（非非负负实实函函数数运运算算处处理理） 特特点点： c.非非相相干干光光学学处处理理系系统统的的特特征征 a.成成像像 2 基基于于几几何何光光学学的的非非相相干干处处理理系系统统 实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算,在相干光学处理 系统中这些运算是通过两次傅里叶变换和频城乘法运算完成的； 非相干处理系统由于没有物理上的频谱平面,故

8、不能按照同样的方法处理.但是从空 域来看,卷积和相关运算都包括位移、相乘、积分三个基本步骤； 采用非相干成像系统也可以完完成成这这些些运运算算. 若若把把强强度度透透射射率率为为tl的的一一张张透透明明片片在在强强度度透透过过率率为为t2的的另另一一张张透透明明片片上上成成像像,那那么么在在 第第二二张张透透明明片片后后面面每每点点的的光光强强都都正正比比于于乘乘积积tl t2.所所以以用用光光电电探探测测器器探探测测的的总总光光电电流流I 为为 实实现现一一个个乘乘积积的的积积分分系系统统 a.成成像像 2 基基于于几几何何光光学学的的非非相相干干处处理理系系统统 dxdyyxtyxtI),

9、(),( 21 ),( 1 yxt),( 2 yxt ),( 1 yxt),( 2 yxt 透透镜镜L2将将tl以以相相等等大大小小成成像像在在t2上上,而而透透 镜镜L3将将透透过过t2的的一一个个缩缩小小像像投投射射到到探探测测 器器上上. 让让透透明明片片t2按按反反射射的的几几何何位位置置放放入入,则则 dxdyyxtyxtI),(),( 21 若若使使t2在在x和和y方方向向分分别别移移动动x0,y0，则则 dxdyyvtxvttyxtyxI),(),(),( 2100 ),(vtvtI ),( 1 yxt),( 2 yxt 相相关关运运算算与与卷卷积积运运算算的的区区别别在在于于,

10、两两个个函函数数之之一一没没有有折折叠叠的的步步骤骤; 只只要要使使t2透透明明片片按按正正向向几几何何位位置置放放入入 若若使使t2沿沿x和和y的的负负方方向向移移动动x0,y0，则则 ),(vtvtI ),( 1 yxt),( 2 yxt dxdyyvtxvttyxtyxI),(),(),( 2100 b.无无运运动动元元件件的的卷卷积积和和相相关关运运算算 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 ),( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 胶胶片片或或二二维维 阵阵列列检检测测器器 进进行行记记

11、录录 均均匀匀漫漫 射射光光源源 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 工工作作原原理理： 考考虑虑由由光光源源上上特特定定一一点点(-xo,-yo)发发出出的的光光,经经L1后后变变成成平平行行光光,若若把把第第一一张张透透明明片片投投影影到到第第 二二张张透透明明片片上上,则则通通过过L2把把光光束束会会聚聚到到探探测测器器的的(x0,yo)点点,假假定定两两个个透透镜镜的的焦焦距距相相同同,那那么么在在 检检测测器器上上的的强强度度分分布布为为 dxdyyxhy f d yx f d xfyxg),(),(),( 0000 这这正正是是所所要要求求的的相相关关 )

12、,( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 这这正正是是所所要要求求的的相相关关 ),( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 若若第第一一张张输输入入透透明明片片按按反反射射的的几几何何位位置置放放入入，则则检检测测器器上上的的强强度度分分布布为为 dxdyyxhyy f d xx f d fyxg),(),(),( 0000 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 ),

13、( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 这这种种系系统统的的优优点点是是简简单单易易行行,缺缺点点是是对对f(x ,y)的的空空间间结结构构越越细细,得得到到的的相相关关值值误误差差就就 越越大大.因因为为从从f(x,y)到到 h(x,y)完完全全是是按按几几何何投投影影考考虑虑的的,完完全全忽忽略略了了结结构构的的衍衍射射,结结构构 越越细细,衍衍射射越越显显著著,所所以以用用这这个个系系统统处处理理的的图图像像的的分分辨辨率率是是受受到到限限制制的的. 以以几几何何光光学学为为基基础础的的非非相相干干处处理理系系统统有

