相干光学信息处理
光学信息处理 第五章 相干光学信息处理
H 1 1 H * H * H * | H |2 H H *H | H |2
用全息的方法分别制作
H*匹配滤波器的制作方法 |H|-2可通过控制照相底片处理过程实现。
将照相底片置于h (x,y)的频谱面上拍摄其频谱全息图，化学处理严 格，使底片的透过率与|H|-2成正比
二者对准叠合
G(u, v) F (u, v) * H (u, v)
在4F系统的频谱面放置一个逆滤波器，使其 透过率满足H-1(u,v)，则在P2后光场分布为
u '(u, v) G(u, v)H (u, v)H 1(u, v)
G(u, v)
P1
y
L1
P2 L2
v
x
u
P3
y'
x'
f
f
f
f
逆滤波器的制作
1、相干图像消模糊 H-1可用全息方法制作，但直接制作比较困难，可通
图像处理
多重像的产生 图像相加减 光学微分
匹配滤波 图像识别 用逆滤波器消模糊
5.1图像处理
• 多重像的产生 • 图像的相加减 • 光学微分－边缘增强 • 图像的比较
1、多重像的产生
• 利用正交光栅调制输入像的频谱，有望得到 多重像的输出
AAA AAA AAA
A
2、图像的相加减
A、一维光栅调制 • 假设两图像对成放在输入面上，中心分别在
平面波
出现亮点 即被识别 若 x* = x 或 x*与 x 相关
小结：
• ①匹配滤波器
– 物的傅里叶变换全息图；
• ② 当有物O(x,y)输入时，输出是——强脉冲 （自相关）；
• ③ 当用其它物输入时，输出是——模糊斑 （相关）
OCT(光学相干层析成像)原理
1993年，第一台商 用OCT系统上市。
2000年代以后， OCT技术逐渐拓展 到其他医学领域， 如皮肤科、妇科等。
OCT技术的应用领域
眼科
OCT技术广泛应用于眼科疾病 的诊断和治疗，如黄斑病变、
青光眼、白内障等。
皮肤科
OCT技术可以用于皮肤肿瘤、 皮肤炎症等疾病的诊断和治疗 。
妇科
OCT技术可以用于子宫颈癌、 卵巢癌等妇科疾病的诊断和治 疗。
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OCT的层析原理
OCT通过测量反射光和透射光的干涉信号来获取样品的层 析结构。干涉信号的强度与参考光束和样品光束的光程差 有关，通过测量不同延迟时间下的干涉信号，可以重建样 品的层析结构。
OCT的层析过程通常采用频域OCT或时域OCT技术实现。 频域OCT通过快速扫描光学频率来获取干涉信号，而时域 OCT则通过快速扫描参考光束的延迟时间来获取干涉信号 。
03 OCT系统组成
光源模块
01
02
03
光源选择
OCT系统通常使用近红外 光波长的激光作为光源， 如800-1300nm波长范围。
光源输出功率
光源模块需要提供稳定的 输出功率，以保证OCT系 统的成像质量。
光谱特性
光源应具有较窄的光谱宽 度，以提高OCT系统的分 辨率。
扫描模块
扫描方式
扫描模块负责将光源发出 的光束扫描到待测样品上， 实现层析成像。
OCT图像的定量分析
厚度测量
OCT图像可以用于测量组织的厚度，通过对不同层次反射信号的 识别和测量，可以获得组织厚度的定量数据。
折射率计算
OCT设备通过测量光在组织中的传播速度，可以计算出组织的折射 率，这对于判断组织性质和生理状态具有重要意义。
光信息处理教学大纲
《光信息处理》课程教学大纲课程代码：090641002课程英文名称：Optical information processing课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标光信息处理技术是光学、计算机和信息科学相结合而发展起来的一门新的光学技术，是信息科学的一个重要组成部分，也是现代光学的核心。
是光电信息科学与工程专业学生的专业课程。
