光學(xué)教案-5-1課件

§5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理主要內(nèi)容1.阿貝成像原理4.阿貝-波特實(shí)驗(yàn)2.阿貝成像原理的傅里葉描述3.空間濾波與光信息處理5.空間濾波的應(yīng)用(1)平面光波照明下的二次衍射成像

成像光路：以相干平面光波照明下的光柵（正弦光柵）成像為例圖5.1-1相干平面波照明下的二次衍射成像原理Lf'P+qQ0'Q0F'GP-qs'sQ1Q2P0Q1'Q2'Q'5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.1阿貝成像原理兩對共軛平面：位于無限遠(yuǎn)處的光源平面與其共軛像平面——透鏡L的像方焦平面F'，物（光柵）平面G與其共軛像平面Q'。

成像光路：以相干球面光波照明下的光柵（正弦光柵）成像為例

圖5.1-2相干球面波照明下的二次衍射成像原理S'Lss'S1'Q0GS2's'sQ1Q2Q1'Q2'S0ssS2S1SQ'S0'Q0'5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.1阿貝成像原理(2)球面波照明下的二次衍射成像兩對共軛平面：光源平面S與其共軛像平面S'，物平面G與其共軛像平面Q'第二次衍射：從光源的共軛像平面S'到物的共軛像平面Q'——頻譜綜合

光源共軛像平面上的每一點(diǎn)（如S0'、S1'或S2'點(diǎn)）都可以看作為子波源，其所發(fā)出的球面子波在位于遠(yuǎn)場的物的共軛像平面上相干疊加，形成物的共軛像（如Q0'、Q1'和Q2'點(diǎn)）。

說明：光學(xué)系統(tǒng)成像的等光程條件保證了所有自Q0（Q1或Q2）點(diǎn)發(fā)出的具有不同方向的光線均能夠以相同的光程到達(dá)Q0'（Q1'或Q2'）點(diǎn)，從而出現(xiàn)干涉加強(qiáng)。

第一次衍射：從物平面到照明光源的共軛像平面——頻譜分解

透過物體（如Q0、Q1和Q2點(diǎn)）的光波被分解成一系列來自光源平面上不同點(diǎn)（如S0、S1和S2點(diǎn)）的基元球面波，每個(gè)基元球面波經(jīng)透鏡在光源的共軛像平面上以其幾何會(huì)聚點(diǎn)（共軛像點(diǎn)，如S0'、S1'或S2'點(diǎn)）為中心形成一組夫瑯禾費(fèi)衍射。

5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.1阿貝成像原理基本思想：無論是平面波還是球面波照明，二次衍射成像過程實(shí)際上就是光學(xué)系統(tǒng)對透過物體的光波的兩次傅里葉變換過程。

第一次變換：從物平面到照明光源的共軛像平面——頻譜分解

第二次變換：從光源的共軛像平面到物的共軛像平面——頻譜綜合

按照傅里葉變換的循環(huán)性質(zhì)：

負(fù)號(hào)的意義：像相對物在空間反轉(zhuǎn)（倒立）

照明光源共軛像平面的意義：物的頻譜面

5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.2阿貝成像原理的傅里葉描述(1)網(wǎng)格成像實(shí)驗(yàn)裝置

網(wǎng)格：朗琴光柵

正交網(wǎng)格的頻譜：二維點(diǎn)陣狀的夫瑯禾費(fèi)衍射亮斑

一維網(wǎng)格的頻譜：一維點(diǎn)陣狀的夫瑯禾費(fèi)衍射亮斑

圖5.1-3阿貝-波特實(shí)驗(yàn)原理xyLzlxfyfx'y'ssf's'QFQ'5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.4阿貝-波特實(shí)驗(yàn)豎直方向狹縫濾波：得到沿水平方向排列的一維網(wǎng)格像水平方向狹縫濾波：得到沿豎直方向排列的一維網(wǎng)格像

傾斜狹縫濾波：得到沿垂直于狹縫方向排列的一維網(wǎng)格像圖5.1-4正交網(wǎng)格的阿貝-波特實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果豎直方向?yàn)V波像水平方向?yàn)V波像衍射譜45o方向?yàn)V波像輸入網(wǎng)格水平方向?yàn)V波豎直方向?yàn)V波45o方向?yàn)V波5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.4阿貝-波特實(shí)驗(yàn)(2)正交網(wǎng)格濾波0級(jí)濾波：只讓中心0級(jí)通過，網(wǎng)格像消失，像平面上出現(xiàn)均勻光照。

低通濾波：只讓中心少數(shù)衍射亮斑通過，網(wǎng)格像出現(xiàn)，但邊緣較模糊。頻譜面上允許透過的衍射亮斑越多，網(wǎng)格像的邊緣越清晰。

0級(jí)和±1級(jí)濾波：只讓0級(jí)和±1級(jí)衍射亮斑通過，網(wǎng)格像強(qiáng)度呈正弦變化。

高通（反轉(zhuǎn)）濾波：網(wǎng)格像邊緣增強(qiáng)（像的亮暗反轉(zhuǎn)）。

圖5.1-5一維網(wǎng)格經(jīng)不同空間濾波的輸出像（仿真結(jié)果）輸出像狹縫濾波器0級(jí)濾波0級(jí)、±1級(jí)濾波±2級(jí)濾波0,±1,±2級(jí)濾波輸入物5.1阿貝成像原理與空間濾波5光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理5.1.4阿貝-波特實(shí)驗(yàn)(3)一維網(wǎng)格濾波圖5.1-7任意圖像的仿真濾波處理結(jié)果低通輸出輸入圖像高通輸出圖5.1-8黑白圖像的假彩色編碼與解碼（q調(diào)制）原理經(jīng)不同光柵編碼后的圖像白光照射下編碼圖像的頻譜濾波解碼編碼后的圖像5.1阿貝成像原理