阿贝成像原理和空间滤波实验
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报告
阿贝成像原理和空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波实验报告引言：阿贝成像原理是一种常用于光学显微镜的成像原理，它通过对样本的光学信息进行收集和处理，使我们能够观察到微小的细胞结构和微生物。
而空间滤波则是一种用于图像处理的技术，通过对图像的频谱进行调整，可以改善图像的质量和细节。
实验目的：本实验旨在通过阿贝成像原理和空间滤波技术，对显微镜下的样本进行观察和图像处理，以提高图像的清晰度和对细节的分辨。
实验器材：1. 光学显微镜：用于观察样本。
2. 样本：可选择植物组织或昆虫标本等。
3. 数字相机：用于拍摄显微镜下的图像。
4. 图像处理软件：用于对图像进行空间滤波处理。
实验步骤：1. 准备样本：选择一片植物组织或昆虫标本，将其放置在显微镜的载物台上。
2. 调整显微镜：使用显微镜的目镜和物镜，调整焦距和放大倍数，以获得清晰的图像。
3. 观察样本：通过显微镜的目镜观察样本，调整物镜的焦距和位置，以获得最佳的观察效果。
4. 拍摄图像：将数字相机与显微镜相连，通过相机拍摄显微镜下的图像，保存为数字图像文件。
5. 图像处理：将保存的数字图像文件导入图像处理软件中，使用空间滤波技术对图像进行处理，以提高图像的质量和细节。
6. 比较结果：将处理后的图像与原始图像进行比较，观察处理效果的差异。
实验结果：经过空间滤波处理后，图像的清晰度和细节得到了明显的改善。
原始图像中模糊的细胞结构和微生物轮廓变得更加清晰可见，细胞核和细胞器的形状和位置也更加明确。
此外，空间滤波还能够去除图像中的噪声和干扰，使得图像的背景更加干净和均匀。
讨论与分析：阿贝成像原理和空间滤波技术的应用使得显微镜成像的质量得到了显著提高。
阿贝成像原理通过改变物镜的焦距和位置，使得样本的光学信息能够被有效地收集和放大，从而获得清晰的图像。
而空间滤波技术则通过调整图像的频谱，去除噪声和干扰，提高图像的质量和细节。
这两种技术的结合应用，使得我们能够更好地观察和研究微小的细胞结构和微生物。
阿贝成像与空间滤波实验
课程名称：物理光学实验实验名称：阿贝成像与空间滤波实验图1 阿贝成像原理示意图像和物不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，角度较大的高次成分（高频信息）不能进入到物镜而被丢弃了，所以像的信息总是比物的信滤波函数，c)滤波后的谱分布（振幅分布），d)3d，像（强度分布）出现衬度反转，原来的亮区变为暗区，原来光栅，b)滤波函数，c)滤波后的谱分布（振幅），d)滤波后像（光强）a<d/2时，加滤波器和不加滤波器的像相似，图像对比度略有下降。
如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变频谱面上的频谱，这就叫做空间滤波。
最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更清晰的概念。
阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构这是无CCD相机双凸透镜图4 阿贝成像与空间滤波实验示意图图5实验软件操作图图6(a) 滤波前图6(b) 滤掉x向衍射级（选做）将狭缝旋转90度固定，使狭缝正好滤掉x向衍射级次，并且观察滤波后的条纹方向，观察衍射图样，分析现象。
将狭缝替换为大圆孔（用最大孔径的圆孔，2mm直径），仅使像方焦平面（图就是像方焦平面，即像点尺寸最小的平面）的0级和±1级通过，前后移动相机图7（a）大圆孔低通滤波图7（b）次大圆孔低通滤波图7（c）大圆屏高通滤波图7（d）次大圆屏高通滤波图8（a）滤波前实验效果图图8（b）挡住零级的滤波效果图9 加入正交光栅后成的像向衍射级图10 滤掉x方向衍射级成的像向衍射级图11 滤掉y方向衍射级成的像D=2mm圆孔滤波图12 D=2mm圆孔滤波后成的像D=0.5mm圆孔滤波图 13 D=0.5mm的圆孔滤波成的像圆屏滤波图14 D=2mm圆屏滤波后成的像D=0.5mm圆屏滤波图15 D=0.5mm圆屏滤波后成的像六、数据处理同数据记录七、结果陈述：实验得到了正交光栅所成像、正交光栅经过x方向滤波所成像、正交光栅经过波所成像、正交光栅经过D=2mm的圆孔滤波所成的像、正交光栅经过D=0.5m的圆孔滤波所成的像、正交光栅经过D=2mm的圆屏滤波所成的像、正交光栅经过D=0.5mm滤波所成的像。
[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告
