阿贝显微镜成像原理46页PPT
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波汇报人：日期:•阿贝成像原理概述•阿贝成像原理基本原理•空间滤波技术介绍目录•空间滤波技术基本原理•阿贝成像原理与空间滤波技术结合应用案例分析01阿贝成像原理概述0102阿贝成像原理定义该原理指出，在理想光学系统中，物像共轭且放大倍数相等时，物像的衍射斑才会相互叠加而形成清晰可辨的像。
阿贝成像原理是德国物理学家恩斯特·阿贝提出的一种光学成像原理，也被称为“阿贝正弦条件”。
随后，阿贝的学生蔡司和肖特等人根据阿贝成像原理，成功研制出了高分辨率的显微镜和望远镜。
随着光学技术和计算机技术的发展，阿贝成像原理在光学设计、图像处理等领域得到了广泛应用。
1873年，恩斯特·阿贝在研究显微镜成像时提出了阿贝成像原理，为光学成像理论奠定了基础。
阿贝成像原理可以用于设计高分辨率的显微镜，提高显微镜的成像质量。
阿贝成像原理可以用于设计高分辨率的望远镜，提高望远镜的观测能力。
阿贝成像原理可以用于设计各种光学仪器，如照相机、摄像机、扫描仪等。
阿贝成像原理可以用于图像处理领域，如提高图像分辨率、降低噪声等。
显微镜望远镜光学仪器图像处理02阿贝成像原理基本原理提供照明，使物体表面反射或发出光线。
光源被观察或成像的物体。
物体将物体发出的光线汇聚到一个焦点上，形成图像。
透镜光学成像系统组成光线从光源发出，经过物体反射或发出后，通过透镜汇聚到一个焦点上，形成图像。
光线传播光线经过透镜后，在焦点上形成倒立的实像或虚像。
成像过程光学成像系统工作原理阿贝成像原理是光学成像系统的基础理论之一。
阿贝成像原理描述了光在物体表面反射和透射的过程，以及光在透镜中传播的规律。
阿贝成像原理为光学成像系统的设计和优化提供了理论支持。
阿贝成像原理与光学成像系统关系03空间滤波技术介绍在光学成像系统中，通过在成像平面放置适当的光学元件（如透镜、光栅等），对入射光进行调制，从而改变光场的空间分布，以达到改善成像质量或提取有用信息的目的。
阿贝成像原理
+∞
∞
∫
E ( x, y )exp[i 2π ( f x x + f y y )]df x df y
像面的光强分布
( x, y )} 2 I ( x′, y′) = (λ f ′) F {E
2 1
( x, y )} 2 = I ( x′, y′) 物面上的光强分布 I ( x, y ) = t ( x0 , y0 ) = F {E (λ f ′) 4
F
S+1
A B C
S0 S-1
阿贝成象原理
2. 像面 上光场的复振幅分布 像面I’上光场的复振幅分布 光波从焦面F’到象面 到象面I’的传播 光波从焦面 到象面 的传播 如：显微系统
+∞
菲涅耳衍射积分
远场
物镜焦面上光场分布函数的傅里叶变 物镜焦面上光场分布函数的傅里叶变换
E ( x ', y ') = ∫
CH 6-4
阿贝成像原理
Abbe imaging principle
6.4 阿贝成像原理
阿贝（Abbe，1840－1905）研究如何提高显微镜的分 阿贝（ ， － ） 辨本领问题—1873 年对相干光照明的物体提出了两步 辨本领问题 衍射成像原理。 衍射成像原理。
L
O
1
F
S+1 S0 S-1
I’ C’ B’ A’
2 1
当透镜孔径为无限大时－－物面的所有频谱都参与综合成像 当透镜孔径为无限大时－－物面的所有频谱都参与综合成像 当透镜孔径为无限大时－－ －－物面与像面对应点光强之比为常数－－两者的光强分布完全 物面与像面对应点光强之比为常数－－ －－物面与像面对应点光强之比为常数－－两者的光强分布完全 相同－－ 物与像几何相似 相同 实际透镜的口径有限－－物函数所含有的频率超过一定限度的信 实际透镜的口径有限－－ 实际透镜的口径有限－－物函数所含有的频率超过一定限度的信 －－因衍射角过大而失去高频成分的信息再综合到一起时像 息－－因衍射角过大而失去高频成分的信息再综合到一起时像 的细节被“平滑”而变模糊－－ －－棱角不分明 的细节被“平滑”而变模糊－－棱角不分明 提高系统的成像质量：应扩大透镜的口径 减少高频信息的损失 提高系统的成像质量： 提高系统的成像质量 应扩大透镜的口径－减少高频信息的损失
