現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)第六章

1、第六章第六章 空間濾波空間濾波介紹空間濾波原理及其應(yīng)介紹空間濾波原理及其應(yīng)用用主主 講：徐世祥講：徐世祥 空間濾波的基本原理空間濾波的基本原理; 阿貝成像理論和實(shí)驗(yàn)阿貝成像理論和實(shí)驗(yàn); 典型的空間濾波系統(tǒng)典型的空間濾波系統(tǒng) 4 f 系統(tǒng)系統(tǒng); 空間頻率的傅立葉分析空間頻率的傅立葉分析; 空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型.本章主要內(nèi)容：本章主要內(nèi)容：本章重點(diǎn)是空間濾波的基本原理及其結(jié)構(gòu)類型，這是要求學(xué)本章重點(diǎn)是空間濾波的基本原理及其結(jié)構(gòu)類型，這是要求學(xué)生掌握的。生掌握的。本章的教學(xué)目的與要求：本章的教學(xué)目的與要求： 空間濾波是指在光學(xué)系統(tǒng)的傅立葉頻譜面上放置適當(dāng)?shù)臑V波空間濾波是指在光學(xué)系

2、統(tǒng)的傅立葉頻譜面上放置適當(dāng)?shù)臑V波器，以改變光波的頻譜結(jié)構(gòu)，使所得像按照人們的要求得到器，以改變光波的頻譜結(jié)構(gòu)，使所得像按照人們的要求得到預(yù)期的改善。預(yù)期的改善。 空間濾波是光信息處理的重要手段之一?？臻g濾波是光信息處理的重要手段之一。什么是空間濾波？什么是空間濾波？透鏡的成像過程分為兩步：透鏡的成像過程分為兩步： 物光波經(jīng)過透鏡在后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射，形成頻譜物光波經(jīng)過透鏡在后焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射，形成頻譜第一次衍射像；第一次衍射像； 頻譜作為次波源發(fā)出次波在像平面上干涉形成物的像形成頻譜作為次波源發(fā)出次波在像平面上干涉形成物的像形成第二次衍射像。第二次衍射像。空間濾波的基本原理空間濾波

3、的基本原理1 1 阿貝成像理論阿貝成像理論阿貝二次衍射成像阿貝二次衍射成像2 2 阿貝波特實(shí)驗(yàn)阿貝波特實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格頻譜照片網(wǎng)格頻譜照片像的照片像的照片實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置 不濾波，在像面上得到原來物的像。不濾波，在像面上得到原來物的像。網(wǎng)格頻譜照片網(wǎng)格頻譜照片像的照片像的照片實(shí)驗(yàn)裝置（準(zhǔn)直的相干光照實(shí)驗(yàn)裝置（準(zhǔn)直的相干光照明，方向平行光軸）明，方向平行光軸） 水平空間頻譜通過得到豎直分布的條紋。水平空間頻譜通過得到豎直分布的條紋。譜面上的空間頻譜分布特性譜面上的空間頻譜分布特性頻率特性：頻率特性：位于中心（在光軸上）處所對(duì)應(yīng)的中心頻率位于中心（在光軸上）處所對(duì)應(yīng)的中心頻率為零，離開中心越遠(yuǎn)，空間頻率越

4、高。為零，離開中心越遠(yuǎn)，空間頻率越高。方向特性：方向特性：如果物體具有線狀結(jié)構(gòu)，則功率譜是沿著與如果物體具有線狀結(jié)構(gòu)，則功率譜是沿著與此線狀結(jié)構(gòu)相垂直的方向分布的。線狀結(jié)構(gòu)越密集，則此線狀結(jié)構(gòu)相垂直的方向分布的。線狀結(jié)構(gòu)越密集，則在沿與此線狀結(jié)構(gòu)相垂直的方向上分布的頻譜延伸得越在沿與此線狀結(jié)構(gòu)相垂直的方向上分布的頻譜延伸得越遠(yuǎn)，反之亦然。遠(yuǎn)，反之亦然。對(duì)稱特性：對(duì)稱特性：光學(xué)圖像通?？梢杂脤?shí)函數(shù)表示，故其頻譜光學(xué)圖像通?？梢杂脤?shí)函數(shù)表示，故其頻譜函數(shù)具有厄米特性，即函數(shù)具有厄米特性，即F(fx, fy)=F*( fx, fy)。于是。于是 |F(fx, fy) | 2 = | F*( fx,

