空间滤波器结构类型:信息光学相关内容提要

一般地说，可以在频谱面上插入具有下列形式滤波函数的空间频率滤波器：

依据滤波函数的性质及其对空间频谱的不同作用，空间滤波器具有多种类型，常用的有下列几种。

1.二元滤波器

二元滤波器的滤波函数取0或1。根据其作用的频率区间，又可细分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、方向滤波器。

（1）低通滤波器

低通滤波器实际是一个带针孔的不透明模板。选择适当的针孔直径便可使图像中的高频噪声和周期性结构被阻挡，而只允许位于频谱中心及其邻近的低频分量通过〔如图6.2.1（a）所示〕。这种滤波器即5.4节中提到的空间滤波器，由针孔和一个显微物镜组合成（如图6.2.2所示）。针孔安放在显微物镜的焦点处，经过该显微物镜所射出的光被聚焦在针孔上，若所选针孔的直径等于显微物镜衍射光的主瓣宽度，则针孔只能通过平行于光轴入射的光，从而消除了不平行于光轴的光，而获得没有衍射环的纯球面波。

图6.2.1　二元振幅滤波器

图6.2.2　空间滤波器

（2）高通滤波器

如图6.2.1（b）所示，高通滤波器实际是一个中心带不透明小圆屏的透明模片，其功能在于滤去频谱中的低频成分，以增强像的边缘，提高对模糊图像的识别能力，或实现对比度反转。由于能量损失较大，故输出图像一般较暗。(www.xing528.com)

（3）带通滤波器

如图6.2.1（c）所示，带通滤波器的功能在于只允许特定区间的频谱成分通过（信号能量集中在这一频带内），以提高输出的信噪比。这特别适用于抑制周期性信号中的噪声。例如，蛋白质结晶的高倍率电子显微镜照片中的噪声是随机分布的，其频谱也是随机分布的；而结晶本身却有着严格的周期性，其频谱是有规律的点阵列。采用适当的针孔阵列作为滤波器，允许信号的频谱全部通过，而噪声的频谱被挡住，从而有效地改善照片的信噪比。

（4）方向滤波器

方向滤波器也是一种带通滤波器，只是具有较强的方向性。如图6.2.1（d）所示，它实际上是在一定方向上允许通过（或阻挡）频谱分量的光阑，用以突出图像中的方向性特征。方向滤波已用于检查集成电路板的疵病。由于集成电路图形都是由一些规则、正交的矩形线段组成的，其频谱分布在轴线附近，而疵点的形状往往是不规则的，线度也较小，故其频谱必定较宽，在离轴有一定距离处都有分布。采用十字形阻挡光屏就可将轴线附近的信息全部阻挡，提取出疵点的信息，从而突出噪声的谱，显示疵点所在的位置（在4f系统的像面上呈亮点处），如图6.2.3所示。

图6.2.3　集成电路中掩模疵点的检查

2.振幅滤波器

振幅滤波器仅改变各频谱成分的相对振幅分布，而不改变其位相分布。通常是使感光胶片的透过率变化正比于A（fx，fy），从而使透射光场的振幅得到改变。为此，制作时，应按照一定的函数分布来控制底片的曝光量分布，或者在玻璃片基上控制蒸镀的金属膜。

3.位相滤波器

位相滤波器只改变各空间频谱的位相，而不改变其振幅分布。它通常通过在真空镀膜时控制介质膜层的厚度、漂白照相底片或腐蚀透明介质等方法来制作。由于对入射光能量不产生衰减作用，故位相滤波器具有很高的光学效率。但由于工艺上的限制，要得到复杂的位相变化是很困难的。

4.复数滤波器

复数滤波器可同时改变各频谱成分的振幅和位相，滤波函数是复函数。它应用广泛，但制作困难。1963年范德·拉格特（A.Vander Lugt）提出用全息照相方法制作复数滤波器（见7.2节），有力地推动了光学信息处理的发展。1965年罗曼（Lohman）和布朗恩（Brown）用计算全息方法也制作成了复数滤波器，从而克服了制作空间滤波器的重大障碍。