光信息处理 (38).pdf
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1、Optical Information Processing 光光学学信信息息处处理理 第第九九章章 Incoherent Optical information Processing 非非相相干干光光学学信信息息处处理理 光光学学信信息息处处理理从从光光源源的的空空间间和和时时间间相相干干性性来来分分类类: 1.相相干干光光学学信信息息处处理理 2.非非相相干干光光学学信信息息处处理理 在在非非相相干干光光学学处处理理系系统统中中, ,光光强强只只能能取取正正值值. .故故相相干干光光学学处处理理信信息息的的能能力力比比非非相相干干光光 学学处处理理系系统统要要丰丰富富得得多多. .这这就就
2、是是为为什什么么一一般般采采用用相相干干光光而而不不是是非非相相干干光光进进行行信信息息处处 理理的的主主要要原原因因. . 然然而而, ,相相干干光光学学处处理理也也有有几几个个固固有有缺缺点点. . ( (1 1) ) 相相干干噪噪声声和和散散斑斑噪噪声声问问题题 ( (2 2) ) 输输入入和和输输出出上上存存在在的的问问题题 ( (3 3) ) 对对色色彩彩信信息息难难以以处处理理 1. 相相干干与与非非相相干干光光学学处处理理 a.相相干干光光学学处处理理与与非非相相干干光光学学处处理理的的比比较较 在在光光学学系系统统中中,透透镜镜、反反射射镜镜和和分分束束器器等等不不可可避避免免
3、地地存存在在一一些些缺缺陷陷,如如气气泡泡、 擦擦痕痕以以及及尘尘埃埃、指指印印或或霉霉斑斑等等. 当当用用相相干干光光照照明明时时,这这些些缺缺陷陷将将产产生生衍衍射射,而而这这些些衍衍射射波波之之间间又又会会互互相相干干涉涉,从从 而而形形成成一一系系列列杂杂乱乱条条纹纹与与图图像像重重叠叠在在一一起起,无无法法分分开开.这这就就是是所所谓谓相相干干噪噪声声。 (1)相相干干噪噪声声和和散散斑斑噪噪声声问问题题. 由由于于信信息息是是以以光光场场复复振振幅幅分分布布的的形形式式在在系系统统中中传传递递和和处处理理,这这就就要要求求把把输输入入图图 像像制制成成透透明明片片,然然后后用用激激
4、光光照照明明.这这就就排排除除了了直直接接使使用用发发光光二二极极管管(LED)阵阵列列等等作作为为输输入入 信信号号的的可可能能性性。 而而在在许许多多实实际际应应用用中中的的信信号号是是以以这这种种方方式式提提供供的的。现现在在已已广广为为使使用用的的光光学学与与电电子子学学 混混合合处处理理系系统统,可可以以直直接接使使用用这这类类非非相相干干信信号号。 (2)输输入入和和输输出出上上存存在在的的问问题题 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报:奉献教育(店铺) 非非相相干干光光学学处处理理系系统统对对噪噪声声的的抑抑制制作作用用,是是从从通通信信理理论论中中的
5、的多多余余通通道道的的概概念念发发 展展而而来来的的.例例如如发发送送某某个个信信号号用用了了N个个信信息息通通道道,那那么么第第i个个通通道道的的输输出出信信号号为为 ii nsa 式式中中,ni为为第第i个个通通道道上上的的噪噪声声,不不同同通通道道上上的的噪噪声声是是不不同同的的;s为为信信号号,它它对对所所有有 的的通通道道都都是是相相同同的的.这这样样,总总的的强强度度输输出出信信号号为为 2 1 N i i aEI E表表示示求求平平均均 b.非非相相干干光光学学处处理理系系统统的的噪噪声声抑抑制制 N ji ji N i i nnEnENssNI 1,1 22 2 由由于于噪噪声
6、声是是完完全全随随机机的的,其其信信号号的的平平均均值值为为零零, 0 1 N i i nE 另另外外,不不同同噪噪声声之之间间互互不不相相关关,因因此此有有 N i jin nE 1 ji , 0 ji , 2 222 NsNI 由由上上面面分分析析可可知知,单单一一通通道道上上的的信信噪噪比比为为 22 / s 当当引引入入N个个通通道道后后,信信噪噪比比为为 22 / Ns 扩扩展展光光源源引引入入的的多多余余通通道道 这这一一点点在在光光学学系系统统中中是是容容易易理理解解的的。 扩扩展展光光源源引引入入的的多多余余通通道道 这这一一点点在在光光学学系系统统中中是是容容易易理理解解的的
