1
光信息处理概述用改变频谱的手段来处理信息 。
信息光学 也称为 变换光学 或 付里叶光学,
代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。
基本思想,用频谱的语言分析物面的信息，
物面空间频谱分析系统空间频谱频谱处理系统处理后的物像本世纪 60年它的基本概念起源于上世纪后期。
2
例如 光栅：
一,空间频率,单位长度内空间分布重复的次数任何周期性空间分布，都有一定的空间频率，
d — 空间周期,— 空间频率
df
1?
dx
同 相面x
z0
z?（
x z 面 ）
又如 单色平面波,空间周期为?
方向 z：
空间频率
1?f
方向 x,空间周期
c o s?xd
空间频率
c o s?
xf
c o s
c o s zz fd,
对传播 方向 z?：
3
可见,同一个波在不同方向空间频率也不同 。
c o s
c o s
c o s
z
y
x
f
f
f
对任意方向传播的单色平面波：
x
z0
z?
y
4
二,光栅夫琅禾费衍射的空间频率
x方向：
,
2
—— 衍射角
y方向：
,
2
s i nc o s
xf
0c o syf
kd?s i n由明纹条件,，,210k
有
d
kf
x
s i n
y
⊙
x
z
G L
k
f
F（物）
（焦平面）
5
阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释，
一定的?对应一定的 fx,也对应一定的 k 。
（ 1）物是一系列不同的空间频率信息的集合，
的讨论：
d
kf
x
s i n对中央明纹反映的是物上不变化的部分 。
（ 2） 物上不变的部分 d,即 fx= 0,? = 0。
三,阿贝 （ E,Abbe） 成像原理他指出，成像过程可分解为两步：
6
入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，
在 L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹,
此即物的空间频谱。
第一步：
各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干第二步：
叠加形成物的像。
+1
10
f
F
发子波物面 L
A
A?
像平面相干叠加成像频谱面
1
+1
7
这样，我们对 夫琅禾费衍射 又有了 新认识：
理想的夫琅禾费衍射装置 — 透镜,正是一个 付在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。
同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率单色光正入射到图上时，
通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被一束特定方向的衍射波输送出来，
的单频率信息所组成。
并且以衍射斑纹的形式展现在透镜 L 的焦平面上。 所以，
里叶频谱面（付氏面）。
里叶频谱分析器,透镜的后焦面就是图片的付
8
一个透镜就是一个光学模拟计算机 。
以上认识给了光学一个强有力的数学手段 —
付氏分析,也给了数学上的付氏变换的运算提供了一个新技术 — 光学计算术。
光学模拟计算机的优点：
1）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化 …
2）能直接处理二元函数 f (x,y)。
3）是并行输入，光束交叉可独立传播。
4）速度快，不受 RC 时间常数限制。
5）装置简单，价格低。
9
光学模拟计算机的不足：
1）直接处理数据信号很困难。
2）易受干扰。
3）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。
光学专家和计算机专家们正在探索光学计算机由 模拟化走向数字化。
利用光学双稳态元件 （如一些电光晶体器件），
可以在电信号的控制下，达到透光和不透光，
即实现（ 0,1）状态,从而可实现数字化。
10
光开关的速度 10亿次 /秒运算速度 100万次 /秒不久达到 几亿次 /秒
1990.1.29 贝尔实验室 数字光处理器：
1993年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器光计算机要求光子元件小型化、集成化
—— 集成光路光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。
美国防部将此列为 22项关键技术之一。
同年美国研制成了世界上首台光计算机。
11
四,空间滤波总是要丢掉较高频的信息 。
由于透镜的孔径有限，使物光通过透镜后，
F
0
+1
+2
1
2
S?S
物点 像点对应于截止频率 fc
丢失了高频的信息
L
12
改变频谱可改变物光的信息使用透镜会丢失高频信息，
在频谱面上放置空间滤波器，可改造空间频谱。
低通滤波器
F
高通滤波器
F
带通滤波器
F
从另一角度说明，
— 空间滤波。
13
t
x
a
d
滤波器一片亮，无变化
x
(振幅 )
U
0
0?
-1
-2
+2
+1
x
L
黑白光栅频谱面 像面
t
(振幅透过率 )
+3
-3
0?
基频
-1
+1
基频?
