阿貝成像和空間濾波

1、1,北京市實驗物理教學(xué)示范中心,阿貝成像和空間濾波,2,成像過程中怎樣實現(xiàn)從左圖到右圖的轉(zhuǎn)變？,3,教學(xué)重點透鏡的傅里葉變換性質(zhì)。 阿貝成像和空間濾波的基本概念。 教學(xué)難點 空間濾波的實現(xiàn)和現(xiàn)象的觀察。實驗?zāi)康牧私猬F(xiàn)代光學(xué)中空間頻率的概念，初步掌握光學(xué)信息處理的空間濾波技術(shù),4,教學(xué)內(nèi)容1 傅里葉變換2 空間頻率，空間周期，空間濾波， 空間頻譜等概念3 阿貝成像原理4 信息光學(xué)的應(yīng)用,5,傅里葉變換是實現(xiàn)

2、從空域或時域到頻域的轉(zhuǎn)換的工具,1 傅里葉變換,分別是x，y方向的空間頻率,表示一個任意空間二維函數(shù),6,式中:ω1=2πf1。ω1基波頻率，簡稱基頻，ω1的倍數(shù)稱為諧波。對于周期信號而言，其頻譜由離散的頻率成分，即基波與諧波構(gòu)成。,考察信號,周期信號的頻域分析方法,傅立葉變換,,7,復(fù)雜周期信號波形,傅立葉變換,a 時間域或空間域,b 頻率域,8,,a是透光部分的寬度——縫寬,d = a + b,b 是不透光部分的寬度,

3、* 光柵常數(shù),* 光柵—大量等寬等間距的平行狹縫或刻痕構(gòu)成的光學(xué)元件。,光柵,9,x,x,x,x,x,平行狹縫光柵透光率函數(shù)的傅里葉變換，見右圖,,10,空間頻率：單位長度上單元重復(fù)的次數(shù)?？臻g周期：周期單元的空間長度，是其空 間頻率的倒數(shù)。,,,2 空間頻率，空間周期,11,通過上面幾個圖像，可以看出：高空間頻率信息決定圖像的細節(jié),12,光的衍射現(xiàn)象,,?,,,,,‘光線’拐彎了！,光波偏離直線傳播而出現(xiàn)光強不均勻分 布

4、的現(xiàn)象,13,,,,,3 阿貝成像原理,從幾何光學(xué)的觀點，透鏡成像是下圖所示的 物與像的點點對應(yīng)關(guān)系：,14,1873年，德國人阿貝從波動光學(xué)的觀點提出了一種成像理論。他把物體或圖片看成包含一系列空間頻率的衍射屏，物體通過透鏡成像的過程分為兩步： 第一步是信息分解，第二步是信息合成。這種理論稱為阿貝成像原理。它是光學(xué)信息處理的理論基礎(chǔ)。,阿貝成像原理,卡爾·蔡司,15,阿貝成像原理光路圖,,阿貝成像原理,16,,,,

5、一維光柵的阿貝成像原理,阿貝成像原理,普通的平行狹縫光柵的夫瑯和費衍射圖樣是一系列亮點。,17,正交光柵的像及衍射圖樣,二維光柵的阿貝成像原理,阿貝成像原理,正交光柵的衍射圖樣是如圖所示的許多亮點。,18,空間頻譜：在透鏡的像方焦面物體的夫瑯禾費衍射圖樣，阿貝把它稱為空間頻譜。 空間濾波：在變換面上放置一個遮光屏，它只允許某些空間頻率的光信號通過，從而可以取得原圖像信息中那些人們特別感興趣的光學(xué)信息?？臻g濾波器：用于遮擋空間頻譜

6、的某些頻率分量的器具，稱為空間濾波器。,阿貝成像原理,19,實際應(yīng)用中，通過分析頻譜圖，便可得出原圖像的信息。下列圖形是在單色光照射下幾種特殊圖像的傅里葉變換頻譜。,阿貝成像原理,20,光學(xué)信息處理可分為兩大類：(1) 光學(xué)圖像處理，被處理的對象是光學(xué)圖像，包括照片、底片、圖片等。如：改變圖像的反差，使模糊圖像清晰化，消除圖像中的噪聲，圖像相加減，特征識別，對黑白圖像進行假彩色編碼，等等。下圖就是一幅模糊的唐詩碑文用濾波法清晰化處理

7、的實例。(2) 被處理信息是其它類型的信號，這些信號必須首先轉(zhuǎn)換成光信號或光學(xué)圖像，然后用光學(xué)信息處理系統(tǒng)進行處理。如：電信號(電壓、電流)，機械信號(重量、長度、角度、速度、應(yīng)力應(yīng)變)，聲音信號，溫度信號…,4 信息光學(xué)應(yīng)用,21,勞厄斑,X射線衍射現(xiàn)象,晶體,X 射線,,,,信息光學(xué)應(yīng)用,22,假彩色按照不同的要求，將黑白圖像改變?yōu)楦鞣N各樣的彩色圖像，這些圖像中的顏色并不代表物體的本色。這一技術(shù)因此而被稱為黑白圖像的“假彩色處理

8、”。下圖就是石墨樣品表面STM照片的原圖和假彩色圖。,信息光學(xué)應(yīng)用,23,θ調(diào)制,信息處理的方法之一，可以得到假彩色的圖像。,5 θ調(diào)制,24,實驗光路圖,θ調(diào)制,,25,6 注意事項,1，眼睛不要逆著激光的方向看。2，所有的透鏡及光柵等不要用手觸摸元件的 表面。3，光具座的機械部分要輕輕旋動。4，調(diào)制板和濾光片不要夾的過緊。5，實驗完畢所有元件放回原處。6，1-8號同學(xué)用實驗臺的外部放光路，9-16號同學(xué)用實驗臺 靠內(nèi)側(cè)