阿贝成像原理和空间滤波
随着光学材料的发展，新型的光学材料如光子晶体、超材料等有 望为空间滤波技术带来突破。
数字空间滤波技术
数字空间滤波器通过数字信号处理技术实现，具有更高的灵活性和 可调性。
多模态和多维成像技术
结合不同模态的成像信息和多维度的空间滤波技术，有望提高成像 的分辨率和深度信息。
阿贝成像和空间滤波的前沿研究
阿贝成像与空间滤波在理论上是相辅相成的，阿贝成像关注物像对应关系，而空间 滤波则通过引入外部干预来优化图像。
阿贝成像与空间滤波在光学系统中的应用
在光学系统中，阿贝成像原理指导我 们如何构建高质量的成像系统，而空 间滤波则可以用来校正系统误差、抑 制噪声和提高图像分辨率。
通过结合阿贝成像和空间滤波，我们 可以获得更清晰、更准确的图像，从 而提高光学系统的性能。
1 2
超分辨成像技术
通过突破光学衍射极限，实现更高分辨率的成像 。
深度学习在空间滤波中的应用
利用深度学习算法对图像进行自适应滤波，提高 图像质量。
3
多焦点成像和空间滤波
通过多焦点成像技术，实现多焦点之间的空间滤 波和图像融合。
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阿贝成像原理和空间滤波
汇报人： 2024-01-10
目录
• 阿贝成像原理概述 • 空间滤波原理 • 阿贝成像与空间滤波的结合 • 阿贝成像和空间滤波的实验演
示 • 阿贝成Leabharlann 和空间滤波的未来发展01
阿贝成像原理概述
阿贝简介
阿贝（Abbe）是19世纪德国物理学家和数学家，他提出了 阿贝成像原理，奠定了显微镜和望远镜等光学仪器成像的理 论基础。
阿贝成像与空间滤波在图像处理中的优势
阿贝成像确保了图像的几何精度和物像对应关系，而空间滤波则能够改善图像的视觉效果和特征提取 。
阿贝显微镜成像原理
二、阿贝成像原理
任何衍射物体均可看作是一系列光栅的 线性组合，因此上述对余弦光栅的讨论结果可 以推广至任何物体。对于衍射屏，可以用 Fourier变换将其展开为Fourier级数（周期性函 周期函数t ( x)展开为复数形式的 Fourier 级数 数）或Fourier积分（非周期性函数）。
~ t ( x) tn ei 2f n x
x
x
物、像间等光程，即 BS1 B' BS0 B' BS1 B' 则 x '2 y '2 x '2 y '2 k BS0 B' k BS1 B' 2z 2z x '2 y '2 ( x' , y ' ) k BS1 B' 2z
一、夫琅和费光栅衍射的傅里叶频谱分 析
理论上，当光源和观察点均距物体无穷远时发 生的衍射称为夫琅和费衍射。实际上，若光源和观 察点均离主轴非常近（即满足“傍轴条件”），在 与通光孔平面平行的某平面上也可以观察到夫琅和 费衍射。 1．空间频率的概念 在空间上也可以定义周期和频率，空间周期d的 倒数就是空间频率，即
~ 以U 1 ( x )函数为例，在波矢量 2 k 2f d 衍射角正弦函数
1 x
间中，沿x方向的波矢长度为
sin 1
kx 1 2f 1 f k 2
透射波实际变为三列波 ~ 0 级波：U 0 ( x) A1t0
sin 0 0 sin 1 fபைடு நூலகம் sin 1 f
既然电子显微镜的成像原理与光学显 微镜极其相似，我们先偏离一下主题， 用一种新的方式考察一下光学成像的原 理，以便更好地理解电子显微镜的各种 实验技术。
5-02阿贝成像原理与相衬显微镜
• 以正弦光栅的成像说明阿贝成像原理
正弦光栅被正入射的平面 光照明而发出的物光波
UO (x, y) A1(t0 t1 cos 2 fx)
物光波实际上包含 三级平面波
UO (x)
A1t0
1 2
A1t1
ei 2
fx
• 针对这一特点，可以通过相移的方式增大图像的反衬度。
21
相移的原理
• 样品的屏函数为
t (x, y) ei(x,y)
• 即在样品平面处，相位因子各不相同
• 平面光照射样品，物平面发出的物光波为
Uo (x,
y)
A1t
(x,
y)
A ei(x, y) 1
A1 (1
i
2
2!