通过本课程的学习，学生将达到以下要求：1．掌握光信息处理的基本原理、方法和光路设计的一般规律，具有设计光信息处理系统初步能力；2．了解光信息处理技术的新发展。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求在这门课程的教学过程中，首先让学生掌握有关光信息科学的基本理论，然后讲授一些重要的光学信息处理技术的主要原理，并结合这些技术在实际生产生活中的应用，激发学生的学习兴趣，使学生了解光信息处理技术在应用领域的研究与开发思想。
通过这门课的学习，使学生在学习过程中逐步增长知识和增强能力，并在以后的学习和研究中能应用这些知识和能力解决实际问题。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要重点对基本概念、基本方法和解题思路的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性；注意培养学生提高利用标准、规范及手册等技术资料的能力。
讲课要联系实际并注重培养学生的创新能力。
2．教学手段：本课程属于技术基础课，在教学中采用电子教案、CAI课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。
本课程主要的先修课程有：大学物理，高等数学，应用光学。
（五）对习题课、实验环节的要求1．对重点、难点章节（如：二维线性系统分析等）应安排习题课，例题的选择以培养学生消化和巩固所学知识，用以解决实际问题为目的。
相干应用场景-概述说明以及解释
相干应用场景-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在这篇长文中，我们将探讨相干应用场景。
相干是一个广泛应用于多个领域的概念，它代表着两个或多个波或粒子之间存在相位关系或振动状态的一致性。
通过充分理解相干的特性和应用，我们可以更好地应用它来解决现实世界中的问题。
本文将重点介绍两个相干应用场景。
首先，我们将探讨相干应用于光学领域的一些重要应用。
光学干涉和干涉仪是光学领域中最常见的相干应用之一。
通过分析和利用光的相干特性，我们可以测量光的波长、检测细微的光强变化，并实现光的调制和分析。
此外，相干光源广泛应用于全息术、相位成像和激光干涉等领域。
这些应用使得相干成为光学研究和技术发展中不可或缺的一部分。
另一个重要的相干应用场景是在通信领域。
相干通信是一种利用相干性来传输信息的通信方式。
与传统的非相干通信相比，相干通信能够在信道容量和传输距离上获得更高的性能。
相干通信除了在无线通信中有广泛应用外，还被广泛应用于光纤通信系统。
光纤通信中的相干传输技术使得高速、长距离的数据传输成为可能，并极大地推动了现代通信技术的发展。
通过研究和理解相干应用场景，我们可以更好地应用相干技术解决实际问题。
相干在光学和通信领域的应用仅仅是众多应用中的一部分，随着技术的进步和研究的深入，相信相干将在更多的领域展现出其重要性和价值。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以按照以下方式写：文章结构:本文将从以下几个方面对相干应用场景进行探讨。
首先，在引言中，我们将对概述、文章结构和目的进行介绍，帮助读者了解全文的主要内容和意图。
接下来，我们将详细讨论两个具体的应用场景。
应用场景一会介绍...（在这里简要概括应用场景一的主要内容）。
然后，应用场景二将探讨...（在这里简要概括应用场景二的主要内容）。
最后，在结论部分，我们将对前文进行总结，并展望相干应用场景的未来发展。
通过以上的结构，读者可以清晰地了解到本文的内容安排和逻辑关系。
接下来，我们将对每个部分进行详细的阐述和论述，以帮助读者深入理解相干应用场景的重要性和应用前景。
光学相干弹性成像的图像处理
在基于图像灰度的配准框架下,提出联合刚体变换和B样条的图 像配准方法,实现图像由粗配准到精细配准的过程,提高配准精 度和形变测量范围。为提高计算效率,提出了多级分辨率理论和 基于随机采样的自适应搜索策略。
