光学信息处理试验.pdf

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1、光学信息处理实验 阿贝成像与空间滤波实验.1&调制 光栅自成像实验 阿贝成像与空间滤波实验 光学信息处理是在上世纪中叶发展起来的一门新兴学科，1948 年首次提岀全息术，1955 年建立光学传递函数的概念，1960 年诞生了强相干光一一激光，这是近代光学发展历史上的 三件大事。而光学信息处理的起源，可以追溯到阿贝的二次成像理论的提出和空间滤波技术 的兴起。空间滤波的目的是通过有意识地改变像的频谱，使像产生所希望地变换。光学信息 处理则是一个更为广阔地领域，它主要是用光学方法实现对输入信息的各种变换或处理。阿 贝于 1893 年，波特于 1906 年为验证这一理论所作的实验，说明了成像质量与系统

2、传递的空 间频谱之间的关系。实验目的 频谱滤波实验是信息光学中最典型的实验，通过对频谱的观察和动手完成阿贝一一波特实 验（方向滤波），高通滤波、低通滤波实验，可加深对傅立叶信息光学中的空间频率、空间频 谱、空间滤波和阿贝成像原理的理解和认识。首先，叙述一下实验原理。实验原理 阿贝认为在相干的平行光照明下，透镜的成像可以分为两步，第一步是平行光透过物体后 产生的衍射光，经透镜后在其后焦面上形成衍射图样。第二步是这些衍射图上的每一点可以 看作是相干的次波源，这些次波源发出的光在像平而上相干叠加，形成物体的几何像。成像的这两步，从频谱分析的观点来看，本质上就是两次傅立叶变换，如果物光的复振幅 分布是

3、 g（x,y。），可以证明在物镜后焦面（,）上的复振幅分布是 g（xo.yo）的傅立叶变换 G（人，人）（只要令人=厶，人=丄：几为波长，f为透镜的焦距）。所以第一步就是将物 可 4/光场分布变换为空间频率分布，衍射图所在的后焦而称频谱而（简称谱而或者傅氏而）。第二 步是将谱而上的空间频率分布作逆傅氏变换还原成为物的像（空间分布）。按照频谱分析理论,谱而上的每一点均有以下四点明确的物理意义。第一点：谱面上任一光点对应着物而上的一个空间频率分布。第二点：光点离谱而中心的距离标志着物面上该频率成分的高低，离中心远的点代表物 而上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物而的低频成分，反映物

4、的粗轮 魔，中心亮点是 0 级衍射即零频，她不包含任何物的信息，所以反映在像面上呈现均匀的光 斑而不能成像。马赫一泽德干涉仪 .9 第三点：光点的方向是指岀物平而上该频率成分的方向，例如横向的谱点表示物而有纵 向柵缝。第四点：光点的强弱则显示物而上该频率成分的幅度大小。如果在谱而上人为的插上一些滤波器（吸收板可移相板）以改变谱而上的光场分布，就 可以根据需要改变像而上的光场分布，这就叫空间滤波。最简单的滤波器就是一些特种形状 的光阑。把这种光阑放在谱而上，使一部分频率分呈能通过而挡住其它的频率分量，从而使 像平而上的图像中某部分频率得到相对加强或者减弱，以达到改善图像质量的目的。常用的 滤波方

5、法有如下这些。1.低通滤波 低通滤波目的是滤去髙频成分，保留低频成分，由于低频成分集中在谱而的光轴（中心）附近，高频成分落在远离中心的地方，所以，低通滤波器就是一个圆孔。图像的精细结构及 突变部分主要由高频成分起作用，所以经过低通滤波器滤波后图像的精细结构将消失，黑白 突变处也变的模糊。2.髙通滤波。高通滤波目的是滤去低频成分而让髙频成分通过，滤波器形状是一个圆屏。其 结果正好与前而的低通滤波相反，是使物的细节及边缘淸晰。3.方向滤波（波特实验）。只让某一方向（如横向）的频率成分通过，则像而上将突出了物的 纵向线条。这种滤波器呈狭缝状。实验仪器 L：准直透镜 0：物（光栅）L：、L；：付里叶变

6、换透镜 Pi：频谱面 P：像平面 M：全反射镜 C：扩束镜 E：光栅 图 1 实验装巻光路图 物而 0 处可放置透射的一维光栅和正交光栅（网格），谱面处放各种滤波器（形状不同的 光阑，狭缝等）。按图 1 调肖光路，使激光朿经过 C、L 扩朿后准宜后，形成大截面的平行光 照在物而上，移动 LJ吏像面匕上得到一个放大的实像，并使谱而的衍射图适于冬种滤波器的 大小，以便于滤波处理。例如当f=250mm时,则可选光栅常数d=0.mm:像面（x,y）可以放得比较远一些，能获得较大的放大倍数，以便看到光栅淸晰放大的像。首先，观察空间滤波的现象。物而上放置一维光栅，光栅条纹沿铅直方向，频谱而上可 以看到水平

