光电实验

光电综合实验（2）

实验报告

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类型大型综合实验

指导教师：

年月日

实验一阿贝成像原理和空间滤波实验

1.引言

阿贝所提出的显微镜成像的原理以及随后的阿—波特实验在傅里叶光学早期发展历史上具有重要的地位。这些实验简单而且漂亮，对相干光成像的机理、对频谱的分析和综合的原理做出了深刻的解释。同时，这种用简单模板做滤波的方法，直到今天，在图像处理中仍然有广泛的应用价值。

人眼对灰度图像的分辨率是不高的，最多有15~20个层次。但是人眼对色度的识别能力却很高，可以分辨数十种乃至上百种色彩。若能将图像的灰度分布转换为彩色分布，势必大大提高人们对图像的分辨能力，这种技术称为图像的假彩色编码。黑白图像的假彩色化已经在遥感、生物医学、信息处理中得到了广泛的应用。

1．1实验目的和意义

1、通过实验来重新认识夫琅禾费衍射的傅里叶变换性质，加深对空间频率、空间频谱和空间滤波等概念的理解；

2、熟悉阿贝成像原理，从信息量的角度理解透镜孔径对分辨率的影响；

3、完成一维空间滤波、二维空间滤波及高通空间滤波；

4、掌握θ调制假彩色编码的原理；

5、巩固和加深对光栅衍射基本理论的理解；

6、通过实验，利用一张二维黑白图像获得假彩色编码图像；

7、巩固光学实验中有关光路调整和仪器使用的基本技能。

2.系统概述

2．1 系统原理

1、共轴光路调节

调节激光束平行于光具座，并位于光具座正上方，把屏Q插在光具座滑块上，

并移近激光架L

S ，把L

S

作上下、左右移动，使光束偏离O，调节L

S

的俯仰及侧转，

使光束又穿过小孔；再把Q推至L

S

边上，反复调节，直到Q在光具座平移时激

光束均穿过O为圆心的孔，以后就不再需要改变L

S

的位置。

图1 共轴光路调节

在做以下几个实验时，都要用透镜，在加入透镜L后，如激光束正好射在L的光心上，则在屏Q上的光斑以0为中心，如果光斑不以O为中心，则需调节L的高低及左右，直到经过L的光束不改变方向(即仍打在0上)为止；此时在Ls处再设带有圆孔P的光屏，从L前后两个表面反射回去的光束回到此P上，如二个光斑套准并正好以P为中心，则说明L的光轴正好就在P、O连线上．不然就要调整L的取向．如光路中有几个透镜，先调离Ls最远的透镜，再逐个由远及近加入其他透镜，每次都保持两个反射光斑套准在P上，透射光斑以O为中心，则光路就一直保持共轴。

2、阿贝二次成像过程

阿贝成像原理认为，透镜的成像过程可以分成两步：第一步是通过物的衍射光在透镜后焦面(即频谱面)上形成空间频谱，这是衍射所引起的“分频”作用；第二步是代表不同空间频率的各光束在像平面上相干叠加而形成物体的像，这是干涉所引起的“合成”作用。成像过程的这两步本质上就是两次傅里叶变换。如果这两次傅里叶变换是完全理想的，即信息没有任何损失，则像和物应完全相似。如果在频谱面上设置各种空间滤波器，挡去频谱某一些空间频率成份，则将会使像发生变化。空间滤波就是在光学系统的频谱面上放置各空间滤波器，去掉(或选择通过)某些空间频率或者改变它们的振幅和相位，使二维物体像按照要求得到改善。这也是相干光学处理的实质所在。

图2 阿贝二次成像过程

按照上图所示阿贝成像原理搭建光路，仪器可按照实验设备表单自选，数量不限，以二维光栅作为物体，激光器作为光源，实现二维光栅的频谱输出，观察二维光栅频谱特点，并测量二维光栅物体的频率。

设计实验内容：

1、二维光栅物空间滤波

学生自行从实验设备表单中选取合适仪器实现二维光栅物频谱的滤波。分别实现空间频谱的低通滤波，高通滤波，方向滤波。通过各种滤波过程观察屏上条纹的变化情况并加以解释。 2、θ调制假彩色编码

依据设计实验1的基本结论，总结出空间频谱与物体像之间的关系。以三维光栅（天安门光栅）作为物体，以光纤白光源为光源，设计合理的滤波实验方案实现蓝天、红楼和绿地的θ调制假彩色编码图像输出。

2．2仪器说明

1）氦氖内腔激光器，功率5mw ，波长632.8nm ，激光发散角度0.002mrad 。 2）空间滤波器，40X 物镜，D0.1mm 针孔。 3）直径

可调光阑。

4）二维正交光栅。

5）二维傅里叶变换透镜，100mm φ，150f mm = 6）宽度可调狭缝。

7）镜架，激光夹持器，磁性吸座，干板夹，支杆若干。

8）光纤白光源，功率25W,光纤耦合输出端，纤芯直径1mm。9）三维光栅。

φ=。

10）准直镜，50,500

mm f mm

11）白屏

3.实验步骤

1)共轴光路调节

2)阿贝二次成像过程

3)二维光栅物空间滤波

4)θ调制假彩色编码

4实验要求：

1.实验前查阅资料，了解掌握以下内容：

（1）物体空间频谱的概念和意义

（2）傅里叶变换光学的基本原理

（3）空间滤波的基本原理及常见空间滤波器组成

2.依据所提供各光学元件的基本参数，合理设计实验系统。

光学元件的使用依据光学精密仪器使用规则。

4.实验数据与处理

1.像面

2.平面光栅频谱图

撤去频谱面，找到像面，在像面上所成的像是致密的网格。

3．狭缝遮挡后的平面光栅的成像情况

将狭缝放在频谱面上遮挡住垂直方向上的光线，在像面出现竖直的亮条纹，而遮挡水平方向上的光线，在像面出现横向的亮条纹。

5.三维光栅的频谱图