光学信息处理的早期发展

     光学信息处理的历史可以一直追溯到125年前Abbe所做的研究工作。当时他对显微术的理论很有兴趣，打算建立一套设计显微镜的科学方法。他发现显微物镜的孔径越大，分辨率越高;还发现显微镜所观察的标本中与光波波长同量级的小物体引起光波的衍射，使光线的传播偏离几何光学的路径。如果物镜的孔径不足以收集物体所有的衍射光，显微镜中物体的像将不是原来物体的完善像，而是由物镜收集的那一部分衍射光生成的“虚拟像”。根据第2章关于角谱的讨论可知，在孔径有限的情况下，丢失的信息是高频信息。因此,显微镜可以看做一个低通滤波器，显微镜的孔径越大(严格地讲，应当说是“相对孔径”越大),系统的通频带越宽，物体中所包含的高频信息在成像过程中的损失就越少。以下我们会看到，高频信息的缺失使显微镜像的反差度降低，从而分辨率下降。

     1906年，Porter用一系列漂亮的实验阐明了 Abbe 的理论。一组很细的网状物体用准直的相干光照明，在成像透镜的焦面上出现了网状物体的衍射图形，而在像平面上则出现网状物体的像。如果在焦平面上加各种滤波器，输出图像就会发生变化。例如，在焦平面上放置一个水平的狭缝，网格就会变成一组垂直的线条，如图1所示。

     Zernike在 1935 年发明的相衬显微镜对光学信息处理做出了举足轻重的贡献，他也因此获得诺贝尔物理学奖。众所周知，人们看见一个物体，是因为该物体与周围环境有显著的差划,这一类结构称为“振幅”物体，因为该物体调制了照明光的振幅。然而,另一类“相位”物体仅仅调制了照明光束的相位。由于人眼只能探测光强，不能辨别不同的相位，相位物体是看不见的。许多显微镜的标本属于相位物体,因而有必要识别相位物体。相位物体也能使光波发生衍射，在透镜后焦面上形成衍射像。如不采取特别的措施，相位物体的像仍然是相位物体或相位分布，依旧看不见。如果用可变厚度的相位片对衍射图样进行变换，最终的像必然发生改变，这个像可能不再是相位变化，而包含了可见的振幅变化。如图2所示，采用适当厚度的相位片,可以使最终的像的振幅变化与相位变化成正比。

      事实上，早在1864年Abbe提出他的理论以前，Toepler就发明了相衬法。这一技术称为schlieren方法，早先用来探测透镜的疵病。在德语中schlieren 是条纹的意思,不是人的名字,因此该方法又称纹影法。与上述相衬显微镜类似，在这一方法中，只是简单地把衍射图形挡去一半多一点，透镜中的瑕疵等相位图形就可以看见，见图3。事实上，这种简单而有效的方法一直沿用至今，如使风洞中的气压分布转换成可见的图像等。