光信息處理技術(shù)new

《光信息處理技術(shù)new》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。

1、第8章光信息處理技術(shù)8．1引言光信息處理是60年代隨著激光器的問(wèn)世而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究方向，是現(xiàn)代信息處理技術(shù)中一個(gè)重要組成部分，在現(xiàn)代光學(xué)中占有很重要的地位。所謂光學(xué)信息，是指光的強(qiáng)度（或振幅）、位相、顏色（波長(zhǎng)）和偏振態(tài)等。光學(xué)信息處理是基于光學(xué)頻譜分析，利用傅里葉綜合技術(shù)，通過(guò)空域或頻域調(diào)制，借助空間濾波技術(shù)對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行處理的過(guò)程，較多用于對(duì)二維圖像的處理。事實(shí)上，早在1873年，著名德國(guó)科學(xué)家阿貝（Abbe）創(chuàng)建了二次成像理論，就已經(jīng)為光學(xué)信息處理打下了一定的理論基礎(chǔ)。1935年，物理學(xué)家澤尼克（DutchmanFritzZernike）發(fā)明

2、了相襯顯微鏡，將位相分布轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度分布，成功地直接觀察到微小的位相物體——細(xì)菌，用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了圖像處理，解決了由于染色而導(dǎo)致細(xì)菌大量死亡的問(wèn)題。澤尼克的成功為光學(xué)信息處理技術(shù)的發(fā)展作出了新的貢獻(xiàn)。1963年，范德拉格特（A.VanderLugt）提出了復(fù)數(shù)空間濾波的概念，使光學(xué)信息處理進(jìn)入了一個(gè)廣泛應(yīng)用的新階段。此后，光學(xué)信息處理作為一門十分活躍的學(xué)科發(fā)展極快。80年代以后[8-1]，隨著高新技術(shù)的蓬勃興起，進(jìn)入了一個(gè)“信息爆炸時(shí)代”，要求對(duì)超大量信息具有快速處理的能力。例如核武器設(shè)計(jì)、戰(zhàn)略防御計(jì)劃、中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)、空間技術(shù)、氣體動(dòng)力學(xué)、機(jī)器人視覺(jué)、人工

3、智能等許多方面都對(duì)數(shù)據(jù)處理提出了超高速和超大容量的要求。要想在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，要求計(jì)算速度必須達(dá)到1012～1015次/秒。幾乎同時(shí)發(fā)展起來(lái)的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)隨著電子功能器件的日益完善，以其速度快、使用方便而一度成為信息處理的主要手段。然而，由于其自身的先天性局限，如“馮諾依曼瓶頸”問(wèn)題、RC問(wèn)題、時(shí)鐘歪斜問(wèn)題、電磁場(chǎng)干擾問(wèn)題、互連帶寬問(wèn)題等等限制，要想完成這種超高速計(jì)算已顯得力不從心，即使是當(dāng)今最先進(jìn)的所謂“神經(jīng)計(jì)算機(jī)”也無(wú)法滿足時(shí)代提出的要求。光以其速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可大量并行處理等特點(diǎn)逐漸顯示其獨(dú)特的優(yōu)越性。在光學(xué)信息處理基礎(chǔ)上發(fā)展起

4、來(lái)的光計(jì)算研究及其相關(guān)技術(shù)已為該領(lǐng)域注入了新的生命，成為十分活躍的一個(gè)學(xué)科方向。由于光學(xué)信息處理的內(nèi)容及其豐富，涉及的面也極廣，本章篇幅有限，很難全面地反映該領(lǐng)域所取得的豐碩成果，因此只討論最基本、最典型的處理方法和實(shí)例，并在最后就光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光互連等光計(jì)算學(xué)科的內(nèi)容作一初步介紹。8．2光學(xué)頻譜分析系統(tǒng)和空間濾波8．2．1阿貝（Abbe）成像理論2871873年阿貝首次提出了一個(gè)與幾何光學(xué)成像傳統(tǒng)理論完全不同的成像概念。該理論認(rèn)為相干照明下顯微鏡成像過(guò)程可分作兩步：首先，物平面上發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射，得到第一次衍射像；然后，該衍

5、射像作為新的相干波源，由它發(fā)出的次波在像平面上干涉而構(gòu)成物體的像，稱為第二次衍射像。因此該理論也常被稱為“阿貝二次衍射成像理論”。圖8.1是上述成像過(guò)程的示意圖。其中物平面（xo，yo）用相干平行光照明，在后焦面即頻譜面（xf，yf）上得到物的頻譜，這是第一次成像過(guò)程，實(shí)際上是經(jīng)過(guò)了一次傅里葉變換；由頻譜面到像面（x，，y，），實(shí)際上是完成了一次夫瑯和費(fèi)衍射過(guò)程，等于又經(jīng)過(guò)了一次傅里葉變換。當(dāng)像平面取反射坐標(biāo)時(shí)，后一次變換可視為傅里葉逆變換。經(jīng)上述兩次變換，像平面上形成的是物體的像。根據(jù)傅里葉分析可知，頻譜面上的光場(chǎng)分布與物的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，原點(diǎn)附近分布著物

6、的低頻信息，即傅里葉低頻分量；離原點(diǎn)較遠(yuǎn)處，分布著物的較高的頻率分量，即傅里葉高頻分量。xoLxfλ0dofdixo'圖8.1阿貝二次成像理論示意圖8．2．2阿貝—波特（Abbe—Porter）實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證阿貝提出的成像理論，阿貝本人于1873年、波特于1906年分別做了實(shí)驗(yàn)，這就是著名的阿貝—波特實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置與圖8.1所示相同，物平面采用正交光柵（即細(xì)絲網(wǎng)格狀物），由相干單色平行光照明；頻譜面上放置濾波器，以各種方式改變物的頻譜結(jié)構(gòu)，在像平面上可觀察到各種與物不同的像。圖8.2表示部分實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納出幾點(diǎn)結(jié)論如下：1．實(shí)驗(yàn)充分證明了阿貝

7、成像理論的正確性：像的結(jié)構(gòu)直接依賴于頻譜的結(jié)構(gòu)，只要改變頻譜的組分，便能夠改變像的結(jié)構(gòu)；2．實(shí)驗(yàn)充分證明了傅里葉分析的正確性：（1）頻譜面上的橫向分布是物的縱向結(jié)構(gòu)的信息（圖B）；頻譜面上的縱向分布是物的橫向結(jié)構(gòu)的信息（圖C）；（2）零頻分量是一個(gè)直流分量，它只代表像的本底（圖D）；（3）阻擋零頻分量，在一定條件下可使像發(fā)生襯度反轉(zhuǎn)（圖E）；287（4）僅允許低頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣銳度降低；僅允許高頻分量通過(guò)時(shí)，像的邊緣效應(yīng)增強(qiáng)；（5）采用選擇型濾波器，可望完全改變像的性質(zhì)（圖F）。圖8.2阿貝—波特實(shí)驗(yàn)原理圖示8．2．3．空間頻率濾波系統(tǒng)空間頻率濾波是

8、相干光學(xué)處理中一種最簡(jiǎn)單的方式，它利用了透鏡的傅里葉變換特性，把透