第19讲 相干和非相干光学处理.ppt

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1、光学信息技术原理及应用光学信息技术原理及应用相干与非相干光学处理相干与非相干光学处理(十九十九)相干光学信息处理相干光学信息处理 相相干干光光学学信信息息处处理理采采用用的的方方法法多多为为频频域域调调制制，即即对对输输入入光光信信号号的的频频谱进行复空间滤波，得到所需要的输出谱进行复空间滤波，得到所需要的输出 相相干干光光学学信信息息处处理理系系统统的的结结构构是是根根据据具具体体的的图图像像处处理理要要求求而而定定的的，这这里里只只介介绍绍最最基基本本的的一一种种。由由于于相相干干处处理理是是在在频频域域进进行行调调制制，通通常常采用三透镜系统采用三透镜系统 输出平面上将得到输入图像与滤波

2、器逆变换的卷积输出平面上将得到输入图像与滤波器逆变换的卷积 u u 3 3=F=F-1-1 T T（f fx x，f fy y）F F（f fx x，f fy y）=F=F-1-1 T T（f fx x，f fy y）*F F-1-1 F F（f fx x，f fy y）=t t（xx，yy）*f f（xx，yy）式中式中 f f（xx，yy）=F=F-1-1 F F（f fx x，f fy y）多重像的产生多重像的产生 利用正交光栅调制输入图像的频谱，可以得到多重像的输出利用正交光栅调制输入图像的频谱，可以得到多重像的输出 正交正交朗奇朗奇光栅的频谱形成一个光栅的频谱形成一个Sinc函数的阵

3、列，可近似看成是函数的阵列，可近似看成是函数阵列（书上公式函数阵列（书上公式8.268.26有错误请同学自己找，作为练习），物有错误请同学自己找，作为练习），物函数与之卷积的结果是在函数与之卷积的结果是在P P3 3平面上构成输入图形的多重像平面上构成输入图形的多重像图像的相加和相减图像的相加和相减-一维光栅调制法一维光栅调制法 将将两两个个需需相相减减操操作作的的图图像像A A、B B对对称称地地置置于于输输入入面面上上，中中心心分分别别在在x x0 0+l l处处；频频谱谱面面上上置置一一正正弦弦型型振振幅幅光光栅栅，其其线线密密度度 0 0 （亦亦称称空空间间频频率率）应应满满足足关关系

4、系式式；0 0 =l l/ff，其其中中f f为为透透镜镜焦焦距距，为为光光源源的的波波长长。一一定定条条件件下下在在输输出出面面的的原原点点处处可可得得到到A A、B B图图像像相减的结果相减的结果正弦型光栅的频谱包括三项：零级、正一级和负一级。正弦型光栅的频谱包括三项：零级、正一级和负一级。使使A A的正一级像与的正一级像与B B的负一级像在像面原点重叠的负一级像在像面原点重叠 当两者位相相反时，得到相减的结果当两者位相相反时，得到相减的结果 当两者位相相同时，得到相加的结果当两者位相相同时，得到相加的结果通通过过改改变变调调制制光光栅栅在在频频谱谱面面的的横横向向位位置置，控控制制两两者

5、者的的位位相相关关系系。当当调调制制光光栅栅的的1/41/4周周期期处处于于原原点点位位置置时时，可可在在像像平平面面得得到到相相减减结结果；而当调制光栅的零点处于原点时，可在像平面得到相加结果果；而当调制光栅的零点处于原点时，可在像平面得到相加结果一维光栅实现图像相加和相减示意图一维光栅实现图像相加和相减示意图 图像的相加和相减图像的相加和相减复合光栅调制法复合光栅调制法所所谓谓复复合合光光栅栅，是是指指两两套套取取向向一一致致、但但空空间间频频率率有有微微小小差差异异的的一一维维正正弦弦光光栅栅迭迭合合在在同同一一张张底底片片上上制制成成的的光光栅栅，设设两两套套光光栅栅的的空空间间频频率

6、率分分别别为为 0 0和和 0 0-，由由于于莫莫尔尔效效应应，在在复复合合光光栅栅表表面面可可见见到到粗粗大大的的条条纹纹结结构构，称称为为“莫莫尔尔条条纹纹”。将将图图像像A A、B B对对称称置置于于输输入入面面上上坐标原点两侧，间距为坐标原点两侧，间距为 x x，并使它与，并使它与x x满足关系式满足关系式 x=x=ff 在频谱面后得到复合光栅透过率在频谱面后得到复合光栅透过率G G与图像频谱的乘积与图像频谱的乘积 u u 2 2=T T G G 式式中中T T表表示示将将A A、B B看看成成是是同同一一幅幅图图像像时时的的频频谱谱，P P3 3 平平面面上上的的光光扰动应为扰动应为