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[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告篇一: 阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．3．了解两种简单的空间滤波．4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．光具座，氦氖激光器，溴钨灯及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光?调制用光阑，阑，光栅，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时，当O级与?1级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把?1级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，d??sin?1?sin?不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为?为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为d?物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间f截?sin?频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是式所示的，?．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．波特在1906年把一个细网格作物，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点进行阻挡或允许通过时，sin?得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为?，那么?与空间频率?sin?相应关系为?fsin??tgf，f为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总，焦平面上离中央亮点较近的光强反映物平面上频率较低的光栅调制度．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直?流分量产生2位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点与新技术就此发展起来．物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为f]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换ffe?i2?dxdy图1uf，vf，实际上这也就是t的夫琅和费衍射．当t不在透镜前焦面上式中时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波，则在入射波经透镜后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如?函数?1，1??函数，rect函数?sinc函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，fQ?Fei2d?d??fP物函数的倒置也就是f的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的f时，在2照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及?调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．图2共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座，并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。
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。
(完整版)阿贝成像与空间滤波实验报告
班 级 09级1班组 别 1组 姓 名 巩辰 学 号 1090600004 日 期 3月1日指导教师【实验题目】 阿贝成像原理和空间滤波【实验目的】 1. 了解透镜孔径对成像的影响和简单的空间滤波；2. 掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴；3. 验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频率、空间频谱和空间滤波概念的理解；4. 初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用.【实验仪器与用具】GP-78光具座 JSQ-250氦氖激光器及电源 物（光栅）透镜×3（f=15mm 、f=70mm 、f=225mm ） 光阑片【实验原理】1、关于傅里叶光学变换设有一个空间二维函数()y x g ,，其二维傅里叶变换为：()()[]()()[]dxdy y f x f i y x g y x g F f f G y x y x +-==⎰⎰∞π2exp ,,,式中x f 、y f 分别为x 、y 方向的空间频率，()y x g ,是()y x f f G ,的逆傅里叶变换，即： ()[]()()[]y x y x y x y x df df y f x f i f f G f f G F y x g +==⎰⎰∞-π2exp ,,),(1该式表示：任意一个空间函数()y x g ,可表示为无穷多个基元函数()[]y f x f i y x +π2exp 的线性叠加。
()y x y x df df f f G ,是相应于空间频率为x f 、y f 的基元函数的权重，()y x f f G ,称为()y x g ,的空间频谱。
