第8章光信息处理技术
8．1 引言
光信息处理是60年代随着激光器的问世而发展起来的一个新的研究方向，是现代信息处理技术中一个重要组成部分，在现代光学中占有很重要的地位。所谓光学信息，是指光的强度（或振幅）、位相、颜色（波长）和偏振态等。光学信息处理是基于光学频谱分析，利用傅里叶综合技术，通过空域或频域调制，借助空间滤波技术对光学信息进行处理的过程，较多用于对二维图像的处理。
事实上，早在1873年，著名德国科学家阿贝（Abbe）创建了二次成像理论，就已经为光学信息处理打下了一定的理论基础。1935年，物理学家泽尼克（Dutchman Fritz Zernike）发明了相衬显微镜，将位相分布转化为强度分布，成功地直接观察到微小的位相物体——细菌，用光学方法实现了图像处理，解决了由于染色而导致细菌大量死亡的问题。泽尼克的成功为光学信息处理技术的发展作出了新的贡献。1963年，范德拉格特（A. Vander Lugt）提出了复数空间滤波的概念，使光学信息处理进入了一个广泛应用的新阶段。
此后，光学信息处理作为一门十分活跃的学科发展极快。80年代以后[8-1]，随着高新技术的蓬勃兴起，进入了一个“信息爆炸时代”，要求对超大量信息具有快速处理的能力。例如核武器设计、战略防御计划、中长期天气预报、空间技术、气体动力学、机器人视觉、人工智能等许多方面都对数据处理提出了超高速和超大容量的要求。要想在预定的时间段内获得准确的结果，要求计算速度必须达到1012～1015次/ 秒。几乎同时发展起来的电子计算机技术随着电子功能器件的日益完善，以其速度快、使用方便而一度成为信息处理的主要手段。然而，由于其自身的先天性局限，如“冯诺依曼瓶颈”问题、RC问题、时钟歪斜问题、电磁场干扰问题、互连带宽问题等等限制，要想完成这种超高速计算已显得力不从心，即使是当今最先进的所谓“神经计算机”也无法满足时代提出的要求。光以其速度快、抗干扰能力强、可大量并行处理等特点逐渐显示其独特的优越性。在光学信息处理基础上发展起来的光计算研究及其相关技术已为该领域注入了新的生命，成为十分活跃的一个学科方向。
由于光学信息处理的内容及其丰富，涉及的面也极广，本章篇幅有限，很难全面地反映该领域所取得的丰硕成果，因此只讨论最基本、最典型的处理方法和实例，并在最后就光学神经网络、光互连等光计算学科的内容作一初步介绍。
8．2光学频谱分析系统和空间滤波
8．2．1阿贝（Abbe）成像理论
1873年阿贝首次提出了一个与几何光学成像传统理论完全不同的成像概念。该理论认为相干照明下显微镜成像过程可分作两步：首先，物平面上发出的光波经物镜，在其后焦面上产生夫琅和费衍射，得到第一次衍射像；然后，该衍射像作为新的相干波源，由它发出的
次波在像平面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射像。因此该理论也常被称为“阿贝二次衍射成像理论”。
图8.1是上述成像过程的示意图。其中物平面（x o，y o）用相干平行光照明，在后焦面即频谱面（x f，y f）上得到物的频谱，这是第一次成像过程，实际上是经过了一次傅里叶变换；由频谱面到像面（x，，y，），实际上是完成了一次夫琅和费衍射过程，等于又经过了一次傅里叶变换。当像平面取反射坐标时，后一次变换可视为傅里叶逆变换。经上述两次变换，像平面上形成的是物体的像。
根据傅里叶分析可知，频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分布着物的低频信息，即傅里叶低频分量；离原点较远处，分布着物的较高的频率分量，即傅里叶高频分量。
x o L x f
λ0
d o f
d i x o'
图8.1 阿贝二次成像理论示意图
8．2．2 阿贝—波特（Abbe—Porter）实验
为了验证阿贝提出的成像理论，阿贝本人于1873年、波特于1906年分别做了实验，这就是著名的阿贝—波特实验。实验装置与图8.1所示相同，物平面采用正交光栅（即细丝网格状物），由相干单色平行光照明；频谱面上放置滤波器，以各种方式改变物的频谱结构，在像平面上可观察到各种与物不同的像。图8.2表示部分实验内容及结果。
由实验结果归纳出几点结论如下：
1．实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便能够改变像的结构；
2．实验充分证明了傅里叶分析的正确性：
（1）频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）；
（2）零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底（图D）；
（3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像发生衬度反转（图E）；
（4）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许高频分量通过时，像的边缘效应增强；
（5）采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。
图8.2 阿贝—波特实验原理图示
8．2．3．空间频率滤波系统
空间频率滤波是相干光学处理中一种最简单的方式，它利用了透镜的傅里叶变换特性，把透镜作为一个频谱分析仪，利用空间滤波的方式改变物的频谱结构，继而使像得到改善。空间滤波所使用的光学系统实际上就是一个光学频谱分析系统，其形式有许多种，这里介绍常见的两种类型。
1．三透镜系统：
三透镜系统通常称为4f系统，前面我们已略作介绍。三个透镜的相互关系如图8.3所示，其中L1、L2、L3分别起着准直、变换和成像的作用；滤波器置于频谱平面（即变换透镜L2后焦面）。为讨论方便，令三透镜焦距均相等。设物的透过率为t（x1，y1），滤波器透过率为F（f x，f y），则频谱面后的光场复振幅为
u 2’= T（f x，f y）·F（f x，f y）
(8.1)
其中T（f x，f y）= F{ t（x1，y1）}
(8.2)