光學(xué)濾波與頻譜分析的研究

王毅 許貴陽

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們進入到信息時代，其要求對龐大的信息容量進行快速處理，光學(xué)濾波以及頻譜的相關(guān)發(fā)展也逐漸被人們所廣泛的運用。其中空間濾波的主要目的是通過有意識的改變圖像的頻譜，讓像產(chǎn)生所希望的相應(yīng)變換。在光學(xué)信息處理中是一個更為廣闊的領(lǐng)域，其主要是通過使用光學(xué)的方式方法來實現(xiàn)對輸入信息的各種各樣的處理和變換，本文主要就光學(xué)濾波和頻譜的相關(guān)問題進行分析，讓光學(xué)信息處理能夠邁向新時期。

關(guān)鍵詞：光學(xué)濾波；香味濾波器；頻譜分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.109

0 前言

空間濾波器主要指的是光學(xué)系統(tǒng)的傅里葉頻譜面上所防止的濾波器，是以改變光波頻譜結(jié)構(gòu)，讓其按照人們的相關(guān)要求來進行相應(yīng)的改善。在這個基礎(chǔ)上，發(fā)展了光學(xué)信息的處理技術(shù)。光學(xué)信息處理技術(shù)是一個較為廣闊的領(lǐng)域，其主要指使用光學(xué)的方法來實現(xiàn)對輸入信息進行某種變換以及計算，已達到對信息的提取，存儲，識別和編碼等目的。這樣的處理方式具有并行，二維以及實時處理的特征，有利于激起人們對于光學(xué)信息處理技術(shù)的興趣提升，并對此做出深入的研究探討。

1 空間濾波器的基本原理

上個世紀(jì)期初國外相關(guān)研究人員提出了幾何光學(xué)的傳播成像理論不同觀點，其認為在相干光照之下，透鏡的成像全過程是可以分為兩個步驟的；第一個步驟是頻譜成新的次波源，主要由其發(fā)出次波在平面上所干涉而形成的圖像這個圖像被叫為衍射像，在成像過程中也被稱為阿貝二次衍射成像技術(shù)。第二個步驟是物光波透鏡之后，在其后焦點面上產(chǎn)生夫瑯禾費的衍射，從而形成頻譜，這個頻譜稱之為第一次衍射圖像。

2 空間頻率濾波系統(tǒng)

空間頻率濾波系統(tǒng)指的是相干光學(xué)信息處理當(dāng)中的一種較為簡單的處理方式，其充分利用了透鏡的傅里葉變換特性，將透鏡作為一個頻譜分析方式，并在頻譜面上去通過加入濾波器，用來改變物的頻譜，這樣就能讓物象得到相應(yīng)的改善。空間頻率濾波系統(tǒng)中有非常多的光路結(jié)構(gòu)，其中最為典型的系統(tǒng)是4F系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中頻域上來看，這個系統(tǒng)能改變圖像的空間頻率結(jié)構(gòu)，這也是空間濾波和頻域結(jié)合的意義。從空間頻域上來看，系統(tǒng)實現(xiàn)了輸入信息和濾波器脈沖響應(yīng)的卷積相關(guān)，從而去完成了實際中所預(yù)計的一種變換方式。一般而言，可以在頻譜面上加入具有下面形式的濾波函數(shù)空間頻率濾波器，可以根據(jù)濾波函數(shù)的性質(zhì)和其對空間頻譜作用的不同，空間濾波器是有多種形式的，最為常見的是以下幾種。

2.1 方向濾波器

方向濾波器實際上是在一定方向上允許筒頻譜的光闌，可以用來突出圖像當(dāng)中的方向特性。方向濾波器現(xiàn)目前依據(jù)用在檢查集成電路板中，因為集成電路圖是由某些正交，規(guī)則的矩形線路所組成的，其頻譜可以分布在軸線的附近，然而集成電路中的疵點形狀大多都是不規(guī)則的，線性度也是相對較小的，所以頻譜相對較寬，在離軸有一定距離位置中所分布，可以采用十字形來進行相應(yīng)的阻擋光屏就能讓軸線周圍的信息被全部遮擋，提取出相關(guān)集成電路圖當(dāng)中疵點的位置信息，然而在提出噪聲的頻譜，從而顯示出集成電路疵點的位置所在。

