大学物理实验阿贝成像原理与空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波实验报告
阿贝成像原理和空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波实验报告引言：阿贝成像原理是一种常用于光学显微镜的成像原理，它通过对样本的光学信息进行收集和处理，使我们能够观察到微小的细胞结构和微生物。
而空间滤波则是一种用于图像处理的技术，通过对图像的频谱进行调整，可以改善图像的质量和细节。
实验目的：本实验旨在通过阿贝成像原理和空间滤波技术，对显微镜下的样本进行观察和图像处理，以提高图像的清晰度和对细节的分辨。
实验器材：1. 光学显微镜：用于观察样本。
2. 样本：可选择植物组织或昆虫标本等。
3. 数字相机：用于拍摄显微镜下的图像。
4. 图像处理软件：用于对图像进行空间滤波处理。
实验步骤：1. 准备样本：选择一片植物组织或昆虫标本，将其放置在显微镜的载物台上。
2. 调整显微镜：使用显微镜的目镜和物镜，调整焦距和放大倍数，以获得清晰的图像。
3. 观察样本：通过显微镜的目镜观察样本，调整物镜的焦距和位置，以获得最佳的观察效果。
4. 拍摄图像：将数字相机与显微镜相连，通过相机拍摄显微镜下的图像，保存为数字图像文件。
5. 图像处理：将保存的数字图像文件导入图像处理软件中，使用空间滤波技术对图像进行处理，以提高图像的质量和细节。
6. 比较结果：将处理后的图像与原始图像进行比较，观察处理效果的差异。
实验结果：经过空间滤波处理后，图像的清晰度和细节得到了明显的改善。
原始图像中模糊的细胞结构和微生物轮廓变得更加清晰可见，细胞核和细胞器的形状和位置也更加明确。
此外，空间滤波还能够去除图像中的噪声和干扰，使得图像的背景更加干净和均匀。
讨论与分析：阿贝成像原理和空间滤波技术的应用使得显微镜成像的质量得到了显著提高。
阿贝成像原理通过改变物镜的焦距和位置，使得样本的光学信息能够被有效地收集和放大，从而获得清晰的图像。
而空间滤波技术则通过调整图像的频谱，去除噪声和干扰，提高图像的质量和细节。
这两种技术的结合应用，使得我们能够更好地观察和研究微小的细胞结构和微生物。
阿贝成像与空间滤波实验
课程名称：物理光学实验实验名称：阿贝成像与空间滤波实验图1 阿贝成像原理示意图像和物不可能完全一样，这是由于透镜的孔径是有限的，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滤波函数，c)滤波后的谱分布（振幅分布），d)3d，像（强度分布）出现衬度反转，原来的亮区变为暗区，原来光栅，b)滤波函数，c)滤波后的谱分布（振幅），d)滤波后像（光强）a<d/2时，加滤波器和不加滤波器的像相似，图像对比度略有下降。
如果在焦平面上人为的插上一些滤波器（吸收板或移相板）以改变焦平面上光振幅和位相就可以根据需要改变频谱面上的频谱，这就叫做空间滤波。
最简单的滤波器就是把一些特殊形式的光阑插到焦平面上，使一个或几个频率分量能通过，而挡住其他频率分量，像平面上的图像只包括一种或几种频率分量，对这些现象的观察能使我们对空间傅立叶变换和空间滤波有更清晰的概念。
阿贝成像原理和空间滤波预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构这是无CCD相机双凸透镜图4 阿贝成像与空间滤波实验示意图图5实验软件操作图图6(a) 滤波前图6(b) 滤掉x向衍射级（选做）将狭缝旋转90度固定，使狭缝正好滤掉x向衍射级次，并且观察滤波后的条纹方向，观察衍射图样，分析现象。
将狭缝替换为大圆孔（用最大孔径的圆孔，2mm直径），仅使像方焦平面（图就是像方焦平面，即像点尺寸最小的平面）的0级和±1级通过，前后移动相机图7（a）大圆孔低通滤波图7（b）次大圆孔低通滤波图7（c）大圆屏高通滤波图7（d）次大圆屏高通滤波图8（a）滤波前实验效果图图8（b）挡住零级的滤波效果图9 加入正交光栅后成的像向衍射级图10 滤掉x方向衍射级成的像向衍射级图11 滤掉y方向衍射级成的像D=2mm圆孔滤波图12 D=2mm圆孔滤波后成的像D=0.5mm圆孔滤波图 13 D=0.5mm的圆孔滤波成的像圆屏滤波图14 D=2mm圆屏滤波后成的像D=0.5mm圆屏滤波图15 D=0.5mm圆屏滤波后成的像六、数据处理同数据记录七、结果陈述：实验得到了正交光栅所成像、正交光栅经过x方向滤波所成像、正交光栅经过波所成像、正交光栅经过D=2mm的圆孔滤波所成的像、正交光栅经过D=0.5m的圆孔滤波所成的像、正交光栅经过D=2mm的圆屏滤波所成的像、正交光栅经过D=0.5mm滤波所成的像。
[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告
