图3-1 全息资料存储记录光路一
La——激光器； M1~M3——反射镜； K——光电开关； BS——分束镜； L0——显微物镜；L——镜头； Lc——透镜； H——全息干板；P——输入平面
参考光路二：
光路说明：图3-2也是一种全息资料存储的记录光路。He—Ne激光器发出的激光束经分束镜Bs分成两束，一束作为物体的照明光(物光Q)，另一束作为参考光R。物光经扩束一准直后照明待存储的图像或文字(物)，P放在L的物方焦平面上，经图文资料衍射的光波由透镜L做傅里叶变换，在记录介质面H(透镜L的后焦面处)与参考光R相干涉，形成傅里叶变换点全息图。
图3-2 全息资料存储记录光路二
La——激光器；M1、M2——反射镜； K——光电开关； BS——分束镜； L0——显微物镜；L——镜头； Lc——透镜； H——全息干板；P——输入平面
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四、实验仪器
光学平台，He-Ne激光器，曝光定时器，薄透镜，反射镜，光电开关，分束镜，显微物镜，全息干板，，安全灯，直尺，细线，小白屏，待存储的图文，普通干板架。
五、实验内容与步骤
1．布置实验光路。按图选择适当的光学部件布置实验光路。显微物镜L0与准直镜Lc构成共焦系统，准直镜Lc与变换透镜L的口径要适当选大些，使其通过的光束直径略大于待存储资料原稿的对角线。为了充分利用光能，Lc和L还应选用相对孔径大的透镜。为了便于记录全息存储点阵，全息干版应安装在沿竖直和水平方向都可移动的移位器上。调整光路时，应先把H放在L后焦面上，然后向后移动造成一定离焦量(离焦量大小约为5%~10%)，离焦的目的在于使物光束在H上的光强分布均匀，从而避免造成记录的非线性。 2．调整参考光。使它与景物光到底片位置的光程相等，参考光束R的光轴与物光束的光轴在H上应相交，中心对准，两者的夹角控制在30°～45°之间。还应使参考光斑与物光斑在H上重合，参考光斑直径应大于选定的点全息图直径，以便全部覆盖整个物光斑。
3．记录全息图点阵，按照上述光路布置，选适当曝光时间曝光，为10S。每沿竖直或水平方向移动干板适当距离(例如3～5 rm)曝光一次，记录一个点全息图。
4．把已曝光的底片用D76稀释5倍显影数分钟，后定影数分钟，漂白后吹干。 5．重现。将处理后的全息图片放回到干板架，挡住物光束，用原参考光束作为重现光束，逐一移动干板架使参考光束照明每个点全息图，在全息图片后面一定位置用毛玻璃即可接收到各个点全息图中所存储的原稿的放大像。为使重现像清晰，应仔细调整移位器，使重现光束准确覆盖整个点全息图。 【注意事项】
1．本实验成败的关键在于适度离焦的物光斑和细束参考光斑必需在H面上重合，否则不能获得干涉效应。
2．当存储资料为文字时，由于提供的文字信号是二进制的，且只需勾画出字迹来即可，因此，对光路的要求不高，光路中不加针孔滤波器也行；但在存储灰度图像时，要求加针孔滤波器，且光路必需洁净，否则重现图像上要引起相干噪声斑纹。
六、思考题
1．什么叫4f 信息处理系统，为什么全息图像存储要在全息台上用4f系统？ 2．能否用白光实现全息图像存储？为什么？ 3．全息图像存储有什么用途？
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实验四 特征识别
一、实验目的
1．了解匹配滤波器的概念、结构特点及作用原理；
2．掌握匹配滤波器的制作方法，并制作出给定图像的匹配滤波器；
3．了解光学图像识别的原理，练习调整图像识别光路，观察相关及卷积图像并加以解释。
二、实验原理
1．匹配滤波器的概念及作用原理
匹配滤波器在图像识别中有着重要的作用。其定义如下：如果一个滤波器的复振幅透射系数T(?,?)与输入信号g(x0,y0)的频谱G(?,?)共轭，则这种滤波器称为信号g(x0,y0)的匹配滤波器。显然有
T(?,?)?G?(?,?) （4-1）
从匹配滤波器的这种结构特点，可以推断出这种滤波器对信号g(x0,y0)的空间频谱有着特殊的作用。这种作用可以用图4-1来加以说明。这是一个相干光学处理系统。L1和L2是一对傅里叶变换透镜，其焦距为f。L1的后焦面与L2的前焦面重合，从而构成4f系统。透射系数为g(x0,y0)的透明片放置在L1的前焦面P1上，并用平行光束照明。透镜L1对g(x0,y0)进行傅里叶变换，在L1后焦面P2上得到其频