2.2 二次元濾波器

二次元濾波器實際上是一個帶有針孔的不透明模板。選擇適當(dāng)?shù)尼樋字睆阶寛D像當(dāng)中的高頻率噪音以及其周期性的結(jié)構(gòu)被全部阻攔下來，而且只有允許處在頻譜中心和周圍鄰近的低頻分量時才能被通過，這種濾波器主要是由針孔以及顯微鏡所組成的，針孔安放置在顯微鏡焦點位置上，再通過顯微鏡折射出來的聚焦光在針孔上，如果針孔的直徑和顯微鏡折射光的寬度是相同的額，那么針孔只能通過平行在光軸進入的光，這樣就很難消除不平行在光軸上的光束，也很難獲得射環(huán)上的純球面波。運用針孔來作為濾波器，是能允許信號的頻譜全部通過的，然而所出現(xiàn)的噪聲頻譜是會被阻擋下來的，這樣有利于改善圖像照片的信噪比。

2.3 復(fù)數(shù)濾波器

這一種濾波器是可以同時改變各頻譜成分的振幅以及相位的，濾波函數(shù)又是復(fù)函數(shù)，現(xiàn)目前，其廣泛的被運用在各個行業(yè)當(dāng)中，但是其有一個缺陷，那就是制作相對較困難，上個世紀(jì)中旬有關(guān)學(xué)者提出運用全息照相的方法來制作復(fù)數(shù)濾波器，這項復(fù)數(shù)濾波器是有利于推動光學(xué)信息處理的全面發(fā)展的，1967年時也有相關(guān)學(xué)者提出了使用計算全息方法來制作復(fù)數(shù)濾波器，在某種程度上是克服了制作空間濾波器的主要障礙問題。

3 提取和抑制周期信息

因為印版和制版的相關(guān)需要，報紙上面的照片都是由大量的周期排列黑點所組成的。照片上的黑白層次主要是由黑點的大小程度所控制的，相類似的，電視圖像也是由很多的水平排列線條所組成的，我們可以將這些不屬于圖像自身的周期結(jié)構(gòu)稱為周期性噪聲，我們還可以充分運用空間濾波的方法將這些噪聲進行去除，因為噪聲的周期相對較小，對于空間頻率相對較高，在頻譜面上圖像自身的頻譜集中在低頻范圍之內(nèi)，所以，在濾波系統(tǒng)的頻譜面上加入低通濾波器，選用直徑圓孔讓噪聲的頻率降低，這樣就能像面上得到一幅完整的，沒有周期性噪聲的圖像了。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們進入到信息時代，其要求對龐大的信息容量進行快速處理，光學(xué)濾波以及頻譜的相關(guān)發(fā)展也逐漸被人們所廣泛的運用。總而言之，空間濾波器的主要目的是通過有意識的去改變頻譜，然后讓像產(chǎn)生所希望的相關(guān)變換，在光學(xué)信息處理技術(shù)中，光學(xué)信息處理技術(shù)是一個較為廣泛的領(lǐng)域，其主要是采用光學(xué)方法去實現(xiàn)對輸入信息的各種各樣的處理以及變換，由于之前激光的出現(xiàn)以及全息術(shù)的快速發(fā)展，讓光學(xué)信息處理技術(shù)也進入到了發(fā)展的新時期。

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基金項目：河南省南陽市科技攻關(guān)項目，項目名稱：CHRISTIANSEN濾波器性能改進研究。項目編號：2011GG105

作者簡介：王毅（1979-），男，四川南充人，碩士，講師，主要研究方向：光電技術(shù)。