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[阿贝成像原理]阿贝成像原理与空间滤波实验报告篇一: 阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理和空间滤波1．了解阿贝成像原理，懂得透镜孔径对成像的影响．2．了解透镜的傅里叶变换功能及空间频谱的概念．3．了解两种简单的空间滤波．4．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴．光具座，氦氖激光器，溴钨灯及直流电源，薄透镜若干，可变狭缝光阑，可变圆孔光?调制用光阑，阑，光栅，光学物屏，游标卡尺，白屏，平面镜．阿贝在1873年为德国蔡斯工厂改进显微镜时发现，大孔径的物镜能导致较高的分辨率，这是因为较大的孔径可以收集全部衍射光，这些衍射光到达像平面时相干叠加出较细的细节．例如，用一定空间频率的光栅作为物，并且用单色光加以照明，物后的衍射光到达透镜时，当O级与?1级衍射光到达像平面时，相干叠加成干涉条纹，就是光栅的像；如果单色光波长较长或者L孔径小，只接收了零级光而把?1级光挡去，那么到达像平面上的只有零级光，就没有条纹出现，我们说像中缺少了这种细节．根据光栅方程，d??sin?1?sin?不难算出，物体上细节d能得以在像平面有反映的限制为?为透镜半径对物点所张的角．换句话说，可分辨的空间频率为d?物平面上细节越细微、即空间频率越高，其后衍射光的角度就越大，更不可能通过透镜的有限孔径到达像平面，当然图像就没有这些细节．透镜就成像光束所携带的空间f截?sin?频率而言，是低通滤波器，其截止频率就是式所示的，?．瑞利在1896年认为物平面每一点都发出球面波，各点发出的波在透镜孔径上衍射，到达像面时成为爱里斑，并给出分辨两个点物所成两个模糊像——两个爱里斑的判据．其实阿贝与瑞利两种方法是等价的．波特在1906年把一个细网格作物，但他在透镜的焦平面上设置一些孔式屏对焦平面上的衍射亮点进行阻挡或允许通过时，sin?得到了许多不同的图像．设焦平面上坐标为?，那么?与空间频率?sin?相应关系为?fsin??tgf，f为焦距，)．焦平面中央亮点对应的是物平面上总，焦平面上离中央亮点较近的光强反映物平面上频率较低的光栅调制度．1934年译尼克在焦平面中央设置一块面积很小的相移板，使直?流分量产生2位相变化，从而使生物标本中的透明物质不须染色变成明暗图像，因而可研究活的细胞，这种显微镜称为相衬显微镜．为此他在1993年获得诺贝尔奖．在20世纪50年代，通信理论中常用的傅里叶变换被引入光学，60年代激光出现后又提供了相干光源，一种新观点与新技术就此发展起来．物的内容中如含周期性结构，可以看成是各种频率的光栅组合而成，用数学语言讲就是把物展开成空间的傅里叶级数．如物的内容不是周期性的，在数学上就要作傅里叶变换，在物理上可由透镜来实现．可以证明，由于透镜作为位相变换器能把平面波转换为球面波，当单色平面波照射在透明片上[其振幅透射率为f]时，如图1中光路所示，透镜后焦平面上光场复振幅分布即为其傅里叶变换ffe?i2?dxdy图1uf，vf，实际上这也就是t的夫琅和费衍射．当t不在透镜前焦面上式中时，后焦面上仍为其傅里叶变换，但要乘上位相弯曲因子．当入射的不是平面波，而是球面波，则在入射波经透镜后形成的会聚点所在平面上也是傅里叶变换，只是也附加上了位相弯曲因子．傅里叶变换的例子如?函数?1，1??函数，rect函数?sinc函数及许多性质的标度、卷积定理都可以由此在物理上演示出来．如图2所示，在透镜后再设一透镜，则在Q面上的复振幅分布又经过一次傅里叶变换，fQ?Fei2d?d??fP物函数的倒置也就是f的像．前述在平面波照射下在前焦平面上的f时，在2照明光会聚点有其傅里叶变换，但要加上位相弯曲因子，该位相弯曲相当于会聚球面波照在傅里叶变换上，到达该球面波会聚点所在平面Q时，也是完成第二次傅里叶变换，只是标度有变化，即像是放大或缩小的．因此从波动光学的观点来看，正是透镜的傅里叶变换功能造成了其成像的功能．这样，就用波动光学的观点叙述了成像过程．这不但说明了几何光学已经说明的透镜成像功能，而且还预示了在频谱平面上设置滤波器可以改变图像的结构，这后者是无法用几何光学来解释的．前述相衬显微镜即是空间滤波的一个成功例子．除了下面实验中的低通滤波、方向滤波及?调制等较简单的滤波特例外，还进行特征识别、图像合成、模糊图像复原等较复杂的光学信息处理．因此透镜的傅里叶变换功能的涵义比其成像功能更深刻、更广泛．图2共轴调节．首先，要调激光束平行于光具座，并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，并移近激光架LS，把LS作上下、左右移动，使光束偏离O，调节LS的俯仰及侧转，使光束又穿过小孔；再把Q推至LS边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变LS的位置。
4.3H阿贝成像原理与空间滤波
4 空间滤波概念和空间滤波器 （1)概念
空间滤波：在频谱面上，设置不同结构的光阑，用于提取 或剔除某些频谱，改变原物的频谱，从而完成改造图像的 信息处理。 I’ L 1 能够改变光信息的空间 频谱的器件，通称为空 间滤波器(spacial filter).