i 3
t0
t1 2
[exp(
i2
V
fx)
exp(
i2
V
fx)]}
像光波
UI (x, y)
A1 ei (x, y) (t0
t1 cos 2
f V
x)
物光波 U~O (x, y) A1(t0 t1 cos 2fx)
像平面光波与物平面光波是相似的，即两者是物像关系
空间频率：f→f/V，表示像的几何放大或缩小。 像质的反衬度：交流部分与直流部分的比值。反衬度不变
)
A1 (ei
11 i
2
2!
i 3
3!
) A1[(ei 1) ei ]
I A12 (ei 1 ei )(ei 1 ei )
实验一 特殊显微镜的工作原理和使用(共46张PPT)
5、 荧光强度取决于激发光强度、被检物浓度、 荧光效率
荧光的产生
➢ 一次荧光：又叫自发荧光或固有荧光，经过紫外光照射直接 发出荧光。
➢ 二次荧光：又叫继发荧光，被观察物体经过荧光染料处理之后，经 过紫外光照射才能发出荧光。
➢ 荧光染料种类很多：
荧光显微镜原理
➢ 荧光显微镜利用一个高发光效率的点光源，经过滤 色系统发出一定波长的光(如波长短的紫外光 365nm或紫蓝光420nm)作为激发光、激发标本内 的荧光物质发射出各种不同颜色的荧光后，再通过 物镜和目镜的放大进行观察。
➢ 暗视场显微镜就是利用此原理设计的。
丁达尔现象
➢ 暗视场显微镜是在普通光学显微镜中去除明视场聚光器，换上 一个暗视场聚光器而成。
➢ 它的结构特点主要是使用中央遮光板或暗视场聚光器，常用的 是抛物面聚光器，使光源的中央光束被阻挡,不能由下而上地通 过标本进入物镜。从而使光线改变途径，倾斜地照射在观察的 标本上。
➢ 特殊显微镜是与明视场普通显微镜相对而 言，在成像原理、结构和用途上存在差异 的显微镜。
➢ 这里介绍： 1、暗视场显微镜 2、相差显微镜 3、荧光显微镜
一、 暗视场显微镜
应用：微小粒子、细菌形 态、细菌记数，透明标 本观察等。
(一) 原理和结构特点
➢ 在日常生活中，室内飞扬的微粒灰尘是不 易被看见的，但在暗的房间中若有一束光 线从门缝斜射进来，灰尘便粒粒可见了， 这是光学上的丁达尔现象。
要求与注意事项
➢ (1)制作标本时所用的载玻片和盖玻片均应清洁干净，必须使用薄玻片(载玻片厚度约 1.O～1.1mm，盖玻片厚度约0.1mm)，否则会影响暗视野集光器斜射光焦点的调节， 如载玻片太厚，焦点只能落在载玻片内，就不能看到物像。标本也不能过厚。
简述阿贝成像原理
简述阿贝成像原理
阿贝成像原理是一种用于表征人类可视物体表面形状信息和光
照信息的方法，是一种便捷、有效的成像技术。
它是由英国艺术家兼成像专家约翰阿贝于20世纪50年代创立的。
阿贝成像原理的基本原理是：成像系统中所有的色阶从最灰色的开始，通过一系列灰度过程，到达平直的最高灰度。
这样，可视物体的表面形状和光照信息就可以被完美捕捉并重现。
阿贝成像原理的实现主要依赖于两个技术：一是利用三维扫描器来扫描可视物体；二是利用光学计算来确定灰度形状信息。
接着，即可使用成像技术来实现阿贝成像原理。
首先，操作者需要在三维空间中对物体进行扫描，确定物体的表面形状及其曲面深度。
其次，操作者需要使用光学计算技术来确定灰度形状信息，从而将表面的形状信息与灰度灯的光强度结合起来。
最后，操作者可以利用成像技术来实现阿贝成像原理，并在屏幕上显示出最终的三维形象。
而基于阿贝成像原理的成像技术在现代艺术和工业设计领域中
有着重要的应用。
首先，由于可以使突出物体表面形状和光照信息，因此它的实现可以使美术作品表现更加逼真和真实。
其次，它的应用还可以用于工业设计，其中可以使设计者更好地发现产品的缺陷和特殊性。
总的来说，阿贝成像原理具有可视性强、实用性高以及成像技术可以更好地发挥的特点。
它的应用领域也有着广泛的发展，在艺术和
工业设计等领域都有着重要的应用。
正是凭借这些特点，阿贝成像原理得到了广泛的认可。
阿贝成像原理
阿贝成像原理
Abbe imaging principle
6.4 阿贝成像原理
阿贝（Abbe，1840－1905）研究如何提高显微镜的分 辨本领问题—1873 年对相干光照明的物体提出了两步 衍射成像原理。
L
O
1
F
S+1
I’ C’ B’ A’
1
A B C
S0 S-1
阿贝成象原理
2
