《光信息處理技術(shù)》doc版

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2、薇蚃膃芆蒀羂膂莈蚅袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蝕芀節(jié)蕆羈艿蒞螞襖羋蕆蒅螀芇芇蝕螆襖荿薃螞袃蒁蝿羈袂膁薁袇袁芃螇螃袀莆薀蠆羀蒈莃羈罿膈薈襖羈莀莁袀羇蒂蚆螅羆膂葿蟻羅芄蚅羀羄莇蕆袆肄葿蚃螂肅膈蒆蚈肂芁蟻薄肁蒃蒄羃肀膃蝿衿聿芅薂螅肈莇螈蟻肈蒀薁罿膇腿莃裊膆節(jié)蕿螁膅莄莂蚇膄膄薇蚃膃芆蒀羂膂莈蚅袈膂蒁蒈螄膁膀蚄蝕芀節(jié)蕆羈艿蒞螞襖羋蕆蒅螀芇芇蝕螆第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

3、（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)

4、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

5、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

6、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

7、衍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

8、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