光學濾波與頻譜分析的研究

王毅 許貴陽

摘 要：隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們進入到信息時代，其要求對龐大的信息容量進行快速處理，光學濾波以及頻譜的相關發(fā)展也逐漸被人們所廣泛的運用。其中空間濾波的主要目的是通過有意識的改變圖像的頻譜，讓像產生所希望的相應變換。在光學信息處理中是一個更為廣闊的領域，其主要是通過使用光學的方式方法來實現對輸入信息的各種各樣的處理和變換，本文主要就光學濾波和頻譜的相關問題進行分析，讓光學信息處理能夠邁向新時期。

關鍵詞：光學濾波；香味濾波器；頻譜分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.109

0 前言

空間濾波器主要指的是光學系統(tǒng)的傅里葉頻譜面上所防止的濾波器，是以改變光波頻譜結構，讓其按照人們的相關要求來進行相應的改善。在這個基礎上，發(fā)展了光學信息的處理技術。光學信息處理技術是一個較為廣闊的領域，其主要指使用光學的方法來實現對輸入信息進行某種變換以及計算，已達到對信息的提取，存儲，識別和編碼等目的。這樣的處理方式具有并行，二維以及實時處理的特征，有利于激起人們對于光學信息處理技術的興趣提升，并對此做出深入的研究探討。

1 空間濾波器的基本原理

上個世紀期初國外相關研究人員提出了幾何光學的傳播成像理論不同觀點，其認為在相干光照之下，透鏡的成像全過程是可以分為兩個步驟的；第一個步驟是頻譜成新的次波源，主要由其發(fā)出次波在平面上所干涉而形成的圖像這個圖像被叫為衍射像，在成像過程中也被稱為阿貝二次衍射成像技術。第二個步驟是物光波透鏡之后，在其后焦點面上產生夫瑯禾費的衍射，從而形成頻譜，這個頻譜稱之為第一次衍射圖像。

2 空間頻率濾波系統(tǒng)

空間頻率濾波系統(tǒng)指的是相干光學信息處理當中的一種較為簡單的處理方式，其充分利用了透鏡的傅里葉變換特性，將透鏡作為一個頻譜分析方式，并在頻譜面上去通過加入濾波器，用來改變物的頻譜，這樣就能讓物象得到相應的改善?？臻g頻率濾波系統(tǒng)中有非常多的光路結構，其中最為典型的系統(tǒng)是4F系統(tǒng)，這個系統(tǒng)中頻域上來看，這個系統(tǒng)能改變圖像的空間頻率結構，這也是空間濾波和頻域結合的意義。從空間頻域上來看，系統(tǒng)實現了輸入信息和濾波器脈沖響應的卷積相關，從而去完成了實際中所預計的一種變換方式。一般而言，可以在頻譜面上加入具有下面形式的濾波函數空間頻率濾波器，可以根據濾波函數的性質和其對空間頻譜作用的不同，空間濾波器是有多種形式的，最為常見的是以下幾種。

2.1 方向濾波器

方向濾波器實際上是在一定方向上允許筒頻譜的光闌，可以用來突出圖像當中的方向特性。方向濾波器現目前依據用在檢查集成電路板中，因為集成電路圖是由某些正交，規(guī)則的矩形線路所組成的，其頻譜可以分布在軸線的附近，然而集成電路中的疵點形狀大多都是不規(guī)則的，線性度也是相對較小的，所以頻譜相對較寬，在離軸有一定距離位置中所分布，可以采用十字形來進行相應的阻擋光屏就能讓軸線周圍的信息被全部遮擋，提取出相關集成電路圖當中疵點的位置信息，然而在提出噪聲的頻譜，從而顯示出集成電路疵點的位置所在。

2.2 二次元濾波器

二次元濾波器實際上是一個帶有針孔的不透明模板。選擇適當的針孔直徑讓圖像當中的高頻率噪音以及其周期性的結構被全部阻攔下來，而且只有允許處在頻譜中心和周圍鄰近的低頻分量時才能被通過，這種濾波器主要是由針孔以及顯微鏡所組成的，針孔安放置在顯微鏡焦點位置上，再通過顯微鏡折射出來的聚焦光在針孔上，如果針孔的直徑和顯微鏡折射光的寬度是相同的額，那么針孔只能通過平行在光軸進入的光，這樣就很難消除不平行在光軸上的光束，也很難獲得射環(huán)上的純球面波。運用針孔來作為濾波器，是能允許信號的頻譜全部通過的，然而所出現的噪聲頻譜是會被阻擋下來的，這樣有利于改善圖像照片的信噪比。

2.3 復數濾波器

這一種濾波器是可以同時改變各頻譜成分的振幅以及相位的，濾波函數又是復函數，現目前，其廣泛的被運用在各個行業(yè)當中，但是其有一個缺陷，那就是制作相對較困難，上個世紀中旬有關學者提出運用全息照相的方法來制作復數濾波器，這項復數濾波器是有利于推動光學信息處理的全面發(fā)展的，1967年時也有相關學者提出了使用計算全息方法來制作復數濾波器，在某種程度上是克服了制作空間濾波器的主要障礙問題。

3 提取和抑制周期信息

因為印版和制版的相關需要，報紙上面的照片都是由大量的周期排列黑點所組成的。照片上的黑白層次主要是由黑點的大小程度所控制的，相類似的，電視圖像也是由很多的水平排列線條所組成的，我們可以將這些不屬于圖像自身的周期結構稱為周期性噪聲，我們還可以充分運用空間濾波的方法將這些噪聲進行去除，因為噪聲的周期相對較小，對于空間頻率相對較高，在頻譜面上圖像自身的頻譜集中在低頻范圍之內，所以，在濾波系統(tǒng)的頻譜面上加入低通濾波器，選用直徑圓孔讓噪聲的頻率降低，這樣就能像面上得到一幅完整的，沒有周期性噪聲的圖像了。

4 結束語

隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們進入到信息時代，其要求對龐大的信息容量進行快速處理，光學濾波以及頻譜的相關發(fā)展也逐漸被人們所廣泛的運用?？偠灾臻g濾波器的主要目的是通過有意識的去改變頻譜，然后讓像產生所希望的相關變換，在光學信息處理技術中，光學信息處理技術是一個較為廣泛的領域，其主要是采用光學方法去實現對輸入信息的各種各樣的處理以及變換，由于之前激光的出現以及全息術的快速發(fā)展，讓光學信息處理技術也進入到了發(fā)展的新時期。

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基金項目：河南省南陽市科技攻關項目，項目名稱：CHRISTIANSEN濾波器性能改進研究。項目編號：2011GG105

作者簡介：王毅（1979-），男，四川南充人，碩士，講師，主要研究方向：光電技術。