5、fy)|2= | F ( fx, fy)|2 功率譜分布呈中心對(duì)稱。功率譜分布呈中心對(duì)稱。像和系統(tǒng)傳遞的空間頻譜像和系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；像和物的相似程度完全取像和物的相似程度完全取決于物體有多少頻率成分決于物體有多少頻率成分能被系統(tǒng)傳遞到像面；能被系統(tǒng)傳遞到像面；在頻譜面上放置狹縫、小在頻譜面上放置狹縫、小孔等光闌改變透射的頻譜，孔等光闌改變透射的頻譜，則輸出像的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變則輸出像的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化?；?。 空間頻率濾波系統(tǒng)利用透鏡的傅立葉變換特性，在物體的空間頻率濾波系統(tǒng)利用透鏡的傅立葉變換特性，在物體的頻譜面上加入適當(dāng)?shù)臑V波器，借以改變物的頻譜，

6、最終使頻譜面上加入適當(dāng)?shù)臑V波器，借以改變物的頻譜，最終使物圖像達(dá)到期望的變化。物圖像達(dá)到期望的變化。 空間濾波系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)，空間濾波系統(tǒng)有多種結(jié)構(gòu)，4f系統(tǒng)是最典型的一種相干光系統(tǒng)是最典型的一種相干光處理系統(tǒng)。處理系統(tǒng)。3 空間頻率濾波系統(tǒng)空間頻率濾波系統(tǒng)4 f系統(tǒng)系統(tǒng) 目的：目的：以一維光柵為例，用傅立葉分析方法來分析空間濾波以一維光柵為例，用傅立葉分析方法來分析空間濾波過程。過程。理解改變系統(tǒng)透射頻譜對(duì)像結(jié)構(gòu)的改變。理解改變系統(tǒng)透射頻譜對(duì)像結(jié)構(gòu)的改變。4 空間頻率的傅立葉分析空間頻率的傅立葉分析l一維光柵物體：一維光柵物體：l物體的頻譜：物體的頻譜：1111111()()*()()()(

7、)mxxxfxrectcombrectaddbxmdxrectrectab1()()sin ()sinxxmFff xabmamcc bfddd 討論在頻譜面討論在頻譜面P2上放置不同的濾波器時(shí)，在上放置不同的濾波器時(shí)，在P3輸出面上的輸出面上的像結(jié)構(gòu)變化：像結(jié)構(gòu)變化：l狹縫濾波器只通過狹縫濾波器只通過0級(jí)譜。濾波函數(shù)：級(jí)譜。濾波函數(shù)：濾波后的譜：濾波后的譜：輸出像：輸出像：()()sinxxxabF fH fc bfd3xarectdb狹縫濾波器只通過狹縫濾波器只通過0 0級(jí)、正、負(fù)一級(jí)譜通過。級(jí)、正、負(fù)一級(jí)譜通過。濾 波 后濾 波 后的譜：的譜：輸出像：輸出像：濾波函數(shù)：濾波函數(shù)：1sin

8、sinsin1sinsinxxxabac bfcc b fdddabacc b fddd3321 2incosxxaarectcdbdd濾波后的譜：濾波后的譜：輸出像：輸出像：雙狹縫濾波器，只通過正、雙狹縫濾波器，只通過正、負(fù)二級(jí)譜。濾波函數(shù)：負(fù)二級(jí)譜。濾波函數(shù)：222sinsinsinxxabacc b fc b fdddd33422sincosxxaacrectddbd小圓屏濾波器，不通過小圓屏濾波器，不通過0 0級(jí)譜，其余頻譜全部通過級(jí)譜，其余頻譜全部通過/ 2ad濾波后的譜：濾波后的譜：1()sinxabf xc bfd輸出像：輸出像：( )()()()()()()/ 2( )()()

9、1()2mmmaxf xrectdbxxmdaxrectrectrectbadbxxmdarectrectbadadaxxf xrectrectdbbxmdrecta=當(dāng)時(shí)濾波后的譜：濾波后的譜：1()sinxabfxc bfd輸出像：輸出像：3333()()()()mxaf xrectdbxxmdarectrectbad/ 2ad空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型和應(yīng)用舉例空間濾波器的結(jié)構(gòu)類型和應(yīng)用舉例),(),(),(yxffiyxyxeffAffH 濾波函數(shù)一般是復(fù)函數(shù)：濾波函數(shù)一般是復(fù)函數(shù)：振幅濾波器：振幅濾波器： 僅改變各頻率成分的相對(duì)振幅分布，而不改變其位