7、排列的等间距衍射光点如图 2（a）所示，中间最亮的点为 0 级衍射，两侧分别为 1,2,级衍射点。像而上可以看到黑白相间且界线明显的光栅像。实验步骤 一.在频谱面上可以放一个可调狭缝，逐步缩小狭缝，使只有 0 级，1 级衍射通过，如 图 2(b)0像而上光栅像变为正弦形，光栅间距不变。但明暗条纹之间是逐步渐变的。二.进一步缩小狭缝，仅使 0 级衍射通过，如图 2(c),这时像而上虽然有亮斑，但不出 现光栅像。三.在谱而上加上光阑，使 0 级，2 级通过，如图 2(d),则像而上的光栅像的空间频 率加倍。四.用光阑挡去 0 级衍射而使其它衍射光通过，如图 2.2(e),则像而上发生反衬度的半 反

8、转，即原来的暗条纹的中间出现细亮线，而原来的亮条纹仍然是亮的。00 0。爲勿。艺 图 2 空间滤波 (a)(b)(c)(d)(c)&调制&调制彩色合成概况 阿贝成像理论，成功地提岀了“频域”概念，以及二次成像过程。&调制彩色合成（分 光滤波）是阿贝成像基本原理的应用，是基于改变频谱，从而获得需要的像，即将原始像变 换成按一左角度的光柵调制像，将该调制像宜于光路中，当用白光照明后进行适当的空间滤 波处理，实现假彩色编码，从而得到彩色的输出像：当使用单色光照明，则在像平而上各部 分呈现不同的灰度，得到有着明暗变化的输出像。&调制彩色合成原理 0 调制就是以不同取向的光栅，调制物平而的不同部位，经过

9、空间滤波以后，使像平面 上各相应部位呈现不同的色彩。这里物平面上放置的是用全息照相方法制作的一个 0 调制图像（0 调制板），即由不同取向的光栅组成的图像，例如图 1 所示图中的大地（草地）、房子、天空分别由三个不同取向的光栅组成，这里三个光栅取向务相差 60。图 2&调制彩色合成原理图 光源 I 经透镜扩朿为平行光束照射物 匕（0 调制板），经透镜厶在人上呈现频谱，卩 2 即为频谱而，也为滤波而，再经过成像透镜将物成像在 A 上。这时在卩 2 平而上可以看到 光柵的彩色衍射图，如图 图 3&调制彩色合成频谱 三个不同取向的衍射极大值是相应于不同取向的光栅，也就是分别相应于图像中的天空、房子和

10、草地，此时这些衍射极大值除了零级以外都有色散，波长短的蓝光具有较小的衍射角,英次为绿光，而红光的衍射角最大。通过在面上对相应像的光的频谱操作，就会在屏上出现所想要物的彩色像，如：蓝天、红房、绿草地的彩色图像，如图所示：2.3 空间滤波 典型的三透镜滤波系统如图 2.7 所示:图 2.7 三透镜系统 两次傅立叶变换的任务 0 由一个透镜承担。两透镜之间的距离是两透镜的焦距之和，系3 所示:天空 蓝天 红房子 绿草地 图 2.6&调制彩色合成成像 房子 像 统的垂轴放大率等于两个透镜焦距之比有时为了简单起见，常取两者焦距相等，于是从输入平而到输出平而之间，各个元件相 距 f,这种系统简称为 4f

11、系统。若输入透明片宜于片平而上,英复振幅透过率为/Sy）,用 单位振幅的相干平而波垂直照射，则在平而上得到物体的频谱丿：若在这个平 而上放宜滤波器，令苴振幅透过率吃，）2）正比于 I 丿，则滤波器后方的广场分布等 两个函数乘积的傅立叶变换，在我们采用的反演坐标系下，输出平而光场的复振幅分布为：g（儿）=严 丿 5羽丿二/（心儿）*/心 3，儿）式中：/（心亠）是物体/（）的几何像：h 是 H 的逆傅立叶变换，称为滤波器的脉冲 响应。从频域来看系统改变了输入信息的空间频谱结构，这就是空间滤波或频域综合的含 义：从空域来看，系统实现了输入信息与滤波器脉冲响应的卷积，完成了所期望的一种变换。实验原理

