光学信息处理实验

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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4光栅自成像实验7马赫—泽德干涉仪9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年首次提出全息术，1955年建立光学传递函数的概念，1960年诞生了强相干光——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

2、这一理论所作的实验，说明了成像质量与系统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——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面上相干叠加，形成物体的几何像。成像的这

3、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g(x0,y0),可以证明在物镜后焦面上的复振幅分布是g(x0,y0)的傅立叶变换G（只要令；为波长，ƒ为透镜的焦距）。所以第一步就是将物光场分布变换为空间频率分布，衍射图所在的后焦面称频谱面（简称谱面或者傅氏面）。第二步是将谱面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，谱面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面上的一个空间频率分布。第二点：光点离谱面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

4、表物面上的高频成分，反映物的细节部分。靠近中心的点，代表物面的低频成分，反映物的粗轮廓，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。第三点：光点的方向是指出物平面上该频率成分的方向，例如横向的谱点表示物面有纵向栅缝。第四点：光点的强弱则显示物面上该频率成分的幅度大小。如果在谱面上人为的插上一些滤波器（吸收板可移相板）以改变谱面上的光场分布，就可以根据需要改变像面上的光场分布，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。把这种光阑放在谱面上，使一部分频率分量能通过而挡住其它的频率分量，从而

5、使像平面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。常用的滤波方法有如下这些。1．低通滤波低通滤波目的是滤去高频成分，保留低频成分，由于低频成分集中在谱面的光轴（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．高通滤波。高通滤波目的是滤去低频成分而让高频成分通过，滤波器形状是一个圆屏。其结果正好与前面的低通滤波相反，是使物的细节及边缘清晰。3．方向滤波（波特实验）。只让某一方向(如

6、横向)的频率成分通过，则像面上将突出了物的纵向线条。这种滤波器呈狭缝状。实验仪器P2L2　P1L1OLE激光器MC　　　　　　　　ffffL：准直透镜O：物（光栅）L2、L1：付里叶变换透镜P1：频谱面P2：像平面M：全反射镜C：扩束镜E：光栅图1实验装置光路图物面O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调节光路，使激光束经过C、L扩束后准直后，形成大截面的平行光照在物面上，移动L1使像面P2上得到一个放大的实像，并使谱面的衍射图适于各种滤波器的大小，以便于滤波处理。例如当时，则可选光栅

7、常数；像面（x，y）可以放得比较远一些，能获得较大的放大倍数，以便看到光栅清晰放大的像。首先，观察空间滤波的现象。物面上放置一维光栅，光栅条纹沿铅直方向，频谱面上可以看到水平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，……级衍射点。像面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，级衍射通过，如图2（b）。像面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），这时像面上虽然有亮斑，但不出现光

8、栅像。三．在谱面上加上光阑，使0级，级通过，如图2（d），则像面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），则像面上发生反