14、有两两个个明明显显的的限限制制: 系系统统传传递递和和处处理理的的物物理理量量只只能能是是非非负负光光强强分分布布,无无法法处处理理双双极极性性信信号号和和综综合合 双双极极性性脉脉冲冲响响应应。 分分析析过过程程中中忽忽略略了了衍衍射射效效应应, 限限制制了了系系统统处处理理的的信信息息容容量量.信信息息容容量量的的增增大大, 意意味味着着透透明明片片上上的的空空间间结结构构要要求求越越来来越越精精细细,通通过过透透明明片片的的光光就就越越来来越越多多地地 被被衍衍射射,只只剩剩下下越越来来越越少少的的光光遵遵从从几几何何光光学学定定律律,所所以以输输出出将将偏偏离离按按几几何何关关系系 给

15、给出出的的结结果果. 如如下下图图所所示示，为为一一投投影影式式非非相相干干光光卷卷积积运运算算装装置置,由由光光源源S和和散散射射板板D产产生生均均匀匀的的非非 相相干干光光照照明明,m(x,y)和和O(x,y)是是两两张张透透明明片片,在在平平面面P上上可可以以探探测测到到m(x,y)O(x,y)卷卷积积。 (1)写写出出此此装装置置的的系系统统点点扩扩散散函函数数. (2)写写出出P平平面面上上光光强强分分布布的的表表达达式式。 (3)若若m(x,y)的的空空间间宽宽度度为为L1,0(x,y)的的空空是是宽宽度度为为L2,求求卷卷积积的的空空间间宽宽度度. 例例题题 S S D D ),

16、(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx (1) (x,y)处处的的点点源源，投投射射到到O(x,y)上上而而在在P平平面面上上造造成成的的分分布布即即为为系系统统的的点点扩扩散散函函数数， 其其中中心心位位置置在在 ),( dd yx 利利用用几几何何关关系系 d xx d ),( dd yx 以以为为中中心心的的函函数数O的的形形式式为为 ),(),(y d yx d xOyyxxO dddddd 再再考考虑虑到到投投影影面面积积每每边边长长的的放放

17、大大倍倍数数 d d d yy d y d y d x d x d )(),(),;,(y d y d d x d x d d KOyxyxh dddd 则则 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx （2）P平平面面上上点点（xd,yd）所所接接收收到到的的强强度度响响应应为为物物函函数数m(x,y)与与以以),( dd yx为为中中心心 dxdyy d y d d x d x d d OyxmKyxI ddddP )(),(),(),( 的的点点扩扩散散函函数数乘乘积积的的积积分分，即即 （3 3） d ll d ll l 2 2

18、221 21 d ll l 2 )( 21 卷卷积积的的空空间间宽宽度度为为 d ll lllB )( 2 21 22 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx 1 l 2 l （3 3） d ll d ll l 2 2221 21 d ll l 2 )( 21 卷卷积积的的空空间间宽宽度度为为 d ll lllB )( 2 21 22 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx 1 l 2 l 解解：f Ll 2: 2 : 2 f L l 2 散散焦焦系系统统的的点点扩扩散散

19、函函数数在在几几何何光光学学近近似似下下（没没有有考考虑虑衍衍射射）是是由由于于离离焦焦而而 产产生生的的均均匀匀照照明明的的圆圆斑斑。对对于于非非相相干干系系统统而而言言，像像面面上上的的光光场场是是所所有有脉脉冲冲 响响应应对对应应的的强强度度迭迭加加. c所所以以系系统统的的光光学学传传递递函函数数为为 22 4 (),(yx L f circFH ) 4 (r L f circF ) 2 ( 1 4 1 f L J f L )( 22 按按题题意意 。是是第第一一个个零零点点，所所以以有有0) 2 ( 01 f L J 因因为为J1的的第第一一个个根根约约为为1.22 ,所所以以有有

20、22.1 2 0 f L cm L f 22.1 44.2 0 3 基基于于衍衍射射的的非非相相干干处处理理非非相相干干频频域域综综合合 在在相相干干处处理理系系统统中中,可可以以由由直直接接改改变变变变换换透透镜镜后后焦焦面面上上的的振振幅幅 透透过过率率来来综综合合所所需需要要的的滤滤波波运运算算. 当当使使用用非非相相干干光光照照明明时时,频频域域综综合合仍仍然然是是可可能能的的. 因因为为非非相相干干系系统统的的光光瞳瞳函函数数和和光光学学传传递递函函数数之之间间存存在在着着一一个个 简简单单的的自自相相关关函函数数关关系系. 3 基基于于衍衍射射的的非非相相干干处处理理非非相相干干频

