阿貝成像和空間濾波

1、1,北京市實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)示范中心,阿貝成像和空間濾波,2,成像過(guò)程中怎樣實(shí)現(xiàn)從左圖到右圖的轉(zhuǎn)變？,3,教學(xué)重點(diǎn)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(diǎn) 空間濾波的實(shí)現(xiàn)和現(xiàn)象的觀察。實(shí)驗(yàn)?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(shí)現(xiàn)

2、從空域或時(shí)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(gè)任意空間二維函數(shù),6,式中:ω1=2πf1。ω1基波頻率，簡(jiǎn)稱(chēng)基頻，ω1的倍數(shù)稱(chēng)為諧波。對(duì)于周期信號(hào)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(hào),周期信號(hào)的頻域分析方法,傅立葉變換,,7,復(fù)雜周期信號(hào)波形,傅立葉變換,a 時(shí)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(jiàn)右圖,,10,空間頻率：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上單元重復(fù)的次數(shù)。空間周期：周期單元的空間長(zhǎng)度，是其空 間頻率的倒數(shù)。,,,2 空間頻率，空間周期,11,通過(guò)上面幾個(gè)圖像，可以看出：高空間頻率信息決定圖像的細(xì)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(qiáng)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(diǎn)，透鏡成像是下圖所示的 物與像的點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系：,14,1873年，德國(guó)人阿貝從波動(dòng)光學(xué)的觀點(diǎn)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(guò)透鏡成像的過(guò)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(chēng)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(fèi)衍射圖樣是一系列亮點(diǎn)。,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(diǎn)。,18,空間頻譜：在透鏡的像方焦面物體的夫瑯禾費(fèi)衍射圖樣，阿貝把它稱(chēng)為空間頻譜。 空間濾波：在變換面上放置一個(gè)遮光屏，它只允許某些空間頻率的光信號(hào)通過(guò)，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(chēng)為空間濾波器。,阿貝成像原理,19,實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)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(lèi)：(1) 光學(xué)圖像處理，被處理的對(duì)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(shí)別，對(duì)黑白圖像進(jìn)行假彩色編碼，等等。下圖就是一幅模糊的唐詩(shī)碑文用濾波法清晰化處理

7、的實(shí)例。(2) 被處理信息是其它類(lèi)型的信號(hào)，這些信號(hào)必須首先轉(zhuǎn)換成光信號(hào)或光學(xué)圖像，然后用光學(xué)信息處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。如：電信號(hào)(電壓、電流)，機(jī)械信號(hào)(重量、長(zhǎng)度、角度、速度、應(yīng)力應(yīng)變)，聲音信號(hào)，溫度信號(hào)…,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(chēng)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(shí)驗(yàn)光路圖,θ調(diào)制,,25,6 注意事項(xiàng),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(jī)械部分要輕輕旋動(dòng)。4，調(diào)制板和濾光片不要夾的過(guò)緊。5，實(shí)驗(yàn)完畢所有元件放回原處。6，1-8號(hào)同學(xué)用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的外部放光路，9-16號(hào)同學(xué)用實(shí)驗(yàn)臺(tái) 靠?jī)?nèi)側(cè)