理论上可以证明，对在焦距为f 的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为()y x g ,的图像作为物，并用波长为λ的单色平面波垂直照明，则在透镜后焦面()y x '',上的复振幅分布就是()y x g ,的傅里叶变换()y x f f G ,，其中空间频率x f 、y f 与坐标x '、y '的关系为： ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧'='=f y f f x f y x λλ 故()y x '',面称为频谱面（或傅氏面），由此可见，复杂的二维傅里叶变换可以用一透镜来实现，称为光学傅里叶变换，频谱面上的光强分布，也就是物的夫琅禾费衍射图。
大学物理实验阿贝成像原理与空间滤波
G( f x , f y ) g ( x, y )e
j 2 ( f x x f y y )
dxdy
式中fx ，fy是x,y 方向的空间频率，g(x,y),则其G（fx,fy）的逆傅 立叶变换
g ( x, y) G( f x , f y )e
x, y
j 2 ( f x x f y y )
二 实验原理/2.3 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制
动画、脚本设计：赵改清 课 件 制 作：赵改清
2014.9 深圳大学大学物理教学实验中心
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”
实验原理/2.1阿贝成像原理
阿贝成像原理的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。 设有一个空间二维函数：g(x,y),则其二维傅立叶变换为
二 实验原理/2.2空间滤波
空间滤波：在光学系统的傅立叶频谱面上放置具有一定透 过率的滤波器，改变光场的频谱结构，按照需要改变像的 性质 频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分 布着物的低频信息，即傅立叶低频分量，离原点越远，分 布着物的高频分量，即傅立叶高频分量
阿贝成像原理与空间滤波
谢谢大家
4、空间滤波及其应用
（1）空间滤波：在频谱面上作的光学处理就是空间滤波。 最简单的方法是用各种光栏对衍射斑进行取舍，达到改造 图像的目的。
（2）应用： A、电路板中掩模疵点的检查
电路板中掩模构成
根据频谱的主要分 布做成的滤波器
检查出疵点
பைடு நூலகம்
B、空间滤波技术在激光照射测量系统中的应用
光学与光电技术 2004 年12 月
阿贝成像原理与空间滤波实验
• 阿贝成像原理是现代光学信息处理的理论基础。 • 空间滤波是基于阿贝成像原理的光学信息处理方 法。
• 光学信息处理：指的是光学图像的产生、传递、 探测和处理。现在已发展成为一个非常有应用前景 的学科。
• 光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态等 都可以携带光的信息。
• （２）方向滤波：
把成像系统的物换成正交光栅（图４８—７），观察并记 录频谱和像，再分别用小孔和不同取向的可调狭缝光栏， 让频谱的一个或一排光点通过，记录像的特征，测量像面 栅格间距变化，作简单解释。
（3）低通滤波：
• 把一个正交网格和一个透光十字置于成像光 路的物平面，试分析此物信号的空间频率特征， 试验滤除像的网格成分的方法。
C、去处组合图片接缝
[实验内容及步骤]
１、光路调节
按图所示调整光路：
注意:
f
（1）做好光路的共轴调节
（2）要用光屏仔细检查准直光束是否为平行光。
（3）透镜L道光谱面的距离为f
2 实验研究
（１）观察空间滤波现象， 在物平面置一维光栅，观察像平面上的竖直栅
格像。在频谱面上置放狭缝或其他光栏，分别按 下面要求选择通过不同的频率成分作观察记录。
•光点离开频谱中心的距离,标志着物平面上该频率成 分的频率高低。频谱越靠近中心，对应物平面上该频 率成分的频率越低。
阿贝成像原理和空间滤波
北京航空航天大学实验报告实验名称：E 09 阿贝成像原理和空间滤波数据记录及处理和试验现象及解释： （1）阿贝成像原理试验： ① 求相应空间频率：He-Ne 激光器波长λ=632.8nm ，透镜F=250mm ，x fξ'=,将实验数据带入下表：② 在频谱面上放置各种滤波器，成像变化特点及相应解释：③ 测量二维光栅像面上x '，y '方向光栅条纹间距：像面上沿x '方向条纹间距△x '=2.0mm ，y '方向光栅条纹间距△y '=2.0mm ④ 在屏谱面图上依次放置不同小孔及不同取向光阑，观察像面变化 综上所述：从所得到的实验结果可以看出，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。
学号：38270104 姓名：王文征 日期：4月10日晚同组者：刘思沂指导老师：段亚飞评分：（2）高低通滤波：①将物面换上3号样品，则在像面上出现带网格的“光”字。
②用白屏观察焦面上物的空间频谱。
光栅为一周期性函数，其频谱是有规律排列的分立点阵。
而字迹不是周期性函数，它的频谱是连续的，一般不易看清。
由于光字笔画较粗，空间低频成分较多，因此频谱面的光轴附近只有光字信息而没有网格信息，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失。
