基于信息光学理论的白光信息处理技术的研究

摘要：介绍了光学信息处理的发展历史，研究了白光信息处理的原理，阐述了在现代光学成像系统中，与白光信息处理技术密切相关的调制技术和空间频率假彩色编码问题。

关键词：阿贝成像原理;白光信息处理;调制技术;假彩色编码

1引言

现代光学的一个主要部分为光信息处理，阿贝成像原理和阿贝-波特实验开创了光信息处理的先河，在历史上有重要的地位。由于光的衍射，图像的夫琅和费衍射分布，即图像的空间频谱分布与图像的空间分布规律不同，这使得在频谱面上对其进行处理可获得一些特殊的图像处理效果。白光信息处理技术是近年来发展很快而且备受人们关注的光学技术。

2白光信息处理原理

常用的白光信息处理系统，类似于4f系统。图中，为白光点光源，它是由白光光源经会聚透镜所成的像上加小孔构成;为准直透镜;为一正弦光栅;

式中，是光栅频率。在单位振幅的准直白光照射下，光栅后表面上的复振幅分布为：

在频谱面上的空间频率分布为：

式中，第一项代表物的零级频谱，第二、三项分别是物的级谱带，每一个谱带中心位于处，色散呈彩虹。各个波长的零级谱中心位置都是相同的。设物的空间频带宽度为，则其在轴上的空间宽度为;而不同波长物频谱能够分离的条件是，由此求得：

式中为平均波长。对于波长为的物频谱，若设滤波函数为。则经过滤波和透镜的逆傅立叶变换后，在输出平面上，波长为的像场复振幅为：

波长为的像场相对强度分布为：

式中，是第n个滤波器的脉冲响应。实际上，通过滤波器的是包含的某一窄波段的光波，由于比小得多，故可作为准单色光处理。于是，通过滤波后的像强度分布可写为：

当有N个离散滤波器同时作用于频谱面时，由于不同波长的光波是不相干的，因而在输出平面上得到的是不同波长输出的非相干叠加，即

由以上分析可以看出，白光信息处理技术的确能够处理复振幅信号，并且由于输出强度是互不相干的窄带光强度之和，因而又能抑制令人讨厌的相干噪声。

如果把正弦光栅改为矩形光栅，则在频谱面上将得到0，……各级频谱，使N个滤波器有更多的位置可供选择（不一定放在同一级频谱位置上），相当于进一步增加了可供频域操作的通道数。以下的调制实验就是黑白图像的假彩色化的典型例子。

3白光信息处理的技术问题

3.1 调制技术。

调制技术是阿贝成像原理的一种巧妙应用，它将原始像变换成为按一定角度的光栅调制像，将该调制像置于4f系统中用白光照明并进行适当的空间滤波处理，实现假彩色编码得到彩色的输出像。对于图像的不同区域分别用取向不同（角不同）的光栅预先进行调制，经过多次曝光和显影、定影等处理后制成透明胶片，并将其放入信息处理系统（如系统）中的输入面，用白光照明，则在其谱面上，不同方位的频谱均呈彩虹颜色。如果在频谱面上开一些小孔，则在不同的方位角上，小孔可选取不同颜色的谱，最后在处理系统的输出面上便得到所需要的彩色图像。由于物被不同取向的光栅所调制，所以在频谱面上得到的将是取向不同的带状谱（均与其光栅栅线垂直），物的3个不同区域的信息分布（在3个不同的方向上，互不干扰，这就为空间滤波创造了方便条件;又由于采用白光照明，所以各级频谱呈现出色散的彩带，由中心向外按波长从短到长的顺序排列，这就使赋予图像以特定的不同色彩成为可能。选用一个带通滤波器，实际上是一个被穿了孔的光屏。如果带孔的光屏挡去水平方向的频谱点，则背景的图像消失。同样，如果挡去某一方向的频谱点，则对应的那部分图像就会消失。因此，在代表花、叶和背景信息的右斜、左斜和水平方向的频谱带上分别在红色、绿色和蓝色位置打孔，使着3种颜色的谱通过，其余颜色的谱均被挡住，则在系统的输出面上就会得到红花、绿叶和黄颜色背景效果的彩色图像。有时为增强光通量，往往在二级、三级谱的位置上也打孔。若改变滤波小孔的位置，可變换出各种颜色的搭配。

作者简介：马登良（1963-），男，山东淄博职业学院，副教授，主要从事教育教学及其研究工作。