-1
-2
+2
+1
+3
-3
I
x
U
a
x
I
x
0
无直流成分反衬度反转
U
x
直流成分阿贝 （ 1874） 波特 （ 1906） 实验：
14
L
y
x
物 像
保留 fy 的频谱：
保留 fx 的频谱：
y
x
保留 f? 的频谱：
方向
F
y
x
15
五,光信息处理举例
▲ 轮廓突出和低对比度图形的识别 （边缘增强）
I
背景信号对比度高背景
I
背景信号对比度低背景物体 边缘以内及背景 光强变化较慢，
勾出物体轮廓,是识别低对比度图形或物体的有效方法。 边缘 亮度变化剧烈,高频成分丰富。
物体某部分的亮度与背景亮度之比叫 对比度 。
主要是低频和直流成分。
16
从而 突出轮廓亮度 —— 形成亮的镶边 。
作法,在物的频谱面 F上放一个高通滤波器
（玻璃片中心镀个不透明的斑）,挡掉 0级和低频成分，
高频滤波和轮廓突出
F
大头针
LP1 P
2
扩束 亮边
17
轮廓突出前轮廓突出后
18
▲ 光学去污
带污点的网格纯净网格
污点用纯净网格谱的 正片 滤波，
纯净网格的频谱
用纯净网格谱的 负片 滤波，
可得到 纯净网格 。
可得到 污点 。
光学去污 主要用于工业制版 (大规模集成电路）
—— 检查模版上的污点（噪声）或复制模版。
19
光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物的付氏谱进行比较，从而找出待测目标。
特征识别系统可以做到：
从卫星照片中检测军事目标
从文件中检测某个字
从细胞中检测癌细胞
进行航空测量
▲ 光学 特征识别
光学侦破（指纹识别）
20
例如指纹识别：
x
平面波 指纹 指纹 平面波
x
带有指纹信息的衍射波
xΣ?
带有指纹信息的会聚波
xΣ
反过来
xΣ? xΣ
L1 P
2L2
亮点若 x* = x 或
x*与 x 相关x平面波
P1
参照指纹 x
*
频谱面待查指纹
21
▲? 调制 （假彩色编码）
（光栅拼成）
黑白物白光着色像
L 频谱面空间滤波薰黑光栅蓝色透过蓝色透过红色透过红色透过物像频谱面
22
▲ 模糊图象处理 （离焦模糊、运动模糊）
关键是找到 T
G? (fx,fy) — 模糊图象的谱 。
设,G (fx,fy) — 清楚图像的谱，
— 模糊因子，
G
GffT
yx
)(,令：
滤波后
GTGTGTG 11
TGG则
L1 L2
畸变波频谱面
F
滤波
T
1 （透过率）
G? GG 正确波 清楚图象
P2
平面波
P1
模糊照片
23消模糊处理前的碑文 处理后的碑文（唐诗）
24
▲ 相衬显微镜 — 提高待测样品的衬比度样品是无色透明的生物切片或晶片时，
率函数是相位型的：
其透过
很小。
，),(),(~ yxieyxt
衬比度极小。
相位反衬法：
滴一小滴液体 （厚 h），
放到频谱面上引起 0 级相移：
nh2
t~
切片
（物）
（ x,y）
A
用普通显微镜观察样品，
),(~),(~ yxtAyxU?物 ）（ yxiAe,
Zernike提出在玻璃片中心
2
!2
11iA
0级像
（ x?,y?）L
频谱面相位板
ie
25
经相位板后，
），（）（ yxii eeA 1
2
!2
1,~ ieAyxU i ）（
像像的光强
),(~),(~),( * yxUyxUyxI 像像
),(s i n212 yxA
)1(
通常选
,2
,),(21),( 2 yxAyxI
，即 nh 4
这样就有了为了突出相位变化，
Zernike 因此获得了 1953年诺贝尔物理奖。
其它变化不大。0级相移了，
26
普通显微镜 （ 左 ） 和相衬显微镜拍摄的硅藻照片
27
以达到对图象信息进
▲,光学,下册，赵凯华、钟锡华。
▲,从波光学到信息光学,,宋菲君。
▲,大学物理学,（第四册）张三慧等。
参考书目总之，信息处理的 关键 在于研究清楚信息的频谱特征,然后针对它研制相应的 空间滤波器，
从而按照需要改变频谱，
行处理的目的。
— 完 —
光信息处理概述用改变频谱的手段来处理信息 。
信息光学 也称为 变换光学 或 付里叶光学,
代激光问世后，迅速发展为一门新的光学学科。
基本思想,用频谱的语言分析物面的信息，
物面空间频谱分析系统空间频谱频谱处理系统处理后的物像本世纪 60年它的基本概念起源于上世纪后期。
2
例如 光栅：
一,空间频率,单位长度内空间分布重复的次数任何周期性空间分布，都有一定的空间频率，
d — 空间周期,— 空间频率
df
1?
dx
同 相面x
z0
z?（
x z 面 ）
又如 单色平面波,空间周期为?
