摘要：介紹了光學(xué)信息處理的發(fā)展歷史，研究了白光信息處理的原理，闡述了在現(xiàn)代光學(xué)成像系統(tǒng)中，與白光信息處理技術(shù)密切相關(guān)的調(diào)制技術(shù)和空間頻率假彩色編碼問題。

關(guān)鍵詞：阿貝成像原理;白光信息處理;調(diào)制技術(shù);假彩色編碼

1引言

現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)主要部分為光信息處理，阿貝成像原理和阿貝-波特實(shí)驗(yàn)開創(chuàng)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(fèi)衍射分布，即圖像的空間頻譜分布與圖像的空間分布規(guī)律不同，這使得在頻譜面上對(duì)其進(jìn)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(shù)是近年來發(fā)展很快而且備受人們關(guān)注的光學(xué)技術(shù)。

2白光信息處理原理

常用的白光信息處理系統(tǒng)，類似于4f系統(tǒng)。圖中，為白光點(diǎn)光源，它是由白光光源經(jīng)會(huì)聚透鏡所成的像上加小孔構(gòu)成;為準(zhǔn)直透鏡;為一正弦光柵;

式中，是光柵頻率。在單位振幅的準(zhǔn)直白光照射下，光柵后表面上的復(fù)振幅分布為：

在頻譜面上的空間頻率分布為：

式中，第一項(xiàng)代表物的零級(jí)頻譜，第二、三項(xiàng)分別是物的級(jí)譜帶，每一個(gè)譜帶中心位于處，色散呈彩虹。各個(gè)波長(zhǎng)的零級(jí)譜中心位置都是相同的。設(shè)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(zhǎng)物頻譜能夠分離的條件是，由此求得：

式中為平均波長(zhǎng)。對(duì)于波長(zhǎng)為的物頻譜，若設(shè)濾波函數(shù)為。則經(jīng)過濾波和透鏡的逆傅立葉變換后，在輸出平面上，波長(zhǎng)為的像場(chǎng)復(fù)振幅為：

波長(zhǎng)為的像場(chǎng)相對(duì)強(qiáng)度分布為：

式中，是第n個(gè)濾波器的脈沖響應(yīng)。實(shí)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(zhǔn)單色光處理。于是，通過濾波后的像強(qiáng)度分布可寫為：

當(dāng)有N個(gè)離散濾波器同時(shí)作用于頻譜面時(shí)，由于不同波長(zhǎng)的光波是不相干的，因而在輸出平面上得到的是不同波長(zhǎng)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(shù)的確能夠處理復(fù)振幅信號(hào)，并且由于輸出強(qiáng)度是互不相干的窄帶光強(qiáng)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(jí)頻譜，使N個(gè)濾波器有更多的位置可供選擇（不一定放在同一級(jí)頻譜位置上），相當(dāng)于進(jìn)一步增加了可供頻域操作的通道數(shù)。以下的調(diào)制實(shí)驗(yàn)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(shù)問題

3.1 調(diào)制技術(shù)。

調(diào)制技術(shù)是阿貝成像原理的一種巧妙應(yīng)用，它將原始像變換成為按一定角度的光柵調(diào)制像，將該調(diào)制像置于4f系統(tǒng)中用白光照明并進(jìn)行適當(dāng)?shù)目臻g濾波處理，實(shí)現(xiàn)假彩色編碼得到彩色的輸出像。對(duì)于圖像的不同區(qū)域分別用取向不同（角不同）的光柵預(yù)先進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)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(tǒng)（如系統(tǒng)）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(tǒng)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(diào)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(gè)不同區(qū)域的信息分布（在3個(gè)不同的方向上，互不干擾，這就為空間濾波創(chuàng)造了方便條件;又由于采用白光照明，所以各級(jí)頻譜呈現(xiàn)出色散的彩帶，由中心向外按波長(zhǎng)從短到長(zhǎng)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(gè)帶通濾波器，實(shí)際上是一個(gè)被穿了孔的光屏。如果帶孔的光屏擋去水平方向的頻譜點(diǎn)，則背景的圖像消失。同樣，如果擋去某一方向的頻譜點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)的那部分圖像就會(huì)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(lán)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(tǒng)的輸出面上就會(huì)得到紅花、綠葉和黃顏色背景效果的彩色圖像。有時(shí)為增強(qiáng)光通量，往往在二級(jí)、三級(jí)譜的位置上也打孔。若改變?yōu)V波小孔的位置，可變換出各種顏色的搭配。

作者簡(jiǎn)介：馬登良（1963-），男，山東淄博職業(yè)學(xué)院，副教授，主要從事教育教學(xué)及其研究工作。