通过衍射屏的光发生夫 琅禾费衍射，在透镜后 焦平面上得到傅里叶频 谱 (S+1, S0, S-1)
E ( x ', y ')
E( x, y)exp[i2 ( f
f x' x' d
x
' x f y ' y)]dxdy
y' d
f y'
牛顿放大率公式
x' d y' d , x f' y f'
d d x ' x, y ' y f' f'
E ( x ', y ') ( f ')
2
E( x, y)exp[i2 ( f x f
x
y
y)]df xdf y
像面的光强分布
I ( x, y) ( f ) F {E ( x, y)}
2 1
2
I ( x, y) 物面上的光强分布 I ( x, y) t ( x0 , y0 ) F {E ( x, y)} ( f )4
傅 里 叶 光 学 观 点
1. 透镜后焦面上光场分布
物光波的 付氏变换
阿贝显微镜成像原理
~( x, y) t ( x, y) exp[i ( x, y)] t t
t ( x, y) 屏函数的模。模为常数的衍射屏称为位相型
的 ，如透镜、棱镜等。
t ( x, y) 屏函数的幅角即位相。幅角为常数的衍射屏称
为振幅型的 ，如单缝、圆孔等。
3．余弦光栅的傅立叶变换 平行光正入射，余弦光栅的屏函数为
1 f d
f 称为空间频率。
பைடு நூலகம்
d 空间周期： x , d y f 空间频率： x , f y
2、衍射系统的屏函数
• 能使波前的复振 幅发生改变的物， 统称为衍射屏。 • 衍射屏将波的空 间分为前场和后 场两部分。前场 为照明空间，后 场为衍射空间。
• 波在衍射屏的前后表面处的复振幅分别称为 入射场、透射场（或反射场），接收屏上的 复振幅为接收场。
二、阿贝成像原理
任何衍射物体均可看作是一系列光栅的 线性组合，因此上述对余弦光栅的讨论结果可 以推广至任何物体。对于衍射屏，可以用 Fourier变换将其展开为Fourier级数（周期性函 周期函数t ( x)展开为复数形式的 Fourier 级数 数）或Fourier积分（非周期性函数）。
~ t ( x) tn ei 2f n x
既然电子显微镜的成像原理与光学显 微镜极其相似，我们先偏离一下主题， 用一种新的方式考察一下光学成像的原 理，以便更好地理解电子显微镜的各种 实验技术。
阿贝显微镜成像原理
Ernst Karl Abbe (1840 - 1905)，德国物理学家。1840 年 1月23日生于爱森纳赫。他的父亲是纺纱工人，家境贫 困,阿贝靠别人资助才得以上中学和大学，于1861年在耶 拿大学获得博士学位。1863年在耶拿大学担任数学、物 理学和天文学讲师，1876年任教授。1866年与C.蔡司合作 研制光学仪器。这一合作有力地促进了德国光学工业的 发展。阿贝后来还做了蔡司工厂的负责人。1905年1月14 日在耶拿逝世。 以显微镜为中心，阿贝在光学仪器的光具组理论上， 做出了两项重要贡献：一是几何光学的“正弦条件”,确 定了可见光波段上显微镜分辨本领的极限，为迄今光学 设计的基本依据之一；二是波动光学的显微镜二次衍射 成像理论——阿贝成像原理，把物面视为复合的衍射光 栅，在相干光照明下，由物面二次衍射成像。A.B.波特 1906年从实验证明了这理论。这理论在近年以激光为实 验条件的光学变换理论中成为基础理论之一。 在光学元件和仪器方面，他在1867年制成测焦计， 1869年制成阿贝折射计及快速测定玻璃色散的分光仪。 1870年后，又制成数值孔径计 、高度计和比长仪等； 1879年与O.肖托合作，研制成可用于整个可见光区的复消 色差镜头。阿贝对天文学有很大兴趣，在他从事光学仪 器的研究和设计中也改进了不少天文观察仪器，如棱镜 望远镜和立体测远计等。
阿贝成像原理
目录摘要 (2)Abstract (3)第一章绪论 (5)1.1 阿贝成像的发现和其对光学信息处理的影响 (5)1.2 阿贝成像理论在教学中的推广 (6)1.3 阿贝成像理论在工程设计领域中的推广 (6)第二章阿贝成像原理与空间滤波 (7)2.1 二维傅里叶变换 (7)2.2 光学傅里叶变换 (8)2.3 阿贝成像原理 (8)2.4 空间频谱 (11)2.5 空间滤波与阿贝- 波特实验 (11)图 2.9 像面图象第三章阿贝成像原理与空间滤波实验设计. (13)第三章阿贝成像原理与空间滤波实验设计. (14)3.1 相干图像处理的4F 光学系统 (14)3.2 相干光源的成像与滤波系统 (14)3.3 非相干光源的成像与滤波系统 (15)3.4 实验结果与讨论 (16)第四章结论与展望 (17)谢辞. (18)参考文献 (19)摘要阿贝成像原理是在透镜后焦面上得到光场空间频率分布的傅里叶变换，成像又是一次逆变换的过程，这种变换可由傅里叶变换（FFT）轻松实现。
