反相泰曼格林干涉仪的光学图像处理研究__修改稿3.14.doc

反相泰曼格林干涉仪的光学图像处理研究Vuyyuru Venkateswara RaoNandigana Krishna Mohan印度科技研究院(马德拉斯)物理所应用光学实验室(金奈)600036,印度摘要一个新颖实时的，实现了通过利用反相的概念，由光学图像处理来评价两幅图像不同之处的方法已经成功地由泰曼格林干涉仪实现了。反相是由在装满空气的石英室加上不同的压力完成的，这个石英室插在干涉仪的一个臂中。最初，干涉仪被排列好可以在石英室的区域内获得广阔的干涉条纹。然后输入的图像被引入干涉仪的两臂之间，并调整来获得精确的结果正如在观测平面上所看到的。通过在干涉仪的两臂间引入弧度的移项，两幅输入的图片的不同之处可以被实时探测到。本文介绍了由提出的方法实现相位变换调校与图像相减的实验结果。关键词：图像处理，移项，干涉测量法，光学技术1. 引言目前已经发现了一些通过比较两幅图片发现其不同之处的光学方法。这些图片处理技术的潜在应用包括土地资源研究、气象学、质量控制、图案辨识、城市发展研究等等。两幅具有某些共同特征的输入图片的差别探测，可以通过在输入的胶片之间引入弧度的移相实现。这些技术可以分为栅格化的方法、色斑调制方法、偏振化方法和剪切干涉方法。甚至也表明了mach-zehnder干涉仪是在干涉仪两臂间加上弧度相移的一个替代性的方法。使两个干涉光倾斜或者在干涉仪的两臂间加上互补的扩散光源都能够实现这一过程。在这篇论文中，我们提出了一种在传统的泰曼格林干涉仪上引入弧度移相的实时图像比较的简单的可视方法。干涉仪(比较)相位反相是通过改变装满空气的石英室压力实现的。这个实验的移相调校过程及其在图像相减中的应用将分别在第二三部分说明。2. 利用泰曼格林干涉仪的移相调校 图1是泰曼格林干涉仪用于获得增加两倍灵敏度的原理图。这种方法，准直光线被立方分束镜（bs）上分成两束光，一束光在穿过石英室(55*55*2mm3)再射到M1上后反射沿原路返回；另一束光，即参考光束射向M2并反射回来。两束光在分束镜上重组。通过对反射镜进行合适地组合，观测者可以在观测面上看到广阔的干涉图。图2是直接被观测面记录下来的干涉条纹。在压力泵的帮助,压力室内压力随之变化,并用精确地压力表监控。石英室内气压慢慢增加，分别改变干涉臂上的折射率就可以产生任意的移相。假设两臂上平面波的振幅相同，加上移相前后的干涉图的强度分布分别可以写为 图1 利用泰曼格林干涉仪的移相调校原理图I = 2I01+cos() (1)及I = 2 I 01+cos(+a) (2)其中I0指在立方体分光镜上分出的单波光，指两干涉波的相位差。室内的压力慢慢变化，直到室内干涉图的宽条纹完全异相，即a=，此时，等式2降为I = 2I01cos() (3)当相移是严格的时，干涉图如图2所示。从图2上的干涉图中可以发现中央宽条纹是完全暗的。观测面上强度分布可以通过装在精确平移台上图像探测器和纽波特功率表条纹扫描来测量。实验中，在0和条件下扫描强度分布，结果分别如图3(a)和3(b)所示。图2 当移相0和时由泰曼格林干涉仪记录的的干涉图 图3 实验中移相0和时在观测方向上测到的强度分布。这种情况反映了不管何时移相始终是的奇数倍，即 = (2n+1)； n=0, 1,2,3。通过观察监视器上干涉图进行可视调校的方法是随加在室内的压力变化而持续进行的。作为施加的压力的函数，如图4所示。移相与施加的压力成线性关系，相移校正重复性通过将压力从0加到0.6kg/cm2进行多次实验实现。从该实验结果可以看出，室内气压每改变0. 1 kg/cm2，引起两干涉光束的移相为。试验中所用压力表的灵敏度为0.005kg/cm2。干涉仪用于完成光学图像相减，在观察面上实时地探测精确重叠的引入胶片之间的不同。详细的研究将在第三部分给出。图4 利用反相泰曼格林干涉仪实时获得的相移与压力的线性关系3.光学图像的相减干涉方法主要是处理振幅相减。根据此方法，用于实现图像处理的光源要求严格的满足时空相干性。大多数干涉技术由于实现光源（包括光学透过率的相减）的加入弧度相移的方法的不同而彼此不同。在目前的研究中，实时的光学图像相减是通过使用校准的泰曼格林干涉仪实现的。3（a）振幅相减的基本原则设t1和t2是两个图像胶片A和要减去的B振幅透过率。使通过这些胶片的光在观测面上产生干涉。然后相重叠图像的强度分布I能够表示为：（4）其中c为比例常数，是两相干波前的相位差。