21、频域域综综合合 下下图图绘绘出出了了典典型型的的非非相相干干空空间间滤滤波波系系统统。 类类似似于于相相干干成成像像系系统统,输输入入与与输输出出强强度度之之间间的的关关系系可可以以表表示示为为 ),(),(),(yxhyxiyxi I hI是是强强度度点点扩扩散散函函数数PSF，上上式式的的归归一一化化傅傅里里叶叶变变换换为为 ),(),(),( HII ),(),(),( HII ),( H 非非相相干干空空间间滤滤波波是是改改变变输输入入光光强强频频谱谱中中各各频频率率余余弦弦分分量量的的对对比比和和相相位位关关系系，只只要要 根根据据输输入入输输出出关关系系,在在频频城城综综合合出出所

22、所需需的的OTF,就就可可实实现现各各种种形形式式的的滤滤波波. 为为系系统统的的光光学学传传递递函函数数OTF。 衍衍射射受受限限系系统统的的OTF等等于于光光瞳瞳函函数数(即即出出射射光光瞳瞳函函数数,简简称称光光瞳瞳函函数数)的的归归一一化化 自自相相关关函函数数，即即 dudvvuP ddPddP H iiii 2 ),( ),(),( ),( 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 由由上上式式可可知知,根根据据系系统统所所需需的的OTF设设计计光光瞳瞳函函数数,频频域域综综合合可可在在光光瞳瞳面面着着手手。 dudvvuP ddPddP

23、H iiii 2 ),( ),(),( ),( 若若光光瞳瞳面面上上放放置置其其它它形形式式的的滤滤波波器器,P应应该该等等于于滤滤波波器器的的透透过过率率函函数数。对对于于 滤滤波波器器的的位位置置精精度度要要求求,不不像像相相干干系系统统那那么么苛苛刻刻.但但由由所所需需的的传传递递函函数数确确定定光光 瞳瞳函函数数的的解解不不是是唯唯一一的的,如如何何由由OTF确确定定最最简简单单的的光光瞳瞳函函数数的的步步骤骤现现在在还还不不 知知道道. a.切切趾趾术术 在在非非相相干干成成像像系系统统中中,点点物物在在像像面面上上的的响响应应称称为为点点扩扩散散函函数数。为为说说明明概概念念,我我

24、们们考考虑虑一一 个个单单透透镜镜成成像像系系统统,若若孔孔径径光光阑阑紧紧贴贴透透镜镜放放置置,则则孔孔径径光光阑阑也也是是出出瞳瞳. 若若孔孔径径是是圆圆形形,则则点点 扩扩散散函函数数为为圆圆孔孔的的傅傅里里叶叶变变换换. P H L 艾艾 里里 斑斑 d D f 44. 2 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） a.切切趾趾术术 P H L 艾艾 里里 斑斑 d D f 44. 2 艾艾里里斑斑的的中中央央亮亮斑斑占占有有绝绝大大部部分分能能量量, ,根根据据瑞瑞利利判判据据, ,系系统统的的分分辨辨率率完完全全决决定定于于 中中央央亮亮斑

25、斑半半径径. . 次次级级亮亮环环的的峰峰值值仅仅是是中中央央峰峰值值的的0 0. .0 01 17 7, ,可可以以忽忽略略它它的的影影响响. . 瑞瑞利利判判据据 对对于于两两个个强强度度相相等等的的不不相相干干的的点点光光源源（物物点点），一一个个点点光光源源的的衍衍射射图图样样的的主主极极大大刚刚 好好和和另另一一点点光光源源衍衍射射图图样样的的第第一一极极小小相相重重合合，这这时时两两个个点点光光源源（或或物物点点）恰恰为为这这一一 光光学学仪仪器器所所分分辨辨. 0 8 . 0 I * * 1 s 2 s f 0 光光学学仪仪器器的的分分辨辨本本领领 2 d 22. 1 1 0 D