利用阿贝一波特实验装置和空间滤波系统，从改变频谱入手改造一幅光学图像，可以进行光学信息处理。
本文在此基础上，用Matlab的计算及图像可视化功能完成阿贝一波特实验的物理模型的构建并进行计算机模拟，从而实现数字图像的处理在介绍阿贝—波特空间滤波实验原理基础上，给出了实验仿真中几个关键的数字图像处理函数。
’仿真结果表明，此方式较好地完成了滤波成像仿真，是计算机辅助实验的一个可行途径。
关键词：阿贝成像原理空间滤波数字图像处理MATLAB 仿真AbstractAbbe imaging principle is Fourier which in the focal plane obtains the light field complex amplitude distribution after the lens transforms, and forms image also is a Fourier inverse transformation, this kind of transformation may be transformed by fast Fourier (FFT) and be relaxed realization. Use the Abbe - baud experiment device and the spatial filtering systems, from the change frequency spectrum transforms an opticspicture and carries on optics information processing.In this foundation, I complete the Abbe- baud experiment in the Matlab environment the physical model to construct and to carry on the computer simulation, thus realization digital image processing.In this paper I talk about how to simulate Abbe - Baud spatial filtering experiment based on MATLAB. The principle of the experiment is introduced at first . Then some functions of Digital Image processing are presented. Finally, the thesis discusseshow to implement the filtering experiment by low pass filters, high pass filters and band pass filters etc. In frequency domain. The results shows that the experiment can be emulated wellin this way and the method is feasible and effective for computer aided experiment in Optical Laboratory Course.Key words : Abbe imaging principle; spatial filtering; Digital picture processing ；MATLAB第一章绪论1.1 阿贝成像的发现和其对光学信息处理的影响1873年，阿贝(E. Abbe, 1840—1905)在德国蔡司光学器械公司研究如何提高显微镜的分辨本领问题时，就认识到相干成像原理。