O
FS
C’
+1
A B C
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4.3 阿贝成像原理与空间滤波 3 阿贝成像原理的意义
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4.3 阿贝成像原理与空间滤波 3 阿贝成像原理的意义和价值
物镜或光瞳，相当 低通滤波器，高频 成分丢失。
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4.3 阿贝成像原理与空间滤波
说明: • 物镜口径有限，将丢失高频信息，因而像面上不能显 示物的所有细节，像变模糊了。 • 为了使像场准确地反映物场，应尽量扩大物镜口径 • 其真正价值在于：为光学信息处理开辟了一条新的途 径，启发人们从改变频谱入手改变输出信息。 • 空间滤波：物信息的频谱展现在透镜的后焦面上，可 以在这里放置各种光阑，以提取或剔去某些频段的信 息，实现对空间频谱的滤波。
间变换的相移。物体的这一效应，使得用普通的显微镜观
察时，其衬比度非常小，无法直接观察。
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4.3 阿贝成像原理与空间滤波
1935年，泽尼克发明的相衬法和相衬显微镜，是将光学空 间滤波应用于实际光学仪器的首创性工作。泽尼克根据空
间滤波原理提出的相衬法，最重要的特点是使观察到像的
强度与物体引起的相移成线性关系。
Aeik (OSoO) C , z
( x, y ) (u / M , v / M )
，相干成像条件下， 故对任一物波函数 U O
实验一阿贝成像原理和空间滤波
实验一 阿贝成像原理和空间滤波一、实验目的1．了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。
2．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴。
3．验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解。
4．初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用。
二、实验原理1．阿贝成像原理1873年，阿贝(Abbe)在研究显微镜成像原理时提出了一个相干成像的新原理，这个原理为当今正在兴起的光学信息处理奠定了基础。
如图1-1所示，用一束平行光照明物体，按照传统的成像原理，物体上任一点都成了一次波源，辐射球面波，经透镜的会聚作用，各个发散的球面波转变为会聚的球面波，球面波的中心就是物体上某一点的像。
一个复杂的物体可以看成是无数个亮度不同的点构成，所有这些点经透镜的作用在像平面上形成像点，像点重新叠加构成物体的像。
这种传统的成像原理着眼于点的对应，物像之间是点点对应关系。
阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。
成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。
如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。
如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。
空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。
这也是相干光学处理的实质所在。
以图l-l 为例，平面物体的图像可由一个二维函数g(x,y)描述，则其空间频谱G(f x ，f y )即为g(x ，y)的傅里叶变换：2(,)(,)(,)x y i f x f y x y G f f g x y edxdy π∞-∞-=⎰⎰ （1-1）图1-1 阿贝成像原理设,x y ''为透镜后焦面上任一点的位置坐标，则式中为x x f F λ'=，y y f Fλ'= （1-2） 方向的空间频率，量纲为L -1, F 为透镜焦距，λ为入射平行光波波长。
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波一、实验目的1．透镜的傅里叶变换作用；2．空间频谱面的位置及空间频谱的观察；3. 孔径对成像质量的影响；4．验证阿贝成像原理，强化空间滤波概念的理解。
二、实验原理1．阿贝成像原理1873年，阿贝(Abbe)在研究显微镜成像原理时提出了一个相干成像的新原理，这个原理为当今正在兴起的光学信息处理奠定了基础。
如图1-1所示，用一束平行光照明物体，按照传统的成像原理，物体上任一点都成了一次波源，辐射球面波，经透镜的会聚作用，各个发散的球面波转变为会聚的球面波，球面波的中心就是物体上某一点的像。
一个复杂的物体可以看成是无数个亮度不同的点构成，所有这些点经透镜的作用在像平面上形成像点，像点重新叠加构成物体的像。
这种传统的成像原理着眼于点的对应，物像之间是点点对应关系。
阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。
成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。
如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。
如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。
空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。
这也是相干光学处理的实质所在。
以图l-l 为例，平面物体的图像可由一个二维函数g(x,y)描述，则其空间频谱G(fx ，fy)即为g(x ，y)的傅里叶变换：2(,)(,)(,)x y i f x f y x y G f f g x y e dxdy π∞-∞-=⎰⎰ （1-1）图1-1 阿贝成像原理设,x y ''为透镜后焦面上任一点的位置坐标，则式中为x x f F λ'=，y y f F λ'= （1-2）方向的空间频率，量纲为L-1, F 为透镜焦距，λ为入射平行光波波长。
大学物理实验实验37 阿贝成像和空间滤波
A
透镜成像的两个观点:
几何光学：自物点Ａ，Ｂ，Ｃ发出的球面波,经透镜折射后,各自会 聚到它 们的像点Ａ,Ｂ,Ｃ. 阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率的集合.入射光经物平面发 生夫琅和费衍射,在透镜焦面（频谱面）上形成一系列衍射光斑,各 衍射光斑发出的球面次波在相面上相干叠加,形成像.
实验目的
熟悉阿贝成像原理，加深对空间频谱和空间滤波 概念的理解。 了解透镜孔径对成像分辨率的影响。 练习光路的调节。
实验仪器
光具座上基本装置
可调狭缝两套示意图
样品示意图
实验原理
频 谱 面 图中光线不同 的颜色表示发 自不同的物点. 像 面
A B
C
透 镜
f
阿贝成像原理
C B
阿贝成像原理的意义在于:它以一种新的频谱语言来描述信息, 它启发人们用改造频谱的方法来改造信息.
实验内容与步骤
按光路图摆上各元件，调节L2使射出平行光，并照在样品模板上， 调节L的位置，使屏幕上出现清晰的光栅像。在毛玻璃（或墙上）的 焦平面上可以看到等间距水平排列的光点，这一平面即频谱面，光 轴上的光点是0级，两侧分别为±1级，再两侧则为±2级……在频谱 面处插上可调狭缝。 阿贝成像实验一：用样品模板中的（1）在频谱面上依次放上各种滤波器，则
阿贝成像原理将成像过程分为两步:“分频”和“合成”
由阿贝的观点来看,许多成像光学仪器就是一个低通滤波器,物平面包含从
低频到高频的信息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低频通过,因
此,丢失了高频信息的光束再合成,图象的细节变模糊. 孔径越大,丢失的信 息越少,图象越清晰.