图4-1 匹配滤波器作用原理 L1 、L2——傅里叶变换透镜
P1——输入面 P2——频谱面 P3——输出面
谱G(?,?)。如果在P2平面上插入一个匹配滤波器，其振幅透射系数为G?(?,?)，则透过P2平面的光场分布正比于GG*。GG*这个量是一个实数，也就是波的相位为常数。换言之，透过P2平面的光场分布是一列平面光波。因为这列平面光波的等相面上各点的振幅大小不是常数，而是按GG*分布的，所以它不是一列标准平面波，而是一列准平面波。这列平面光波通过透镜L2之后，在输出面P3(即L2的后焦面)上将形成一个自相关亮点(相关蜂)。
由此可见，匹配滤波器的作用是对信号g(x0,y0)的频谱G(?,?)进行相位补偿。平面光波经过输入面P1后产生波面变形，经匹配滤波器后得到相位补偿，从而又成为平面光波。显然，这种作用是由于G?(?,?)与G(?,?)是共轭复数，它们的相位正好相反，从而使GG*的相位为常数。如果在输入面P1上输入的不是g(x0,y0)，则它的频谱的相位不能被G?(?,?)补偿，在平面P2后就得不到平面光波，因而在输出面P3上就得不到自相关亮点，而只能得到一个弥散的像斑。由此可以推断：通过观察在输出面P3上是否存在自相关亮点，就可以判断输
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入目标中是否存在信号g(x0,y0)。
2．匹配滤波器的制备
制作匹配器实际上就是拍摄一张傅里叶变换全息图。所用的光路如图4-3所示。透射系数为g(x0,y0)的透明片放置在输入面P1的中心位置上，在频谱面P2上得到其频谱G(?,?)，显然有
G(?,?)?F?g?x0,y0?? （4-2）
另有一平行光束斜射到平面P2上作为参考光。它相当于平面P1上位于(x0=-a,y0=0)位置上的一个点光源??x0?a?发出的经过透镜L2准直的斜光束。它在平面P2上的光场分布为
UR?F???x0?a???exp?j2??a? （4-3）
在平面P2上用全息干板记录频谱G(?,?)与参考光UR所形成的干涉图样，该干涉图样的强度分布为
I(?,?)?G(?,?)?exp?j2??a??1?G2?2??Gexp?j2??a??Gexp??j2??a??（4-4）
正确掌握曝光及显影时间，使干板的γ值等于2。这样得到的全息图，其振幅透射系数
T(?,?)正比于曝光时照射光的强度I(?,?)，即
T(?,?)?I(?,?)?1?G?2??Gexp?j2??a??Gexp??j2??a? （4-5）
?上式中第二项除了一个简单的复数因子外，正比于G*，因此这个全息图可以作为信号g(x0,y0)的匹配滤波器。
3．光学图像识别原理
在图4-1中，如果将振幅透射系数T(?,?)?G?(?,?)的滤波器在平面P2上复位，挡住参考
光束R，用原来放在平面P1上的透明片g(x0,y0)作为输入信号，则在平面P2后面输出信号的复振幅分布为
??GGexp?j2??a??GGexp??j2??a? （4-6）
可见，在平面P后面的输出信号包括三项。第一项U?G?1?G?，其中括号内为一实
U2(?,?)?G(?,?)?T(?,?)?G1?G2
?2?221数，该项经过透镜L2变换后在输出面P3上是一个位于(0，0)处的g(x0,y0)的实像。第二项为
U22(?,?)?GG?exp?j2??a??Gexp?j2??a? （4-7）
这一项表示一束沿原来参考光束方向传播的平面波。它经过透镜L2后，在输出面P3上得到
2?,y0?)。根据自相关定理和傅里叶变换的相移定理，有 其傅里叶逆变换U32(x0?0,y?0) U32(x?F?1?G?Gexj2?p?? ??a??a,y0?) （4-8）?,y0?)☆g(x0?,y0?)*??x0?,y0?)☆g(x0??a?=g(x0 =g(x0
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