阿贝成像原理和空间滤波
一维光栅的阿贝成像原理及空间滤波的研究
一维光栅的阿贝成像原理及空间滤波的研究
1 阿贝成像原理
阿贝成像原理是用一维光栅的三角函数实现的成像原理。
它同样也被称作凯撒效应，又称光栅特效。
它是利用一维光栅的折射原理，当光线通过光栅条纹和三角曲线组合时，由于发生了二次折射，光栅波段在镜子上形成了一种类似球面的凸形三角结构，从而实现了光栅成像。
2 空间滤波
空间滤波是指在数字图像处理过程中，主要利用图像邻域关系等空间特性属性，通过预定的几何形式或将邻域上的像素值进行加权等计算方式对图像进行一个平滑处理的工作。
它可以分辨出可视信息，并且还可以压抑图像中的噪声。
由于它可以模拟出像素点附近的强度变化，空间滤波也能够进行图像边缘检测和形态学分析处理。
3 阿贝成像原理及空间滤波的研究
阿贝及其相关的成像机制一直以来受到极大的重视，它的原理对我们的视觉识别具有重要的科学意义，针对阿贝原理下的空间滤波研究兴起，研究者们提出基于高斯滤波的一维光栅的图像增强方法。
主要是利用图像的折射特性，用采访一维光栅的球面三角结构做成“阿贝镜”，然后将特定的一维光栅设定到阿贝镜上，即可实现对视觉信号进行空间滤波。
滤波过程中利用滤波器和滤波因子，降低噪声并增强成像效果，从而实现图像信号进行增强，消除噪声、压抑图像质量
的恶化；最后，研究者们也基于阿贝原理提出了许多有效的成像处理方法，并将其应用于视觉和字符信号识别。
总之，阿贝成像原理及其相关的空间滤波研究对数字图像处理有着重要的意义，近年来受到了学界的关注，为图像处理及识别提供了有效的技术手段。
阿贝成像原理与空间滤波
阿贝成像原理与空间滤波一个光信号与它的频谱是同一事物在两个空间的表现，光信号分布于坐标空间（x , y ）,而它的频谱存在于频率空间（f x , f y ）。
由信号到频谱可以通过透镜来实现。
1873年阿贝（E.Abbe ，1840－1905）在显微镜成像原理的研究中，首次提出了在相干光照明下显微镜两次成像的概念。
阿贝成像理论以及阿贝—波特实验告诉人类：可以通过对信号的频谱进行处理(滤波)来达到对信号本身作相应处理的目的。
这正是现代光学信息处理最基本的思想和内容。
本实验对加深傅里叶光学空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解，熟悉阿贝成像原理，了解透镜孔径对成像分辨率的影响以及对研究现代光学信息处理均有十分重要的意义。
一、实验目的1. 了解信号与频谱的关系以及透镜的傅里叶变换功能。
2. 掌握现代成像原理和空间滤波的基本原理，理解成像过程中“分频”和“合成”的作用。
3. 掌握光学滤波技术，观察各种光学滤波器产生的滤波效果，加深对光学信息处理基本思想的认识。
二、实验原理1、光学傅里叶变换一个光学信号),(y x g 是空间变量y x ,的二维函数，其傅里叶变换被定义为:⎰⎰+∞∞-•+•-=dxdy ey x g f f G y f x f j y x y x )(2),(),(π= )},({y x g FT (1)符号FT 表示傅里叶变换。
),(y x f f G 本身也是两个自变量y x f f ,的函数。
y x f f ,分别是与y x ,方向对应的空间频率变量。
),(y x f f G 被称为光信号),(y x g 的傅里叶频谱，亦称空间频谱。
一般地说，),(y x g 是非周期函数，),(y x f f G 应该是y x f f ,的连续函数。
式(1)的逆运算被称为逆傅里叶变换，即⎰⎰+∞∞-•+•=y x y f x f j y x df df ef f G y xg y x )(2),(),(π(2)上式可以理解为，一个复杂光学信号可以看作是由无穷多列平面波的干涉叠加组成，每列平面波的权重就是),(y x f f G 。
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波汇报人：2023-12-14•阿贝成像原理概述•阿贝成像原理基本原理•空间滤波技术介绍目录•阿贝成像原理与空间滤波技术结合应用•阿贝成像原理与空间滤波技术未来发展趋势预测01阿贝成像原理概述阿贝成像原理是德国物理学家恩斯特·阿贝提出的一种光学成像原理，其核心思想是通过空间滤波器对物体进行空间频率分解，从而获得物体的清晰成像。
阿贝成像原理将物体看作是由无数个点组成的，这些点在空间中以不同的频率分布。
通过使用空间滤波器，我们可以将物体中不同频率的点进行分离，从而获得清晰成像。
阿贝成像原理定义19世纪末，阿贝在研究显微镜成像时提出了阿贝成像原理。
20世纪初，阿贝成像原理被广泛应用于光学仪器设计，如显微镜、望远镜等。
20世纪中叶，随着计算机技术的发展，阿贝成像原理被应用于计算机视觉领域，形成了计算机视觉理论的基础。
阿贝成像原理被广泛应用于光学仪器设计，如显微镜、望远镜等，以提高成像质量。
光学仪器设计阿贝成像原理是计算机视觉理论的基础，被广泛应用于图像处理、模式识别等领域。
计算机视觉阿贝成像原理在医学影像领域也有广泛应用，如X光、CT等医学影像设备的成像原理都与阿贝成像原理密切相关。
医学影像02阿贝成像原理基本原理光学成像系统组成提供足够的光能量，以照亮目标物体。