12、 图 4.2&调制彩色合成原理图 图 4.2 中，片、人分别为物而、频谱面和像面，厶为准直透镜，厶和乙都为变换 透镜。实验步骤 白光点光源 I 通过透镜 L 准直后照射弓（物光栅，即 0 调制板），经过透镜厶在 1（液 晶空间光滤波器）上呈现出彩色频谱，为实验中滤波器实现选频，往往是用一个纸板充当，在纸板上呈现颜色的相应部位扎孔，从而达到滤波的作用；或者用一块熏黑的玻璃板充半滤 波器，当需要什么颜色时，就在相应颜色部位用针尖抹去烟灰，从而“滤波”。通过一级频 谱带滤波的作用，实现想得到最终像为蓝天、绿地、红房子。于两个函数相乘，即 21 O 这样，就在厶的后焦而上即输岀平而上得到 黑白编码片

13、锁谱滤波 解码彩色图像 实验目的 掌握光栅自成像原理，学习观察光栅自成像方法，了解学习光柵自成像应用，掌握干涉 滤光片特性，学习通过观察光栅自成像确左光源的谱线宽度和测量相干长度。实验原理 光栅自成像也称泰伯效应，它是一种不需透镜成像的过程。如图 1 所示，用单色平而波 照射光栅，在光栅前后能多次成像，多次成像是等间距的，成在光栅前的像为虚像，成在光 栅后的像是实像。设光栅的振幅透射系数为/（心 yj=05+058S（2XT/）.)=|x j*+壬 exp(i2 龙(兀一y)/)+exp(T2 龙(x_2/2z)6/6y=(zz)1 exp(ilTrx/d)expj-iA7rz.d2 j ex

14、p(-/2(x-6y)/6/)exp(z/：6y2/2z)6/ey=(/iz)l,2exp(-/2x/J)exp-/XTO/2 因此(5)式可化为：E=0.5+0.5exp-/lzJ-2cos(2x/J)(6)光栅自成像 实验(3)(4).5)图 1 光栅自成像原理图 上式中已略去括号前对强度分布没有影响的常数相位因子 exp(%z)。可见正弦光栅菲涅耳衍 射的复振幅分布E(x.y)与光栅的振幅透射系数只相差一个与位置 z 有关的相位因子。实验装置 图 2 光栅自成像实验装苣图 干涉滤光片(将光源发岀的光变成収色光)透镜光栅测微目镜 实验步骤(1)调节光路，经过滤光片后出射一朿红光照射在透镜上

15、，光束经透镜后变为平行光入射 到光栅上。(2)调节读数显微镜的位苣，观察到淸晰的条纹。(3)逐渐移动读数显微镜，逐渐拉远显微镜，条纹边的模糊，到了一左距离又岀现淸晰条 纹。记录两次出现条纹时显微镜变化距离(4)逐渐移动读数显微镜，逐渐拉远显微镜，到了一左距离以后再不出现条纹了。图 3 光栅像 图 4 光栅像强度变化曲线 光栅到毛玻璃屏的轴向距藹 z=148“正弦光栅菲涅耳衍射的复振幅分布(x,y)与 光栅的振幅透射系数只相差一个与位置 z 有关的相位因子。显然当z=2md2/A(加=0,1)时，菲涅耳衍射的振幅分布与光栅的振幅透射系数完全相同，为光栅的自成像,满足式的自成像的距离 z 称为泰伯

16、效应。条纹的光强度沿 x 轴方向作余弦平方变化，变化曲 线如图 4 所示。思考题 如何通过光栅自成像测量滤波器带宽和光源的相干长度，如何实现两光栅非接触获得莫尔 条纹。马赫一泽德干涉仪 一实验目的 1 掌握马赫-泽徳干涉原理与调整 2 学会调整马赫-泽徳干涉平行光的方法 测微目垃 二实验原理 1 干涉光路原理 马赫-泽徳干涉仪是一种用分振幅法产生双光朿以实现干涉的仪器。如图 1 所示，它主要 由两块 50%的分朿镜 BS1,BS2 和两块全反射镜 Ml,H2 组成，四个反射而互相平行，中心光路 构成一个平行四边形。扩朿镜 C 和准直镜 L 共焦以后产生平行光。平行光射到 BS1 上分成两 束，

17、这两束光经过 H2,M3 反射在BS2 上相遇产生干涉，在 BS2 后的白屏（或毛玻璃屏）P 上 可观察到下涉条纹。如条纹太细可用显微镜接收。可以看到，此时的 F涉条纹为等距直条纹。当改变两束光的夹角时，干涉条纹的间距会发生变化；当改变其中一朿光的光程时，条纹对 图 1 马赫一泽徳干涉光路 2 调整平行光的方法 以图 1 为例，在 Ml 后面适当位置放入准直透镜 L,微调透镜 L 的 Z 轴方向微调旋钮（“旋 转”旋钮及“俯仰”旋钮），使激光束垂直入射在 L 的光心上，实现共轴调整，此时可在 L 前 后看到一系列光点和激光朿主光线在同一直线上，无一光点发生偏离。在 L 和 H1 之间放入扩 束

