阿贝成像原理与空间滤波学习资料

阿贝成像原理与空间(kōngjiān)滤波仲明礼第一页，共19页。阿贝成像原理与空间滤波(lǜbō)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(piānzhèn)态等都可以携带光的信息。本实验中空间滤波所处理的光信息特指－－光强分布所形成的图像。第二页，共19页。［实验(shíyàn)目的］（１）通过实验进一步加强对阿贝成像原理以及空间(kōngjiān)频率、傅里叶频谱、空间(kōngjiān)滤波概念的理解。

（２）掌握空间(kōngjiān)滤波的光路调整方法和基本的滤波方法。

（３）观察方向滤波、低通与高通滤波及空间(kōngjiān)滤波现象。第三页，共19页。［实验(shíyàn)仪器］光学平台，氦氖激光器，扩束镜，凸透镜（2个），正交光栅(guāngshān)，各种滤波器件，光屏。第四页，共19页。［实验(shíyàn)原理］1、空间频率的概念。时间频率：单位时间内某物理量变化的周期数，是描述(miáoshù)时间信号周期性的物理量。空间频率：单位空间长度内某物理量变化的周期数，是描述(miáoshù)空间信号周期性的物理量。DyDx二维空间的正弦光栅

xy第五页，共19页。在数学中，一个以时间为变量的复杂函数可以用级数的方法分解为许多简单的周期函数。一个物体可以看成是由许多个空间频率组成的。例如:一页文字或图形形成的透明(tòumíng)片，就是由许多个空间频率组成。第六页，共19页。2、阿贝成像原理(yuánlǐ)与傅里叶频谱（1）阿贝成像原理：德国科学家阿贝(Abbe)创建了二次成像理论。首先，他认为物体是由许多不同方位、不同空间频率的光栅构成的。其次，物体通过透镜成像的过程分为两步：第一步：通过衍射屏的光发生夫琅和费衍射，在透镜的后焦平面F上形成其傅里叶频谱－－这是信息分解。第二步：将后焦平面F上的频谱看成新的“波面”，频谱图上的各发光点发出(fāchū)的球面次级波在像平面上相干叠加而形成像－－这是信息合成。

通过衍射(yǎnshè)屏的光发生夫琅和费衍射(yǎnshè),分解成许多不同方向的平行光,每一个方向的平行光形成频谱面上的一点频谱各发光点发出的球面次级波相干叠加而形成像第七页，共19页。（2）傅里叶频谱：傅里叶频谱简称频谱，它是物平面上各种空间频率成分(chéngfèn)的能量分布图。物平面上某种频率成分(chéngfèn)越多对应的光点越亮。频谱面上的每一个光点与一个空间频率成分(chéngfèn)对应。但一个空间频率成分(chéngfèn)却对应着频谱面上的两个光点。光点离开频谱中心的距离,标志着物平面上该频率(pínlǜ)成分的频率(pínlǜ)高低。频谱越靠近中心，对应物平面上该频率(pínlǜ)成分的频率(pínlǜ)越低。光点的排列方向，标志着物平面上该频率(pínlǜ)成分的方向。频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底亮度以上四点是我们空间滤波的依据！第八页，共19页。3、阿贝—波特(bōtè)实验阿贝于1873年、波特于1906年分别做了实验(shíyàn)。部分实验(shíyàn)内容及结果:第九页，共19页。部分实验(shíyàn)内容及结果:对确定的空间频率fx,fy成分，物平面上对所有空间点的傅里叶积分，就是(jiùshì)频谱面上fx,fy点的频谱。对确定的空间点x,y发出的光，频谱面上对所有空间频谱的傅里叶积分，就是(jiùshì)物平面上x,y点的物像,因为x,y是任意的，所以是整个平面的像。，第十页，共19页。由阿贝－波特实验结果归纳(guīnà)出几点结论如下：1.实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接依赖于频谱的成分，只要改变频谱的组分，便能够改变像的结构；2.实验为光信息(xìnxī)图像处理方法－空间滤波提供了依据：频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息(xìnxī)(图B)；频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息(xìnxī)(图C)；(2)零频分量是一个直流分量，它只代表像的本底亮度(图D)；(3)阻挡零频分量，可使像发生衬度反转(图E)；采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质(图F)。第十一页，共19页。4、空间(kōngjiān)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(mùdì)。（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第十二页，共19页。B、空间滤波技术在激光照射测量(cèliáng)系统中的应用光学与光电技术2004年12月第十三页，共19页。C、去处组合图片(túpiàn)接缝第十四页，共19页。[实验(shíyàn)内容及步骤]１、光路调节(tiáojié)按图所示调整光路：注意:（1）做好光路的共轴调节(tiáojié)（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

f第十五页，共19页。2实验(shíyàn)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(xiáfénɡ)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。第十六页，共19页。（２）方向滤波：把成像系统的物换成正交光栅(guāngshān)（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。第十七页，共19页。（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。（4）高通滤波：把成像物换成透光十字板，用一个圆屏光栏遮挡其频谱的中部区域，观察并记录像的变化，再用可调狭缝光栏分别选择通过水平