由多个透镜组成，负责将目标物体的光线进行汇聚和成像。
被观察或成像的物体或场景。
通常是一个平面，用于接收通过透镜组汇聚的光线，形成可观察的图像。
光源透镜组物体成像面光线从光源发出，经过透镜组汇聚，最后在成像面上形成图像。
光线路径通过调整透镜组的角度和位置，可以改变汇聚的光线路径，从而调整图像的大小、形状和清晰度。
成像效果光学成像系统工作原理描述光学成像系统对横向和纵向分辨率的权衡关系。
阿贝数瑞利判据奈奎斯特采样定理基于衍射极限的判据，用于评估光学成像系统的性能。
在数字信号处理中使用的定理，描述了采样频率与信号带宽之间的关系。
阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟实验
阿贝成像原理和空间滤波实验及计算机模拟
实验
1 阿贝成像原理
阿贝成像原理是显微镜中常用的成像原理之一，指的是利用波前衍射理论进行物体成像的原理。
根据这个原理，将光束通过电子透镜透射样品后，样品将会呈现出一定的衍射图样，这个衍射图样可以被传输函数所描述。
通过对传输函数的反取下，可以得到原始的样品图像。
2 空间滤波实验
空间滤波实验是显微镜实验中比较重要的一个部分，它指的是根据样品的空间图像，对样品进行处理的一种实验方法。
在空间滤波实验中，我们可以使用各种滤波算法来进行图像处理，如高通滤波、低通滤波等。
这些滤波算法可以使我们得到更为清晰的样品图像，缩小图像中的噪点并提高对比度。
3 计算机模拟实验
除了实际的显微镜实验外，计算机模拟实验也是很重要的一种方法。
计算机模拟实验可以帮助研究者更好地理解阿贝成像原理和空间滤波实验。
使用计算机模拟实验可以在短时间内模拟出实际实验的结果，尤其在进行显微镜实验前，通过计算机模拟实验，可以帮助研究者更好地规划实验的系列流程。
在计算机模拟实验中，我们可以针对
阿贝成像原理和空间滤波实验进行模拟，根据模拟实验的结果，对实
际的显微镜实验进行优化，提高实验的成功率和效率。
4 结束语
综上所述，阿贝成像原理和空间滤波实验是显微镜领域中比较重
要的一些实验方法，是我们进行研究的基础。
计算机模拟实验则是帮
助我们更好地理解和实践这些实验的重要工具。
我们需要不断探索和
学习这些实验方法，以便更好地利用显微镜技术研究物质的微观结构。
阿贝成像原理和空间滤波实验
阿贝成像原理和空间滤波实验阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。
同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
一．实验目的1．通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2．熟悉空间滤波的光路及进行高通、低通和方向滤波的方法。
二．实验原理阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。
第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图(频谱面)；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。
这就是通常所说的阿贝成像原理。
成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。
如果物的复振幅分布是g(x0，y0)，可以证明在物镜的后焦面(xf，yf)上的复振幅分布是g(x0，y0)的傅里叶变换G(xf，yf)（只要令fx=xf/λf，fy=yf/λf；λ为光的波长，f 为物镜焦距）。
所以第一个步骤起的作用就是把光场分布变为空间频率分布。
而第二个步骤则是又一次傅里叶变换将G(xf，yf)又还原到空间分布。
图1显示了成像的这两个步骤。
如果以一个光栅作为物。
平行光照在光栅上，经衍射分解成为不同方向传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率）。
经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。
然后，代表不同空间频率的光束又重新在像平面上复合而成像。
如果这两次傅氏变换完全是理想的，信息在变换过程中没有损失，则像和物完全相似。
但由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入物镜而被丢弃了。
所以物所包含的超过一定空间频率的成分就不能包含在像上。
高频信息主要反映物的细节。
如果高频信息没有到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不能在像平面上分辨这些细节。
这是显微镜分辨率受到限制的根本原因。
4.3H阿贝成像原理与空间滤波
4 空间滤波概念和空间滤波器 （1)概念
空间滤波：在频谱面上，设置不同结构的光阑，用于提取 或剔除某些频谱，改变原物的频谱，从而完成改造图像的 信息处理。 I’ L 1 能够改变光信息的空间 频谱的器件，通称为空 间滤波器(spacial filter).