频 谱 面
物 面 高频信息
注意事项
所有放在光具座上的透镜、物面、频谱面、像面、激光光 源必须等高、同轴、激光器发出的光线一定要水平。 样品模板上的样品，请勿受潮湿，防尘埃，更不可用手指 去摸和擦。
阿贝成像原理与空间滤波
谢谢大家
4、空间滤波及其应用
（1）空间滤波：在频谱面上作的光学处理就是空间滤波。 最简单的方法是用各种光栏对衍射斑进行取舍，达到改造 图像的目的。
（2）应用： A、电路板中掩模疵点的检查
电路板中掩模构成
根据频谱的主要分 布做成的滤波器
检查出疵点
பைடு நூலகம்
B、空间滤波技术在激光照射测量系统中的应用
光学与光电技术 2004 年12 月
阿贝成像原理与空间滤波实验
• 阿贝成像原理是现代光学信息处理的理论基础。 • 空间滤波是基于阿贝成像原理的光学信息处理方 法。
• 光学信息处理：指的是光学图像的产生、传递、 探测和处理。现在已发展成为一个非常有应用前景 的学科。
• 光的强度(或振幅)、相位、颜色(波长)和偏振态等 都可以携带光的信息。
• （２）方向滤波：
把成像系统的物换成正交光栅（图４８—７），观察并记 录频谱和像，再分别用小孔和不同取向的可调狭缝光栏， 让频谱的一个或一排光点通过，记录像的特征，测量像面 栅格间距变化，作简单解释。
（3）低通滤波：
• 把一个正交网格和一个透光十字置于成像光 路的物平面，试分析此物信号的空间频率特征， 试验滤除像的网格成分的方法。
C、去处组合图片接缝
[实验内容及步骤]
１、光路调节
按图所示调整光路：
注意:
f
（1）做好光路的共轴调节
（2）要用光屏仔细检查准直光束是否为平行光。
（3）透镜L道光谱面的距离为f
2 实验研究
（１）观察空间滤波现象， 在物平面置一维光栅，观察像平面上的竖直栅
格像。在频谱面上置放狭缝或其他光栏，分别按 下面要求选择通过不同的频率成分作观察记录。
•光点离开频谱中心的距离,标志着物平面上该频率成 分的频率高低。频谱越靠近中心，对应物平面上该频 率成分的频率越低。
阿贝成像原理和空间滤波
北京航空航天大学实验报告实验名称：E 09 阿贝成像原理和空间滤波数据记录及处理和试验现象及解释： （1）阿贝成像原理试验： ① 求相应空间频率：He-Ne 激光器波长λ=632.8nm ，透镜F=250mm ，x fξ'=,将实验数据带入下表：② 在频谱面上放置各种滤波器，成像变化特点及相应解释：③ 测量二维光栅像面上x '，y '方向光栅条纹间距：像面上沿x '方向条纹间距△x '=2.0mm ，y '方向光栅条纹间距△y '=2.0mm ④ 在屏谱面图上依次放置不同小孔及不同取向光阑，观察像面变化 综上所述：从所得到的实验结果可以看出，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。
学号：38270104 姓名：王文征 日期：4月10日晚同组者：刘思沂指导老师：段亚飞评分：（2）高低通滤波：①将物面换上3号样品，则在像面上出现带网格的“光”字。
②用白屏观察焦面上物的空间频谱。
光栅为一周期性函数，其频谱是有规律排列的分立点阵。
而字迹不是周期性函数，它的频谱是连续的，一般不易看清。
由于光字笔画较粗，空间低频成分较多，因此频谱面的光轴附近只有光字信息而没有网格信息，由于仅保留了离轴较近的低频成份，因而图像细结构消失。
③将3号滤波器（φ=1mm 的圆孔光阑）放在后焦面的光轴上，出现“光”字，网格信息消失，亮度较暗。
换上4号滤波器（φ=0.4mm的圆孔光阑）,光字更暗。
④将频谱面上光阑作一平移，使不在光轴上的一衍射点通过光阑，发现越偏离光轴图像越暗。
换上4号样品，使之成像。
然后在后焦面上放上5号滤波器，发现未放之前出现红色十字，放上5号滤波器后“十”字中间变暗，四周轮廓也较为清晰，它阻挡低频分量而允许高频成份通过，可以实现图像的衬度反转或边缘增强，所以图像轮廓明显。
（3）θ调制试验：衍射频上花、叶、背景的光栅走向蓝（背景）红（花）绿（叶）利用阿贝成像实验中的结论，对像中某一方向结构有贡献的是与该方向垂直的频谱。
阿贝成像原理和空间滤波实验报告
课程名称：大学物理实验（二）实验名称：阿贝成像原理和空间滤波
图2 透镜的低通滤波作用
特別当物的结构非常精细（例如很密的光栅），或物镜的孔径非常小时，有可能只有
则在像平面上只有光斑而完全不能形成图像。
根据上面讨论，我们可以看到显微镜中的物镜的孔径实际上起了高频滤波（即低通滤波）的作用。
这也启示我们，如果在谱平面上人为地插上一些滤波器以提取某些频段的光信息，从而使图像发生相应的变化，
图3空间滤波
图4 图像处理系统
2.4θ调制
将一幅透明画拆分成三部分：房子、草地、天空，将这三部分分别刻在三片不同取向的光栅上，将光栅叠在一起作为物，此物叫调制片，用白光照明调制片，光束发生衍射，衍射光束经透镜后在其焦平面成像形成衍射谱（彩色光斑），如在谱平面上放置频谱滤波器（即能让一部分光通过的挡板），在房子谱方向只让红色光谱通过，在草地谱方向只让绿色通过，在天空谱方向只让蓝色谱通过，在像平面上将看到图像被“着上”不同颜色
图4 实验现象图
图5 物镜孔径大小影响示意图。
阿贝成像原理和空间滤波实验报告word精品
实验二阿贝成像原理和空间滤波实验1. 引言阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿一波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。