10、相僅改變各頻率成分的相對(duì)振幅分布，而不改變其位相分布；分布； 濾波函數(shù)值可在濾波函數(shù)值可在01范圍內(nèi)連續(xù)變化；范圍內(nèi)連續(xù)變化； 按一定函數(shù)控制底片的曝光量分布或在玻璃片基上鍍按一定函數(shù)控制底片的曝光量分布或在玻璃片基上鍍膜來制作。膜來制作。位相濾波器：位相濾波器： 僅改變各頻率成分的相對(duì)位相分布，而不改變其振僅改變各頻率成分的相對(duì)位相分布，而不改變其振幅分布；幅分布； 濾波函數(shù)可僅用純虛數(shù)表示；濾波函數(shù)可僅用純虛數(shù)表示； 采用鍍膜時(shí)控制膜層厚度來制作位相濾波器；制作采用鍍膜時(shí)控制膜層厚度來制作位相濾波器；制作連續(xù)位相變化的位相濾波器比較困難。連續(xù)位相變化的位相濾波器比較困難。),(0),(yx

11、ffiyxeAffH復(fù)數(shù)濾波器：復(fù)數(shù)濾波器： 這種濾波器對(duì)各種頻率成分的振幅和位相都同時(shí)起這種濾波器對(duì)各種頻率成分的振幅和位相都同時(shí)起調(diào)制作用；調(diào)制作用； 濾波函數(shù)是復(fù)函數(shù)；濾波函數(shù)是復(fù)函數(shù)； 可用全息照相或計(jì)算全息的方法制作復(fù)數(shù)濾波器?？捎萌⒄障嗷蛴?jì)算全息的方法制作復(fù)數(shù)濾波器。二元濾波器：二元濾波器： 濾波函數(shù)值取濾波函數(shù)值取0或或1?？煞譃榈屯V波器、高通濾波器、?？煞譃榈屯V波器、高通濾波器、帶通濾波器和方向?yàn)V波器。帶通濾波器和方向?yàn)V波器。低通濾波低通濾波器器高通濾波高通濾波器器帶通濾波帶通濾波器器方向?yàn)V波方向?yàn)V波器器 澤尼克相襯顯微術(shù)澤尼克相襯顯微術(shù)：將位相物變成空間調(diào)制。：將位相物

12、變成空間調(diào)制。 方法方法是在物的頻譜面上放一變相板改變本底光和衍射光是在物的頻譜面上放一變相板改變本底光和衍射光的位相關(guān)系和幅度比例。的位相關(guān)系和幅度比例。 位相型物體位相型物體不改變?nèi)肷涔獾恼穹瑑H因厚度或折射不改變?nèi)肷涔獾恼穹?，僅因厚度或折射率變換改變?nèi)肷涔獾奈幌喾植?。如：生物切片、未染色率變換改變?nèi)肷涔獾奈幌喾植肌Ｈ纾荷锴衅?、未染色的?xì)菌等；的細(xì)菌等； 位相物體的復(fù)透過率：位相物體的復(fù)透過率：空間濾波器的應(yīng)用舉例空間濾波器的應(yīng)用舉例),(1111),(yxieyx如果如果 （x1, y1）1, 有有1111( ,)1( ,)x yix y 于是光經(jīng)過相位物后強(qiáng)度變化為于是光經(jīng)過相位物后

13、強(qiáng)度變化為22111111( ,)1( ,)1( ,)I x yix yx y 第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，第二項(xiàng)為衍射項(xiàng)。n 一般顯微鏡看不到衍射光：由于它與很強(qiáng)的本底之間存在一般顯微鏡看不到衍射光：由于它與很強(qiáng)的本底之間存在 2 2的位相差。的位相差。n 如果能夠改變本底與弱衍射光之間的這種值相互正交關(guān)系，如果能夠改變本底與弱衍射光之間的這種值相互正交關(guān)系，那么兩項(xiàng)間就會(huì)直接疊加發(fā)生干涉，產(chǎn)生可觀察的強(qiáng)度變化。那么兩項(xiàng)間就會(huì)直接疊加發(fā)生干涉，產(chǎn)生可觀察的強(qiáng)度變化。n 方法方法：在頻譜面上放一塊變相板改變被聚焦的本底光和衍：在頻譜面上放一塊變相板改變被聚焦的本底光和衍射光之間的位相關(guān)系，同時(shí)使本底光的強(qiáng)

