第八章 空间滤波

为输入信息与空间滤波脉冲响应
的卷积的平方。通常可运用这一原理，根据对输入信息的具体要求，进行变 换或滤波。如果从光学系统所能完成的功能分析，系统的空间滤波可以实现 输入信息与滤波器脉冲响应的卷积运算。在频谱平面上放置滤波器其后有
AF fx, fy H fx, fy . 实际上是实现了输入频谱和滤波器复振幅透过率的乘
阿贝——波特实验图示
空间滤波的基本原理
阿贝—波特实验：结论
1．实验充分证明了阿贝成像理论的正确性：像的结构直接 依赖于频谱的结构，只要改变频谱的组分，便能够改变像 的结构；像和物的相似程度完全取决于物体有多少频率成 分能被系统传递到像面。
2．实验充分证明了傅里叶分析和综合的正确性： （1）频谱面上的横向分布是物的纵向结构的信息（图B）； 频谱面上的纵向分布是物的横向结构的信息（图C）； （2）零频分量是直流分量，它只代表像的本底（图D）； （3）阻挡零频分量，在一定条件下可使像的衬度发生反转 （图E）； （4）仅允许低频分量通过时，像的边缘锐度降低；仅允许 高频分量通过时，像的边缘效应增强； （5）采用选择型滤波器，可望完全改变像的性质（图F）。
空间滤波的理论和方法
重点
• 1. 空间滤波的基本原理 • 2. 空间滤波的基本系统 • 3. 空间滤波器 • 4. 空间滤波应用举例
空间滤波的基本原理 阿贝——波特成像理论
阿贝成像原理
阿贝——波特成像理论
• 阿贝认为相干成像过程分两步完成，如图所示。第一步 是物体在相干平行光垂直照明下，可看作是一个复杂的 光栅，照明光通过物体被衍射，衍射光波在透镜后焦平 面射上光P斑1形作成为物新体的O次的级夫波琅源禾发费出光球斑面图子样波；，第在二像步平是面各相衍干 叠加形成物体的像。将显微镜成像过程看成是上述两步 成像过程，人们称其为阿贝成像理论。

例1 设物函数中含有从低频到高频的各种结构信息， 物被直径为d=2cm的圆孔所限制，将它放在直径D＝
4 cm、焦距f=50 cm的透镜的前焦面上。今用波长l
＝600 nm的单色光垂直照射该物并测量透镜后焦面上 的光强分布。问：
（1）物函数中什么频率范围内的频谱可以通过测量得 到准确值？ （2）什么频率范围内的信息被完全阻止？
t ( x1 ) t 0 t1 cos( 2x 0 x1 )
(1)在频谱面的中央设置一小圆屏挡住光栅的零级谱，求像 的强度分布及可见度； (2)移动小圆屏，挡住光栅的+1级谱，像面的强度分布和可 见度又如何?
例2 在相干照明4f系统中， 在物平面上有两个图像，它们的中 心在X轴上，距离坐标原点分别为a和-a ，今在频谱面上放置一 正弦光栅，其振幅透过率为
2、傅立叶透镜的信息容量——空间带宽积
信息容量N=频 带 宽 度´ 空 间 宽 度
空间带宽积
截止频率
x D D1 2lf
频带宽度
x 2x D D1 lf
衍射发散角
中的线状构造越密集，则在P2沿r方向空间频 谱分布延伸越远；反之亦然
频谱分析器，又称为衍射图像采样器
由在半圆中不同直径的32个环状 PN结硅光二极管元件和另半圆 呈辐射状分布的32个楔形PN结 硅光二极管元件组成，据此可测 出整个频谱面上各处的光强分布
楔-环探测器 针尖缺陷检查、掩模线宽测量、织物疵病以及纸张印刷质量的 检查等。
一、二元振幅滤波器 （1）低通滤波器 带针孔的不透明模板
低通滤波器结构 只允许位于频谱面中心及其附近的低频分量通过，可以用来滤 掉高频噪声
（2）高通滤波器 带不透明小圆屏的透明模片
阻挡低频分量而允许高频通过，以增强像的 边缘，提高对模糊图像的识别能力或实现衬 度反转，但由于能量损失较大，所以得到的 结果一般较暗。 高通滤波器结构