同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
1. 1实验目的和意义1).加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2).用一个带有蓝天白云还有城楼的光栅进行空间滤波和图像再现，熟悉空间滤波的光路及空间滤波的原理。
2. 系统概述2. 1系统原理1).二维傅里叶变换设有一个空间二维函数g(x, y)，其二维傅里叶变换为G(f x, f y) =F g(x, y) 1二g(x, y)expLi2二(f x X f y y)dxdy (1)a式中f x, f y分别为x,y方向的空间频率，其量纲为L-1，而g(x,y)又是G(f x，f y)的逆傅里叶变换，即g(x, y) = F-1G(f x，f y)L G(f x, f y)exp【2二(f x X f y y)df x df y (2)-^O式(2)表示任意一个空金函数g(x, y)，可以表示为无穷多个基元函数expi2二(f x x • f y y) 的线性叠加，G(f x, f y) df x df y是相应于空间频率为f x, f y的基元函数的权重，G(f x, f y)称为g(x, y)的空间频率。
当g(x, y)是一个空间周期性函数时，其空间频率是不连续的离散函数2) .光学傅里叶变换理论证明，如果在焦距为 F 的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为g (x, y)的图象作为物，并以波长为 入的单色平 面波垂照明图象，则在透镜后焦面(x , y ') 上的振幅分布就是g(x,y)的傅 里叶变换G(f x ，f y )，其中f x ，f y 与坐标 x , y 的关系为 故x — y •面称为频谱面(或傅氏面)，见图1，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则为2G(f X ,f y )，称为频谱，也就是物的夫琅禾费衍射图。
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝成像原理和空间滤波通过实验加深对阿贝成像原理和傅里叶光学中关于空间频率、空间频谱变换和空间滤波等概念的理解。
【实验目的】（1）阿贝成像原理的物理思想和空间频率的概念。
（2）熟悉阿贝成像原理，了解透镜孔径对成像质量的影响。
（3）实验的光路布置。
【仪器仪器及用具】光具座、激光光源、空间滤波器、白光光源、傅里叶透镜、薄透镜、可变狭缝、可变圆孔光阑、针孔、全息光栅、网格、θ调制光栅、显微物镜、游标卡尺等。
【实验内容】1．空间频谱变换2．空间滤波3．θ调制阅读材料阿贝成像原理与空间滤波早在1874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，就认识到相干成像的原理，他的发现不仅从波动光学的角度解释了显微镜的成像机理，明确了限制显微镜分辨本领的根本原因，而且由于显微镜（物镜）两步成像的原理本质上就是两次傅里叶变换，被认为是现代傅里叶光学的开端。
通过本实验可以把透镜成像与干涉、衍射联系起来，初步了解透镜的傅里叶变换性质，从而有助于对现代光学信息处理中的空间频谱和空间滤波等概念的理解。
一、空间频率与空间频谱我们以前所说的频率是一个时间域的概念，它是指周期性变化的信号单位时间内的重复次数。
一列单色平面波可表示为：cos[2-)]x y A t πνλ=（ 其复数形式为：)]-2exp[x λνπt i A y （=。
波动同时包括时间和空间两个因子t 、x ，因此，波动周期性可以用时间周期T 、时间频率ν（圆频率ω）来描述，也可以引入空间周期λ、空间频率λ1及空间圆频率λπ2=K 来描述。
而平面单色波的时间周期性和空间周期性是相互联系的：λ=uT (其中u 是波速)。
光是一种电磁波，包括电矢量E 和磁矢量H ，在光学中通常将电矢量E 称作光矢量，把E 的振动称作光振动。
通常把平面波写成复数形式，取其实部运算较为方便：)]}(exp[Re{Kx t i A E --=ω，这就是普通的波动方程。
阿贝成像原理和空间滤波实验报告(总6页)
阿贝成像原理和空间滤波实验报告(总6页)
一、实验目的
1.了解阿贝成像原理；
2.了解空间滤波的原理和方法；
3.掌握基本的图像处理技能。
二、实验设备及工具
1.计算机；
2.图像处理软件。
三、实验步骤
1.阅读阿贝成像原理的相关学习资料；
2.使用计算机打开图像处理软件，在其中加载相关图像；
3.选择空间滤波算法并进行运算；
4.进行结果展示。
四、实验原理
1.阿贝成像原理
阿贝成像原理是指在光学显微镜中，由于光线在空气和玻璃之间的折射、散射和衍射，使得镜头成像过程受到限制，造成所观察物体的细节不能完全反映在显微镜成像上。
该原
理指出了光学显微镜中光线的成像规律和影响成像的主要因素。
2.空间滤波
空间滤波是一种对数字图像进行处理的方法，在该方法中对图像中每个点的像素值进
行操作，通过某种基于像素的规则来修改和改善图片特征，最终达到对于需要处理的图像
特定区域进行增强、去噪或改进的目的，常用于医学影像导入和处理中。
五、实验结果
通过本次实验，我们使用图像处理软件对于实验所得的相关图像进行空间滤波处理，
并展示了处理前后的图像变化情况。
