实验四 阿贝成像与空间滤波.doc

实验四 阿贝成像与空间滤波 班 级: 光电1204 小组成员：张路U201214186 钟浩U201214182 李俊铖U201214183 李阳U201214181 阿贝成像原理是 1873 年由 E.阿贝在显微镜成像中提出来的。 在相干照明下， 被物体衍射的相干光（见光的干涉） ，只有当它被显微镜物镜收集时,才能对成像 有贡献。换句话说,像平面上光场分布和像的分辨率由物镜收集多少衍射光来决 定。 空间滤波是基于阿贝成象原理的一种光学信息处理方法，它用空间频谱的语 言分析物光场的结构信息，通过有意识的改变物频谱的手段来产生所期望的像。 实验原理 关于傅里叶变换 设有一个空间二维函数，其二维傅里叶变换为： 式中、分别为、方向的空间频率，是的逆傅里叶变换，即： 该式表示：任意一个空间函数可表示为无穷多个基元函数的线性叠加。是相应于空间频率为、的基元函数的权重，称为的空间频谱。 理论上可以证明，对在焦距为的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为的图像作为物，并用波长为的单色平面波垂直照明，则在透镜后焦面上的复振幅分布就是的傅里叶变换，其中空间频率、与坐标、的关系为： 故面称为频谱面（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。 阿贝（E.Abbe）在1873年提出了相干光照明下显微镜的成像原理。他认为，在相干光照明下，显微镜的成像可分为两个步骤：第一步是通过物的衍射光在物镜的后焦面上形成一个衍射图；第二步是物镜后焦面上的衍射图复合为（中间）像，这个像可以通过目镜观察到。 成像的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。第一步把物面光场的空间分布变为频谱面上空间频率分布，第二步则是再作一次变换，又将还原到空间分布。 图6-3-1显示了成像的两个步骤。我们假设物是一个一维光栅，单色平行光垂直照在光栅上，经衍射分解成为不同方向的很多束平行光（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面上复合而成像。 如果这两次变换完全是理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似（可能有放大或缩小），但一般说来像和物不可能完全相似，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息要少一些。高频信息主要反映了物的细节，如果高频信息受到了孔径的限制而不能达到像平面，则无论显微镜有多大的放大倍数，也不可能在像平面上显示出这些高频信息所反映的细节，这是显微镜分辨率受到限制的根本原因。特别是当物的结构非常精细（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，则在像平面上完全不能形成像． 根据上面讨论，透镜成像过程可看作是两次傅里叶变换，即从空间函数变为频谱函数，再变回到空间函数（忽略放大率）。显然如果我们在频谱面（即透镜的后焦面）上放一些不同结构的光阑，以提取（或摒弃）某些频段的物信息，则必然使像面上的图像发生相应的变化，这样的图像处理称为空间滤波，频谱面上这种光阑称为滤波器。滤波器使频谱面上一个或一部分频率分量通过，而挡住其它频率分量，从而改变了像面上图像的频率成分。例如光轴上的圆孔光栏可以作为一个低通滤波器，而圆屏就可以用作为高通滤波器。 1.实验光路图 2.实验步骤 共轴光路调节 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， 激光束能通过小孔光阑。 阿贝成像原理实验 如实验光路图在物平面上放上一维光栅，用激光器发出的细锐光束垂直照到 光栅上，用一短焦距薄透镜（6~10cm）组装一个放大的成像系统，调节透镜位 置，使光栅狭缝清晰地成像在像平面屏上，那么在频谱面上的衍射点如图所示。 在频谱面上放上可调狭缝或滤波模板，使通过的衍射点如下图所示 3.实验现象 分析与综合 给定一个一维矩形光栅： 将该光栅放入 4f 光学系统进行分析，运用傅里叶分析理论，分析一维矩形 光栅的频谱；采用 matlab 绘出： 当只有 0 级，0、?1 级通过时，该光栅的像分布； 当去掉该光