26、 （两两光光点点刚刚好好能能分分辨辨） D 22. 1 0 光光学学仪仪器器的的通通光光孔孔径径D 光光学学仪仪器器分分辨辨率率 最最小小分分辨辨角角 但但是是,这这个个分分辨辨率率判判据据仅仅适适合合于于分分辨辨两两个个等等强强度度光光点点的的情情况况. 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） * * 1 s 2 s f 0 光光学学仪仪器器的的分分辨辨本本领领 2 d 22. 1 1 0 D （两两光光点点刚刚好好能能分分辨辨） D 22. 1 0 光光学学仪仪器器的的通通光光孔孔径径D 光光学学仪仪器器分分辨辨率率 最最小小分分辨辨角角 当当两

27、两个个光光点点强强度度的的差差别别与与艾艾里里斑斑中中央央和和次次级级大大相相当当时时,次次极极大大的的存存在在将将干干扰扰 我我们们判判断断较较弱弱光光点点的的存存在在.例例如如观观测测天天狼狼星星附附近近很很弱弱的的伴伴星星, 就就遇遇到到了了这这种种情情 况况. * * 1 s 2 s f 0 光光学学仪仪器器的的分分辨辨本本领领 2 d 22. 1 1 0 D （两两光光点点刚刚好好能能分分辨辨） D 22. 1 0 光光学学仪仪器器的的通通光光孔孔径径D 光光学学仪仪器器分分辨辨率率 最最小小分分辨辨角角 切切趾趾术术就就是是为为了了使使中中央央亮亮斑斑周周围围的的亮亮环环去去掉掉而

28、而采采取取的的一一种种非非相相干干频频域域的的综综合合技技 术术. 光光瞳瞳函函数数 点点扩扩散散函函数数MTF 由由于于光光瞳瞳边边界界透透过过率率呈呈阶阶跃跃变变化化,导导致致次次级级衍衍射射环环的的产产生生; 要要切切去去点点扩扩散散函函数数的的趾趾部部(次次级级亮亮环环),应应把把光光瞳瞳的的透透过过率率分分布布改改为为缓缓变变形形式式. 因因高高斯斯型型孔孔径径的的傅傅里里叶叶谱谱仍仍是是高高斯斯型型,故故点点扩扩散散函函数数仍仍是是高高斯斯型型分分布布,能能够够有有效效消消除除 次次级级环环的的影影响响 从从OTF的的观观点点看看,这这是是增增大大低低频频的的调调制制传传递递函函数

29、数(MTF)值值,削削弱弱高高频频传传递递能能力力的的 结结果果. 下下图图比比较较了了切切趾趾前前后后的的光光瞳瞳函函数数、点点扩扩散散函函数数和和调调制制传传递递函函数数。 右右下下图图表表示示一一个个望望远远物物镜镜L,孔孔径径光光阑阑P紧紧贴贴物物镜镜放放置置.被被观观察察的的远远方方物物体体在在其其后后焦焦面面 上上产产生生的的像像乃乃是是孔孔径径函函数数的的夫夫琅琅禾禾费费衍衍射射图图样样,其其强强度度分分布布如如图图左左下下(b)中中的的实实线线所所 示示. 为为了了既既不不增增加加孔孔径径P,又又使使中中央央亮亮斑斑之之外外的的次次极极大大被被切切掉掉,可可在在孔孔径径P上上放

30、放入入一一块块玻玻璃璃 制制成成的的很很薄薄的的平平行行平平板板Q,在在其其上上镀镀以以非非均均匀匀的的吸吸收收膜膜层层,使使它它的的振振幅幅透透过过率率从从中中心心 到到边边缘缘逐逐渐渐减减小小. b b. .沃沃耳耳特特( (W Wo ol lt te er r) )最最小小强强度度检检出出滤滤波波器器 沃沃耳耳特特最最小小强强度度检检 出出滤滤波波器器 这这是是一一个个在在光光瞳瞳面面上上建建立立适适当当的的相相位位分分布布,从从而而改改变变系系 统统成成像像性性质质的的例例子子. 矩矩形形光光瞳瞳分分成成两两半半,其其中中一一半半蒸蒸镀镀了了产产生生相相位位差差的的透透 明明薄薄膜膜,