方向 z：
空间频率
1?f
方向 x,空间周期
c o s?xd
空间频率
c o s?
xf
c o s
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对传播 方向 z?：
3
可见,同一个波在不同方向空间频率也不同 。
c o s
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c o s
z
y
x
f
f
f
对任意方向传播的单色平面波：
x
z0
z?
y
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二,光栅夫琅禾费衍射的空间频率
x方向：
,
2
—— 衍射角
y方向：
,
2
s i nc o s
xf
0c o syf
kd?s i n由明纹条件,，,210k
有
d
kf
x
s i n
y
⊙
x
z
G L
k
f
F（物）
（焦平面）
5
阿贝从波动光学角度对透镜成像做了新解释，
一定的?对应一定的 fx,也对应一定的 k 。
（ 1）物是一系列不同的空间频率信息的集合，
的讨论：
d
kf
x
s i n对中央明纹反映的是物上不变化的部分 。
（ 2） 物上不变的部分 d,即 fx= 0,? = 0。
三,阿贝 （ E,Abbe） 成像原理他指出，成像过程可分解为两步：
6
入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，
在 L的焦平面上形成一系列的衍射斑纹,
此即物的空间频谱。
第一步：
各衍射斑纹发出的子波在像平面上相干第二步：
叠加形成物的像。
+1
10
f
F
发子波物面 L
A
A?
像平面相干叠加成像频谱面
1
+1
7
这样，我们对 夫琅禾费衍射 又有了 新认识：
理想的夫琅禾费衍射装置 — 透镜,正是一个 付在数学上我们可以将一个函数作付里叶展开。
同样，一张图（物）也是由许多不同空间频率单色光正入射到图上时，
通过夫琅禾费衍射，一定空间频率的信息就被一束特定方向的衍射波输送出来，
的单频率信息所组成。
并且以衍射斑纹的形式展现在透镜 L 的焦平面上。 所以，
里叶频谱面（付氏面）。
里叶频谱分析器,透镜的后焦面就是图片的付
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一个透镜就是一个光学模拟计算机 。
以上认识给了光学一个强有力的数学手段 —
付氏分析,也给了数学上的付氏变换的运算提供了一个新技术 — 光学计算术。
光学模拟计算机的优点：
1）能直接处理连续函数，不需要抽样离散化 …
2）能直接处理二元函数 f (x,y)。
3）是并行输入，光束交叉可独立传播。
4）速度快，不受 RC 时间常数限制。
5）装置简单，价格低。
9
光学模拟计算机的不足：
1）直接处理数据信号很困难。
2）易受干扰。
3）只能进行付氏变换运算，作其它运算困难。
光学专家和计算机专家们正在探索光学计算机由 模拟化走向数字化。
利用光学双稳态元件 （如一些电光晶体器件），
可以在电信号的控制下，达到透光和不透光，
即实现（ 0,1）状态,从而可实现数字化。
10
光开关的速度 10亿次 /秒运算速度 100万次 /秒不久达到 几亿次 /秒
1990.1.29 贝尔实验室 数字光处理器：
1993年 1cm2 GaAs衬底上集成了一百多个电泵浦微型激光器光计算机要求光子元件小型化、集成化
—— 集成光路光子技术是本世纪初国际技术竞争的焦点之一。
美国防部将此列为 22项关键技术之一。
同年美国研制成了世界上首台光计算机。
11
四,空间滤波总是要丢掉较高频的信息 。
由于透镜的孔径有限，使物光通过透镜后，
F
0
+1
+2
1
2
S?S
物点 像点对应于截止频率 fc
丢失了高频的信息
L
12
改变频谱可改变物光的信息使用透镜会丢失高频信息，
在频谱面上放置空间滤波器，可改造空间频谱。
低通滤波器
F
高通滤波器
F
带通滤波器
F
从另一角度说明，
— 空间滤波。
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t
x
a
d
滤波器一片亮，无变化
x
(振幅 )
U
0
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-1
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+2
+1
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黑白光栅频谱面 像面
t
(振幅透过率 )
+3
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-1
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基频?