第二步 各衍射斑发出的球面次波在像平面(x'，y')上相干 迭加产生干涉，像就是干涉场（合成过程）。
1.基本光路
光
物平面
光
频谱面
像平面
阿 贝 波 特 实 验
2.基本原理
物函数为 g (x, y) 频谱面的光振动分布为
e G( ,) g( x, y) 2i(xy) dxdy
, 为频谱面坐标，称为空间频率.
应用：采用低通滤波器，可以滤掉高频噪声，去掉图 片上的污迹，图4-4-4显示了这一过程。
(a)
(b)
(c)
图4-4-4 应用低通滤波器消除图片污迹 (a)原物 (b)低通滤波器 (c)处理后的像
当然，这种滤波器的缺点是将物的高频成分也滤掉， 使得像与无噪声的物并不完全相同，像的分辨率有 所降低。
利用低通和高通滤波器对任意具有非周期结构的 输入图像分别进行了低通和高通滤波处理，输出结果 如图所示。
从噪声中提取信号、图象复原、特征提取（特征识别）等。
历史背景
1873年，德国科学家阿贝（Abbe）创建了二次 衍射成像理论（显微镜成像理论）；
1935年，物理学家泽尼克发明了相衬显微镜；
1963年，范德拉格特（A. Vander Lugt）提出 了复数空间滤波的概念，使光学信息处理进入了 一个广泛应用的新阶段；
(a)
(b)
(c)
图4-4-7 普通非周期结构图像的滤波处理结果. (a) 输入图像；(b) 低通输出；(c) 高通输出.Fra bibliotek学习要点
1.什么是光学信息处理？光学信息处理的分类； 2.空间滤波的基本原理：“分频”和“合成”的概
念； 3.阿贝滤波实验（实验光路、实验现象）。
第八章 光学信息处理

（1）滤波器是一个适当宽度的狭缝，只允许零级谱通过，阻止其 余频谱。也就是说只让(8.1.2)式中第一项 (aL/d)sinc(L fx) 通过，
狭缝的透过函数,也即系统的相干传递函数，可写为
H(fx
)=
??1 ?
fx
?
1或 L
x1
?
?f
L
??0 fx为其他值 aL
则紧靠狭缝后的透射光场为 T(fx )H(fx )= d sinc(Lfx ) (8.1.5)
于是在输出平面上的场分布为
g(xi
)=F
-
1
?T(fx )H(fx )?=
a d
rect(
xi L
)
(8.1.6)
式(8.1.6)说明所得像分布是一个矩形函数，其xi方向的宽度等于
原光栅的宽度，但内部的结构已消失，光场呈一片均匀。它是背
景光。
空间滤波器的全部过程如图8.1.4所示。
图8.1.4 一维光栅经
滤波的像（透过零 级）(a)在Po面上放 置的一维光栅的透 过率函数(物体)；(b)
频谱面上频谱的光 场分布(物体频谱)； (c)空间滤波器透过 率函数，系统的相 干传递函数与它成 正比(滤波函数)；(d)
经滤波以后的频谱， 即成像的频谱（滤 波后的谱）;(e)像平 面Pi上的输出光场 分布（输出像）。
8.1.1 阿贝成像理论
应用阿贝成像原理分析显微镜的分辩本领。
设物体是间距为d的光栅，受相干光垂直照明。物体后焦面上有 直径为D的孔径光阑。由傅里叶变换时空间频率的取值与空间坐
标的关系可得，光栅在物镜后焦面上的一级频谱的位置为?? f / d,0 ?
f为物镜的焦距。显然，d越小，一级频谱离开频谱面中心的距离