7、 u u 3 3=F=F -1-1 T T*F F-1-1 G G 因因为为G G是是两两套套光光栅栅复复合合而而成成，因因而而它它的的傅傅里里叶叶逆逆变变换换应应包包括括六六项项，即即每每套套光光栅栅都都各各有有一一个个零零级级，一一个个正正一一级级和和一一个个负负一一级级衍衍射射斑斑，出现六重图像出现六重图像 复合光栅实现图像相加和相减示意图复合光栅实现图像相加和相减示意图当复合光栅相对坐当复合光栅相对坐标原点的位移量恰标原点的位移量恰等于半个莫尔条纹等于半个莫尔条纹时，两个正一级像时，两个正一级像的位相差等于的位相差等于，该处得到图像该处得到图像A、B的相减结果；而的相减结果；而当复合光

8、栅恢复到当复合光栅恢复到坐标原点位置时，坐标原点位置时，两个像的位相差为两个像的位相差为0，得到图像，得到图像A、B的相加的结果的相加的结果。图像相减的图像相减的应用应用图像相减操作在许多方面已经得到应用：图像相减操作在许多方面已经得到应用：通通过过对对卫卫星星拍拍摄摄的的照照片片的的图图像像相相减减处处理理，可可用用于于监监测测海海洋洋面面积积的的改改变变、陆地板块移动的速度陆地板块移动的速度用用于于对对各各种种自自然然灾灾害害灾灾情情的的监监测测，如如森森林林大大火火、洪洪水水等等灾灾情情的的发发展展，地壳运动的变迁，如山脉的升高或降低地壳运动的变迁，如山脉的升高或降低对对侦侦察察卫卫星星

9、发发回回的的照照片片进进行行相相减减操操作作，可可提提高高监监测测敌敌方方军军事事部部署署变变化化的敏感度和准确度的敏感度和准确度又又如如对对人人体体内内部部器器官官的的检检查查，可可通通过过不不同同时时期期的的X X 光光片片进进行行相相减减处处理理，及时发现病变的所在及时发现病变的所在用用于于检检测测工工件件的的加加工工，可可通通过过与与标标准准件件图图片片的的相相减减结结果果检检查查工工件件外外形形加工是否合格，并能显示出缺陷之所在加工是否合格，并能显示出缺陷之所在光学微分光学微分像边缘增强像边缘增强 光学微分的光路系统仍采用光学微分的光路系统仍采用4 4f f 系统，待微分的图像置于输

10、入面的系统，待微分的图像置于输入面的原点位置，微分滤波器置于频谱面上原点位置，微分滤波器置于频谱面上设设输输入入图图像像为为t t0 0（x x0 0，y y0 0），它它的的傅傅里里叶叶频频谱谱为为T T（f fx x，f fy y），输输出出图图像像是是T T（f fx x，f fy y）的的逆逆变变换换，若若想想得得到到图图像像的的微微分分输输出出，那那么么在在P2平面后的光扰动必须满足平面后的光扰动必须满足 根据傅里叶变换微商定理根据傅里叶变换微商定理置于频谱面上的滤波器的振幅透过率应为置于频谱面上的滤波器的振幅透过率应为 G G（x xf f，y yf f）=j2j2 x xf f/

11、f f 微分滤波器的制作微分滤波器的制作微分滤波器可用光学全息方法，也可用计算全息方法制作。微分滤波器可用光学全息方法，也可用计算全息方法制作。光学全息方法制作全息微分滤波器实际上是作复合光栅，制作复合光学全息方法制作全息微分滤波器实际上是作复合光栅，制作复合光栅的光路如下图示。光栅的光路如下图示。第一次曝光时，干板对于两束光呈对称状态；第二次曝光前将平第一次曝光时，干板对于两束光呈对称状态；第二次曝光前将平台转过一微小角度台转过一微小角度，曝光后经处理便得到复合光栅，也就是微，曝光后经处理便得到复合光栅，也就是微分滤波器。分滤波器。复合光栅作微分滤波的机理复合光栅作微分滤波的机理 置于原点的

12、物的频谱受一个复合光栅调制后，在输出面可得到六置于原点的物的频谱受一个复合光栅调制后，在输出面可得到六个衍射像：两个零级像在原点，两套正、负一级像对称分布于两个衍射像：两个零级像在原点，两套正、负一级像对称分布于两侧。侧。两个同级衍射像沿两个同级衍射像沿x x方向只错开很小的距离。当复合光栅位置调节方向只错开很小的距离。当复合光栅位置调节适当时，可使两个同级衍射像正好相差适当时，可使两个同级衍射像正好相差 位相，相干迭加时重叠位相，相干迭加时重叠部分相消，只余下错开的部分，因而转换成强度时形成很细的亮部分相消，只余下错开的部分，因而转换成强度时形成很细的亮线，构成了光学微分图形。线，构成了光学

