信息光学第09章ppt.pdf

第九章 光学信息处理技术 9.1 引言 9.2 相干光信息处理 9.3 相干光信息处理的应用 9.4 非相干光信息处理 9.5 部分相干光信息处理 9.6 非线性光信息处理 9.1 导言 光学信息处理是一个广泛的领域，是现代信息处理技术中一个重要的 组成部分。所谓光学信息，是指光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和 偏振态等。本书限定在两个方面：一方面是基于空间频域分析，利用傅里 叶变换的方法进行光信息处理的技术。光学信息处理是基于光学频谱分 析，利用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光 学信息进行处理的过程，较多用于对二维图像的处理。另一方面是用光学 方法对信息进行处理，如实现各种变换和运算。由所处理的系统是否满足 线性条件，可分为线性处理技术和非线性处理技术；从使用的光源相干性 可分为相干光处理技术、非相干光处理技术和白光处理技术。 光学信息处理是古老又崭新的技术。早在1859佛科(Foucault)在实验 中除去直接透射光，而保留散射光或衍射光，建立了刀口检验技术。通常 认为德国科学家阿贝(E. Abbe，18401905) 的工作是光学信息处理的开 端。在1873年，阿贝提出了二次成像理论及其相应的实验，为光学信息 处理打下了一定的理论基础，是空间滤波与光学信息处理的先导。 1935年，物理学家策尼克(F. Zernike, 18881966) 发明了相衬显微 镜，将相位分布转化为强度分布，成功地直接观察到微小的相位物体—— 细菌，用光学方法实现了图像处理，解决了由于染色而导致细菌大量死亡 的问题。策尼克的成功为光学信息处理技术的发展做出了新的贡献。策尼 克因此荣获了1953年度的诺贝尔物理学奖。 1946年，法国科学家杜费(P. M. Duffieux, 18911979) 把光学成像 系统看作线性滤波器，用傅里叶方法成功地分析了成像过程，发表了他的 名著《傅里叶变换及其在光学中的应用》。稍后，艾里斯(P. Elias) 等人 的经典论文《光学与通信理论》、《光学处理的傅里叶方法》以及奥尼尔 (E. L. O’Neil) 的论文《光学中的空间滤波》相继发表，为光学信息处理 提供了有力的数学工具，并为光学与通信科学的结合奠定了基础。 麦尔查(A. Marecha)等利用相干光空间滤波改善照片的质量。1963 年，范德拉格特(A. Vander Lugt)提出了复数空间滤波的概念，使光学信 息处理进入了一个广泛应用的新阶段。上世纪60年代激光器的诞生和激光 技术的发展，为光学信息处理提供了强有力的手段，从而使信息光学进入 了一高速发展的时期。卡充纳(Cutrona)等对综合孔径雷达收集的数据用 光学方法处理得到了高分辨率的地形图。1965年，罗曼(A.W. Lohmann) 和布劳恩(Brown)用计算机技术控制绘图仪制作空间滤波器，在特征识别 方面得到重要的应用。 虽然在上世纪50年代初，物理学家已经越来越认识到电气工程领 域的某些方面与光学有关密切的关联。但直到上世纪50年代末和60年 代初，通信学家才逐渐认识到，空间滤波系统可以有效地应用于更普 遍的数据处理问题。从上世纪60年代开始，相干处理技术已应用于相 差极远的许多领域，例如傅里叶光谱学、地震波分析等。 激光提供了极好的相干光源，使相干光学信息处理得到了很好的 发展，到上世纪70年代，人们发现相干噪声，随后发展了非相干光处 理和白光处理技术。上世纪80年代以后，随着高新技术的蓬勃兴起。 人类进入了一个“信息爆炸时代”，要求对超大量信息具有快速处理的 能力。例如，核武器设计、战略防御计划、中长期天气预报、空间技 术、气体动力学、机器人视觉、人工智能等许多方面都对数据处理提 出了超高速和超大容量的要求。几乎同时发展起来的电子计算机技术 随着电子功能器件的日益完善，以其速度快、使用方便而一度成为信 息处理的主要手段。然而，由于其自身的先天性局限，如“冯诺依曼 装瓶颈”问题、RC问题、时钟歪斜问题、电磁场干扰问题、互联带宽 问题等限制，要想完成这种高速计算已显得力不从心，即使是最先进 的所谓“神经计算机”也无法满足时代提出的要求。光以其速度快、抗 干扰能力强、可大量并行处理等特点逐渐显示出其独特的优越性。在 光学信息处理基础上发展起来的光计算研究及其相关技术已为该领域 注入了新的生命，成为十分活跃的一个学科方向。 9.2 相干光信息处理