7、。 照照明明光光波波场场:非非单单色色光光 1.无无相相干干噪噪声声,抗抗干干扰扰能能力力强强 2.系系统统简简单单,具具有有很很强强的的灵灵活活性性 3.色色彩彩信信息息量量高高。 光光学学处处理理对对象象:光光强强 作作用用:完完成成运运算算(非非负负实实函函数数运运算算处处理理) 特特点点: c.非非相相干干光光学学处处理理系系统统的的特特征征 a.成成像像 2 基基于于几几何何光光学学的的非非相相干干处处理理系系统统 实现两个函数的卷积和相关是光学信息处理中最基本的运算,在相干光学处理 系统中这些运算是通过两次傅里叶变换和频城乘法运算完成的; 非相干处理系统由于没有物理上的频谱平面,故
8、不能按照同样的方法处理.但是从空 域来看,卷积和相关运算都包括位移、相乘、积分三个基本步骤; 采用非相干成像系统也可以完完成成这这些些运运算算. 若若把把强强度度透透射射率率为为tl的的一一张张透透明明片片在在强强度度透透过过率率为为t2的的另另一一张张透透明明片片上上成成像像,那那么么在在 第第二二张张透透明明片片后后面面每每点点的的光光强强都都正正比比于于乘乘积积tl t2.所所以以用用光光电电探探测测器器探探测测的的总总光光电电流流I 为为 实实现现一一个个乘乘积积的的积积分分系系统统 a.成成像像 2 基基于于几几何何光光学学的的非非相相干干处处理理系系统统 dxdyyxtyxtI),
9、(),( 21 ),( 1 yxt),( 2 yxt ),( 1 yxt),( 2 yxt 透透镜镜L2将将tl以以相相等等大大小小成成像像在在t2上上,而而透透 镜镜L3将将透透过过t2的的一一个个缩缩小小像像投投射射到到探探测测 器器上上. 让让透透明明片片t2按按反反射射的的几几何何位位置置放放入入,则则 dxdyyxtyxtI),(),( 21 若若使使t2在在x和和y方方向向分分别别移移动动x0,y0,则则 dxdyyvtxvttyxtyxI),(),(),( 2100 ),(vtvtI ),( 1 yxt),( 2 yxt 相相关关运运算算与与卷卷积积运运算算的的区区别别在在于于,
10、两两个个函函数数之之一一没没有有折折叠叠的的步步骤骤; 只只要要使使t2透透明明片片按按正正向向几几何何位位置置放放入入 若若使使t2沿沿x和和y的的负负方方向向移移动动x0,y0,则则 ),(vtvtI ),( 1 yxt),( 2 yxt dxdyyvtxvttyxtyxI),(),(),( 2100 b.无无运运动动元元件件的的卷卷积积和和相相关关运运算算 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 ),( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 胶胶片片或或二二维维 阵阵列列检检测测器器 进进行行记记
11、录录 均均匀匀漫漫 射射光光源源 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 工工作作原原理理: 考考虑虑由由光光源源上上特特定定一一点点(-xo,-yo)发发出出的的光光,经经L1后后变变成成平平行行光光,若若把把第第一一张张透透明明片片投投影影到到第第 二二张张透透明明片片上上,则则通通过过L2把把光光束束会会聚聚到到探探测测器器的的(x0,yo)点点,假假定定两两个个透透镜镜的的焦焦距距相相同同,那那么么在在 检检测测器器上上的的强强度度分分布布为为 dxdyyxhy f d yx f d xfyxg),(),(),( 0000 这这正正是是所所要要求求的的相相关关 )