13、微分图形。光学微分的应用光学微分的应用 实际上，光学微分是用差分近似的结果，原理和图像相减是一回实际上，光学微分是用差分近似的结果，原理和图像相减是一回事。事。人的视觉对于轮廓十分敏感，轮廓也是物体的重要特征之一，只人的视觉对于轮廓十分敏感，轮廓也是物体的重要特征之一，只要能看到轮廓线，便可大体分辨出是何种物体。因而将模糊图片要能看到轮廓线，便可大体分辨出是何种物体。因而将模糊图片进行光学微分，得出轮廓来进行识别，可以大大压缩图象的信息进行光学微分，得出轮廓来进行识别，可以大大压缩图象的信息量量提取轮廓的其它方法也由光学微分发展而来提取轮廓的其它方法也由光学微分发展而来微分滤波用于位相物，也有

14、应用价值。例如，用光学微分检测透微分滤波用于位相物，也有应用价值。例如，用光学微分检测透明光学元件内部缺陷或折射率不均匀性，用于检测位相型光学元明光学元件内部缺陷或折射率不均匀性，用于检测位相型光学元件的加工是否符合设计要求等等件的加工是否符合设计要求等等 特征识别光学系统特征识别光学系统 光学图像的特征加以识别，是图像处理的一个重要的应用方光学图像的特征加以识别，是图像处理的一个重要的应用方面面 这种识别大多体现在输出光信号出现较高的峰值，即其自相这种识别大多体现在输出光信号出现较高的峰值，即其自相关出现较其它信号强得多的峰值关出现较其它信号强得多的峰值 进行光学图像的特征识别处理，采用进行

15、光学图像的特征识别处理，采用4 4f f 系统较为方便，下图系统较为方便，下图是特征识别系统示意图是特征识别系统示意图 光学图像识别光学图像识别 特征识别的关键元件是匹配滤波器，用其产生自（互）相关信号特征识别的关键元件是匹配滤波器，用其产生自（互）相关信号匹配滤波器的振幅透过率匹配滤波器的振幅透过率F（fx，fy）与输入信号）与输入信号t0（x0，y0）的傅里）的傅里叶变换叶变换T0（fx，fy）应相互共轭，数学表示为）应相互共轭，数学表示为F（fx，fy）=T0*（fx，fy)=F t0（x0，y0）*将匹配滤波器置于将匹配滤波器置于4f系统的系统的P2平面，平面，P2后的光场为：后的光场

16、为：u2=T0（fx，fy）T0*（fx，fy）在在P3平面上得到平面上得到u3=t0（x，y）*t0*（-x，-y）=t0（x，y）t0（x，y）这是物的自相关，呈现为一个亮点。这是物的自相关，呈现为一个亮点。若输入光信号若输入光信号t（x0，y0）t0（x0，y0），则），则P3平面得到平面得到u3=t（x，y）*t0*（-x，-y）=t（x，y）t0（x，y）是两个不同图像的互相关运算，在是两个不同图像的互相关运算，在P3平面上呈现为弥散的亮斑。平面上呈现为弥散的亮斑。匹配滤波器的制作匹配滤波器的制作 匹配滤波器是物函数的傅里叶变换的复共轭，可用计算全息方法制作，匹配滤波器是物函数的傅里

17、叶变换的复共轭，可用计算全息方法制作，也可用光学全息法制作也可用光学全息法制作光学全息制作的方法：先将与之匹配的目标物光学全息制作的方法：先将与之匹配的目标物t0（x0，y0）制成透明片，）制成透明片，再用光学全息法制作它的傅里叶变换全息图（第再用光学全息法制作它的傅里叶变换全息图（第5 5章章5.4.4P1395.4.4P139）其振幅透过率函数为其振幅透过率函数为 F（fx，fy）=（T+R）（T+R）*=T（fx，fy）2+R02+R0T（fx，fy）exp（-j2 fx b）+R0T*（fx，fy）exp（j2 fx b）式式中中fx=x/f，fy=y/f为为空空间间频频率率，R是是参