多级分辨率保证图像不同分辨率级别上的信息得到配准,且减少 了搜索量;基于随机采样的自适应搜索策略避免了手动修改参数, 增强了自适应性。此外,分析不同去噪方法及变换模型对配准结 果的影响,讨论分辨率级数和迭代次数对计算精度和计算速度的 影响,并得出最优的参数设定。
利用图像配准结果,计算组织的位移量,根据纵向位移量得到组 织的应变估计,进而评估组织硬度。实验结果表明,基于图像配 准的OCE弹性成像方法可以估计组织应变,具有较好的临床应用 潜力。
但OCE的图像处理方法仍处于起步阶段,现有的散斑追踪法计算 时间长、测量范围小,相敏检测法稳定性差。因此,本文提出一 种基于图像配准的OCE弹性成像方法。
本文分为OCE图像的获取,图像的噪声分析和去除,弹性成像算法 及算法实现四部分。利用静态施压,获得明胶仿体的OCE图像,分 析OCE系统噪声,提出对应的去噪方法,并利用三种图像质量评估 标准对不同方法的去噪效果进行比较。
光学相干弹性成像的图像处理
生物组织的病理改变常伴随着组织弹性的变化。弹性成像方法 能准确量化组织弹性信息,因而可确定病变的位置,量化分析病 变的性质,为成像技术(Optical Coherence Tomography,OCT) 具有微米级分辨率,可非接触、无损伤地对活体进行三维成像。 基于OCT的光学相干弹性成像技术(Optical Coherence Elastography,OCE)因具有高分辨率、无损伤的优点,有广泛的 应用前景。
信息光学非相干光学处理
大量旳光学仪器是采用非相干光或自然光或白光光源，如 摄影机、望远镜、显微镜、投影仪、制版设备等。有必要研究非 相干处理措施。因为非相干照明下光场分布用光强分布表达，所 以输入函数和脉冲响应函数都是非负实函数。与相干照明系统相 比，非相干系统没有相干噪声。仍有研究价值。
10.1相干与非相干光学处理
相干与非相干光学处理
将透明片作为一种线性系统旳输入， 用相干光照明，因为 输入图像中每一点旳复振幅在输出面上会产生相应旳输出，这些 输出旳集合（叠加）构成输出图像。
U (x, y) Ui (x, y)
i
人眼、感光胶片、CCD等感知旳是光强信息。即合成振幅旳绝对
值平方。
I (x, y) | U (x, y) |2 | Ui (x, y) |2
先考虑f(x,y)上一种单位强度旳点光源在P平面上旳脉冲响应。
在几何光学近似下，离焦面Δ处旳旳分布即为h(x,y)
旳一种缩小旳倒像，其投影中心坐标
a 1 ( / 2 f ) x, b 1 ( / 2 f ) y
考虑到投影时h(x,y)旳方向将发 生几何反射，于是 f (x,y)上旳一点在
离焦面Δ上产生一种h 旳缩小图像
i
Ui (x, y) |2 Ui (x, y)U * j (x, y)
i
i j
Ii
U
iHale Waihona Puke (x,y)U
* j
(
x,
y)
i
i j
用完全非相干光照明，输入面上各点旳光强在输出面产生相
应旳光强输出，因为这些输出是互不有关旳，所以总旳图像输出
是各光点光强输出旳叠加。因为各点振动旳随机性，其振幅和相
发出光经L1后变成平行光， 把第一张胶片f (x , y)投影 到h上，经过L2把光束会
【光学课件】09_01相干光学信息处理
编码过程的数学描述
Ronchi光栅的强度透过率：
t( x) = rect x 1 comb x
ad
d
=
1 2
1+
4
sin
2x d
+
1 sin 3
2 3x d
+"
= 1 (1+ R)
2
光栅移动半个周期后的强度透过率：
t'(x) =
1(
)
21 R
对图像A （设其强度透过率为IA）进行曝光， 底片上曝光量正比于： I A(1 + R) 2
例如：工业检测，如：比较加工工件与标准工件； 生物医学图像处理，如：病理图片； 卫星、飞机遥感图像处理，如：检测海洋面积变化， 陆地板快移动； 军事上，地面建筑物、军事设施的增减等。