12、,( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 这这正正是是所所要要求求的的相相关关 ),( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 若若第第一一张张输输入入透透明明片片按按反反射射的的几几何何位位置置放放入入,则则检检测测器器上上的的强强度度分分布布为为 dxdyyxhyy f d xx f d fyxg),(),(),( 0000 实实现现无无运运动动卷卷积积和和相相关关运运算算的的系系统统 ),
13、( 00 yx f df ),(yxf ),(yxh ),( 00 yxg ),( 00 yx 1 L 2 L 这这种种系系统统的的优优点点是是简简单单易易行行,缺缺点点是是对对f(x ,y)的的空空间间结结构构越越细细,得得到到的的相相关关值值误误差差就就 越越大大.因因为为从从f(x,y)到到 h(x,y)完完全全是是按按几几何何投投影影考考虑虑的的,完完全全忽忽略略了了结结构构的的衍衍射射,结结构构 越越细细,衍衍射射越越显显著著,所所以以用用这这个个系系统统处处理理的的图图像像的的分分辨辨率率是是受受到到限限制制的的. 以以几几何何光光学学为为基基础础的的非非相相干干处处理理系系统统有
14、有两两个个明明显显的的限限制制: 系系统统传传递递和和处处理理的的物物理理量量只只能能是是非非负负光光强强分分布布,无无法法处处理理双双极极性性信信号号和和综综合合 双双极极性性脉脉冲冲响响应应。 分分析析过过程程中中忽忽略略了了衍衍射射效效应应, 限限制制了了系系统统处处理理的的信信息息容容量量.信信息息容容量量的的增增大大, 意意味味着着透透明明片片上上的的空空间间结结构构要要求求越越来来越越精精细细,通通过过透透明明片片的的光光就就越越来来越越多多地地 被被衍衍射射,只只剩剩下下越越来来越越少少的的光光遵遵从从几几何何光光学学定定律律,所所以以输输出出将将偏偏离离按按几几何何关关系系 给
15、给出出的的结结果果. 如如下下图图所所示示,为为一一投投影影式式非非相相干干光光卷卷积积运运算算装装置置,由由光光源源S和和散散射射板板D产产生生均均匀匀的的非非 相相干干光光照照明明,m(x,y)和和O(x,y)是是两两张张透透明明片片,在在平平面面P上上可可以以探探测测到到m(x,y)O(x,y)卷卷积积。 (1)写写出出此此装装置置的的系系统统点点扩扩散散函函数数. (2)写写出出P平平面面上上光光强强分分布布的的表表达达式式。 (3)若若m(x,y)的的空空间间宽宽度度为为L1,0(x,y)的的空空是是宽宽度度为为L2,求求卷卷积积的的空空间间宽宽度度. 例例题题 S S D D ),
16、(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx (1) (x,y)处处的的点点源源,投投射射到到O(x,y)上上而而在在P平平面面上上造造成成的的分分布布即即为为系系统统的的点点扩扩散散函函数数, 其其中中心心位位置置在在 ),( dd yx 利利用用几几何何关关系系 d xx d ),( dd yx 以以为为中中心心的的函函数数O的的形形式式为为 ),(),(y d yx d xOyyxxO dddddd 再再考考虑虑到到投投影影面面积积每每边边长长的的放放
17、大大倍倍数数 d d d yy d y d y d x d x d )(),(),;,(y d y d d x d x d d KOyxyxh dddd 则则 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx (2)P平平面面上上点点(xd,yd)所所接接收收到到的的强强度度响响应应为为物物函函数数m(x,y)与与以以),( dd yx为为中中心心 dxdyy d y d d x d x d d OyxmKyxI ddddP )(),(),(),( 的的点点扩扩散散函函数数乘乘积积的的积积分分,即即 (3 3) d ll d ll l 2 2