当室内的气压变化时=，即cos= -1,上式即为（5）最终的观测面的强度与振幅差的平方成正比。当=0，最终的观测面的强度与振幅之和的平方成正比。3（b）实验结果两幅图的待相减的胶片A和B被插入到射向反射镜的光束之间。它们被装在精确的平移台上，调整来实现记录在观测面上的两图完美的叠加。在的观察面上，两胶片之间的不同被实时的观察，当相移为时，相减区域呈黑色；当相移为0时，两输入的和同样能够被观察到。在这种情况下，相同的区域内是亮的。由反相泰曼格林干涉仪实现的光学图像相减如图5所示。图5为由此获得的实验结果。很明显，在胶片的相同区域内实现了相减。提出反相干涉仪实现图像相减的实时可视是简单容易的。图5 一个圆形与方形的图像胶片，及其实时相减的图像，两图间的圆形共同区域变为黑色，结果由泰曼格林反相干涉仪获得。4.结论本论文所述的的内容可分为两个部分。第一部分中，阐述了在泰曼格林干涉仪中使用充气石英室实现相移的校准相移方法。第二部分中，我们介绍了一种连贯图像相减的方法，使用反相技术概念，来区分两幅干涉仪中引入的图像的不同。这种方法的先进性在于，这是一种简单易行的、实时的技术，能够用于不透明物体和透明物体。而且反相干涉仪能够可以用于光学测试、相位测量及计量中。5.参考文献1. J. E. Ebersole, Optical image subtraction, Opt. Engg., 14, 436-447(1975).2. K. Patorski,S. Yokozeki and T. Suzuld,Image subtraction using Fourier image phenomena, Nouv.Rev.Opllque.,6, 25-31(1975).3. A. A. Lades and M. E. Thabolenski, Image subtraction by the spatial filtration technique Opt.Acta., 32, 329-335(1985).4. V. Venkateswara Rao, C. Joenathan and R. S. Sirohi, Multiple image subtraction by specide interferometry, J. Optics (Paris),17, 147-151(1986).5. V. Venkateswara Rao, C. Joenathan and R. S. Sirohi, Improved real-time optical iniage subtraction based on wavepolarization, Opt. Engg.,25, 1320-1323(1986).6. V. VenkateswaraR ao, OpticalI mages ubtraction techniques, Ph.D Thesis,Indian Institute ofTechnology, Madras, India (1986).7. V. VenkateswaraR ao, C. Joenathana ndR . S. Sirohi, A simplem ethod for difference detectionb y additive colormixing using holographic lenses,Opt.Commun., 61,313-316(1987).8. W. T. Cathey, Jr. and J. D. Dodge, Image comparison by interference, .1 Opt.Soc.Am., 56, 1136-1137(1966).9. C. P. Grover and R. Tremblay, Image subtraction using complementary photographic diffusers, Appl.Opt., 21,2666-2668(1982).10. S. Suja Helen, M. H. Majies Ara, J. S. Darlin, N. Krishna Mohan, M. P. Kothiyal and It S. Sirohi, Phase stepcalibration and phase measurement in image plane holography using BaTiO3 crystal as a r