*§14-12  信息光学

         由光路构成的成像系统是用来接收、传递、改变和输出图像的,而图像一般是在二维空间内随空间改变的光信号。这种情形与由电路构成的通讯系统是极其相似的,只不过通讯系统所传输的是随时间而改变的电信号,成像系统所传输的是随空间而改变的光信号罢了。由于这种相似性,可以将通讯系统的一系列概念和方法应用于成像系统,从而形成近代光学的一个重要分支,即信息光学,而光学信息处理和全息照相则是其中的组成部分。这里大家仅就信息光学中的光学信息处理和全息照相的基本内容作简要先容。

    一、光学信息处理   

    1. 阿贝-波特实验

    用平行相干光照射一张放置在凸透镜前方的用细丝织成的正交网格(二维光栅),则在透镜后方处于像平面的接收屏上将出现网格的像,如图14-37所示。如果在透镜的像方焦面上放置一块毛玻璃,会发现毛玻璃上显示出规则排列的许多亮点,中央的亮点的亮度最大,越向外亮点的亮度越

小。显然,毛玻璃上出现的这些亮点就是网格的夫琅禾费衍射图样,阿贝

                           

图14-37

把它称为网格的空间频谱。阿贝认为,像平面上出现的网格的像,是组成空间频谱的这些亮点作为子波波源所发出的光在像平面进行相干叠加的结果,这便是阿贝二次衍射成像原理。所谓二次衍射成像,就是从物(网格)到空间频谱是第一次衍射过程,从空间频谱到像是第二次衍射过程。

         如果用一维透射光栅代替上述网格,那么在透镜的像方焦面上得到的空间频谱是沿垂直于缝长方向排列的一系列亮点,零级在中央,正负各级分别排列在两侧,级次越高的离开中心越远。若让各级光谱经第二次衍射,则会在像平面上得到一维光栅的像。

         根据惠更斯-菲涅耳原理可以证明,空间频谱上的复振幅分布是物面透射光的复振幅分布的傅里叶变换,也就是说,空间频谱反映了物面透射光波的傅里叶展式中各分量的频率和强度。例如,一个矩形波可以用傅里叶分析分解为一系列频率为f、3f、5f、7f、…的简谐波,一维透射光栅的透射光波就是这样的矩形波,透光部分的透射光振幅等于1,不透光部分的透射光振幅等于0。经傅里叶变换后得到频率为f的基波分量和频率分别为3f、5f、7f、…的高次谐波分量,而每一种频率的分量分别对应于空间频谱中的一个亮点,这个亮点的亮度则决定于这种频率分量的振幅。这样看来,透镜就是一个傅里叶变换转换器。

    在一般情况下的物面,其振幅分布不再是周期性函数,其傅里叶变换则由许多不同频率分量组成,其空间频谱的花样也不再像正交光栅和一维光栅那样表现为分立的光点(可称为分立谱),而呈现为连续的复杂谱图(可称为连续谱)。

         2. 空间滤波和4f系统

         从上面的分析可见,在空间频谱面上越接近中心的区域,对应物面上透射光波的分量的频率越低,中心所对应的频率最低,甚至为零;在空间频谱面上离开中心越远的区域,对应物面上透射光波的分量的频率越高,边缘所对应的频率最高。        

         如果物面透射光所形成的全部空间频谱都参与在像平面上的成像,那么像面的复振幅分布与物面完全相同,像与物在几何上完全相似。但由于透镜的孔径总是有限的,空间频谱所包含的频率上限是受到透镜孔径的限制的。从这个意义上说,由图14-37所示的成像系统就是一个低通滤波器,高于透镜孔径所对应的频率分量不能呈现在空间频谱上,因而也就不能参与像平面上的成像。

         既然图14-37所示的成像系统如同滤波器,那么大家一定可以用诸如狭缝、直棒、小圆孔或小圆盘等栏截物放置在空间频谱面上,人为地遮挡空间频谱中的某些频率的分量,以改变像方平面上像的性质。这种改变像的性质的操作,称为空间滤波,用于遮挡空间频谱的某些频率分量的器具,称为空间滤波器。

         为了说明空间滤波,让大家再回到图14-37所表示的情况中来。如果将作为空间滤波器的狭缝放置在空间频谱面上,只让中间的一行水平方向的亮点通过,那么在像平面上将得到一个沿水平方向排列的一维光栅(光栅狭缝沿竖直方向),如图14-38(a)所示。若将狭缝旋转90°,只让中间的一列竖直方向的亮点通过,则在像平面上将得到一个沿竖直方向排列的一维光

          (a)                  (b)

图14-38

栅(光栅狭缝沿水平方向),如图14-38(b)所示。如果空间滤波器是个小圆孔,只让中心的那个亮点通过,这时像平面上二维光栅的像将消失,变成了一片均匀亮度的光场。若将圆孔的孔径增大,使中心亮点及其周围的四个亮点通过,像平面上又重新得到二维光栅的像,不过这个像不像原物(网格)那样棱角锐利、边缘明晰,而是处处圆滑、亮暗渐变。如果空间滤波器是一个小圆盘,正好将中心的亮点遮挡住而让其他亮点全部通过,这时像平面上网格的像是亮暗颠倒的,即网格之间的透光部分是暗的,而丝网却成了亮线。

         可见,空间滤波给大家带来了十分诱人的奇特效果,光学信息处理正是由此发展起来的。

         近代光学信息处理系统是采用了一种被称为4f系统的装置,这种装置可以借助于图14-39来说明。图中表示,用平行激光照射放置于透镜L1

                        图14-39

方焦面的物,则在L1 的像方焦面(也是透镜L2 的物方焦面)上形成物的空间频谱,各种空间滤波器也是设置在此面上,经修饰的空间频谱图在透镜L2 的像方焦面上形成所需要的像。

         近代光学信息处理有广泛的应用,应用范围大致可分为两类,一类是对光学图像信息的处理,被处理的是照片、底片和画面等光学图形。用上述系统可以改变图形的衬比度,改善图形的清晰度,消除图形中的杂影,遥感图像处理,特征识别(如指纹等),对黑白图像进行假彩色编码以及集成电路板的缺陷检测等。另一类应用是对非光学信息的处理,被处理的可以是电信号、机械信号(重量、长度、角度、速度和应力应变等)、语言信号或热信号等,不过这类信号必须先转变为光学信号或光学图像后,才能用上述系统处理。

       
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