通过实验结果，我们可以看到，空间滤波处理后的图
像明显地改变了图像的亮度、清晰度和对比度，同时也减少了图像的噪点和毛刺等不良现象，达到了较好的处理结果。
通过本次实验，我们了解了阿贝成像原理和空间滤波的基本原理和方法，并在实际应用中进行了操作和处理，达到了较好的效果和结果。
同时，我们也掌握了基本的数字图像处理技能和操作方法，对于其在医学影像方面的应用具有一定的指导和参考作用。
阿贝成像原理与空间滤波
阿贝成像原理与空间滤波实验内容：l．光路调节本实验基本光路图如图1所示，其中透镜L 1 (焦距f 1)、L 2 (焦距f 2)组成倒装置望远镜系统将激光扩展成具有较大截面的平行光束，L(焦距为f)则为成像透镜。
调节步骤如下：图1 空间滤波实验光路(1) 调节激光管的仰角及转角，使光束平行于光学平台水平面。
(2) 放上L 1和L 2，使产生一扩束的平行光并调节它们共轴。
怎样检验 L 2出来的光是否平行光?如L 1的焦距为 mm，L 2焦距为 mm，，则扩束多少倍? (3)放上物(带光栅的“光”字)及透镜L，调节它们共轴，调节L 位置，使大于4 m 距离的屏幕上得到清晰的图像。
固定物及透镜L 位置(调节成像时，可在物面前暂放一毛玻璃，以便在扩展光源照明下，找到成像的精确位置。
)(4)确定频谱面位置去掉物，用毛玻璃在L 后焦面附近移动，当毛玻璃散射产生的散斑达到最大线度时，毛玻璃上光点最小，此毛玻璃所在平面就是频谱面。
然后将滤波器支架放在此平而上。
2．阿贝成像原理实验(1) 在物平面放上一维光栅，像平面上看到沿铅垂方向的光栅条纹。
频谱面上出现0，±1，±2，±3，… ，一排清晰衍射光点，如图2中A 所示。
测量l，2，3级衍射点与光轴(0级衍射)的距离x′，由式(3)求出相应空间频率f x，并求光栅的基频。
图2 频谱面及光阑A.频谱面上的衍射光斑B.只通过0级C.只通过0级和±1级D.遮挡±1级E.遮挡0级(2)在傅氏面上放上可调狭缝及其他附加光阑，按图2中A，B，C，D，E 分别通过一定的空间频率成分，按表l 依次记录像面上成像的特点及条纹间距，特别注意观察D 和E 两条件下图像的差异，并对图像变化作出适当的解释。
表1像面成像特点条件 通过的衍射点 图像情况 简要解释 A 全部 B 0级 C 0，±1级 D 0，±2级 E ±1，±2级衍射次级位置 x′/mm间频空率 f x /mm -11 2 3(3)取下物向上的一维光栅，换上一个二维正交光栅则在频谱而上吖看到二维离散的光点阵(即止交光栅的频谱)，像而上可以看到放大了的止交光栅的像测出像面上的网格间距。
阿贝尔成像原理
深 圳 大 学 实 验 报 告课程名称： 大学物理实验（三）实验名称： 阿贝成像原理和空间滤波学院： 物理科学与技术学院组号 指导教师：报告人： 学号：实验地点： 科B108 实验时间：实验报告提交时间：得分 教师签名 批改日期课程编号题目类型 综合实验一、实验设计方案㈠、实验目的1．了解透镜孔径对成像的影响和两种简单的空间滤波。
2．掌握在相干光条件下调节多透镜系统的共轴。
3．验证和演示阿贝成像原理，加深对傅里叶光学中空间频谱和空间滤波概念的理解。
4．初步了解简单的空间滤波在光信息处理中的实际应用。
㈡、实验原理 1．阿贝成像原理1873年，阿贝(Abbe)在研究显微镜成像原理时提出了一个相干成像的新原理，这个原理为当今正在兴起的光学信息处理奠定了基础。
如图1-1所示，用一束平行光照明物体，按照传统的成像原理，物体上任一点都成了一次波源，辐射球面波，经透镜的会聚作用，各个发散的球面波转变为会聚的球面波，球面波的中心就是物体上某一点的像。
一个复杂的物体可以看成是无数个亮度不同的点构成，所有这些点经透镜的作用在像平面上形成像点，像点重新叠加构成物体的像。
这种传统的成像原理着眼于点的对应，物像之间是点点对应关系。
图1-1 阿贝成像原理阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。
成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。
如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。
如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。
空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。
这也是相干光学处理的实质所在。
[VIP专享]阿贝成像原理和空间滤波实验报告
![[VIP专享]阿贝成像原理和空间滤波实验报告](https://img.taocdn.com/s3/m/8f3b53894431b90d6c85c7bf.png)
实验二 阿贝成像原理和空间滤波实验1．引言阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。
这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。
同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。
1．1实验目的和意义1）.加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。
