第八章空间滤波要点解析.ppt

这种滤波器仅改变各频率成分的相对振幅分布，而不改变其相位分布。 2.振幅滤波器 它只改变空间频谱的相位,不改变它的振幅分布.由于不衰减入射光场的能量,具有很高的衍射效率.这种滤波器通常用真空镀膜的方法得到,但由于工艺方法的限制,要得到复杂的相位变化是很困难的. 3、相位滤泼器 这种滤波器对各种频率成分的振幅和相位都同时起调制作用,滤波函数是复函数.它的应用很广泛,但难于制造.1963年范德拉格特用全息方法综合出复数空间滤波器,1965年罗曼和布劳恩用计算全息技术制作成复数滤波器,从而克服了制作空间滤波器的重大障碍. 4.复数滤波器 在一般情况下,用显微镜只能观察物体的亮暗变化,不能辨别物体相位的变化.最初相位物体(如细菌标本)的观察必须采用染色法,但染色的同时会杀死细菌,改变标本的原始结构,从而不能在显微镜下如实研究标本的生命过程.1935年策尼克提出的相衬显微镜,利用相位滤波器将物体的相位变化转换成可以观察到的光的强弱变化.这种转换通常又称为幅相变换. 8.3空间滤波应用 一、策尼克相衬显微镜 硅藻、纤维质和细菌的相位显微镜照片 在一般情况下,用显微镜只能观察物体的亮暗变化,不能辨别物体相位的变化.最初相位物体(如细菌标本)的观察必须采用染色法,但染色的同时会杀死细菌,改变标本的原始结构,从而不能在显微镜下如实研究标本的生命过程.1935年策尼克提出的相衬显微镜,利用相位滤波器将物体的相位变化转换成可以观察到的光的强弱变化.这种转换通常又称为幅相变换. 8.3空间滤波应用 一、策尼克相衬显微镜 P1 P2 P3 P1 P2 P3 如图透明相位物体放在P1面上，其复振幅透过率为 假定相移?1，则可忽略?2及更高级的项，于是复振幅透过率可以写为 P1 P2 P3 物光波实际上可看作两部分，强的直接透射光和由于相位起伏造成的弱衍射光，一个普通的显微镜对上述物体所造成的像，其强度可以写成 * 第八章 空间滤波 空间滤波的目的：是通过有意识地改变像的频谱,使像产生所希望的变换 从本章开始,我们将介绍空间滤波和光学信息处理. 光学信息处理是一个更为宽广的领域,它主要是用光学方法实现对输入信息的各种变换或处理. 空间滤波和光学信息处理的发展历史 1873年阿贝(Abbe)提出二次成像理论.阿贝于1893年、波特(Porter)于 1906年为验证这一理论所做的实验,科学地说明了成像质量与系统传递的空间频谱之间的关系.1935年策尼克(Zenike)提出的相衬显微镜是空间滤波技术早期最成功的应用。 50年代, 艾里亚斯(Elias)及其同事的经典论文《光学和通信理论》和《光学处理的傅里叶方法》为光学信息处理提供了有力的数学工具.60年代由于激光的出现和全息术的重大发展,光学信息处理进入了蓬勃发展的新时期. 1946年杜费(Duffieux)把光学成像系统看作线性滤波器,成功地用傅里叶方法分析成像过程,发表了《傅里叶变换及其在光学中的应用》的著名论著. 8.1 空间滤波的基本原理 8.1.1 阿贝成像理论 P1 P2 P3 阿贝研究显微镜成像问题时,提出了一种不同于几何光学的新观点,他将物看成是不同空间频率信息的集合,相干成像过程分两步完成,如下图所示.第一步是入射光场 经物平面P1发生夫琅禾费衍射,在透镜后焦面P2上形成一系列衍射斑;第二步是各衍射斑作为新的次波源发出球面次波,在像面上互相叠加,形成物体的像.将显微镜成像过 程看成是上述两步成像的过程,是波动光学的观点,后来人们称其为阿贝成像理论.阿贝成像理论不仅用傅里叶变换阐述了显微镜成像的机理,更重要的是首次引入频谱的概念启发人们用改造频谱的手段来改造信息. 阿贝-波特实验是对阿贝成像原理最好的验证和演示.这项实验的一般做法如图所示,用平行相干光束照明一张细丝网格,在成像透镜的后焦面上出现周期性网格的傅里叶频谱,由于这些傅里叶频谱分量的再组合,从而在像平面上再现网格的像.若把各种遮挡物(如光圈、狭缝、小光屏)放在频谱平面上,就能以不同方式改变像的频谱,从而在像平面上得到由改变后的频谱分量重新组合得到的对应的像. 图 (b)是使用一条水平狭缝时透过的频谱, 对应的像如图(c)所示,它只包括网格的垂直结构. 若在焦面上放一个可变光圈,开始时光圈缩小,使得只通过轴上的傅里叶分量,然后逐渐加大光圈,就可以 看到网格的像怎样由傅里叶分量一步步综合出来.如果去掉光圈换上一个小光屏挡住零 级频谱,则可以看到网格像的对比度反转.这些实验以其简单的装置十分明确地演示了阿贝成像原理,对空间滤波的作用给出了直观的说明,为光学信息处理的概念奠定了基础。 如果将狭缝旋转90,则透过的频谱和对应的像如图(d)、图(e)所示。 (e)