31、如如图图所所示示. 2 0 0 0 0 )/2exp() 1()/2exp() 1()( u u dufuxjdufuxjxh 2 0 0 2 2 0 / )/(sin 4 fxu fxu u 如如果果用用这这样样的的光光学学系系统统产产生生接接近近于于点点光光源源或或线线光光源源物物体体的的 像像，则则在在像像的的中中心心将将出出现现很很窄窄的的暗暗线线 用用它它来来测测定定物物体体的的位位置置特特别别有有利利 这这种种方方法法用用于于摄摄谱谱仪仪，可可以以求求出出光光谱谱线线的的正正确确位位置置。 这这种种情情况况下下,光光学学系系统统的的点点扩扩散散函函数数为为 很很窄窄的的暗暗线线 采

32、采用用相相干干光光源源能能使使光光学学系系统统实实现现许许多多复复杂杂的的信信息息处处理理运运算算,这这主主要要是是由由于于相相干干光光学学 系系统统的的复复振振幅幅处处理理能能力力很很强强. 可可是是,正正如如盖盖伯伯所所指指出出的的,相相干干噪噪声声是是光光学学信信息息处处理理的的头头号号敌敌人人； 此此外外,相相干干光光源源通通常常是是昂昂贵贵的的,并并且且对对光光学学处处理理的的环环境境要要求求非非常常严严格格。 4 白白光光光光学学信信息息处处理理技技术术 4 白白光光光光学学信信息息处处理理技技术术 在在光光学学处处理理中中能能否否降降低低对对光光源源相相干干性性的的要要求求，但但

33、又又同同时时保保持持对对复复振振幅幅的的线线性性运运算算 性性质质？ 4 白白光光光光学学信信息息处处理理技技术术 由由于于采采用用宽宽谱谱带带光光源源,特特别别适适合合于于处处理理彩彩色色图图像像,近近年年来来受受到到愈愈来来愈愈多多的的重重视视.将将 白白光光光光学学处处理理归归入入非非相相干干光光学学处处理理一一章章,仅仅仅仅是是从从它它采采用用了了非非相相干干光光源源这这一一角角度度 考考虑虑,我我们们应应该该注注意意到到,它它与与通通常常所所说说的的非非相相干干光光学学处处理理是是明明显显不不同同的的 a.白白光光光光学学处处理理的的基基本本原原理理 白白光光光光学学处处理理器器 常

34、常用用的的白白光光光光学学处处理理系系统统如如下下图图所所示示. 这这一一系系统统类类似似于于相相干干光光学学处处理理的的4f系系统统. 但但在在白白光光处处理理中中,通通常常物物函函数数均均用用光光栅栅抽抽样样(调调制制)后后才才放放入入输输入入面面上上； 通通过过对对频频谱谱面面上上色色散散的的物物频频谱谱作作处处理理，实实现现对对物物函函数数的的处处理理。 白白光光点点光光源源 )2cos(1)( 101 xxt g 式式中中 。为为光光栅栅频频率率,并并假假定定物物透透明明片片对对照照明明光光源源中中各各种种波波长长的的光光波波的的振振幅幅透透过过率率相相 同同. )2cos(1),(

35、),( 101111 xyxtyxf 对对某某一一确确定定的的波波长长 , ,在在消消色色差差变变换换透透镜镜L L2 2后后焦焦面面P P2 2的的空空间间频频谱谱为为 ),( 2 1 ),( 2 1 ),(),(),( 00 TF ),( 2 1 ),( 2 1 ),( 00 TTT 则则经经光光栅栅抽抽样样后后的的复复振振幅幅分分布布为为 );,( 22 yxF ),( 2 1 ),( 2 1 ),( 2 0 22 0 222 f y f x T f y f x T f y f x T 第第一一项项为为零零级级物物谱谱，而而且且不不同同波波长长的的零零级级物物谱谱的的中中心心位位置置是是

36、相相同同的的； 在在后后焦焦面面P P2 2内内有有 在在后后焦焦面面P P2 2内内有有 );,( 22 yxF ),( 2 1 ),( 2 1 ),( 2 0 22 0 222 f y f x T f y f x T f y f x T 第第二二和和第第三三项项是是 1 1级级信信息息谱谱带带，每每个个谱谱带带中中心心在在 02 fx 色色散散为为彩彩虹虹颜颜色色 对对于于波波长长间间隔隔为为 的的两两种种色色光光 1 1、 2 2，其其一一级级谱谱中中心心在在x x2 2轴轴上上的的偏偏移移量量是是 02 fx 假假定定信信号号的的空空间间频频带带宽宽度度这这W Wt t t fWx 1