18、221 21 d ll l 2 )( 21 卷卷积积的的空空间间宽宽度度为为 d ll lllB )( 2 21 22 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx 1 l 2 l (3 3) d ll d ll l 2 2221 21 d ll l 2 )( 21 卷卷积积的的空空间间宽宽度度为为 d ll lllB )( 2 21 22 S S D D ),(yxm),(yxO),( dd yxP d d ),(yx ),( dd yx 1 l 2 l 解解:f Ll 2: 2 : 2 f L l 2 散散焦焦系系统统的的点点扩扩散散
19、函函数数在在几几何何光光学学近近似似下下(没没有有考考虑虑衍衍射射)是是由由于于离离焦焦而而 产产生生的的均均匀匀照照明明的的圆圆斑斑。对对于于非非相相干干系系统统而而言言,像像面面上上的的光光场场是是所所有有脉脉冲冲 响响应应对对应应的的强强度度迭迭加加. c所所以以系系统统的的光光学学传传递递函函数数为为 22 4 (),(yx L f circFH ) 4 (r L f circF ) 2 ( 1 4 1 f L J f L )( 22 按按题题意意 。是是第第一一个个零零点点,所所以以有有0) 2 ( 01 f L J 因因为为J1的的第第一一个个根根约约为为1.22 ,所所以以有有
20、22.1 2 0 f L cm L f 22.1 44.2 0 3 基基于于衍衍射射的的非非相相干干处处理理非非相相干干频频域域综综合合 在在相相干干处处理理系系统统中中,可可以以由由直直接接改改变变变变换换透透镜镜后后焦焦面面上上的的振振幅幅 透透过过率率来来综综合合所所需需要要的的滤滤波波运运算算. 当当使使用用非非相相干干光光照照明明时时,频频域域综综合合仍仍然然是是可可能能的的. 因因为为非非相相干干系系统统的的光光瞳瞳函函数数和和光光学学传传递递函函数数之之间间存存在在着着一一个个 简简单单的的自自相相关关函函数数关关系系. 3 基基于于衍衍射射的的非非相相干干处处理理非非相相干干频
21、频域域综综合合 下下图图绘绘出出了了典典型型的的非非相相干干空空间间滤滤波波系系统统。 类类似似于于相相干干成成像像系系统统,输输入入与与输输出出强强度度之之间间的的关关系系可可以以表表示示为为 ),(),(),(yxhyxiyxi I hI是是强强度度点点扩扩散散函函数数PSF,上上式式的的归归一一化化傅傅里里叶叶变变换换为为 ),(),(),( HII ),(),(),( HII ),( H 非非相相干干空空间间滤滤波波是是改改变变输输入入光光强强频频谱谱中中各各频频率率余余弦弦分分量量的的对对比比和和相相位位关关系系,只只要要 根根据据输输入入输输出出关关系系,在在频频城城综综合合出出所
22、所需需的的OTF,就就可可实实现现各各种种形形式式的的滤滤波波. 为为系系统统的的光光学学传传递递函函数数OTF。 衍衍射射受受限限系系统统的的OTF等等于于光光瞳瞳函函数数(即即出出射射光光瞳瞳函函数数,简简称称光光瞳瞳函函数数)的的归归一一化化 自自相相关关函函数数,即即 dudvvuP ddPddP H iiii 2 ),( ),(),( ),( 有缘学习更多+ 谓y g d 3 0 7 6 考证资料或关注桃报:奉献教育(店铺) 由由上上式式可可知知,根根据据系系统统所所需需的的OTF设设计计光光瞳瞳函函数数,频频域域综综合合可可在在光光瞳瞳面面着着手手。 dudvvuP ddPddP
23、H iiii 2 ),( ),(),( ),( 若若光光瞳瞳面面上上放放置置其其它它形形式式的的滤滤波波器器,P应应该该等等于于滤滤波波器器的的透透过过率率函函数数。对对于于 滤滤波波器器的的位位置置精精度度要要求求,不不像像相相干干系系统统那那么么苛苛刻刻.但但由由所所需需的的传传递递函函数数确确定定光光 瞳瞳函函数数的的解解不不是是唯唯一一的的,如如何何由由OTF确确定定最最简简单单的的光光瞳瞳函函数数的的步步骤骤现现在在还还不不 知知道道. a.切切趾趾术术 在在非非相相干干成成像像系系统统中中,点点物物在在像像面面上上的的响响应应称称为为点点扩扩散散函函数数。为为说说明明概概念念,我我
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