O
FS
C’
+1
A B C
光电科学与工程学院
4.3 阿贝成像原理与空间滤波 3 阿贝成像原理的意义
光电科学与工程学院
4.3 阿贝成像原理与空间滤波 3 阿贝成像原理的意义和价值
物镜或光瞳，相当 低通滤波器，高频 成分丢失。
光电科学与工程学院
4.3 阿贝成像原理与空间滤波
说明: • 物镜口径有限，将丢失高频信息，因而像面上不能显 示物的所有细节，像变模糊了。 • 为了使像场准确地反映物场，应尽量扩大物镜口径 • 其真正价值在于：为光学信息处理开辟了一条新的途 径，启发人们从改变频谱入手改变输出信息。 • 空间滤波：物信息的频谱展现在透镜的后焦面上，可 以在这里放置各种光阑，以提取或剔去某些频段的信 息，实现对空间频谱的滤波。
间变换的相移。物体的这一效应，使得用普通的显微镜观
察时，其衬比度非常小，无法直接观察。
光电科学与工程学院
4.3 阿贝成像原理与空间滤波
1935年，泽尼克发明的相衬法和相衬显微镜，是将光学空 间滤波应用于实际光学仪器的首创性工作。泽尼克根据空
间滤波原理提出的相衬法，最重要的特点是使观察到像的
强度与物体引起的相移成线性关系。
Aeik (OSoO) C , z
( x, y ) (u / M , v / M )
，相干成像条件下， 故对任一物波函数 U O
阿贝成像原理与空间滤波
（1）了解阿贝成像原理,接受傅里叶光学的空间频率、
空间频谱、空间滤波等概念；
（2）学习θ调制与假彩色编码。
二 实验原理/阿贝成像原理
以一正弦光栅为物，简要说明阿贝成像原理。
第1步： 入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，衍射光束被分解成为不同方向 传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率），其作用是把光 场分布转变为空间频率分布，即分频”
第2步： 衍射波被透镜接收,在透镜的焦平面上形成三个频率成分不同的衍射 斑S+1.S0,S-1，所以把所在的焦平面称为谱平面。 S+1.S0,S-1可看成三个次波 源，次波源发出的球面波在透镜的像平面发生相干迭加，不同空间频率的光 束又复合成像。 即“合成”
二 实验原理/ θ调制
将一幅透明画拆分成三部分：房子、草地、天空，将这三部分分 别刻在三片不同取向的光栅上，将光栅叠在一起作为物，此物叫调制片， 用白光照明调制片，光束发生衍射，衍射光束经透镜后在其焦平面成像 形成衍射谱，如在谱平面上放置频谱滤波器，在房子谱方向只让红色光 谱通过，在草地谱方向只让绿色通过，在天空谱方向只让蓝色谱通过， 在像平面上将看到图像被 “着上”不同颜色
三 实验内容/θ调制（假彩色编码）
（1）将不同器件放置在指定位置，微调L1位置，使白炽灯光平行照在θ 调制板上；微调L2位置，使θ调制板图像愈清晰。 （2）在谱平面加入θ调制频谱滤波器，对图像的天空、房子和草地的衍 射谱进行滤波，使白屏上出现蓝色的天空，红色的房子，绿色的草地
三 实验内容/ θ调制（假彩色编码）
四 思考题
（1）从阿贝成像原理的观点来看，物跟想之间经历了几次傅
里叶变化？
（2）如何理解显微镜。望远镜的分辨本领？为什增大放大倍数能否
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波一、实验目的1．透镜的傅里叶变换作用；2．空间频谱面的位置及空间频谱的观察；3. 孔径对成像质量的影响；4．验证阿贝成像原理，强化空间滤波概念的理解。
二、实验原理1．阿贝成像原理1873年，阿贝(Abbe)在研究显微镜成像原理时提出了一个相干成像的新原理，这个原理为当今正在兴起的光学信息处理奠定了基础。
如图1-1所示，用一束平行光照明物体，按照传统的成像原理，物体上任一点都成了一次波源，辐射球面波，经透镜的会聚作用，各个发散的球面波转变为会聚的球面波，球面波的中心就是物体上某一点的像。
一个复杂的物体可以看成是无数个亮度不同的点构成，所有这些点经透镜的作用在像平面上形成像点，像点重新叠加构成物体的像。
这种传统的成像原理着眼于点的对应，物像之间是点点对应关系。
阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。
成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。
如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。
如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。
空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。
这也是相干光学处理的实质所在。