37、2 1 012 1 fx t W 2 x 022 2 fx 1 2 t W t fWx 22 2 t fWx 2 则则不不同同波波长长的的物物谱谱能能够够分分离离的的条条件件是是 22 xx 0 t W 不不同同波波长长的的谱谱在在x x2 2平平面面上上 的的宽宽度度是是与与波波长长有有关关的的 只只要要光光栅栅频频率率 0 0远远大大于于输输入入信信息息的的带带宽宽W Wt t, ,可可以以不不考考虑虑各各波波长长频频谱谱间间的的重重叠叠； 可可以以在在谱谱面面P P2 2上上独独立立对对一一种种波波长长或或几几种种离离散散的的波波长长，像像相相干干处处理理一一样样进进行行滤滤波波 操操作

38、作。 对对于于某某一一波波长长 n n来来说说，可可以以采采用用滤滤波波函函数数为为 ),( 202 f y f fx H nn n n 的的滤滤波波器器进进行行滤滤波波 不不同同波波长长的的物物谱谱能能够够分分离离的的条条件件 0 t W 分分析析可可知知： 为为了了便便于于讨讨论论，假假定定各各个个滤滤波波器器都都放放在在同同一一衍衍射射级级，实实现现对对不不同同波波长长的的+ +1 1级级谱谱的的 处处理理，同同时时挡挡掉掉其其它它衍衍射射级级。在在输输出出平平面面上上波波长长为为 n n的的像像场场复复振振幅幅为为 ),(),();,( 202202 1 33 f y f fx H f

39、 y f fx TFyxg nn n n nn n n 在在输输出出平平面面上上波波长长为为 n n的的像像场场强强度度分分布布为为 2 333333 );,(),();,( nnn yxhyxtyxI 当当有有N N个个离离散散的的滤滤波波器器同同时时作作用用于于频频谱谱面面时时，由由于于不不同同波波长长的的光光是是不不相相干干的的，因因而而 输输出出平平面面上上得得到到的的是是不不同同波波长长输输出出的的非非相相干干叠叠加加 2 333333 );,(),(),( nn n yxhyxtyxI 从从上上述述分分析析可可以以看看出出, ,白白光光处处理理技技术术的的确确能能够够处处理理复复振

40、振幅幅信信号号, ,并并且且由由于于输输出出强强度度 是是互互不不相相干干的的窄窄带带光光强强度度之之和和, ,因因而而又又能能抑抑制制令令人人讨讨厌厌的的相相干干噪噪声声. . 应应该该指指出出：我我们们采采用用的的分分析析方方法法是是对对确确定定波波长长的的处处理理看看作作相相干干光光处处理理; ;而而对对不不同同 波波长长处处理理后后像像的的叠叠加加又又看看成成是是完完全全非非相相干干的的, ,这这在在理理论论上上是是不不严严格格的的； 更更严严格格的的讨讨论论涉涉及及到到部部分分相相干干理理论论. . 在在很很多多实实际际应应用用中中, ,我我们们只只涉涉及及少少数数几几个个分分离离的

41、的波波长长( (例例如如红红、绿绿、蓝蓝三三原原色色) ), ,此此 时时若若在在信信号号频频谱谱后后加加滤滤色色片片, ,还还可可以以进进一一步步改改善善时时间间相相干干性性. . 在在很很多多实实际际应应用用中中, ,我我们们只只涉涉及及少少数数几几个个分分离离的的波波长长( (例例如如红红、绿绿、蓝蓝三三原原色色) ), , 此此时时若若在在信信号号频频谱谱后后加加滤滤色色片片, ,还还可可以以进进一一步步改改善善时时间间相相干干性性. . 在在采采用用矩矩形形光光栅栅时时, ,由由于于光光栅栅的的多多级级衍衍射射, ,在在各各个个频频谱谱上上都都可可以以进进行行滤滤波波操操作作. .

