OAS光学分析软件 | 如何使用OAS进行阿贝成像模拟

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阿贝成像在光学显微镜领域和光学信息处理领域发挥着重要作用。阿贝成像为突破传统光学显微镜衍射极限提供理论支撑，有效提高了显微镜的分辨率，借助空间滤波概念，使成像更清晰，细节更突出；通过分析频谱可获取物体空间频率信息，利用空间滤波技术，可实现滤波操作，对图像进行边缘增强、平滑去噪及特定信息提取等处理。

简介

阿贝成像把几何成像过程分为两步，第一步是在相干光照射下，在焦平面产生衍射斑，衍射斑实际上是物面波函数的空间频谱，对频谱加以处理，将会使得第二步成像发生改变，从而实现光学信息处理。这篇文章将讲述如何在OAS中模拟阿贝成像。

阿贝成像原理

德国科学家阿贝（Ernst Abbe,1840-1905），在研究如何提供显微镜分辨本领时，从光的衍射和干涉角度，提出了一个关于相干成像原理。从现代傅立叶变换光学观点来看，阿贝成像原理为空间滤波和信息处理的的概念奠定了基础。

傅立叶光学成为光学信息处理的理论基础，人们根据需要任意变化空间频谱。这类实验首先是阿贝于1893年、而后波特于1906年报道的。他们的实验是为了验证阿贝提出的显微镜相干成像理论，并诠释阿贝成像的物理涵义。

以一束单色平行光照射物体，为了讨论方便，假设物体为线形物体，用A、B和O分别表示物体的上下端点和中心，通过透镜相干成像，如下图所示。从几何光学成像观点看，物体上的点A、B、O等，经透镜后成像对的点等。

从光的夫琅禾费衍射的频谱变换观点，相干成像过程分为两步完成。第一步是平面波照射物体，发生夫琅禾费衍射，在透镜后焦平面上衍射场形成与物体平面波集合一一对应的衍射斑；第二步是衍射斑看成是一个个点源，这些点源发出次级波，在像平面上相干叠加，形成的干涉图样就是物体所成的像。这种相干成像过程的两步分析观点，称为阿贝成像原理。

阿贝成像模拟

首先在OAS中创建一个束腰半径为7mm、采样方式为矩形的GBD场光源，再创建一个半孔径为20mm、孔径比例为0.25的六边形平面，半孔径为10mm的光源平面，半孔径为10mm、焦距为20mm的理想透镜，半孔径为1mm、孔径比例为0.2的低通面，半孔径为0.2mm的高通面，半孔径为1mm的频谱平面，半孔径为10mm的矩形探测平面，建立完成后实体模型如下图：

阿贝成像过程通过图3(a)OAS计算模型进行数值仿真，模型中平行光入射，产生六边形物，如图(b)所示，成像过程通过传输和透镜实现，在计算模型中的第二个传输的传输距离设计为从透镜到后焦平面长度，第三个传输的传输距离与第二个传输距离相加正好为像距，在像的位置获得六边形物，如图(c)所示。通过光衍射传输模拟显示了阿贝成像过程。

为了充分体现阿贝成像过程的物理意义，当在计算模型中的第二个传输处放置可以起到光澜作用的光束调制器，通过低通滤波和高通滤波，阿贝成像的分频与相干叠加过程，计算模型同图3(a)。图4(a)是低通滤波后，在焦平面上的空间频谱分布（即将高阶衍射光斑滤除），产生的像为没有细节的平行光束，如图(b)。如果滤除低频成分，图(c)给出了通过的高频成分分布；图(d)高通滤波后的像，主要体现物的轮廓。