实现图像相减的方法很多，仅介绍两种： (1)空域光栅编码、频域解码; (2)频域光栅滤波。
9.1.1 空域光栅编码频域解码相减方法
1 4
FA(u, v)exp ( j
0 ) + FB (u, v)exp (
j)
0
+
1 2
FA(u, v)exp (
j2
0 x2 ) + FB (u, v)exp ( j2
0 x2 )
+
1 4
{
FA
(
u,
v
)
exp
j (4 0 x2 + 0 ) + FB (u, v)exp j (4 0 x2 + ) } 0
解码过程的数学描述
得到的光栅编码图片的振幅透过率g(x,y)正比于底片的曝光量：
g(x, y)
光学相干性的计算与优化
光学相干性的计算与优化在现代光学领域中，光学相干性是非常重要的一个概念。
光学相干性指的是光波之间相互作用的现象，这种相互作用会导致光波的干涉和衍射，而光波的干涉和衍射则是许多光学应用中所必需的。
光学相干性的计算和优化对于光学研究和应用都非常重要。
本文将简单介绍光学相干性的计算和优化方法。
一、计算方法计算光学相干性的方法有很多种，下面介绍一些主要的方法。
1. 傅里叶变换法傅里叶变换法是计算光学相干性最常用的方法之一。
这种方法将物体的透射率或散射率视为一个空间函数，并对其进行傅里叶变换。
在得到透射率或散射率的傅里叶变换后，可以使用它们来计算出物体的传递函数。
传递函数是一种描述光线经过物体后如何被变形的函数，可以用于计算光学系统中的各种参数。
2. 矩阵法矩阵法是一种将传递函数表示为矩阵形式的计算方法。
这种方法要求将光学系统分解为一系列块，每个块有一个传递函数。
这些块可以是光学元件，例如透镜、棱镜或波片，也可以是空间区域，例如光学中的自由空间或偏振器。
一旦得到每个块的传递矩阵，可以将它们结合起来得到整个光学系统的传递矩阵。
3. 全电脑模拟法全电脑模拟法是一种使用数值计算机程序来模拟光学系统的计算方法。
这种方法要求将光学系统建模为一个逐点计算图案的系统。
由于此类模拟通常需要大量的计算，因此该方法通常需要使用高性能计算机。
二、优化方法光学相干性的优化方法主要有以下几种。
1. 调制传递函数改善法调制传递函数改善法是一种用于舒适性视觉的优化方法。
这种方法基于模拟正常视觉的方式，使用调制传递函数来改善光学系统的性能。
这种方法通常用于眼镜或其他光学辅助设备的设计。
2. 扫描式光学显示器扫描式光学显示器是一种通过扫描显示器的荧光体以改善显示器影像质量的方法。
这种方法基于人眼的宽带响应，根据光的相干性决定显示器扫描线的位置。
可以将这种方法与适当的信号处理算法结合使用，以得到更清晰和更清晰的图像。
3. 相位掩膜法相位掩膜法是一种通过设计多个相位掩膜来改善传输函数的优化方法。
相干光学信息处理
(9.2.9)
iv) 在象面上，光场为：
g xi , yi F
1
x0 y0 f 0 x0 , y0 comb comb f x0 , y 0 a b
(9.1.1)
式中 a、b分别表示网点沿xo,yo方向的间距。
ii) 在频谱面上的频谱为：
x0 y0 F0 f x , f y F comb comb f x0 , y0 a b
(9.1.2)
iii) 在频谱面上放置一低通滤波器 H ( f x , f y ) ，只让中 心 (m=n=0)的 F ( f x , f y ) 通过，即
F0 f x , f y H f x , f y f x , f y F f x , f y
(9.2.3)
------------- 获图像相减 特点 ：（ 1 ）光路，原理简单 （ 2 ）调节困难，（精确重合难）
二、利用光栅滤波实现图像相加减 A. 光路
图9.2.2 用光栅实现图象相加减
图中：A、B两图离轴的距离为 b f0 f f --- 透镜焦距 f0 --- 光栅空间频率
(9.2.5)
B．数学分析 i）物光场
f x0 , y0 f A x0 b, y0 f B x0 b, y0
(9.2.6)
ii）谱：
F fx , f y F