以图l-l 为例，平面物体的图像可由一个二维函数g(x,y)描述，则其空间频谱G(fx ，fy)即为g(x ，y)的傅里叶变换：2(,)(,)(,)x y i f x f y x y G f f g x y e dxdy π∞-∞-=⎰⎰ （1-1）图1-1 阿贝成像原理设,x y ''为透镜后焦面上任一点的位置坐标，则式中为x x f F λ'=，y y f F λ'= （1-2）方向的空间频率，量纲为L-1, F 为透镜焦距，λ为入射平行光波波长。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。
同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
一．实验目的
1．通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2．熟悉空间滤波的光路及进行高通、低通和方向滤波的方法。
二．实验原理
阿贝认为在相干平行光照射下，显微镜的成像可分为两个步骤。
第一个步骤是通过物的衍射在物镜后焦面上形成一个初级干涉图；第二个步骤则为物镜后焦面上的初级干涉图复合为像。
这就是通常所说的阿贝成像原理。
成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。
如果物的复振幅分布是g (x 0，y 0)，可以证明在物镜的后焦面(x f ，y f )上的复振幅分布是g (x 0，y 0)的傅里叶变换G (x f ，y f )（只要令
f x = x f / l f ，f y = y f /l f ；l 为光的波长，f 为物镜焦距）。
所以第一个步骤起的作用就是把光场分布变为空间频率分布。
而第二个步骤则是又一次傅里叶变换将G (x f ，y f )又还原到空间分布。
图1显示了成像的这两个步骤。
如果以一个光栅作为物。
平行光照在光栅上，经衍射分解成为不同方向传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率）。
经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。
然后，代表不同空间频率的光束又重新在像平面上复合而成像。
如果这两次傅氏变换完全是理想的，信息在变换过程中没有损失，则像和物完全相似。
但由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高次成分（高频信息）不能进入物镜而被丢弃了。
所以物所包含的超过一定空间频率的成分就不能包含在像上。
高频信息主要反映物的细节。
如果高频信息没有到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不能在像平面上分辨这些细节。
这是显微镜分辨率受到限制的根本原因。
特别当场的结构非常精细（例如很密的光栅），或物镜的孔径非常小时，有可能只有0级衍射（直流成分）能通过，则在像平面上只有光斑而完全不能形成图像。
根据上面讨论，我们可以看到显微镜中的物镜的孔径实际上起了高频滤波（即低通滤波）的作用。
这就启示我们，如果在焦平面上人为地插上一些滤波器（吸收板或移像板）以改变焦平面上的光振幅和位相。
就可以根据需要改变像平面上的频谱。
这就是空间滤波。
最
简单
的滤波器就是一些特殊形状的光阑。
将这种光阑放在频谱面上，使一部分频率分量能通过，而挡住其它的频率分量，从而使像平面上的图像中的一部分频率分量得到相对加强。
下面介绍几种常用的滤波方法：
1．低通滤波
滤去高频成分，保留低频成分。
由于低频成分集中在频谱面的光轴附近，高频成分则落在远离光轴的地方。
故低通滤波器就是一个圆形光孔，图像的精细结构及突变部分主要由高频成分起作用，故经低通滤波后图像的精细结构消失，黑白突变处变模糊。
2．高通滤波
滤去低频成分，保留高频成分。
而让高频部分通过。
高频信息反映了图像的突变部分。
如果所处理的图像由透明和不透明部分组成，则经过高通滤波的处理，图像的轮廓（及相应于物的透光和不透光的交界处）应显得特别明显。
3．方向滤波
滤波器可以是一个狭缝，如果将狭缝放在沿水平方向，则只有水平方向的衍射的物面信息能通过。
在像平面上就突出了垂直方向的线条。
方向滤波器有时也可制成扇形。
三．实验仪器
光学平台、激光器、显微物镜L1、准直透镜L2、成像透镜L、光栅（一维、正交等）可调单缝等。
四．实验内容
1
1
和L2组成倒装望远镜系统，将激光扩展成有较大截面积的平行光。
仔细调节该系统，使只能产生平行光。
2．再物面上放置一一维光栅，光栅条纹沿垂直方向。
在频谱面上将会看到水平方向排列的等间距衍射光点。
中间最亮得为0级衍射，两侧依次为±1，±2，……级衍射点。
3．在频谱面上放置一可调狭缝，利用遮光小板，使只有0级和±1级衍射通过，观察并记录像面图像变化。
4．利用遮光小板，使只有0级衍射通过，观察并记录像面图像变化。
5．利用遮光小板，挡去0级衍射而使其它衍射光通过，观察并记录像面图像变化。
6．将光栅改为正交光栅，其它条件不变，利用可调狭缝观察并记录水平方向衍射通过、垂直方向衍射通过和45度衍射通过时，像面上图像的变化。
7．高频滤波
使用将带图像的一维光栅作为物，利用遮光小板挡去高级衍射，观察并记录像面上图像的变化。