18、参考考波波，R是是它它的的傅傅里里叶叶变变换换，b是是参参考考点点源源的的位位置置参参数数，式式中中第第四四项项内内的的T*（fx，fy）就就是是要要求求的匹配滤波器的振幅透过率的匹配滤波器的振幅透过率由由于于第第四四项项内内的的exp（j2 fx b）在在匹匹配配滤滤波波后后,得得到到的的相相关关亮亮点点将将位位于于-b b处处光学图像识别的应用光学图像识别的应用光学图像识别的应用十分广泛：光学图像识别的应用十分广泛：指纹识别指纹识别文字资料中特殊信息的提取文字资料中特殊信息的提取智能机器人对目标图像的识别智能机器人对目标图像的识别智能机械手对传送带上不合格零件的识别和剔除智能机械手对传送带

19、上不合格零件的识别和剔除空中飞行物的识别空中飞行物的识别用用傅傅里里叶叶变变换换匹匹配配滤滤波波手手段段进进行行图图像像的的特特征征识识别别处处理理有有其其局局限限性性，对被识别图像的尺寸缩放和方位旋转都极其敏感对被识别图像的尺寸缩放和方位旋转都极其敏感为了解决这一困难又发明了多种实现特征识别的变换手段：为了解决这一困难又发明了多种实现特征识别的变换手段：梅林变换解决物体空间尺寸改变的问题梅林变换解决物体空间尺寸改变的问题 利用圆谐展开解决物体的转动问题利用圆谐展开解决物体的转动问题 利用哈夫变换实现坐标变换利用哈夫变换实现坐标变换 正在兴起的神经网络型光计算，在图像识别方面将更具应用前景正在

20、兴起的神经网络型光计算，在图像识别方面将更具应用前景 综合孔径雷达综合孔径雷达 综综合合孔孔径径天天线线雷雷达达数数据据的的相相干干光光学学处处理理技技术术是是光光学学信信息息处处理理早早在在六六十年代就得到成功应用的典型实例十年代就得到成功应用的典型实例用机载侧视雷达系统，可以精确地分辨目标相对航线的位置。用机载侧视雷达系统，可以精确地分辨目标相对航线的位置。其其方方位位分分辨辨率率大大致致为为r/D（为为雷雷达达信信号号的的波波长长，r为为雷雷达达天天线线到到目目标的距离，标的距离，D为天线孔径的航向尺寸）。为天线孔径的航向尺寸）。微微波波波波长长比比可可见见光光波波波波长长大大3至至4个

21、个量量级级，要要想想达达到到光光学学摄摄影影的的高高分分辨率，机载天线尺寸必须达几百米，这是无法实现的。辨率，机载天线尺寸必须达几百米，这是无法实现的。借借助助于于综综合合孔孔径径技技术术可可以以用用有有限限的的小小尺尺寸寸天天线线综综合合出出一一个个大大孔孔径径天天线线。办办法法是是让让飞飞机机携携带带一一个个小小侧侧视视天天线线，在在飞飞机机运运动动过过程程中中以以一一个个较较宽宽的的雷雷达达信信号号扫扫描描地地面面目目标标，将将振振幅幅和和位位相相同同时时都都记记录录下下来来，最最后综合成一幅可变换为光学图像的高分辨率后综合成一幅可变换为光学图像的高分辨率“雷达数据图雷达数据图”。课堂练

22、习题课堂练习题 在在4 4f f系系统统中中，输输入入物物是是一一个个无无限限大大的的矩矩形形光光栅栅，设设光光栅栅常常数数d d =4 4，线宽，线宽a=1a=1，最大透过率为，最大透过率为1 1，如不考虑透镜有限尺寸的影响，如不考虑透镜有限尺寸的影响，（a a）写出傅里叶平面）写出傅里叶平面P P2 2上的频谱分布表达式；上的频谱分布表达式；（b b）写出输出平面复振幅和光强分布表达式；）写出输出平面复振幅和光强分布表达式；（c c）在频谱面上作高通滤波，挡住零频分量，写出输出平面复振幅）在频谱面上作高通滤波，挡住零频分量，写出输出平面复振幅和光强分布表达式；和光强分布表达式；答案答案 （

23、a）P2平面上的频谱分布为（只写一维）平面上的频谱分布为（只写一维）（b）输出平面复振幅和光强分布：）输出平面复振幅和光强分布：复振幅复振幅 t（x3）=-1 T（fx）若不考虑透镜尺寸的影响，它应该是原物的几何像，即若不考虑透镜尺寸的影响，它应该是原物的几何像，即 t(x3)=光强分布光强分布 I(x3)=|t(x3)|2=答案答案（c c）高通滤波挡住零频分量，输出平面复振幅和光强分布表达式高通滤波挡住零频分量，输出平面复振幅和光强分布表达式 t t(x x3 3)=)=-I I=|=|t t(x x3 3)|)|2 2 由由于于a a=d d/4 4，强强度度将将出出现现对对比比度度反反转转，像像光光栅栅常常数数仍仍为为d d=4 4，线宽为线宽为a a=3=3