光學信息處理實驗

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1、光學信息處理實驗阿貝成像與空間濾波實驗1調(diào)制4光柵自成像實驗7馬赫—澤德干涉儀9阿貝成像與空間濾波實驗光學信息處理是在上世紀中葉發(fā)展起來的一門新興學科，1948年首次提出全息術(shù)，1955年建立光學傳遞函數(shù)的概念，1960年誕生了強相干光——激光，這是近代光學發(fā)展歷史上的三件大事。而光學信息處理的起源，可以追溯到阿貝的二次成像理論的提出和空間濾波技術(shù)的興起?？臻g濾波的目的是通過有意識地改變像的頻譜，使像產(chǎn)生所希望地變換。光學信息處理則是一個更為廣闊地領域，它主要是用光學方法實現(xiàn)對輸入信息的各種變換或處理。阿貝于1893年，波特于1906年為驗證

2、這一理論所作的實驗，說明了成像質(zhì)量與系統(tǒng)傳遞的空間頻譜之間的關(guān)系。實驗目的頻譜濾波實驗是信息光學中最典型的實驗，通過對頻譜的觀察和動手完成阿貝——波特實驗（方向濾波），高通濾波、低通濾波實驗，可加深對傅立葉信息光學中的空間頻率、空間頻譜、空間濾波和阿貝成像原理的理解和認識。首先，敘述一下實驗原理。實驗原理阿貝認為在相干的平行光照明下，透鏡的成像可以分為兩步，第一步是平行光透過物體后產(chǎn)生的衍射光，經(jīng)透鏡后在其后焦面上形成衍射圖樣。第二步是這些衍射圖上的每一點可以看作是相干的次波源，這些次波源發(fā)出的光在像平面上相干疊加，形成物體的幾何像。成像的這

3、兩步，從頻譜分析的觀點來看，本質(zhì)上就是兩次傅立葉變換，如果物光的復振幅分布是g(x0,y0),可以證明在物鏡后焦面上的復振幅分布是g(x0,y0)的傅立葉變換G（只要令；為波長，?為透鏡的焦距）。所以第一步就是將物光場分布變換為空間頻率分布，衍射圖所在的后焦面稱頻譜面（簡稱譜面或者傅氏面）。第二步是將譜面上的空間頻率分布作逆傅氏變換還原成為物的像（空間分布）。按照頻譜分析理論，譜面上的每一點均有以下四點明確的物理意義。第一點：譜面上任一光點對應著物面上的一個空間頻率分布。第二點：光點離譜面中心的距離標志著物面上該頻率成分的高低，離中心遠的點代

4、表物面上的高頻成分，反映物的細節(jié)部分?？拷行牡狞c，代表物面的低頻成分，反映物的粗輪廓，中心亮點是0級衍射即零頻，她不包含任何物的信息，所以反映在像面上呈現(xiàn)均勻的光斑而不能成像。第三點：光點的方向是指出物平面上該頻率成分的方向，例如橫向的譜點表示物面有縱向柵縫。第四點：光點的強弱則顯示物面上該頻率成分的幅度大小。如果在譜面上人為的插上一些濾波器（吸收板可移相板）以改變譜面上的光場分布，就可以根據(jù)需要改變像面上的光場分布，這就叫空間濾波。最簡單的濾波器就是一些特種形狀的光闌。把這種光闌放在譜面上，使一部分頻率分量能通過而擋住其它的頻率分量，從而

5、使像平面上的圖像中某部分頻率得到相對加強或者減弱，以達到改善圖像質(zhì)量的目的。常用的濾波方法有如下這些。1．低通濾波低通濾波目的是濾去高頻成分，保留低頻成分，由于低頻成分集中在譜面的光軸（中心）附近，高頻成分落在遠離中心的地方，所以，低通濾波器就是一個圓孔。圖像的精細結(jié)構(gòu)及突變部分主要由高頻成分起作用，所以經(jīng)過低通濾波器濾波后圖像的精細結(jié)構(gòu)將消失，黑白突變處也變的模糊。2．高通濾波。高通濾波目的是濾去低頻成分而讓高頻成分通過，濾波器形狀是一個圓屏。其結(jié)果正好與前面的低通濾波相反，是使物的細節(jié)及邊緣清晰。3．方向濾波（波特實驗）。只讓某一方向(如

6、橫向)的頻率成分通過，則像面上將突出了物的縱向線條。這種濾波器呈狹縫狀。實驗儀器P2L2　P1L1OLE激光器MC　　　　　　　　ffffL：準直透鏡O：物（光柵）L2、L1：付里葉變換透鏡P1：頻譜面P2：像平面M：全反射鏡C：擴束鏡E：光柵圖1實驗裝置光路圖物面O處可放置透射的一維光柵和正交光柵（網(wǎng)格），譜面處放各種濾波器（形狀不同的光闌，狹縫等）。按圖1調(diào)節(jié)光路，使激光束經(jīng)過C、L擴束后準直后，形成大截面的平行光照在物面上，移動L1使像面P2上得到一個放大的實像，并使譜面的衍射圖適于各種濾波器的大小，以便于濾波處理。例如當時，則可選光柵

7、常數(shù)；像面（x，y）可以放得比較遠一些，能獲得較大的放大倍數(shù)，以便看到光柵清晰放大的像。首先，觀察空間濾波的現(xiàn)象。物面上放置一維光柵，光柵條紋沿鉛直方向，頻譜面上可以看到水平排列的等間距衍射光點如圖2（a）所示，中間最亮的點為0級衍射，兩側(cè)分別為，……級衍射點。像面上可以看到黑白相間且界線明顯的光柵像。實驗步驟一．在頻譜面上可以放一個可調(diào)狹縫，逐步縮小狹縫，使只有0級，級衍射通過，如圖2（b）。像面上光柵像變?yōu)檎倚?，光柵間距不變。但明暗條紋之間是逐步漸變的。二．進一步縮小狹縫，僅使0級衍射通過，如圖2（c），這時像面上雖然有亮斑，但不出現(xiàn)光

8、柵像。三．在譜面上加上光闌，使0級，級通過，如圖2（d），則像面上的光柵像的空間頻率加倍。四．用光闌擋去0級衍射而使其它衍射光通過，如圖2.2（e），則像面上發(fā)生反