基于信息光學理論的白光信息處理技術的研究

摘要：介紹了光學信息處理的發展歷史，研究了白光信息處理的原理，闡述了在現代光學成像系統中，與白光信息處理技術密切相關的調制技術和空間頻率假彩色編碼問題。

關鍵詞：阿貝成像原理;白光信息處理;調制技術;假彩色編碼

1引言

現代光學的一個主要部分為光信息處理，阿貝成像原理和阿貝-波特實驗開創了光信息處理的先河，在歷史上有重要的地位。由于光的衍射，圖像的夫瑯和費衍射分布，即圖像的空間頻譜分布與圖像的空間分布規律不同，這使得在頻譜面上對其進行處理可獲得一些特殊的圖像處理效果。白光信息處理技術是近年來發展很快而且備受人們關注的光學技術。

2白光信息處理原理

常用的白光信息處理系統，類似于4f系統。圖中，為白光點光源，它是由白光光源經會聚透鏡所成的像上加小孔構成;為準直透鏡;為一正弦光柵;

式中，是光柵頻率。在單位振幅的準直白光照射下，光柵后表面上的復振幅分布為：

在頻譜面上的空間頻率分布為：

式中，第一項代表物的零級頻譜，第二、三項分別是物的級譜帶，每一個譜帶中心位于處，色散呈彩虹。各個波長的零級譜中心位置都是相同的。設物的空間頻帶寬度為，則其在軸上的空間寬度為;而不同波長物頻譜能夠分離的條件是，由此求得：

式中為平均波長。對于波長為的物頻譜，若設濾波函數為。則經過濾波和透鏡的逆傅立葉變換后，在輸出平面上，波長為的像場復振幅為：

波長為的像場相對強度分布為：

式中，是第n個濾波器的脈沖響應。實際上，通過濾波器的是包含的某一窄波段的光波，由于比小得多，故可作為準單色光處理。于是，通過濾波后的像強度分布可寫為：

當有N個離散濾波器同時作用于頻譜面時，由于不同波長的光波是不相干的，因而在輸出平面上得到的是不同波長輸出的非相干疊加，即

由以上分析可以看出，白光信息處理技術的確能夠處理復振幅信號，并且由于輸出強度是互不相干的窄帶光強度之和，因而又能抑制令人討厭的相干噪聲。

如果把正弦光柵改為矩形光柵，則在頻譜面上將得到0，……各級頻譜，使N個濾波器有更多的位置可供選擇（不一定放在同一級頻譜位置上），相當于進一步增加了可供頻域操作的通道數。以下的調制實驗就是黑白圖像的假彩色化的典型例子。

3白光信息處理的技術問題

3.1 調制技術。

調制技術是阿貝成像原理的一種巧妙應用，它將原始像變換成為按一定角度的光柵調制像，將該調制像置于4f系統中用白光照明并進行適當的空間濾波處理，實現假彩色編碼得到彩色的輸出像。對于圖像的不同區域分別用取向不同（角不同）的光柵預先進行調制，經過多次曝光和顯影、定影等處理后制成透明膠片，并將其放入信息處理系統（如系統）中的輸入面，用白光照明，則在其譜面上，不同方位的頻譜均呈彩虹顏色。如果在頻譜面上開一些小孔，則在不同的方位角上，小孔可選取不同顏色的譜，最后在處理系統的輸出面上便得到所需要的彩色圖像。由于物被不同取向的光柵所調制，所以在頻譜面上得到的將是取向不同的帶狀譜（均與其光柵柵線垂直），物的3個不同區域的信息分布（在3個不同的方向上，互不干擾，這就為空間濾波創造了方便條件;又由于采用白光照明，所以各級頻譜呈現出色散的彩帶，由中心向外按波長從短到長的順序排列，這就使賦予圖像以特定的不同色彩成為可能。選用一個帶通濾波器，實際上是一個被穿了孔的光屏。如果帶孔的光屏擋去水平方向的頻譜點，則背景的圖像消失。同樣，如果擋去某一方向的頻譜點，則對應的那部分圖像就會消失。因此，在代表花、葉和背景信息的右斜、左斜和水平方向的頻譜帶上分別在紅色、綠色和藍色位置打孔，使著3種顏色的譜通過，其余顏色的譜均被擋住，則在系統的輸出面上就會得到紅花、綠葉和黃顏色背景效果的彩色圖像。有時為增強光通量，往往在二級、三級譜的位置上也打孔。若改變濾波小孔的位置，可變換出各種顏色的搭配。

作者簡介：馬登良（1963-），男，山東淄博職業學院，副教授，主要從事教育教學及其研究工作。