42、对对于于这这一一类类问问题题的的处处理理, , 近近似似分分析析己己经经足足够够了了. . 0 t W b b. .假假彩彩色色编编码码 白白光光信信息息处处理理系系统统对对不不同同波波长长的的单单色色光光, ,提提供供了了类类似似于于相相干干光光处处理理系系统统的的运运算算能能力力, , 采采用用宽宽谱谱带带光光源源使使系系统统可可以以使使用用不不同同的的色色通通道道, ,有有利利于于对对图图像像进进行行彩彩色色化化处处理理 等等密密度度假假彩彩色色编编码码 等等空空间间频频率率假假彩彩色色编编码码 调调制制 这这里里介介绍绍几几种种图图像像假假彩彩色色编编码码的的方方法法。 1 1. .等

43、等空空间间频频率率假假彩彩色色编编码码 1 1. .等等空空间间频频率率假假彩彩色色编编码码 )2cos( 2 1 )2cos( 2 1 1),( 101011 yxyxt g 式式中中, , o o、 o o分分别别是是光光栅栅在在x xl l, ,y y1 1方方向向上上的的空空间间频频率率. . 为为分分析析简简便便起起见见, ,假假定定正正交交光光栅栅在在两两个个正正交交方方向向上上是是相相加加性性的的, ,其其振振幅幅透透过过率率可可以以 记记为为 ),(),( ),(),( 4 1 ),();,( 0 22 0 22 2 0 22 0 222 22. f y f x T f y f

44、 x T f y f x T f y f x T f y f x TyxF 沿沿x2和和y2轴轴共共有有四四个个彩彩虹虹色色信信号号的的一一级级衍衍射射谱谱 在在频频谱谱面面P2上上,相相应应于于波波长长 的的复复振振幅幅正正比比于于 低低频频和和高高频频分分别别为为蓝蓝色色和和红红色色。 使使某某一一种种颜颜色色的的低低频频成成分分和和另另一一种种 颜颜色色的的高高频频成成分分通通过过。输输出出平平面面上上物物 体体的的低低频频和和高高频频信信息息将将呈呈现现出出不不同同的的 颜颜色色。 如如果果采采用用各各种种带带通通滤滤波波器器让让不不同同的的 颜颜色色通通过过，就就可可以以得得到到色色

45、彩彩更更丰丰富富 的的假假彩彩色色图图像像。 高高通通滤滤波波器器 低低通通滤滤波波器器 带带通通滤滤波波器器 0 0级级和和一一级级衍衍射射谱谱 2.等等密密度度假假彩彩色色编编码码 带带通通滤滤波波器器+ 相相位位滤滤波波器器 0级级和和一一级级衍衍射射谱谱 红红色色滤滤波波器器是是一一个个简简单单的的红红滤滤色色 片片； 另另一一个个绿绿色色滤滤波波器器是是由由一一个个绿绿滤滤 色色片片和和绿绿色色频频带带中中心心位位置置的的相相 位位滤滤波波器器组组成成； 高高通通滤滤波波器器 在在输输出出平平面面上上形形成成红红色色原原像像和和绿绿 色色反反转转像像叠叠加加的的结结果果,使使原原图图

46、像像不不 同同密密度度的的区区域域呈呈现现不不同同的的颜颜色色. 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 2.等等密密度度假假彩彩色色编编码码 带带通通滤滤波波器器+ 相相位位滤滤波波器器 0级级和和一一级级衍衍射射谱谱 高高通通滤滤波波器器密密度度最最小小处处呈呈红红色色，密密度度最最大大处处 呈呈现现绿绿色色； 中中间间部部分分分分别别对对应应粉粉红红、黄黄、淡淡 绿绿等等颜颜色色； 密密度度相相同同处处出出现现相相同同的的颜颜色色。 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报：奉献教育（店铺） 2.等等密密度度假假彩彩色色

47、编编码码 调调制制是是指指用用不不同同方方位位角角的的光光栅栅分分别别对对输输入入图图像像不不同同的的区区域域预预先先进进行行调调制制。这这样样 制制成成的的输输入入透透明明片片放放入入4f系系统统中中，若若用用单单色色光光照照明明，在在频频谱谱面面上上，与与图图像像各各区区域域 相相对对应应的的频频谱谱成成分分出出现现在在不不同同方方位位上上。用用狭狭缝缝作作滤滤波波器器，在在不不方方位位角角上上可可以以抽抽 取取不不同同区区域域的的像像。 当当系系统统用用白白光光点点光光源源照照明明，不不同同方方位位的的频频谱谱均均呈呈彩彩虹虹颜颜色色。如如果果滤滤波波器器上上开开一一些些 小小孔孔，在在不不同同方方位位角角上上，小小孔