③将3号滤波器（φ=1mm 的圆孔光阑）放在后焦面的光轴上，出现“光”字，网格信息消失，亮度较暗。
换上4号滤波器（φ=0.4mm的圆孔光阑）,光字更暗。
④将频谱面上光阑作一平移，使不在光轴上的一衍射点通过光阑，发现越偏离光轴图像越暗。
换上4号样品，使之成像。
然后在后焦面上放上5号滤波器，发现未放之前出现红色十字，放上5号滤波器后“十”字中间变暗，四周轮廓也较为清晰，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所以图像轮廓明显。
（3）θ调制试验：衍射频上花、叶、背景的光栅走向蓝（背景）红（花）绿（叶）利用阿贝成像实验中的结论，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。
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实验一 阿贝成像原理和空间滤波一、实验目的1．了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。
2．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴。
3．验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解。
4．初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用。
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(f x ，f y )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 edxdy 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 Fλ'= （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。
再进行一次傅里叶变换，将(,)G fx fy 从频谱分布又还原到空间分布(,)g x y '''''。
为了简便直观地说明，假设物是一个一维光栅，光栅常数为d ，其空间频率为f 0(f 0=1/d)。
平行光照在光栅上，透射光经衍射分解为沿不同方向传播的很多束平行光，经过物镜分别聚焦在后焦面上形成点阵。
我们知道这一点阵就是光栅的夫琅和费衍射图，光轴上一点是0级衍射，其他依次为±1，±2，…级衍射。
从傅里叶光学来看，这些光点正好相应于光栅的各傅里叶分量。
0级为“直流”分量，这分量在像平面上产生一个均匀的照度。
±l 级称为基频分量，这两分量产生一个相当于空间频率为f 0余弦光栅的像。
±2级称为倍频分量，在像平面上产生一个空间频率为2f 0的余弦光栅像，其他依次类推。
更高级的傅里叶分量将在像平面上产生更精细的余弦光栅条纹。
因此物镜后焦面的振幅分布就反映了光栅(物)的空间频谱，这一后焦面也称为频谱面。
在成像的第二步骤中，这些代表不同空间频率的光束在像平面上又重新叠加而形成了像。
只要物的所有衍射分量都无阻碍地到达像平面，则像就和物完全一样。
但一般说来，像和物不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，总有一部分衍射角度较大的高频信息不能进入到物镜而被丢弃，所以像的信息总是比物的信息要少一些。
高频信息主要反映物的细节。
如果高频信息受到了孔径的阻挡而不能到达像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可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。
特别当物的结构是非常精细(例如很密的光栅)，或物镜孔径非常小时，有可能只有0级衍射(空间频率为0)能通过，则在像平面上虽有光照，但完全不能形成图像。
波特在1906年把一个细网格作物(相当于正交光栅)，并在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点(即夫琅和费衍射花样)进行阻挡或允许通过时，得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为ξ，那么ξ与空间频率sin θλ相应关系为sin f θξλλ= （1-3）(这适用于角度较小时sin θ≈tg θ=ξ/f ，f 为焦距)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总的亮度(称为直流分量)，焦平面上离中央亮点较近(远)的光强反映物平面上频率较低(高)的光栅调制度(或可见度)．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直流分量产生2π位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜。
为此他在1993年获得诺贝尔奖。
在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点(傅里叶光学)与新技术(光学信息处理)就此发展起来。
2．光学空间滤波上面我们看到在显微镜中物镜的有限孔径实际上起了一个高频滤波的作用。
它挡住了高频信息，而只使低频信息通过。
这就启示我们：如果在焦平面上人为地插上一些滤波器(吸收板或移相板)以改变焦平面上的光振幅和相位，就可以根据需要改变频谱以至像的结构，这就叫做空间滤波。