2）.用一个带有蓝天白云还有城楼的光栅进行空间滤波和图像再现，熟悉空间滤波的光路及空间滤波的原理。
2．系统概述2．1 系统原理1）.二维傅里叶变换设有一个空间二维函数，其二维傅里叶变换为),(y x g F （1）=),(y x f f G [][]d xdy y f x f i y x g y x g y x ⎰⎰∞∞-+-=)(2exp ),(),(π式中分别为x,y 方向的空间频率，其量纲为L -1，而又是y x f f ,),(y x g 的逆傅里叶变换，即),(y x f f G F -1 （2）=),(y x g []=),(y x f f G []y x y x y x df df y f x f i f f G ⎰⎰∞∞-+)(2exp ),(π式（2）表示任意一个空金函数，可以表示为无穷多个基元函数),(y x g 的线性叠加，是相应于空间频率为的基[])(2exp y f x f i y x +π),(y x f f G y x df df y x f f ,元函数的权重，称为的空间频率。
),(y x f f G ),(y x g 当是一个空间周期性函数时，其空间频率是不连续的离散函数。
),(y x g 2）.光学傅里叶变换理论证明，如果在焦距为F 的会聚透镜的前焦面上放一振幅透过率为的图象作为物，并以波长为λ的单色平面波垂照明图象，则在透镜后焦),(y x g面（,）上的振幅分布就是x 'y '的傅里叶变换，其中),(y x g ),(y x f f G 与坐标,的关系为y x f f ,x 'y ' （3） F y f F x f Y x λλ','==图 1故—面称为频谱面（或傅氏面），见图1，由此可见，复杂的二维傅里x 'y '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则为，称为频谱，也就是物的夫琅禾费衍射图。
阿贝成像原理与空间滤波实验报告
阿贝成像原理与空间滤波实验报告1. 了解阿贝成像原理。
2.掌握空间滤波技术在阿贝成像中的应用。
实验步骤：1.准备实验所需材料：阿贝成像设备、光源、光学透镜、像差矫正器、滤光片。
2.调整实验设备，确保光源光线均匀、稳定。
3.在光路上加入透镜来聚焦光线，同时使用像差矫正器来校正透镜的像差问题。
4.在成像设备上加入滤光片，对光线进行空间滤波。
5.观察和分析滤光后的成像结果。
实验原理：1.阿贝成像原理：根据光的传播定律，利用光线的折射和反射等现象，把物体的形象传到像面上的一种方法。
阿贝成像原理以光线成像过程中的像差为基础，通过分析和校正像差来获得更好的成像效果。
2.空间滤波：指将一幅图像通过滤波器进行一系列滤波操作，从而改变或增强图像的某些特征。
在阿贝成像中，空间滤波可以用来改善成像质量，减小光学系统的像差。
实验结果：通过观察滤光后的成像结果，可以发现滤光片对成像质量的影响。
通过合理选择滤光片的材质和参数，可以降低光学系统的像差，获得更清晰、更准确的成像效果。
实验分析：在阿贝成像中，减小像差对获得高质量的成像结果至关重要。
空间滤波技术在阿贝成像中的应用，可以通过滤光片的选择和调整，对光线进行滤波操作，从而改善成像质量，减小像差。
实验总结：本实验通过对阿贝成像原理与空间滤波的探究，深入了解了阿贝成像的基本原理和空间滤波的应用。
通过实验过程，我对阿贝成像的原理和空间滤波的操作有了更深入的理解。
实验结果表明，在阿贝成像中，合理的应用空间滤波技术，可以提高成像质量，减小像差，获得更清晰、更准确的成像效果。
这对于光学成像系统的优化和应用具有重要的意义。
阿贝成像原理与空间滤波实验报告
阿贝成像原理与空间滤波实验报告阿贝成像原理与空间滤波实验报告一、引言阿贝成像原理是现代光学领域中的一项重要研究内容。
它通过对光的传播和衍射现象进行深入研究，揭示了成像系统中的光学特性和成像质量的影响因素。
空间滤波作为一种常用的图像处理方法，可以通过调整图像的频率分量来改善图像的质量。
本实验旨在通过实际操作，深入了解阿贝成像原理和空间滤波的应用。
二、实验装置与方法本实验使用了一台光学显微镜和一台数码相机。
首先，将待观察的样品放置在显微镜的物镜下方，并调整物镜与样品的距离，使其处于清晰成像的状态。
然后，将相机与显微镜对焦，并调整曝光参数，以获取清晰的图像。
接下来，将采集到的图像导入计算机，并使用图像处理软件进行空间滤波处理。
三、阿贝成像原理阿贝成像原理是描述光学显微镜成像过程的基本理论。
它指出，光学显微镜成像的质量取决于物镜的数值孔径和波长。
数值孔径决定了显微镜的分辨率，而波长则决定了显微镜的成像深度。
通过对光的衍射现象进行研究，阿贝成像原理揭示了显微镜的分辨率极限和像差的影响。
四、空间滤波的原理与应用空间滤波是一种常用的图像处理方法，它通过调整图像的频率分量来改善图像的质量。
在频域中，图像可以表示为一系列的频率分量，其中高频分量对应于图像的细节信息，低频分量对应于图像的整体特征。
通过对图像进行频率域滤波，可以增强或抑制特定频率分量，从而改善图像的清晰度、对比度等。
五、实验结果与分析通过对显微镜下的样品进行观察，并使用数码相机采集图像，我们得到了一系列的样品图像。
将这些图像导入计算机，并使用图像处理软件进行空间滤波处理，我们观察到了图像质量的明显改善。
通过调整滤波器的参数，我们可以增强图像的细节信息，使其更加清晰。
六、实验总结通过本次实验，我们深入了解了阿贝成像原理和空间滤波的应用。
阿贝成像原理揭示了显微镜成像的基本原理和影响因素，为显微镜的设计和优化提供了理论基础。