14、度作適當(dāng)?shù)乃p。射光之間的位相關(guān)系，同時(shí)使本底光的強(qiáng)度作適當(dāng)?shù)乃p。n 材料：在優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃平板的中心淀積一層透明材料而成，材料：在優(yōu)質(zhì)光學(xué)玻璃平板的中心淀積一層透明材料而成，實(shí)際就是一個(gè)實(shí)際就是一個(gè)位相濾波器位相濾波器，其濾波函數(shù)為：，其濾波函數(shù)為：,0,1,01xyxyitffHffelset而且濾波后的頻譜：濾波后的頻譜：11( ,),xyxyxyx yHffitffiff 像平面上的復(fù)振幅為：像平面上的復(fù)振幅為：1 1）本底被衰減；）本底被衰減；2 2）本底與衍射光同相位，可以產(chǎn)生干涉。）本底與衍射光同相位，可以產(chǎn)生干涉。22,2,itix yttx y,g x yitix y 強(qiáng)度分

15、布強(qiáng)度分布p補(bǔ)償濾波器補(bǔ)償濾波器：改變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提高成像質(zhì)量。：改變系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，提高成像質(zhì)量。 方法方法是在物的頻譜面上放一適當(dāng)?shù)臑V波器，使補(bǔ)償后的是在物的頻譜面上放一適當(dāng)?shù)臑V波器，使補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)更加均勻。傳遞函數(shù)更加均勻?？偸窍Ｍ汗鈱W(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)盡量均勻?？偸窍Ｍ汗鈱W(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)盡量均勻。例如光學(xué)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)為例如光學(xué)系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)函數(shù)為d為圓形光斑直徑，光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為為圓形光斑直徑，光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為 為極坐標(biāo)下的空間頻率變量。為極坐標(biāo)下的空間頻率變量。 /2rh rcircd 12()JdHd吸收板和退相板組合吸收板和退相板組合補(bǔ)償前后的傳遞函

16、數(shù)補(bǔ)償前后的傳遞函數(shù)補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)明顯比補(bǔ)償前均勻，改善了光束質(zhì)量。補(bǔ)償后的傳遞函數(shù)明顯比補(bǔ)償前均勻，改善了光束質(zhì)量。p壓制或提取周期信息：壓制或提取周期信息：消除或者提取某些空間頻率信息消除或者提取某些空間頻率信息（制版和排版、電視圖象中的周期性噪聲消除等）。（制版和排版、電視圖象中的周期性噪聲消除等）。p 改善光束質(zhì)量改善光束質(zhì)量(空間濾波與中繼成像空間濾波與中繼成像)。ffff濾波器濾波器消除光束中小尺寸光斑，減少系統(tǒng)光束的有效傳輸距離。消除光束中小尺寸光斑，減少系統(tǒng)光束的有效傳輸距離。暗場(chǎng)法和紋影法暗場(chǎng)法和紋影法暗場(chǎng)法：暗場(chǎng)法：濾掉位相物的零頻分量，使像面上的場(chǎng)復(fù)振幅分布濾掉位相物的

17、零頻分量，使像面上的場(chǎng)復(fù)振幅分布發(fā)生變化，發(fā)生變化，出現(xiàn)位相物體的信息對(duì)強(qiáng)度的調(diào)制出現(xiàn)位相物體的信息對(duì)強(qiáng)度的調(diào)制。 位相物體的復(fù)透過率：位相物體的復(fù)透過率：11(,)111111( ,)1( ,), ( ,)1ix yx yeix yx y 于是光經(jīng)過相位物后光場(chǎng)變化為于是光經(jīng)過相位物后光場(chǎng)變化為111111( ,)1( ,)1( ,),U x yx yix y 單色單位平面波照明。在頻譜面上形成零頻分量在頻譜面上形成零頻分量在頻譜面上形成高頻分量在頻譜面上形成高頻分量在頻譜面上用濾波器擋掉零頻分量而讓其它頻譜分量透過。在頻譜面上用濾波器擋掉零頻分量而讓其它頻譜分量透過。像的強(qiáng)度分布變?yōu)橄竦膹?qiáng)

18、度分布變?yōu)橄辔蛔兓兿辔蛔兓優(yōu)閺?qiáng)度變化為強(qiáng)度變化去掉了背底，強(qiáng)度變化與位相平方成正比。去掉了背底，強(qiáng)度變化與位相平方成正比。223333332211(,)1,1,xyxyI xyiMMMMMM紋影法紋影法：在成像透鏡：在成像透鏡L L的后焦面上，在透鏡軸線處加一個(gè)刀的后焦面上，在透鏡軸線處加一個(gè)刀口作為濾波器，以阻擋一半衍射光，將口作為濾波器，以阻擋一半衍射光，將相位物的信息轉(zhuǎn)化為相位物的信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度強(qiáng)度。11(,)111122( ,)1( ,),1 sgn()(,)2ix yyU x yeix yfxy 單色單位平面波照明。濾波器的濾波函數(shù)為： 紋影法應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量氣流密度紋影法應(yīng)用于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)量氣流密度