最简单的滤波器就是把一些特种形状的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他的频率分量，从而使像平面上的图像只包括一种或几种频率分量。
对这些现象的观察能使我们对空间傅里叶变换和空间滤波有更明晰的概念。
阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这是无法用几何光学来解释的。
前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子。
除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及θ调制等较简单的滤波特例外，还可以进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛。
三、实验仪器光学平台，He-Ne激光器，安全灯，薄透镜若干，溴钨灯（12V，50W）及直流电源，滤波器（方向，低通各一），光栅（正交及θ调制各一），网格字，白屏，平面镜，毛玻璃，直尺。
四、实验步骤与内容1．共轴光路调节练习在光具座上将小圆孔光阑靠近激光管的输出端，上、下、左、右调节激光管，使激光束能穿过小孔；然后移远小孔，如光束偏离光阑，调节激光管的仰俯，再使激光束能穿过小孔，重新将光阑移近，反复调节，直至小孔光阑在光具座上平移时，激光束均能通过小孔光阑。
记录下激光束在光屏上的照射点位置。
在做以后的实验时，都要用透镜，调平激光管后，激光束直接打在屏Q上的位置为O，在加入透镜L后，如激光束正好射在L的光心上，则在屏Q上的光斑以O为中心，如果光斑不以O为中心，则需调节L的高低及左右，直到经过L的光束不改变方向(即仍打在O上)为止；此时在激光束处再设带有圆孔P的光屏，从L前后两个表面反射回去的光束回到此P 上，如二个光斑套准并正好以P为中心，则说明L的光轴正好就在P、O连线上。
不然就要调整L的取向。
如光路中有几个透镜，先调离激光器最远的透镜，再逐个由远及近加入其他透镜，每次都保持两个反射光斑套准在P上，透射光斑以O为中心，则光路就一直保持共轴。
2．解释阿贝成像原理实验（波特实验）实验光路及图像：(1) 按图1-2布置光路。
用He—Ne激光器发出的一束平行光垂直照射光栅，G是空间频率为每毫米几十条的二维的正交光栅，在实验中作为物。
L是焦距为110mm的透镜，移动白屏使正交光栅在白屏上成放大的像。
(2) 调节光栅，使像上条纹分别处于垂直和水平的位置。
这时在透镜后焦面上观察到二维的分立光点阵，这就是正交光栅的夫琅和费衍射(即正交光栅的傅里叶频谱)，而在像平面上则看到正交光栅的放大像(如图1-2(a))。
(3) 如在F面上设小孔光阑，只让一个光点通过，则输出面上仅有一片光亮而无条纹(如图1-2(b))。
换句话说，零级相应于直流分量，也可理解为δ函数的傅里叶变换为1。
(4) 换用方向滤波器作空间滤波器放在F面上，狭缝处于竖直方位时，S屏上竖条纹全被滤去，只剩横条纹；当然横条纹也可看作几个竖直方向上点源发出光波的干涉条纹(如图1-2(c,d))。
把狭缝转到水平方向观察S屏上条纹取向，并加以解释。
(5) 再将方向滤波器转45°角(如图1-2(e))。
此时观察到像平面上条纹是怎样的?条纹的宽度有什么变化?改变频谱结构，就改变像的结构。
试从图1-2解释阿贝成像原理实验光路及实验图像二维傅里叶变换说明透镜后焦面上二维点阵的物理意义，并解释以上改变光阑所得出的实验结果。
3．空间滤波实验由无线电传真所得到的照片是由许多有规律地排列的像元所组成，如果用放大镜仔细观察，就可看到这些像元的结构，能否去掉这些分立的像元而获得原来的图像呢？由于像元比像要小得多，它具有更高的空间频率，因而这就成为一个高频滤波的问题。
下面的实验可以显示这样一种空间滤波的可能性。
前述实验中狭缝起的是方向滤波器的作用，可以滤去图像中某个方向的结构，而圆孔可作低通滤波器，滤去图像中的高频成分，只让低频成分通过。
(1) 按图1-3布置好光路。
用显微物镜和准直透镜L1组成平行光系统。
以扩展后的平行激光束照明物体，以透镜L2将此物成像于较远处的屏上，物使用带有网格的网格字（中央透光的“光”字和细网格的叠加），则在屏Q上出现清晰的放大像，能看清字及其网格结构（图1-4）。
由于网格为周期性的空间函数，它们的频谱是有规律排列的分立的点阵，而字迹是一个非周期性的低频信号，它的频谱就是连续的。
实验参考光路：图1-3空间滤波实验光路图图1-4 网格字成像放大图(2) 将一个可变圆孔光阑放在L的第二焦平面上，逐步缩小光阑，直到除了光轴上一个光点以外，其它分立光点均被挡住，此时像上不再有网格，但字迹仍然保留下来。
试从空间滤波的概念上解释上述现象。
(3) 把小圆孔移到中央以外的亮点上，在Q屏上仍能看到不带网格的“光”字，只是较暗淡一些，这说明当物为“光”与网格的乘积时，其傅里叶谱是“光”的谱与网格的谱的卷积，因此每个亮点周围都是“光”的谱，再作傅里叶变换就还原成“光”字，演示了傅里叶变换的乘积定理。
4．θ调制产生假彩色(1) 类似于通信技术中把信号与载波相乘以调制振幅与位相，便于发送；光学信息处理中把图像(信号)与空间载频(光栅)相乘，也起到调制作用，便于进行处理。
本实验中所用的物是由方向不同的一维光栅组合而成的(图1-5)。
用激光束照射不同部位，就可在其后看到不同取向的衍射光线．光栅空间频率约为100条／mm，三组光栅取向各相差60°。