相干光学成像技术的研究与应用
相干光学成像技术的研究与应用相干光学成像技术是光学成像技术中的一种重要技术，它通过处理成像光线的相位信息来获取样品的物理结构信息。
该技术常常应用于光学显微成像、超分辨成像、三维重建等领域。
以下将介绍相干光学成像技术的原理，现有的各种成像方法以及在不同领域的应用。
一、相干光学成像技术的原理相干光学成像技术的原理是利用光子在空间中传播时的波动特性。
当光子在介质中传播时，它会产生干涉和衍射现象。
不同光束的干涉会导致空间中光的相位信息的变化，这种相位信息可以用来还原物体的几何形态。
相干光学成像技术就是利用这种干涉和衍射现象来还原物体的几何形态。
具体来说，相干光学成像技术是利用一束相干光源照射物体，然后通过光学元件收集反射或透射的光，利用干涉或衍射的现象来重建物体的形态和结构。
其中，相干光指的是相位随时间而变化的光，具有频谱连续、相位不变的特点。
常见的相干光源有光纤激光器、铷原子光谱灯等。
二、现有的相干光学成像方法目前，相干光学成像方法已经发展出多种技术，主要包括以下几种。
1. 同焦面全息术同焦面全息术是一种基于衍射现象的成像技术。
它通过在物体与探测器之间插入全息板，使得物体的信息被编码在探测器位置上的干涉条纹中。
同焦面全息术具有全息成像的优点，可以同时记录样品的振幅和相位信息。
2. 相移全息术相移全息术在同焦面全息术的基础上，通过引入相位移动来实现相位信息的提取。
相位移动可以通过改变物体或探测器的位置、改变全息板的位置等多种方式来实现。
相移全息术具有高分辨率、高稳定性的优点，适用于生物医学、材料科学等领域。
3. 数字全息术数字全息术是一种新兴的成像技术，它将样品在不同方向的全息图像进行数字化处理，通过迭代重建算法来还原样品的三维形态。
数字全息术具有快速重建、高分辨率等优点，适用于纳米科技、高速成像等领域。
三、相干光学成像技术在不同领域的应用相干光学成像技术在物理学、生物医学等领域有着广泛的应用，以下将介绍其中几种典型应用。
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iv) 在像面上：
F f x , f y
(9.1.2)
g xi , yi F 1 F0 fx, fy H fx , fy F 1 F fx , fy
f xi , yi
即在像面上得到原物的函数，而将其网点、扫描线等 噪声去掉。
a 有周期性网点图像
b 经网格滤波处理后的图像
FA
fx, fy
exp j FB
fx, fy
exp j
1 2
FA
fx, fy
exp j2 f0x1 FB
fx, fy
exp j2 f0x1
1
4
FA
fx, fy
exp j 4 f0x1 FB
fx , f y exp j 4 f0x1
(9.2.9)
iv) 在象面上，光场为：
0
x0
,
y0
comb
x0 a
comb y0 b
f
x0 , y0
(9.1.1)
式中 a、b分别表示网点沿xo,yo方向的间距。
ii) 在频谱面上的频谱为：
F0
fx, fy
F
comb
x0 a
comb
y0 b
f
x0,
y0
F
comb
x0 a
comb
y0 b
F
fx, fy
g xi , yi F 1 F fx, fy H fx , fy
Q F 1 FA fx, fy exp j exp j F 1 F fA xi , yi
exp j f A xi , yi
gxi ,
yi
1 4
exp j f A xi ,
yi
f B xi ,
9.1 图像周期性网点的消除
一、周期性网点频谱的特点： 周期性网点，其间隙（距）很小，是一种高 频信号。
二、周期性网点的消除： 方法：低通滤波器 光路：4F系统
数学证明：
i) 设物分布函数为 f (x0, y0 ) ,大量的网点相当于一 幅抽样图像，用函数阵列（函数）表示，其复 振幅透过率为：
f
当 (2n 1) ：时，
e(i) cos j sin 1