-1
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I
x
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x
I
x
0
无直流成分反衬度反转
U
x
直流成分阿贝 （ 1874） 波特 （ 1906） 实验：
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L
y
x
物 像
保留 fy 的频谱：
保留 fx 的频谱：
y
x
保留 f? 的频谱：
方向
F
y
x
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五,光信息处理举例
▲ 轮廓突出和低对比度图形的识别 （边缘增强）
I
背景信号对比度高背景
I
背景信号对比度低背景物体 边缘以内及背景 光强变化较慢，
勾出物体轮廓,是识别低对比度图形或物体的有效方法。 边缘 亮度变化剧烈,高频成分丰富。
物体某部分的亮度与背景亮度之比叫 对比度 。
主要是低频和直流成分。
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从而 突出轮廓亮度 —— 形成亮的镶边 。
作法,在物的频谱面 F上放一个高通滤波器
（玻璃片中心镀个不透明的斑）,挡掉 0级和低频成分，
高频滤波和轮廓突出
F
大头针
LP1 P
2
扩束 亮边
17
轮廓突出前轮廓突出后
18
▲ 光学去污
带污点的网格纯净网格
污点用纯净网格谱的 正片 滤波，
纯净网格的频谱
用纯净网格谱的 负片 滤波，
可得到 纯净网格 。
可得到 污点 。
光学去污 主要用于工业制版 (大规模集成电路）
—— 检查模版上的污点（噪声）或复制模版。
19
光学特征识别是把已知物的付氏谱和待测物的付氏谱进行比较，从而找出待测目标。
特征识别系统可以做到：
从卫星照片中检测军事目标
从文件中检测某个字
从细胞中检测癌细胞
进行航空测量
▲ 光学 特征识别
光学侦破（指纹识别）
20
例如指纹识别：
x
平面波 指纹 指纹 平面波
x
带有指纹信息的衍射波
xΣ?
带有指纹信息的会聚波
xΣ
反过来
xΣ? xΣ
L1 P
2L2
亮点若 x* = x 或
x*与 x 相关x平面波
P1
参照指纹 x
*
频谱面待查指纹
21
▲? 调制 （假彩色编码）
（光栅拼成）
黑白物白光着色像
L 频谱面空间滤波薰黑光栅蓝色透过蓝色透过红色透过红色透过物像频谱面
22
▲ 模糊图象处理 （离焦模糊、运动模糊）
关键是找到 T
G? (fx,fy) — 模糊图象的谱 。
设,G (fx,fy) — 清楚图像的谱，
— 模糊因子，
G
GffT
yx
)(,令：
滤波后
GTGTGTG 11
TGG则
L1 L2
畸变波频谱面
F
滤波
T
1 （透过率）
G? GG 正确波 清楚图象
P2
平面波
P1
模糊照片
23消模糊处理前的碑文 处理后的碑文（唐诗）
24
▲ 相衬显微镜 — 提高待测样品的衬比度样品是无色透明的生物切片或晶片时，
率函数是相位型的：
其透过
很小。
，),(),(~ yxieyxt
衬比度极小。
相位反衬法：
滴一小滴液体 （厚 h），
放到频谱面上引起 0 级相移：
nh2
t~
切片
（物）
（ x,y）
A
用普通显微镜观察样品，
),(~),(~ yxtAyxU?物 ）（ yxiAe,
Zernike提出在玻璃片中心
2
!2
11iA
0级像
（ x?,y?）L
频谱面相位板
ie
25
经相位板后，
），（）（ yxii eeA 1
2
!2
1,~ ieAyxU i ）（
像像的光强
),(~),(~),( * yxUyxUyxI 像像
),(s i n212 yxA
)1(
通常选
,2
,),(21),( 2 yxAyxI
，即 nh 4
这样就有了为了突出相位变化，
Zernike 因此获得了 1953年诺贝尔物理奖。
其它变化不大。0级相移了，
26
普通显微镜 （ 左 ） 和相衬显微镜拍摄的硅藻照片
27
以达到对图象信息进
▲,光学,下册，赵凯华、钟锡华。
▲,从波光学到信息光学,,宋菲君。
▲,大学物理学,（第四册）张三慧等。
参考书目总之，信息处理的 关键 在于研究清楚信息的频谱特征,然后针对它研制相应的 空间滤波器，
从而按照需要改变频谱，
行处理的目的。
— 完 —
