FourierOptics空间滤波原理及光学影像处理.PDF

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FourierOptics空间滤波原理及光学影像处理

Experiment 8 Fourier Optics- 空間濾波原理及光學影像處理 目的: 認識傅氏光學 、空間濾波及 光學影像處理。 原理: (1)繞射 光的波動理論可以用來解釋幾何光學(或ray-optics )無法了解的一些物理現象,如干 涉及繞射等。而其中的繞射可分為兩個範圍討論: (i)遠場繞射(Far Field Diffraction) ,又稱為Fraunhofer 繞射。 “遠場的範圍定義為元” 件例如狹縫( )到光源與屏幕的距離遠大於元件本身尺寸。實驗室裡,常利用透鏡製造平行 光,模擬光源自遠距離投射到元件。如此較節省空間,並可以較強的光強度進行實驗。 狹縫實驗中,在遠處屏幕上觀察繞射圖案,由於狹縫大小遠小於與屏幕的距離,所以觀 測到的圖案為遠場繞射圖案。在遠場的條件下,屏幕距狹縫之遠近並不會改變圖案的構 造,只會使繞射圖案縮小或放大。若光強度減弱到不易觀察時,可以再利用透鏡將這遠 處的繞射圖案映至此透鏡焦平面上來觀察。 (ii)近場繞射(Near Field Diffraction) ,又稱為Fresnel 繞射。其範圍定義為元件到光源 與屏幕的距離接近於元件本身尺寸。此時光源入射於元件時,視為一球面波。球面波可 以利用雷射光束通過一空間濾波器後或點光源產生擴散光波。 (2)傅氏轉換 Fourier Transform Abbe首先在 1873 年以Fourier轉換討論透鏡孔徑對成像的影響。 Abbe研究顯微鏡成像 時,提出二次繞射成像的想法,並指出在利用相干光照明下,顯微鏡成像可以看成是兩 個步驟的結果 ,如圖一。第一步,入射的平行光束照射物體,因物體產生繞射光波; 接 著,僅有部分的繞射光波可 經過物鏡 ,並可在物鏡的後焦面上觀測其 空間頻譜,此空間 頻譜即為物面的傅氏轉換。第二步,此空間頻譜可接著在像平面上互相疊加,最後形成 物的幾何像。 圖一中,平面光波經物體所產生的繞射光波將含許多方向 ,各方向的繞射光波來自物 體資訊中不同的變化部分 。比較接近光軸方向的光波,表示受物體影響較小, 繞射現象 較不明顯,即是空間頻率較低的部分, 經過透鏡將會匯聚在接近光軸中心點上。而偏離 光軸方向的光波,表示受物體影響較大,繞射現象較為明顯,即是空間頻率較高的部分, 經過透鏡將會匯聚在偏離光軸中心點上。繞射光波及焦平面上的分佈狀況,可利用傅立 葉轉換依空間頻率進行分析,可在焦平面上得到物體資訊的空間頻譜。 2010,Sep,修改 EXP8-p 1 高頻 低頻 高頻 像面 物面 焦平面 圖一 Abbe’s 繞射成像原理 在光學信號處理時,只要在焦平面上,對物體的空間頻譜做出適當的處理,就 等於是 對物體 光資訊進行處理。譬如遮住焦平面上光軸中心的部分光波,或是遮住偏離光軸的 部分光波,即可達到對物體進行過濾高頻或過濾低頻信號的工作。 舉例來說,物面上一個具有雜訊的圓孔如下圖二(a) ,雜訊及物體的邊緣屬於空間強度 快速變化的部分即是所謂空間高頻,而其餘的部分白色不變以及黑色不變的部分則屬於 空間低頻。若在傅氏面上進行濾波,過濾高頻資訊可以得到如圖二(b的結果,而過濾低) 頻資訊可以得到圖二 (c)的結果。 圖三 、 (a) (b) (c) Airy pattern 圖二 、空間濾波 光學系統中,雷射光束經各元

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