空间滤波作为一种常用的图像处理方法，可以通过调整图像的频率分量来改善图像的质量。
阿贝成像原理和空间滤波
本实验采用微机自动控制和测量手段，实现数据的光电变换，A / D 转换和数字化处理 以及显示、打印和网络传输等众多功能．可观察，定量测量和研究各种衍射元件，诸如单缝、 多缝、圆孔和方孔等衍射光强分布谱和相关参数，并与理论值比较．
机箱
可开闭 窗口
接受狭缝 接受狭缝 调节螺丝
光电 传感器
移动导轨
计算机
扫描电源
阿贝成像原理和空间滤波
阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史 上具有重要的地位。这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的 原理做出了深刻的解释。同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍 然有广泛的应用价值。
一．实验目的 1．通过实验，加强对傅里叶光学中有关空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解。 2．熟悉空间滤波的光路及进行高通、低通和方向滤波的方法。
直方向衍射通过和 45 度衍射通过时，像面上图像的变化。 8．利用光强记录仪定量测量 3-6 步骤中一维图像光强的变化。
附录：光强记录仪原理及使用
衍射光强分布谱测定要借助光探测仪器，此设备中关键的光探测元件称为光电传感元 件．光电传感器是一种将光强的变化转换为电量变化的传感器，解决了衍射光强分布纵坐标 数据测定。而分布谱的横坐标可采用一种光栅尺（即光栅位移传感器）来测定。本实验中用 的光栅尺中，200 mm 长度的光栅为主光栅，它相当于标准器，固定不动．可动小型光栅为 指示光栅，它与光电传感器联为一体．也就是光栅移动，光电传感器同步移动．因而光栅尺 能准确地测定指示光栅运动的位移量，确定衍射光强分布谱横坐标的数值．
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G( f x , f y ) g ( x, y )e
j 2 ( f x x f y y )
dxdy
式中fx ，fy是x,y 方向的空间频率，g(x,y),则其G（fx,fy）的逆傅 立叶变换
g ( x, y) G( f x , f y )e
x, y
j 2 ( f x x f y y )
二 实验原理/2.3 θ调制
将一幅透明画拆分成三部分：房子、草地、天空，将这三部分分 别刻在三片不同取向的光栅上，将光栅叠在一起作为物，此物叫调制片， 用白光照明调制片，光束发生衍射，衍射光束经透镜后在其焦平面成像 形成衍射谱，如在谱平面上放置频谱滤波器，在房子谱方向只让红色光 谱通过，在草地谱方向只让绿色通过，在天空谱方向只让蓝色谱通过， 在像平面上将看到图像制
动画、脚本设计：赵改清 课 件 制 作：赵改清
2014.9 深圳大学大学物理教学实验中心
第2步： 衍射波被透镜接收,在透镜的焦平面上形成三个频率成分不同的衍射 斑S+1.S0,S-1，所以把所在的焦平面称为谱平面。 S+1.S0,S-1可看成三个次波 源，次波源发出的球面波在透镜的像平面发生相干迭加，不同空间频率的光 束又复合成像。 即“合成”
实验原理/2.1阿贝成像原理
阿贝成像原理的这两个步骤本质上就是两次傅里叶变换。 设有一个空间二维函数：g(x,y),则其二维傅立叶变换为
二 实验原理/2.2空间滤波
空间滤波：在光学系统的傅立叶频谱面上放置具有一定透 过率的滤波器，改变光场的频谱结构，按照需要改变像的 性质 频谱面上的光场分布与物的结构密切相关，原点附近分 布着物的低频信息，即傅立叶低频分量，离原点越远，分 布着物的高频分量，即傅立叶高频分量
意义：傅立叶变换阐述了物的成像过程的机理，在显微 镜成像中意义重大，更重要的是引入了频谱的概念，启发 人们可以通过改造频谱来改造信息
历史回眸
一 实验目的
阿贝成像原理是德国人阿贝（E.Abbe,1874）在研究提高 显微镜的分辨本领时提出的一个理论，该理论认为：物是一系 列不同空间频率信息的集合，相干成像过程分两步完成，第一 步是入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，起到“分频”作用， 第二步是各衍射斑发出的球面次波在像平面上相干迭加，起到 “合成”作用，像就是干涉场。阿贝成像原理的意义在于:它以 一种新的频谱语言来描述信息,它启发人们用改造频谱的方法来 改造信息，是光电子信息学的基础实验
df xdf y
物理解释：如果焦距为F 的会聚透镜的焦平面是放一振幅透过 率为g(x,y) 的图像作为物，并用波长为λ的光垂直照射该透明 物体，则在透镜后面的焦平面（ x, y ）上的复振幅分布就是 g(x,y)的傅立叶变换其G（fx,fy）。 （ x, y ）称为谱平面，谱 平面上的光强分布就是夫琅禾费衍射图样。
（1）了解阿贝成像原理,接受傅里叶光学的空间频率、 空间频谱、空间滤波等概念；
（2）学习θ调制与假彩色编码。
二 实验原理/2.1阿贝成像原理
以一正弦光栅为物，简要说明阿贝成像原理。
第1步： 入射光经物平面发生夫琅禾费衍射，衍射光束被分解成为不同方向 传播的多束平行光（每一束平行光相应于一定的空间频率），其作用是把光 场分布转变为空间频率分布，即分频”