18、镜 C,使 C 和 L 之间的距离大约为 C 和 L 的焦距之和，在 C 后放入一白屏，微调 C 的“旋钮”,“俯仰”旋钮，使扩束后在白屏上得一均匀的高斯斑并且使 C 和 L 共周；沿光轴方向微调 C,改变 C 和 L 之间的距离，使扩朿准直后的光斑在较长距离（几米）内不发生变化，即得到平 行光。三实验仪器：氮氛激光器 Ml,M2,M3:全反射镜 C:扩束镜 L:准直透镜 BS1.BS2 0.5:0.5 分束镜 P：白屏 四实验步骤：1 点燃激光器 2 调平行光 3 按光路搭接实验器件 4 全光路调整 五实验内容 1 在白屏上观察平行，等距的宜条纹的间距，微调 M2 和 M3 的旋转旋钮改变两

19、朿光的夹角观 察干涉条纹间距的变化情况，并分析原因。2 改变 M3 的位巻实现改变干涉仪一臂的臂长，观察干涉条纹的对比度有什么变化，析光远 的相干长度对干涉条纹的影响。3 用手轻轻按一下防震台面，或触摸一下台上的光学元件支座，观察干涉花样有什么变化，记录条纹恢复稳左所需的时间，可判断防箴台的消震性能（一般应在 5 秒内恢复）。4 在防震台周围疋动，跳跃，或用手在马赫一泽徳干涉光路的一臂中扰动空气，观察干涉花 样淸晰度的变化并测泄条纹淸晰度恢复所需的时间，可了解防丧台的隔丧性能（一般应 在 3 秒内恢复）。5 观察条纹在没有自身冲击和外界干扰的情况下，条纹漂移情况。一般说来，5 分钟条纹漂 移不

20、超过一才合格。马赫一泽德干涉仪测定空气的折射率 一实验目的：学会用马赫-泽徳干涉仪测左空气的折射率。二实验原理 本实验采用了如图 2 所示的马赫-泽徳干涉仪，其原理是利用两朿光干涉的方法测左空气 的折射率。马赫-泽徳干涉仪的干涉条纹稳怎，不易受外界干扰，所以易分辨淸楚。如果气室 长度相同，马赫-泽徳干涉仪条纹移动的数目 7 将比迈克尔逊涉仪千涉条纹移动的数目 N 少 一半，虽然理论上马赫-泽徳干涉仪测量空气折射率的精度是迈克尔逊干涉仪精度一半，但马 赫-泽徳干涉仪光路长，实际充气管都很长，所以测量精度依然很高。三实验仪器：Pl,P2 为分光板为反射镜,L1 为扩束镜,L2 为准直透镜，用 He

21、-Ne 激光作光源，在光 路 I 中放程一气室，气室两端用圆形玻璃片密封,气室下方接一，个三通阀，阀的一端接机械真 空泵，列一端接针状放气管，为进行光程补偿,在光路 I 中加两块与气室玻璃窗厚度与材质皆相 同的玻璃片，补偿色散。五实验结果 实验要重复多次,每次对气室抽空应达 10-2 mmHg,真空度用真空计测量（或用火花放电 器根拯气体放电颜色判断），实验过程中室温应保持变化很小，通过针阀向气室充待气体时又 非常缓慢，可认为实验是在等温条件下进行的，不考虑温度变化对折射率的影响，把相关量 计算代入公式（2）。把实验测得空气折射率的平均值与实际值 1.0002917（几二 632.8nm）比较

22、,计算相对和绝对误差。一般实验的测戢空气的折射率比的公认值（n 二 1.0002917）偏小，主要原因是由于气室 内的真空度不够高，这样心1,而使光程差变小，值偏小，另外 n 二 1.0002917 是指在标准 温度（0”C）、标准压力（p=1.013x105pa）和干燥空气条件下，本实验条件与上述的条件不 同。（注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关 注！）四实验步骤:实验时，按其光路，调节各元件，使在屏上出现间距较宽（便于观察）的稳左干涉条纹，然后将气室抽成真空，设其光程差为（仏（5 为真空 折射率，L 为气室长度），再通过针阀使待测气体缓慢进入气室,宜到与 抽空前大气压相同,这时气室这段光程由变为 nL（n 为空气的折射 率），相应的条纹移动数目为 N,由光的干涉原理可知，移动一条下涉条纹，相当与光程差改变一 个波长，于是得 nLnL=N入 图 2 马赫-泽徳干涉仪测泄气体折射率 图 3 千涉条纹