则： f x, y fA x, y fB x, y
(9.2.3)
------------- 获图像相减
特点 ：（ 1 ）光路，原理简单 （ 2 ）调节困难，（精确重合难）
二、利用光栅滤波实现图像相加减 A. 光路
图9.2.2 用光栅实现图象相加减
B．数学分析 i）物光场
f x0 , y0 f A x0 b, y0 f B x0 b, y0
ii）谱：
(9.2.6)
F fx, fy F f x0, y0
FA fx, fy exp j2 bfx FB fx, fy exp j2 bfx
fx
x1
f
fy
yi exp
j 2
1 2
f
A
xi
b,
yi
f B xi
b,
yi
1 4
f
A
xi
2b,
yi exp
j
f B xi
2b,
yi
exp j
(9.2.10)
讨论：
（1）当 0时，
gxi ,
yi
1 4
f
A
xi
,
yi
f B xi , yi
1 2
f
A
xi
b,
yi
f B xi
b,
yi
1 4
图中：A、B两图离轴的距离为 b f0 f
f0 --- 光栅空间频率
f --- 透镜焦距
滤波器：在谱面上插入一块正弦光栅，使坐标原点 位于光栅的1/4周期处，或有位移）
H
fx, fy
1 2
1
cos
2
f0x1
1 2
1
1 2
exp
j
2
f0
x1
1 2
exp
j
2
f0
x1
(9.2.5)
设P1与P2 两路光的位相差为 ，其值可通过位相
补偿器调节，则在像面上的复振分布为：
f n 2 ：时，e(i) cos j sin 1
则
f x, y fA x, y fB x, y
(9.2.2)
----------------- 获图像相加
f
A
xi
2b, yi
f B xi
2b,
yi
(9.2.11)
由一、二项看出，在中心部位（b 0 处），图象相加。
(2)当
2
时则：
gxi ,
yi
j 4
f
A
xi
,
yi
f B xi ,
yi
1 2
f
A
xi
b,
yi
f B xi
b,
yi
1 4j
f
A
xi
2b,
yi
f B xi
2b, yi
acombafx bcomb bfy F fx, fy
n
m
fx
n a
,
fy
m b
F
fx, fy
(9.1.2)
iii) 在频谱面上放置一低通滤波器H ( fx , fy ) ，只让中 心 (m=n=0)的 F ( fx , f y ) 通过，即
F0 fx, fy H fx, fy fx, fy F fx, fy
(9.2.12)
由一、二项看出，在中心部位（b 0 处），图象相减。
9.3图像的边缘增强
有些图像衬底很低，图像的各部分的强度变 化很小，不容易辨认。如果能使图像各部分结 构的边缘与中间部分比较变得较为光亮，成为 一个轮廓分明的图像，就会一目了然，这种图 像处理方法，称为图像的边缘增强。
高通滤波器是图像边缘增强的最简单的方法
y1
f
bf x
f 0
f
x1
f
f 0 x1
(9.2.7)
上式可写为：
F fx, fy FA fx, fy exp j2 f0x1 FB fx, fy exp j2 f0x1
iii) 经滤波后的频谱为：
(9.2.8)
F fx, fy H fx, fy
1 4
1、用复数滤波器实现图像的边缘增强
（1） 光路： 4 f 系统
图9.3.1 4f相干处理系统
（2） 分析：
1） 设物为 f x0 , y0 的透明图片
2） 在x上的谱为：F fx, fy F f x0, y0
3） 在谱面上放置复振幅滤波器，其透过率为：
H fx j2 fx
图9.1.1 经网格滤波处理后的图像
9.2 图像的相加和相减
两幅图A、B，有相同部分，又有不同部分 取相同部分，弃去不同部分，用相加法
取不同部分，弃去相同部分，用相减法
一、马赫干涉仪法：
PA ----- A幅图， PB ----- B幅图， q相位补偿器， Pi象面
图9.2.1 用马赫干涉仪实现图象相加减